東大,シリコン光スイッチを大幅に高速・省電力化

東京大学は,新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「超消費電力型光エレクトロニクス実装システム開発」プロジェクトにおいて,シリコン(Si)光導波路上に化合物半導体を貼り合わせることで,シリコン光スイッチの高性能化に成功した(ニュースリリース)。

人工知能サーバーにおいては,大量のデータをやり取りするための大規模光相互接続スイッチの役割が重要になるほか,光スイッチを網目状に多数集積する万能光集積回路を用いた光演算による深層学習にも近年注目が集まっている。しかし,従来のシリコン光スイッチは消費電力が大きく,動作速度が遅いことが課題となっていた。

電流注入方式を用いることで動作速度は改善可能であるものの,消費電力は改善できず,光損失やクロストークが悪化してしまう。このことから,省電力かつ高速,低損失,低クロストークを実現可能なシリコン光スイッチの登場が強く求められていた。

研究グループは,シリコン光導波路を用いて2入力2出力の光干渉計を形成し,光位相シフト部にインジウムガリウムヒ素リン(InGaAsP)を貼り合わせることで光スイッチング動作に成功した。インジウムガリウムヒ素リンとシリコン導波路間に電圧を加えることで,インジウムガリウムヒ素リン中に電子が蓄積し,光が出力される経路が光出力ポート1と光出力ポート2の間で切り替わる。

インジウムガリウムヒ素リン中の電子による屈折率変化はシリコンと比べて極めて大きいことから,2V以下の電圧を加えることで光の経路を切り替えるスイッチング動作に成功した。スイッチング時に発生する光損失も小さいことから,スイッチ時のクロストークも抑制可能であることを実証した。光導波路の加工精度を向上することでさらなるクロストーク低減も期待されるという。

スイッチング速度は20ナノ秒程度となり,熱光学スイッチと比較して1000倍以上高速に動作することを実証した。素子の改良によりさらなる高速化が可能で,1ナノ秒を切る高速動作も期待できる。MOS構造においては電圧印加時にわずかなリーク電流しか流れないことから,クロストークの低減に加えて,スイッチング時の消費電力を1.3ナノワットに低減することに成功した。これは熱光学スイッチや電流注入型スイッチと比較して6桁以上小さい。

この成果により,省電力・高速・低損失・低クロストーク光スイッチをシリコン光集積回路上に集積可能になることから,大規模に光スイッチを集積したシリコン万能光集積回路の実現と光相互接続スイッチへの応用が期待される。これにより人工知能の改善やその発展に寄与することが期待されるとしている。

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