生成AIの進化を支える「光電融合」と「シリコンフォトニクス」とは？
最近よく耳にする「生成AI」は、私たちの生活やビジネスに大きな変化をもたらしています。しかし、その裏側では、大量のデータを処理するために膨大な電力が必要とされており、データセンターの消費電力は社会的な課題となりつつあります。
この電力問題を解決し、さらにAIの処理速度を上げるための重要な技術として注目されているのが、「光電融合」と、その最終段階である「シリコンフォトニクス」です。
データ通信の「光化」が進む背景
光は電気と比べて、データを遠くまで送る際の損失が少なく、効率が良いという特徴があります。特に、たくさんのデータを一度に送るほど、光のメリットは大きくなります。
データ通信の「光化」は、1980年代に電話回線で光ファイバーが使われ始めたことから始まりました。インターネットの普及とともに、海底ケーブルを使った大陸間の長距離通信や、私たちの家庭へのインターネット回線にも光ファイバーが広がっていきました。そして今、クラウドサービスが当たり前になったことで、データセンターの中にあるたくさんのコンピューター（サーバー機器）同士をつなぐ通信も光に変わってきています。
この流れを大きく加速させたのが、生成AIのブームです。生成AIでは、サーバー機器の中にある計算を行う部品（演算チップ）の間で、これまでにないほど大量のデータ通信が必要になります。そのため、演算チップと光でデータを受け渡しする部品を一つにまとめた「CPO（Co-Packaged Optics）」という技術の開発が急ピッチで進められています。
光電融合の全体像
サーバー機器の内側で通信を光にする技術が、主に「光電融合」と呼ばれています。これまでのケーブル状の光ファイバーではなく、基板の上に光の通り道（導波路）が作られた「光集積回路」という形に変わっていくため、必要な技術も大きく変化します。国内ではNTTが「IOWN（アイオン）」という構想を掲げ、光電融合技術を使った次世代のネットワーク・情報処理基盤を推進しています。
消費電力の大幅削減
光電融合によってサーバー内の通信を光にすることの最大のメリットは、消費電力を大きく減らせることです。電気通信では、送るデータ量が増えて信号の周波数が高くなると、消費電力が大幅に増えてしまいます。しかし、光通信では、この消費電力を9割以上も削減できると試算されています。
生成AIの普及でデータセンターがどんどん増え、その膨大な電力消費が社会問題となる中で、光電融合の技術動向はますます注目を集めています。
光電融合の最終形「シリコンフォトニクス」
光化のさらに先の最終到達点として、演算チップの中の通信を光にする技術があります。これが、シリコン製の演算チップの中で光を扱うことから「シリコンフォトニクス」と呼ばれ、研究開発が進められています。
シリコンフォトニクスは、演算チップ内の通信を光にするだけでなく、計算そのものを光で行う「光コンピューティング」も含まれます。光が得意とする並行計算や、量子コンピューティングといった分野での活用も期待されています。
世界の研究動向：グラント（研究資金）の分析
アスタミューゼ株式会社が保有する研究資金（グラント）のデータベースを分析したところ、「シリコンフォトニクス」や「光集積回路」に関するグラントは、2016年以降に約700件が確認されました。ただし、中国のデータは開示状況が異なるため除外されています。
主要国の継続的な注力
米国、日本、英国の3カ国が常に全体の7割以上のグラント件数を占めており、これらの国が継続的にこの分野に力を入れていることがわかります。グラント件数に大きな変動はありませんが、いわゆるGAFAM企業が生成AIに本格的に参入し始めた2023年には、研究資金の総額が増加していることが確認できます。
注目される研究事例：シリコン上での光素子形成
グラントの代表的な事例として、最近（2023年以降）に開始され、多額の資金が投じられている3件の研究が紹介されています。これらはいずれも、シリコンの上に光を発する半導体素子（III-V族半導体）をどのように作るか、という共通の課題に取り組んでいます。
光を集積する回路の心臓部である「発光素子」には、特定の性質を持つ半導体が必要ですが、シリコン自体は光を発することができません。そのため、光を発するIII-V族半導体を、相性の良くないシリコンの上に高品質な膜として形成することが、シリコンフォトニクスの最も重要な課題の一つとなっています。
紹介された3件のグラントでは、インクを使った印刷、III-V族半導体の膜をシリコンに貼り合わせる方法、特殊な方法でIII-V族半導体をシリコンの上に直接成長させる方法など、それぞれ異なるアプローチでこの課題解決を目指しています。
論文に見る技術トレンド：何が「熱い」のか？
次に、論文の動向を見てみましょう。2016年以降に公開された関連論文は約7,600件に上ります。
研究発表の増加と中国の存在感
グラントと同様に米国、日本、英国の研究が活発ですが、論文ではグラントの分析から除外されていた中国が2019年以降継続的に件数を伸ばしており、研究体制が拡大していることがうかがえます。カナダ、ベルギー、フランス、ドイツなども上位に名を連ねています。
未来を予測するキーワード分析
論文に含まれるキーワードの出現頻度を分析することで、これから注目される技術や、すでにブームが去った技術を予測できます。
この分析結果から、特に注目すべきキーワードがいくつか浮かび上がってきました。
注目キーワード1：ニオブ酸リチウム (LN)
出現頻度の上昇が高いキーワードのうち、3つが「ニオブ酸リチウム（LN）」に関するものです。ニオブ酸リチウムは、電圧をかけると光の性質が変わる「電気光学効果」が非常に高い結晶で、光に信号を乗せる「光変調器」として優れた性能を持っています。シリコンでも光変調器は作れますが、ニオブ酸リチウムほどの性能は出せません。
シリコン上にニオブ酸リチウムの薄い膜を作るのは非常に難しいのですが、「TFLN」（薄膜ニオブ酸リチウム）や「LNOI」（絶縁層上ニオブ酸リチウム）といった、シリコンと組み合わせやすい材料形態の研究が精力的に進められています。
- 論文事例：Zhejiang University（中国）などの研究グループは、TFLNをシリコン基板に接合して作った光変調器で、低電圧で広い帯域の変調を実現する特殊な電極構造について発表しています。
注目キーワード2：光不揮発性メモリ
3位には、光の状態で情報を一時的に保存できる「不揮発性メモリ」に関するキーワード「non volatile」が入りました。光コンピューティングを実現するためには、光の情報を保存する「光メモリ素子」が非常に重要であり、研究対象としての注目度が高まっています。
- 論文事例：Hewlett Packard Labs（米国）は、電圧で抵抗値が変わる「メモリスタ」という電子素子にIII-V族光半導体層を組み合わせることで、光の吸収波長がメモリスタの状態に応じて切り替わる光メモリ素子を実現したと報告しています。
注目キーワード3：マイクロトランスファー技術
5位の「micro transfer」（マイクロトランスファー）は、III-V族半導体やニオブ酸リチウムといった異なる種類の材料の結晶を、小さなチップの状態でまとめてシリコン基板に転写する製造技術です。この技術は、半導体以外の分野でも、微小なLEDチップを並べて大画面ディスプレイを作る「マイクロLEDディスプレイ」などに応用が検討されており、様々な技術領域での相互利用によってさらに進化していくことが期待されます。
- 論文事例：産業技術総合研究所と古河ファイテルオプティカルデバイス（日本）は、ニオブ酸リチウム基板上に作った薄膜状の光変調器素子を一つずつ分離し、シリコン基板上に転写する製造方法について発表しています。
その他の注目技術
その他にも、光コンピューティングの用途として注目される「quantum computing」（量子コンピューティング）や、シリコンフォトニクスにおける製造プロセスの標準化に関連する「foundry」（ファウンドリー）といったキーワードも上昇傾向にあります。
かつて光変調器の材料として注目されていた「インジウム燐」は、2021年頃からニオブ酸リチウムに主役の座を譲り、研究件数が減少しています。この時期に、研究の焦点がインジウム燐からニオブ酸リチウムへと移ったと言えるでしょう。
さらなる詳細分析はウェブサイトで
本記事では、光電融合の最終段階であるシリコンフォトニクスに関するグラントと論文の動向を中心に解説しました。アスタミューゼ株式会社のウェブサイトでは、光電融合技術に関する特許やスタートアップ企業の動向分析、そして全体のまとめについても詳しく紹介されています。興味がある方は、ぜひ以下のリンクから詳細をご覧ください。
アスタミューゼ株式会社は、このような先端技術の分析を通じて、企業のR&D戦略や事業戦略の構築を支援しています。より詳細な分析やご相談は、以下のリンクからお問い合わせください。
