光の速度を制御できる新しいプログラム可能なフォトニックチップ

ソウル国立大学とソウル市立大学の研究者らは、必要に応じて光の速度を遅らせることができるプログラム可能なフォトニック集積回路を開発しました。この研究は、ソウル国立大学電気・コンピュータ工学科のNamkyoo Park教授とSunkyu Yu教授、そしてソウル市立大学電気・コンピュータ工学科のXianji Piao教授が主導し、成果は『Advanced Science』誌に掲載されました。

生成AIや大規模AIモデルの急速な成長により、データセンターやサーバーに必要な計算能力が急増しています。従来の電子半導体はエネルギー消費とデータ伝送速度の限界に直面しており、光を利用して情報を処理する光コンピューティングへの関心が高まっています。光は高速で低消費電力の可能性を秘めていますが、固定速度で伝わるため、光信号を遅延させたり一時的に保持したりすることが難しいという課題があります。

研究チームは、「結合共振器誘導透明化（CRIT）」と呼ばれる現象を利用しました。CRITは複数の光共振器間の干渉により、特定の周波数範囲の光を通過させると同時にその速度を低下させます。従来のCRITデバイスは製造後に動作特性が固定され、異なる遅延時間や周波数範囲に対応するには新しいデバイスを設計・製造する必要があり、光通信システムやデータセンターの複雑さとコストを増大させていました。

研究者たちは、CRITシステム内の「明るいモード」と「暗いモード」という2つの光状態を1つの統合された自由度として扱い、2つの制御可能なループカプラを追加するという新しい戦略を考案しました。これにより、従来は製造後に固定されていた共振器配置を、異なる目的に合わせて調整できるようになりました。新しいCRIT構造を用いることで、光の動きを必要に応じて遅延・制御できることを実証し、明るいモードと暗いモードの間の干渉も単一の設計パラメータとして扱えることを示しました。

理論的には、2つのループカプラを使用して、通過帯域の帯域幅と形状を調整し、信号の遅延時間と伝送効率を制御できます。つまり、複数の共振器を含むシステム全体で光信号の速度と伝送特性を再構成可能であり、単一の共振器に限定されません。数値シミュレーションでは、光パルスの速度を回路動作中に動的に調整でき、遅延時間の変更が処理性能を低下させないことが示されました。また、追加の専用コンポーネントを必要とせずに光の周波数変換も可能です。

実用性を検証するため、研究者らはシリコン窒化物（Si3N4）フォトニック集積回路プラットフォーム上での3次元電磁界シミュレーションを実施しました。材料損失、共振器品質係数のばらつき、後方散乱、結合変動、ループカプラの位相誤差、熱クロストークなど、実際の製造・運用時に発生するさまざまな問題を評価した結果、提案構造は現実的な条件下でも信頼性高く動作することが示されました。

この研究は、光信号の時間的および周波数的特性をリアルタイムで制御できるプログラム可能なフォトニックプラットフォームを導入するものです。従来の光学遅延デバイスの固定機能の限界を克服し、信号同期、調整可能な遅延線、光バッファ、周波数変換などの複数の重要な機能を1つのフォトニック回路に統合できる可能性があります。また、この設計原理はCRITシステム以外の共振器ベースのフォトニック回路にも応用可能であり、より適応性の高い光信号処理技術の基盤を提供する可能性があります。

もしこの技術が商業化されれば、単一のプログラム可能な光チップが複数のタスクを実行でき、ソフトウェア定義システムのように動作します。これにより、データセンターやAIサーバーは情報をより効率的に処理し、エネルギー消費を削減できるでしょう。さらに、複数の信号処理機能を1つのチップに統合することで、光通信機器やセンサーシステムの小型化・低コスト化も期待できます。長期的には、自動運転、次世代通信、量子技術など、超高速情報処理を必要とする産業を支援する可能性があります。

論文の共同責任著者であるNamkyoo Park教授は「この研究は、フォトニック集積回路内の光の流れを必要に応じて再構成できる新しい設計原理を提案し、設計の柔軟性を大幅に高めた点で重要です。今後は、シリコンフォトニクスとフォトニックAI技術に基づく大規模プログラム可能フォトニック集積回路へと拡張する予定です」と述べています。共同第一著者であるSeungkyun Park博士（KAIST InnoCORE PICOREセンター所属、現在はソウル国立大学フォトニックシステム研究所でフォトニックAIと量子光学の研究に従事）と博士課程学生のBeomjoon Chae氏（ソウル国立大学インテリジェント波動システム研究所でプログラム可能フォトニック集積回路の研究）は、「本研究を通じて、従来のフォトニック共振器物理を異なる視点から再解釈することが、フォトニック集積回路の新機能を発見する出発点となり得ることを実感しました。今後は実用的なデバイス実装と実験的検証に向けて研究を進めていきます」と述べています。