コンピューティング
通信からデータセンターまで – フォトニック集積回路のブレークスルーが業界を変革
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新しい研究により、無機化合物リチウムタンタル酸塩（LiTaO3）を使用したスケーラブルなフォトニック集積回路（PIC）の開発が明らかになりました。この化合物は水に不溶性の反磁性固体です。EPFLの研究者は、広範な商業応用の可能性を持つ光学技術で重要な進歩を遂げました。
フォトニック集積回路（PIC）は、トランジスタやインダクタ、抵抗器などの電気部品ではなく、光や光子を利用したフォトニック部品を含むマイクロチップです。フォトニックチップは、レーザー、導波路、偏光子などの光学部品を用いて光子を操作します。
フォトニックチップは電子ではなく光子を利用して情報を処理・伝送します。電気の代わりに光を使用することで、熱発生など電子機器の制限を克服できます。
これにより、PICは低熱影響、大規模集積、ミニチュア化、そして高速という利点を提供できます。同時に、PICは既存のプロセスフローと互換性があり、低価格・大量製造・高歩留まりを実現します。
その結果、PICは自動車から天文学、センシング、バイオ医療、データ通信に至るまで幅広い産業で応用されています。科学者や研究者がPICの改良に取り組み続けることで、さらに多くの応用が見込まれ、新たな技術時代が到来します。
これまでに、PICはコンピューティングシステムと光通信を革命的に変えてきました。しかし、シリコンベースのPICが市場をリードしてきたのは、コスト効率が高く、既存の半導体製造技術と統合できるためです。
シリコンベースのPICは電気光変調帯域幅に制限がありますが、シリコンオンインシュレータ（SOI）光トランシーバーチップは広く商業化されてきました。しかし、最近では高速光変調に不可欠な優れたポックレス係数を持つリチウムニオブ酸塩（LNOI）ウェーハプラットフォームが注目を集め始めています。
リチウムニオブ酸塩（LiNbO3）を基盤とした電気光PICは、強いポックレス係数により高性能コンピューティング、AI向けフォトニックアクセラレータ、データセンター通信などで広範な能力を発揮します。
しかし、リチウムニオブ酸塩がまだ広く採用・商業統合されていない理由があります。その理由は、製造要件が複雑で、ウェーハサイズが限定され、ウェーハあたりのコストが高いため、産業利用が制限されていることです。
この技術が高価なのは、シリコンオンインシュレータ（SOI）フォトニクスの採用を加速させたような既存の大量生産向け用途がないためです。
過去20年間、シリコンベースのPICは学術研究からデータセンターでの広範な利用へと急速に移行しました。これはSOIウェーハのコスト効率と大量供給が要因です。スマートカット技術で製造されたSOIウェーハはシリコンフォトニクスの製造を可能にし、さらに消費者向けマイクロエレクトロニクスでも広く使用されています。
参考までに、世界では毎年直径300 mmのSOIウェーハが300万枚以上生産されています。
しかし、最新の研究でリチウムタンタル酸塩（LiTaO3）を電気光PICに使用したことで、状況がついに変わる可能性があります。
LiTaO3は結晶構造がLiNbO3と似ていますが、Nbの代わりに重いTa原子が置換されており、質量密度が高く、化学結合が強くなるため、強度と化学的安定性が向上します。さらに、光学バンドギャップが大きく、可視光や紫外波長領域への非線形光変換が可能で、光学異方性が大幅に低減され、モード混合が抑制されます。
さらに、両材料の変調効率はほぼ同等と予想されますが、LiTaO3の光損傷閾値が高いため、高出力用途に非常に重要です。
商用5G無線周波数フィルタで既に広く使用されているLiTaO3は、年間75万枚のリチウムタンタル酸塩オンインシュレータ（LTOI）ウェーハの生産能力に達することが予測されており、LiTaO3ベースのPICの低コストスケーラブル製造を実現する可能性があります。
LiTaO3 PICs for Scalable Manufacturing
最新の研究は、発表されました。本研究はスイス国立科学財団（SNSF）と欧州研究評議会（ERC）の資金提供を受け、低コストで大量生産可能な電気光PICのスケーラビリティ達成に向けた進展を示しています。
これは、リチウムタンタル酸塩という、リチウムニオブ酸塩（LN）に密接に関連する材料のおかげで実現しました。LNは酸素、リチウム、ニオブからなる多機能強誘電体結晶で、現代フォトニクスの基盤であり、光変調器、携帯電話、光導波路、圧電センサーの主要材料です。
リチウムニオブ酸塩（LiNbO3）と同様に、リチウムタンタル酸塩（LiTaO3）も優れた電気光特性を持ちますが、コストとスケーラビリティという追加の利点があります。LiTaO3はビレアリネスがはるかに低く、LiNbO3に比べて高密度回路と全テレコミュニケーションバンドでの広帯域動作を可能にします。
テレコム業界がすでに5G無線周波数フィルタでこの材料を広範に使用していることから、LiTaO3はリチウムニオブ酸塩の課題を克服する手助けとなります。
そこで、EPFLのトビアス・J・キッペンベルク教授と上海微小システム情報技術研究所の欧新教授が率いる研究チームは、リチウムタンタル酸塩を基盤としたPICプラットフォームを構築しました。
この新しいPICは、LiTaO3の固有特性を活かして高品質なPICをより経済的に実現し、電気光PICの分野を変革します。研究では、深紫外（DUV）ステッパーを用いた製造プロセスとリチウムタンタル酸塩マッハ・ツェンダー変調器（MZM）を組み合わせることで、低損失PICをエッチングできることを実証しました。また、このプラットフォームはソリトン・マイクロコムの生成もサポートしており、フォトニックベースのマイクロ波信号合成に有望な新アプローチです。
この大きな成果を達成するために、チームはSOI製造ラインと互換性のあるリチウムタンタル酸塩のウェーハボンディング手法を開発しました。
研究者はLiNbO3をリチウムニオブオンインシュレータ（LNOI）構造に加工し、極めて高速かつ低電圧の新しいクラスの電気光PICを提供しました。研究によれば、これらのPICは将来のエネルギー効率の高い通信システムの重要な構成要素になる可能性があります。
この製造はスマートカット技術を用いて行われました。LTOIの製造はSOIウェーハの大量商業生産とより密接に連携しており、効率向上と製造コスト低減を実現します。
次に、チームは炭素でウェーハをマスクし、変調器、光導波路、そして高品質なファクター・マイクロレゾネータのエッチングを開始しました。エッチングには、制御光でパターンを作成するDUVフォトリソグラフィと、イオンで材料を除去するドライエッチングの二つの技術を組み合わせました。元々リチウムニオブ酸塩用に開発されたこのエッチングプロセスは、後に硬く不活性なリチウムタンタル酸塩に適応されました。
エッチングは光損失を最小化するように調整され、フォトニック回路の高性能達成に重要です。
その結果、研究者は光損失率がテレコム波長でわずか5.6 dB/mの高効率なリチウムタンタル酸塩PICを製造することに成功しました。
上記のように、現在高速光ファイバー通信で使用されている電気光MZMは本研究のもう一つのハイライトです。リチウムタンタル酸塩MZMの電気光帯域幅は40 GHzに達し、半波電圧長積は1.9 V·cmです。研究によれば：
「我々のプロセスは完全にウェーハスケールで、深紫外フォトリソグラフィに基づいており、5Gフィルタ向けLTOIウェーハ製造の規模を活用した高性能電気光PICのスケーラブル製造の基盤を築きます。」
このように、研究のLTOI PICは、データセンター間接続、長距離光通信、量子フォトニクスでの利用に大きな可能性を持つ、確立されたLNOI技術と同等の損失と電気光性能を実現しています。研究者の王程麗氏は次のように述べています：
「本研究はソリトン・マイクロコムを生成しつつ、非常に効率的な電気光性能を維持できました。これらのソリトン・マイクロコムは多数のコヒーレント周波数を有し、電気光変調機能と組み合わせることで、並列コヒーレントLiDARやフォトニックコンピューティングなどの応用に特に適しています。」
Extensive Real-world Applications of Lithium Tantalate PICs
リチウムタンタル酸塩（LiTaO3）を用いたフォトニック集積回路（PIC）の開発は、さまざまな分野での実用的応用が多数あるという点で大きな成果です。主な恩恵を受けられる領域としては、膨大なデータトラフィックの管理とレイテンシ削減が可能になるデータセンターが挙げられます。
通信分野では、リチウムタンタル酸塩はすでに使用されています。これらをPICに統合することで、最先端の無線通信システムへの移行が円滑になります。一方、MZMは光ファイバーネットワークにおけるデータ伝送速度の向上に寄与します。
コンピューティングは、これらのPICが提供する超高速により処理能力が向上し、量子コンピューティングはリチウムタンタル酸塩PICの高効率と低ビレアリネスから恩恵を受けられます。消費者エレクトロニクスも、リチウムタンタル酸塩PICを活用してデバイス性能を向上させることが可能です。
さらに、LiDAR（光検出と測距）は自律走行車、農業、気象、航法、生物多様性、マッピングなどでの精度向上に利用できます。
その他の産業としては、医療、産業、環境モニタリングに利用されるセンサーや、先進的なPICが早期診断や治療計画に貢献するヘルスケアが挙げられます。
このように、リチウムタンタル酸塩の独自特性を活かすことで、PICは性能、スケーラビリティ、コスト効率の向上を実現します。これらの利点により、リチウムタンタル酸塩ベースのPICは高速・高効率光ソリューションを必要とする幅広い用途に最適です。
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Companies That Can Benefit From This Advancement
上記で述べたように、PICの最新の進歩は多くのユースケースを持ちます。ここでは、この新技術から恩恵を受ける可能性のある企業をいくつか紹介します。
#1. Lumentum Holdings Inc. (LITE)
Lumentumは光学・フォトニック製品のプロバイダーで、レーザーと通信市場をLaserとOpCommsセグメントでカバーしています。同社の時価総額は31億2000万ドルで、株式（LITE: NASDAQ）は46.28ドル（年初来‑11.71％）で取引されています。EPS（TTM）は‑5.26、P/E（TTM）は‑8.81です。
LITE 価格チャート
最近の四半期決算結果では、Lumentumは3億6650万ドルの純収益を報告し、予想をやや上回りました。ただし、前四半期からは減少しており、これは通信顧客の在庫問題が一因です。
非GAAP純利益は1960万ドル、GAAP純損失は1億2700万ドルでした。GAAP粗利益率は16.2％に低下し、非GAAP粗利益率は32.6％に減少しました。同社の現金・現金同等物・短期投資総額も8億7090万ドルに減少し、これは転換社債の3億2300万ドル返済が主因です。
CEOのAlan Loweは、通信セクターの回復に楽観的で、AI駆動型クラウドデータセンターの需要増に対応できる自社の能力に自信を示しています。
#2. Infinera Corporation (INFN)
Infinera Corporationは、エンタープライズ、政府、キャリア、クラウドオペレーター向けに高度な光半導体と光ネットワーキングソリューションを提供しています。同社の時価総額は12億7000万ドルで、株式は5.46ドル（年初来＋14.95％）で取引されています。EPS（TTM）は‑0.34、P/E（TTM）は‑16.04です。
2024年第2四半期に、同社は報告しました、GAAP収益は3億0690万ドルで、前四半期の4億5350万ドルから減少しました。GAAP粗利益率は36.0％で、4Q23の38.6％、1Q23の37.5％から低下しています。四半期のGAAP営業利益率は14％、GAAP純損失は6,140万ドルでした。
非GAAP粗利益率は36.6％、非GAAP営業利益率は8.4％、非GAAP純損失は3,830万ドルでした。同社は2,400万ドルの営業キャッシュフローと1,600万ドルのフリーキャッシュフローを生み出し、四半期末の現金・現金同等物・制限付き現金は1億9220万ドルとなりました。
CEOのDavid Heardは、2024年第1四半期を重要な四半期と位置付け、顧客、RFP、設計受注の勢いが顕著だったと述べました。
Concluding Thoughts
シリコンフォトニクスベースのPICが過去数十年にわたり通信やデータセンターで広く利用されてきた一方で、次世代のPICが登場することでさらに興味深い展開が期待されます。
電気光材料を基盤とした超高速PICは、エネルギー効率の高いデータセンター、5G・6G無線周波数フィルタ、光通信、そして何よりAIワークロード駆動の高性能コンピューティングで重要な役割を果たすでしょう。
もちろん、これを実現するにはスケーラブルで低コストな製造が必要です。最新の研究はLiTaO3を用いることでこれを達成し、場合によってはLiNbO3を上回ります。既存の製造ラインと互換性があるため、この新手法は非常に魅力的です。低コストの次世代電気光PICは、産業横断的に広範な適用性を持つことが期待されます。
