光電融合の最終段階「シリコンフォトニクス」 ～生成AIを支えるデバイス技術のグラント・論文・特許～

著者：アスタミューゼ株式会社 古川 昭夫 修士（工学）

光電融合とシリコンフォトニクス

光は電気とくらべると伝送距離での損失やエネルギー効率においてすぐれています。その差は伝送容量が高まるほど顕著です。

電気通信を光通信でおきかえる通信の光化は、1980年代に電話局や都市間の中距離通信から光ファイバーによる導入が始まり、インターネットの普及によって海底ケーブルを使った大陸間長距離通信、さらには家庭へのアクセス回線へと普及がすすみました。社会基盤としてインターネット網が整備され、クラウドをベースにしたサービスの普及により、データセンタ内におけるサーバ機器間の通信も光化されています。

この流れを加速したのが生成AIの一大ブームです。生成AIではサーバ機器内の演算チップ間でもとめられる伝送量が大幅に増大するため、演算チップ間の光化が、本格的にはじまっています。演算チップと光送受信器を1つのパッケージ内に実装したCPO（Co-Packaged Optics）製造技術の開発が急ピッチで進んでいます。

さらにその先、光化の最終到達点として演算チップ内通信の光化があります。シリコン製演算チップのなかで光をあつかうことから「シリコンフォトニクス」と呼ばれ、研究開発がすすんでいます。

シリコンフォトニクスには演算チップ内通信の光化だけではなく、演算自体を光でおこなう光コンピューティングもふくまれ、光が得意とする並列計算や量子コンピューティングの用途での活用が期待されています。

サーバ機器の内側における光化がおもに「光電融合」とよばれています。ケーブル状の光ファイバーだった光の伝送路が、光電融合の領域では基板平面上に固定パターンとして形成された導波路からなる光集積回路（Photonic integrated circuit）へと移行するため、必要となるデバイス技術基盤も大きく変化します。国内ではNTTが光電融合技術にもとづいた次世代のネットワーク・情報処理基盤構想をIOWN（アイオン）として全社をあげて推進しています。

ここまでに述べた光化の段階を図1にまとめました。

光電融合によるサーバ内通信の光化による、もっとも大きな効果は消費電力の低減です。伝送容量の増大による信号の高周波数化にともない、電気通信では消費電力が大幅に増大するのに対し、光通信ではこれを９割以上削減できるとの試算がされています（注）。

注：Advanced Packaging and Chiplet Summit, SEMICON Japan（2025年12月17日）
Lionel C. Kimerling, Massachusetts Institute of Technology
「Electronic-Photonic Integration on Silicon: Why and What Next」
https://semi.eventos.tokyo/web/portal/609/event/14407/module/booth/369542/348771

生成AIの普及によるデータセンタの増大と、その膨大な電力消費が社会問題となるなか、光電融合の技術動向への注目は高まっています。

本レポートでは光電融合の最終段階といえるシリコンフォトニクスにフォーカスし、アスタミューゼ独自のデータベースの活用による、グラント・論文・特許・スタートアップ企業についての情報をもとに、その技術動向について分析しました。

シリコンフォトニクスに関するグラントの動向分析

アスタミューゼの保有するグラント（競争的研究資金）データベースから、「silicon photonics」および「photonic integrated circuit」を研究概要文にふくむ、2016年以降に開始したグラント約700件を抽出しました。ただし中国はグラントデータの開示状況が年により大きくことなり、実態を反映しない可能性が高いためデータから除外しています。また、公開直後のグラント情報はデータベースに格納されていないものもあり、直近の集計値については過小評価されている場合があります。

図2は、国/地域別のグラント件数および全世界の総配賦額の年次推移です。

米国、日本、英国の３国が件数の７割以上をつねに占めており、国家としての継続的な注力が見てとれます。件数の年次推移には大きな変動はみられませんが、いわゆるGAFAM企業の生成AIへの本格参入がはじまった2023年に、配賦総額の増加を確認できます。

米・日・英のグラントの中から、直近（2023年以降）に開始し配賦額の大きい代表的なものをピックアップし、以下に紹介します。

• Energy-efficient Data Centers and High-Performance Computing Enabled by On-chip Printed Microelectronic Optical Component and Circuit Manufacturing
  • 機関/企業：Iris Light Technologies Inc
  • グラント名/国：DOE/米国
  • 採択年：2024年
  • 資金賦与額：115万ドル（累計）
  • 概要： ナノ材料の印刷によりシリコン上にレーザやフォトディテクタなどの光半導体素子を形成する研究。実施企業は米国アルゴンヌ国立研究所及びノースウェスタン大学からのスピンアウト。

• 量子井戸混合を用いたIII-V族半導体薄膜光集積回路の基盤技術構築
  • 機関/企業：東京大学
  • グラント名/国：科学研究費助成事業/日本
  • 採択年：2023年
  • 資金賦与額：0.47億円/約30万ドル（累計）
  • 概要：化合物半導体薄膜をシリコン上に貼りあわせて光半導体素子を形成し、光集積回路を実現する研究。共同研究先として仏STマイクロエレクトロニクス社やシンガポールのAdvanced Micro Foundryが参画。

• Tunnel Epitaxy of III-V on Silicon for Ultralow Power Silicon Photonic Waveguide based Modulation Devices
  • 機関/企業：University of Southampton
  • グラント名/国：EPSRC/英国
  • 採択年：2025年
  • 資金賦与額：約226万ドル（累計）
  • 概要：III-V族半導体をシリコン上に直接結晶成長させる製膜技術である、トンネルエピタキシーをもちいて光半導体素子を形成した光集積回路に関する研究。結晶成長技術を有するCardiff大学との共同研究。

これら3件は、いずれもIII-V族半導体による光半導体素子のシリコン上への形成に関する研究です。

光集積回路の根幹である発光素子には、直接遷移型とよばれる結晶構造に起因した電子状態の性質を有する半導体が必要となりますが、シリコンは間接遷移型の半導体であるため、発光素子を作る事が原理的に出来ません。光電融合の前段階であるチップ間光通信の場合は、直接遷移型であるInP（インジウム燐）やGaAs（ガリウム砒素）のようなIII-V族半導体基板で別途作製された発光素子をチップの外部に置くことができましたが、チップ内光通信のシリコンフォトニクスではIII-V族半導体を結晶性が高い膜として相性の良くない（=結晶の格子状数の不整合が高い）シリコン基板上に形成する必要があり、これが最重要課題となっています。

とりあげた3件のグラントでは、インクによる印刷、III-V族ウェハで結晶成長させた膜のシリコン貼りあわせ、特殊な製膜方法によるシリコン上へのIII-V族半導体の直接結晶成長、それぞれ異なる製膜手法による解決をめざした研究です。

シリコンフォトニクスに関する論文の動向分析

次に論文の動向分析です。2016年以降に公開され、グラントと同様のキーワードをタイトルまたは要約文にふくむ論文約7,600件を抽出しました。図3は筆頭著者の所属国別の年次推移です。

グラントとおなじ米日英の3か国にくわえ、グラントでは除外していた中国、そして新たにカナダ、ベルギー、フランス、ドイツが入っています。中国は2019年以降継続的に件数を伸ばしており、研究体制の拡大が進んでいることがうかがえます。

これらの論文を母集団とし、「未来推定」による分析をおこないました。これは母集団にふくまれるキーワードの出現頻度の年次推移を調べることで、ブームが去った技術やこれから脚光をあびると予測される要素技術を定量的に評価する手法です。分析結果が図4です。直近10年間の出現本数に対する直近5年間の出現本数に比率として算出されるgrowthという指数で増減傾向を評価しています。growth は1に近いほど直近での出現頻度が高く、その値が上位のキーワードをリストアップしました。

出現頻度上昇が高い上位4キーワードのうち、3つがニオブ酸リチウム（LN; Lithium Niobate）に関するキーワードです。ニオブ酸リチウムは電圧をかけると光の屈折率が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）が非常に高い結晶で、レーザ光に高周波の信号をのせる光変調器として高い性能を有します。シリコンでも光変調器を作れますが、性能においてはニオブ酸リチウムに遠くおよばないため、前述したIII-V族半導体と同様にシリコン上の製膜が非常にむずかしい材料であるにも関わらず、シリコンフォトニクスの発展にむけて研究が精力的に進められています。上位２キーワードの「TFLN」（Thin Film LN）と「LNOI」（LN on Insulator）は、いずれもシリコンウェハ貼りりあわせ接合用に加工されたニオブ酸リチウム結晶の材料形態です。

出現頻度上昇の3位には、光の不揮発性メモリに関するキーワードの「non volatile」が入りました。光コンピューティングでは情報を光の状態で一旦保存する光メモリ素子の実現が課題であり、研究対象としての注目度も上がっています。

5位の「micro transfer」はIII-V族半導体やニオブ酸リチウムなどの異種材料結晶を、整列した複数チップの状態でまとめてシリコン基板上に転写する製造技術に関するキーワードです。同様の製造技術は半導体以外の領域においても、微小なLEDチップをならべて大画面ディスプレイを形成するマイクロLEDディスプレイでの活用が検討されており、技術の相互転用による進展が期待されます。

これら3種類のキーワードそれぞれについて、近年出版された論文事例を紹介します。

• High performance thin-film lithium niobate modulator on a silicon substrate using periodic capacitively loaded traveling-wave electrode
  • 雑誌名：APL Photonics
  • DOI: 10.1063/5.0077232
  • 出版年：2022
  • 機関名：Zhejiang University（中国）ほか
  • 概要：TFLNをシリコン基板に接合して形成した光変調器において、進行波方向に周期的に静電容量を付加した特殊な電極構造により、低電圧で広帯域変調を実現する。

• High-speed and energy-efficient non-volatile silicon photonic memory based on heterogeneously integrated memresonator
  • 雑誌名：nature communications
  • DOI: 10.1038/s41467-024-44773-7
  • 出版年：2023
  • 機関名：Hewlett Packard Labs（米国）
  • 概要：電圧印加により抵抗値が切り替わる電気素子のメモリスタにIII-V族光半導体層を接合し、光半導体層の吸収波長がメモリスタの記録状態に応じて切り替わることで実現した光メモリ素子。

• 1.1-cm-long thin-film lithium niobate Mach-Zehnder modulator with low driving voltage integrated by micro-transfer printing
  • 雑誌名：Optics Express
  • DOI: 10.1364/OE.568498
  • 出版年：2025
  • 機関名：産業技術総合研究所、古河ファイテルオプティカルデバイス（日本）
  • 概要：ニオブ酸リチウム基板上に作製した薄膜状の光変調器素子を素子単位で分離・ピックアップし、シリコン基板上に転写する製造方法。

その他の上昇キーワードとして、光コンピューティングの用途として注目される「quantum computing」、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」があります。

最後のインジウム燐は上昇キーワードではありませんが、ニオブ酸リチウムにつぐ光変調器材料として注目が高かった時期があったため、比較対象として掲載しています。出現頻度の年次推移で比べると、2020年まではインジウム燐がニオブ酸リチウムを件数で上回っていましたが、2021年からはニオブ酸リチウムの件数が急激に上昇し、インジウム燐は減少しました。この時期に光変調器材料の研究対象としての主役がインジウム燐からニオブ酸リチウムに移行したといえます。ほかの光変調器材料としてはチタン酸バリウム（BTO）がgrowth値0.59で中程度の上昇となっています。

シリコンフォトニクスに関する特許の動向分析

続いて特許の動向分析です。2016年以降に出願され、グラント・論文と同様のキーワードを発明名称または要約文にふく特許出願約1,600件を抽出しました。図5は出願国別の年次推移です。

主要国は論文とほぼ同様で、それらの国に国際特許や英国以外の欧州国が入る欧州特許のほか、台湾と韓国が入っています。特許において中国は論文件数で見られたような伸びはありませんでしたが、台湾が2019年以降継続的に増加しており、半導体製造産業におけるシリコンフォトニクスの存在感が増している状況がわかります。

つづいて、特許の母集団に対する未来推定分析の結果が図6です。

論文と同様にニオブ酸リチウムが上昇率トップで、これに「LIDAR」および「SOA」（Semiconductor Optical Amplifier; 光半導体アンプ）が続きました。「LIDAR」はおもに車両の自動運転などにもちいられる測距システムで、光電融合とは直接関連しませんが、その光学エンジンにおいてシリコンフォトニクスのような技術が使われはじめているため母集団にふくまれています。「SOA」は光電融合でも使われるケースが考えられますが、メインは光を空間に放ち長距離からの反射光を検出するために光源出力の増強が重要となるLIDARに特有のキーワードといえます。

のこりの3キーワードは光電融合に直接関連しています。光検出素子にもちいられる材料のゲルマニウム、通信の光源となるレーザの内部構造で波長を安定させる機能である「DFB」（Distributed Feedback）、論文の未来推定でもとりあげたインジウム燐です。ゲルマニウムはシリコンへの直接製膜が容易な材料であり、DFBもIII-V族半導体では古くから使われている枯れた技術です。このため先進的な研究が中心となる論文では上昇傾向がみられませんでしたが（論文におけるgrowth値はそれぞれ0.33と0.41）、実用化における素子形態としての権利化の段階として、特許における出現頻度が高まっていると考えられます。

特許における上昇キーワードのうち、ニオブ酸リチウム、ゲルマニウム、DFBに関連した特許の事例を紹介します。

• Heterogeneous integration of an electro-optical platform
  • 機関/企業：National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC
  • 国：米国
  • 公開年：2021
  • 概要：内部に光導波路を形成した酸化シリコン層の裏面に光変調用のニオブ酸リチウム層、表面にIII-V族半導体素子をそれぞれ接合し、異種材料ではさまれた形態を、異種ウェハ接合と支持ウェハの溶解除去をくりかえすことで実現した光集積回路。

• Photonic integrated circuit including optical absorber for terminal end of waveguide
  • 機関/企業：GlobalFoundries US Inc
  • 国：米国
  • 公開年：2023
  • 概要：光導波路の終端にU字型の光吸収層を配置し、終端に達した光信号が界面反射により上流にもどってノイズになるのをふせぐ。この光吸収層の材料としてゲルマニウム、またはバナジン酸塩をもちいる。

• Silicon photonic symmetric distributed feedback laser
  • 機関/企業：OpenLight Photonics Inc
  • 国：米国
  • 公開年：2024
  • 概要：通常はチップ型として動作させるDFB（分布帰還型）レーザにおいて、光集積回路では形成が困難なチップ端面の反射コーティングをもちいた共振器構造のかわりに、ループ型の導波路をもちいた対称共振器構造により集積化を容易にする。

シリコンフォトニクスに関連するスタートアップ企業の動向分析

最後に、シリコンフォトニクスに関連するスタートアップ企業を紹介します。2016年以降に創業し、これまでに100億円以上の資金調達を達成した企業には以下の2社が該当します。

• Scintil Photonics
  • https://www.scintil-photonics.com/
  • 所属国/創業年：フランス/2018年
  • 事業概要：チップ間光通信のCo-Packaged Opticsむけに、シリコン基板上にIII-V族の多チャンネルDFBレーザを集積接合し波長多重光通信を可能とした光源モジュールを開発。フランスの電子情報技術研究所（CEA-Leti）で開発された技術を起源としている。

• nEye
  • https://www.neye.ai/
  • 所属国/創業年：米国/2020年
  • 事業概要：圧電素子をもちいて光導波路を変形する方式により実現した光スイッチに関する技術開発をおこなう。カリフォルニア大学バークリー校によるスピンアウト企業。Google、Nvidia、Microsoftを中心にシリコンフォトニクス素子メーカーがくわわり2025年に設立された光スイッチングに関するプロジェクトに参画。

資金調達額が上記には達していませんが日本のスタートアップ企業では、アイオーコア株式会社（2017年創業）が、データセンタ向けの超小型の光トランシーバの開発を進めています。

シリコンフォトニクスに関する技術動向のまとめ

本レポートでは、生成AIの普及拡大にともない需要の増大が見こまれるデータセンタに対し、大幅な消費電力低減をもたらす技術として期待される光電融合に着目しました。さらにその最終段階となるシリコンフォトニクスにフォーカスし、グラント・論文・特許の動向分析をおこないました。

グラントにおいては米日英の主要3か国からの大型グラントとして、シリコンフォトニクスの最重要課題とも言えるIII-V族半導体によるシリコン基板上への光半導体素子形成に対する3種のことなるアプローチによる研究が確認されました。論文では、光変調器材料としてのニオブ酸リチウムに関連した出版件数が近年伸びている状況が確認され、前述したグラントの動向とともにシリコンフォトニクスにおける異種接合技術の重要性が高まっている結果となりました。これに付随して特許においてもニオブ酸リチウムの関連件数の上昇が確認されたほか、ゲルマニウム受光素子やDFBレーザなどの集積回路化に関する件数も上昇傾向が見られました。スタートアップ企業では欧米の政府系研究機関や大学発のベンチャーが巨額の資金調達を達成し、データセンタにおける市場機会への参入が目指されています。今後数年をかけてシリコンフォトニクスに必要な要素技術が成熟をむかえ、実際に動作する演算チップに集結する動きへと移行すると思われます。

生成AIの普及が今後も加速する局面において、光電融合技術には一層の進展と、それにともなうさらなる期待、および資金流入が見こまれます。データセンタの爆発的に増大する電力消費を凌駕するスピードで、デバイス技術の革新が進展することが強く期待されます。

著者：アスタミューゼ株式会社 古川 昭夫 修士（工学）

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