コンピューティング
チップ規模の周波数コムがデータの未来を駆動
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コロンビア工学部の研究者は、レーザーを「周波数コム」に変換し、同時に複数の強力な光チャンネルを生成できる新しいチップを作成しました。
特殊なロック機構を利用することで、研究者は乱れたレーザー光をクリーンにし、小さなシリコンデバイス上で実験室レベルの精度を実現しました。この成果はデータセンターの効率を大幅に向上させ、LiDAR、センシング、量子技術のイノベーションを促進する可能性があります。
マイクロコムが実験室レベルの精度をチップ上に縮小
研究者はLiDAR（光検出と測距）技術を向上させるために、高出力マイクロコムデバイスを作成しました。
LiDARは、パルスレーザー光を使用して距離を測定し、環境の高解像度3Dモデルを作成するリモートセンシング技術です。レーダーのように動作しますが、音ではなく光を使用します。
システムはレーザーパルスを放射し、その戻り時間を測定して対象物までの正確な距離を算出し、リアルタイムで動きを追跡します。
レーザー、スキャナ、専用GPS受信機で構成されたLiDAR装置は、詳細な「ポイントクラウド」データを生成し、これを自動運転、環境モニタリング、測量、考古学などの用途向け3Dマップ作成に利用します。
この技術は1960年代に発明され、当初は気象学、海洋センシング、地形測量に応用され、その後NASAにより宇宙でも利用されました。2010年代には商用自動車がLiDARを採用し、それ以来、ハイエンド電気自動車で自動車用LiDARが非常に普及しています。
LiDARの応用が拡大する中、研究者は技術向上に継続的に取り組んできました。レーザー技術の多くのエキサイティングなイノベーションが高度な光学と統合され、さらなる小型化を可能にし、LiDARシステムの長期的な将来に期待が寄せられています。
コロンビア大学工学部・応用科学部の研究者の焦点は、コンパクトなレーザーシステムからより高い出力とスペクトル純度を引き出し、チップスケールの周波数コム生成を可能にして、通信、センシング、分光、LiDAR、その他の統合フォトニック応用を強化する方法を見つけることでした。
そこで、彼らはマイクロコムを作成しました。これはチップ上でコムの歯のように等間隔の光周波数列を生成する小型フォトニックデバイスです。
これらの統合された小型周波数コムは、従来必要とされていた複雑なシステムのサイズを削減する可能性があります。したがって、統合マイクロコムは高出力、小型フットプリント、高効率を必要とする分光、センシング、データ通信など多数の応用に有望です。
最近、研究者は増幅チップ（半導体光学素子）と最高品質の共振器を統合することで、電気駆動型マイクロコムを実証しました。しかし、全体的な光出力は実用的なソリューションが必要とするレベルよりもはるかに低いままです。
この制限は、コロンビアの研究者が高出力電気駆動型ケル周波数マイクロコムを実証することで解決されました。
『乱れた』ダイオードからクリーンなマイクロコムへ
興味深いことに、これは偶然の発見でした。数年前、共同著者ミハル・リプソン教授（エレクトリカルエンジニアリングのユージーン・ヒギンズ教授兼応用物理学教授）のラボの研究者は、LiDAR性能を向上させるプロジェクトに取り組んでいた際、驚くべきことに気付きました。
彼らはより明るい光ビームを生成できる高出力チップを設計しており、”チップに電力を送るほど、私たちはそれが「周波数コム」と呼ぶものを生成していることに気付きました” と、リプソンのラボの元ポスドク研究者で現在Xscape Photonicsの主任エンジニアであるアンドレス・ギル＝モリナは語っています。
周波数コムは、離散的かつ規則的に間隔を置いたスペクトル線で構成されたスペクトルです。つまり、この特殊な光は虹のように、整然と並んだ異なる色を含んでいます。
ここでは、数十の光周波数が輝きます。しかし、これら異なる色や周波数の間の隙間は暗くなります。そのため、スペクトログラム上でこれらの明るい周波数を見ると、スパイクやコムの歯のように見えるので、この名前が付けられました。
異なる色の光は互いに干渉しないため、各歯は独自のチャンネルとして機能し、同時に複数のデータストリームを送信するという驚異的な機会を提供します。
非常に有益である一方、強力な周波数コムを作成するには大きく高価なレーザーと増幅器が必要です。
Nature Photonicsに掲載された論文は、同じ機能を単一チップ上で実現する方法を詳述しています。
私たちが開発した技術は、非常に強力なレーザーをチップ上で数十のクリーンで高出力のチャンネルに変換します。つまり、個別のレーザーラックを1つのコンパクトなデバイスに置き換えることができ、コスト削減、スペース節約、そしてはるかに高速でエネルギー効率の高いシステムへの道を開くことになります。
– ギル＝モリナ
この研究は、データセンターが求める多数の波長を持つ強力で効率的な光源という膨大な需要を満たすだけでなく、シリコンフォトニクスの進展というチームの使命においても画期的なマイルストーンとなります。
従来の電子回路に比べて消費電力が少なく熱も少なく、データ転送速度を大幅に向上させることで知られるシリコンフォトニクスは、高速データセンター、AI、LiDAR、量子技術、IoT、5Gなどで応用されています。
この技術が重要なインフラや日常生活にますます中心的になるにつれ、この種の進歩はデータセンターの効率を最大限に保つために不可欠です。
– リプソン
自己注入ロックが光をクリーンにし、増幅する仕組み
チップ上に搭載できる最も強力なレーザーとは何か？この疑問が研究者たちのブレークスルーにつながりました。
コロンビア大学のチームはマルチモードレーザーダイオードを採用しました。レーザーダイオード（LD）は特定の波長で単色光を発生させる半導体デバイスです。マルチモードレーザーダイオード、またはブロードエリアレーザー（BAL）は高出力が可能で、ビーム品質より大きな光出力が重視される用途に適しています。
これらのデバイスは幅の広いビームを生成します。ビーム品質は低下しますが、出力密度は高まります。マルチモードレーザーダイオードは医療機器、印刷・画像処理、レーザー切断工具などで広く使われています。
大量の光を発生できる一方、ビームは「乱れて」おり、精密用途への利用が難しいという問題があります。
しかも、光路の幅がわずか数マイクロメートル（μm）、場合によっては数百ナノメートル（nm）しかないシリコンフォトニクスチップへマルチモードレーザーダイオードを組み込むには、慎重な設計が必要です。
強力ですが非常にノイズの多い光源を浄化するため、チームはロック機構を用いました。
非線形領域で自己注入ロックを利用し、高いオンチップ出力のコムを生成すると同時に、ポンプ光源のコヒーレンスを浄化しました。
注入ロックとは、ある発振器が近い周波数で動作する別の発振器から影響を受けたときに起こる周波数現象です。周波数が十分に近く結合が強いと、二つ目の発振器が一つ目を捕捉し、ほぼ同じ周波数で動作させます。
この技術は主に、高出力と非常に低い強度ノイズおよび位相ノイズを同時に必要とする連続波（CW）単一周波数レーザー光源に使われます。
シリコンフォトニクスによってレーザー出力を整形・浄化し、「高コヒーレンス」と呼ばれる安定したきれいなビームを生成します。光が浄化されるとチップの非線形光学特性が働き、一本の強力なビームを等間隔に並ぶ数十色へ分割します。これが周波数コムの重要な特徴です。
こうして得られる小型で高効率な光源は、産業用レーザーの大出力と、高度な通信・センシングに必要な安定性および精度を兼ね備えます。
低コヒーレンス光源は、高出力と窒化シリコンのリング共振器を組み合わせて統合されました。共振器は、光周波数が高くなるほど速度が低下する正常群速度分散を持つよう設計されています。媒質中で長波長の光が短波長より速く進むため、光パルスは時間とともに広がります。
チームが作ったマイクロコムは、オンチップ総出力が最大158mWに達しました。コム線の固有線幅は200kHzです。100μWを超えるコム線の数は従来報告の2倍以上となり、オンチップ出力も一桁高いことが示されました。
研究者らは次のように述べています：
「私たちの新しい電気駆動型マイクロコム光源は、データ通信に必要な大きさ、出力、線幅を備えています。高性能コンピューティングや、分光センシング・時刻計測用のユビキタス機器など、他分野にも大きな影響を与える可能性があります」
この成果が生まれたのは、AIブームによってデータセンター容量への需要が爆発的に増えている時期です。情報を高速に移動させるインフラには大きな負荷がかかっています。そのため各社は、大規模AIモデルの学習と実行に必要な膨大な計算量へ対応するAI専用インフラを建設しています。
高度なデータセンターではすでにデータ伝送に光ファイバー接続が使われていますが、それでも単一波長レーザーに依存します。
一本のビームで一つのデータストリームを運ぶ代わりに、同じ一本の光ファイバー内で数十本のビームを並列に走らせることで、周波数コムはデータセンターの能力を劇的に高められます。
同じ原理はWDM（波長分割多重）にも使われています。WDMは、各データストリームに固有の光波長を割り当て、一本の光ファイバーで複数のストリームを同時に送る光ファイバー技術です。データ容量と帯域幅を大幅に増やし、1990年代後半にインターネットが世界規模の高速ネットワークへ発展するのを支えました。
現在、リプソン教授のチームは高出力・多波長コムをチップへ直接収まるほど小型化しています。これにより、現代のコンピューターシステムにある小型で高価な部分へこの能力を導入できます。
情報の伝送と処理を合理化することで、このチップはデータセンターの運用を変え、次世代データセンターや効率的な光通信に依存する多くの機器の設計に影響を与えられます。同じチップは高度なLiDAR、小型量子デバイス、極めて精密な光時計、携帯型分光計も実現し得ます。
「これは実験室級の光源を現実の機器へ持ち込む試みです。十分に強力で効率的、かつ小型にできれば、ほとんどどこにでも搭載できます」
– ギル＝モリナ
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| ソース | 統合 | チップ上総コム出力 | 100 μW 超のライン数 | 固有ライン幅（ラインあたり） | 主要技術 |
|---|---|---|---|---|---|
| Columbia Engineering (2025) | マルチモードレーザーダイオード + SiN共振器（オンチップ） | ~0.16 W (≈160 mW) | ≥25 | ~200 kHz | 非線形領域での自己注入ロック |
| 従来の統合型マイクロコム | 増幅チップ + 高Q共振器 | 桁違いに低い | 100 μW 超のラインが少ない | 変動（通常は広い） | 様々（多くはポンプ出力が低い） |
レーザー技術への投資
フォトニクスとレーザー技術の世界的リーダーであるCoherent Corp. (COHR ) は、半導体レーザーダイオードと高性能光学部品を製造しています。
同社の中核事業はフォトニクスベースのソリューションの開発・製造にあり、これは先進的なコンピューティングとデータ伝送の時代に不可欠です。Coherentは光通信業界で支配的な存在となり、強固な市場シェアを握っています。
同社のセグメントには、複合半導体技術を活用してコンポーネントやサブシステムを提供するNetworking、シリコンカーバイド（SiC）、ガリウムアンチモン（GaSb）、ガリウムヒ素（GaAs）、インジウムリン（InP）、亜鉛セレン（ZnSe）、亜鉛硫黄（ZnS）に基づく光電子デバイスを含むMaterials、そしてレーザー部門は半導体、精密製造、航空宇宙・防衛などの産業顧客にレーザーと光学製品を通じてサービスを提供しています。
Coherent Corp.
幅広い革新的フォトニクス製品により、Coherentは顧客にカスタマイズされたエンドツーエンドのソリューションを提供し、AIインフラのスケーラビリティニーズにも応えています。
AI市場への戦略的注力により、Coherentは現在進行中のAI成長の主要な受益者となる可能性があります。これは高性能光学部品への需要増加に加わりますが、同時にAIおよび光通信分野での競争激化という課題にも直面しています。
Coherentの市場パフォーマンスに関しては、広範な株式市場と同様に強気の局面を享受しています。今年はすでに29.16%上昇し、執筆時点でCOHR株は$123.70で取引されており、史上最高値（ATH）を更新し、時価総額は$19.20億となっています。
COHR 価格チャート
4月には、株式市場の調整によりCOHR株は$50まで下落しましたが、その後Coherentの株価は約146%上昇しました。2年前には$30未満で取引されており、強力な回復を示しています。
この結果、同社はEPS（TTM）-0.62、P/E（TTM）-198.72を示しています。
Coherentの財務状況については、2025年6月30日終了の第4四半期に記録的な売上高$1.53億を報告しました。当期のGAAP粗利益率は35.7%、GAAP純損失は希薄化株式1株あたり$0.83でしたが、非GAAPベースでは粗利益率が38.1%、希薄化株式1株あたりの純利益は$1.00でした。
2025会計年度全体では、売上高は記録的な$5.81億でした。GAAP粗利益率は35.2%、GAAP純損失は希薄化株式1株あたり$0.52で、非GAAP粗利益率は37.9%、希薄化株式1株あたりの純利益は$3.53でした。
ジム・アンダーソンCEOは次のように述べています：
「2025会計年度は売上高が23%成長し、非GAAP EPSが191%拡大するという強い成果を達成しました。AIデータセンターなどの主要成長ドライバーへのエクスポージャーを考慮すれば、長期的に強力な売上と利益の成長を継続できる好位置にあると考えています」とCEOのジム・アンダーソンは述べています。
本四半期には、同社は1.6Tトランシーバー製品の出荷を開始し、AIデータセンター向けの高性能アプリケーションを可能にしました。また、これらデータセンターの高度な冷却のために新しいダイヤモンドSiC複合材料も導入されました。
さらに、Coherentは光回路スイッチ（OCS）から初の収益を得て、融合エネルギーなどの新興エネルギー技術向けに高温で超伝導テープを製造するために更新されたエキシマレーザープラットフォームを導入しました。
過去数週間で、Coherentは新製品を多数発表しました。その中には、AIとクラウド向けにより効率的で高速な光トランシーバーを実現するクアッドチャネルICシリーズ、既存の光ファイバーインフラ上で容量を最大化する業界初のQSFP28デュアルレーザー100G ZRソリューション、そしてコパッケージド光学やシリコンフォトニクス用途の厳しい要件に応える高出力400 mW連続波レーザーが含まれます。
最近、Coherentは次世代の2D VCSELおよびフォトダイオード（PD）アレイを実証し、現代のデータセンターにおける急増するデータトラフィック需要に対応しました。
数週間前、Coherentは既存のリボルビングクレジット債務の借り換えと融資枠総額を7億ドルへ増額する修正契約を結び、JPMorgan Chase Bank (JPM ) などとの信用契約を更新しました。これにより、事業運営と成長を支える流動性と財務柔軟性が向上しました。
結論
コロンビア大学は工学的成果を上げ、科学における予期せぬ瞬間が、全領域を再定義できる能力を持つ、さらに大きく優れた発見につながることを示しました。単一の乱れたビームを数十の強力で安定した光チャンネルに変換することで、チームは次世代光学システムの基礎を築きました。
LiDARの革新と量子デバイスの小型化からAIデータセンターの容量向上まで、この技術はフォトニクス統合における大きな飛躍です。世界がより高速で省エネルギーな通信システムへ進むなか、小型周波数コムチップは将来の計算基盤の中核になり得ます。
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参考文献
- Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). 高出力電気駆動型マイクロコム. Nature Photonics, 19(10), 873–879. 2025年10月7日出版. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z
