光電子融合型の超低消費エネルギー・高速信号処理へ前進

　NTTは4月16日、世界最小の消費エネルギーで動作する光変調器と光トランジスタを実現したと発表した。
　従来、光変調器や受光器のような光-電気変換デバイスは高い電気容量をもつため、消費エネルギーが高く、光と電子回路が緊密に連携した信号処理を行うことは困難だった。それに対し本件の研究グループは、ナノ構造技術であるフォトニック結晶を用いて、世界最小の電気容量をもつ光電変換素子の集積に成功し、この技術により、世界最小の消費エネルギーで動作するナノ光変調器や、光入力信号を別の光へ変換・増幅出力させる「光トランジスタ」を実現した。このようなナノスケール光電子集積によって、光による高度な信号処理技術をプロセッサチップの中へ導入することが可能となり、従来にない超低消費エネルギーで高速なコンピューティング基盤の実現が期待される。
　同研究成果は、2019年4月15日（英国時間）に英国科学誌「Nature Photonics」のオンライン版で公開。
　同研究の一部は、科学技術振興機構（JST）CREST「集積ナノフォトニクスによる超低レイテンシ光演算技術の研究」の支援を受けて行われた。

研究の背景（および役割分担）

　これまでCMOS（相補型金属酸化膜半導体）電子回路技術）によるコンピューティング基盤は、ムーアの法則に沿って高性能化が進んできたが、微細加工や集積密度の制約により電子回路による処理は速度と消費エネルギーの面で限界が近づいている。そのため、光技術を従来のような長距離信号伝送だけでなく、電子回路と連携したプロセッサチップ内の信号処理部にも導入し、光電子融合による新しいコンピューティング基盤を実現することが期待されている（図1）。

　このようなコンピューティング基盤を実現するため、レーザ光源や光変調器のような電気-光変換（E-O変換）や、受光器のような光-電気変換（O-E変換）を小型化・省エネ化することが必要だ。また、光信号を非線形的に制御・変換できる素子が実現できれば、電子回路技術を超える高速な光信号処理が可能となる。そのため、E-O変換とO-E変換を組み合わせたO-E-O変換のような光非線形素子がこれまで研究されてきた。しかし、通常は非線形効果を起こすために強い光入力が必要なため、このような光非線形素子を小型化・省エネ化することは困難だった。
　歴史的には、O-E-O変換素子をはじめとするプロセッサ向けの光電集積素子は20年以上前から研究されてきたが、素子のサイズや消費エネルギーが大きく、また動作速度も1 GHzに満たなかったため、実用技術として確立されなかった。根幹の原因は、E-O/O-E変換素子の電気容量（キャパシタンス）が100 フェムトファラド（fF）以上と大きいために、電気容量に比例する高い消費エネルギーが必要であり、またRC時定数によって電気容量に反比例して動作速度が遅くなっていたことだ。これらの課題を解決するためには、光電子集積の電気容量を抜本的に小さくする必要がある。同研究グループはこれまで、フォトニック結晶を用いてさまざまな超小型光制御素子の研究を進めており、最近、この技術を用いることにより、極めて低容量の光電子集積が可能であることを見出し、今回の成果を達成したという。

　同研究グループは、フォトニック結晶によるナノスケール光技術を用いて、電気容量が極めて小さく消費エネルギーが極めて低いナノ光変調器（E-O変換）と、これをナノ受光器（O-E変換）と集積させることでO-E-O変換型の光トランジスタを実現した。同成果のポイントは下記の通り。

世界最小動作エネルギーをもつナノ光変調器の実現

　フォトニック結晶による微小な光ナノ共振器を用いて、超小型のナノ光変調器を作製した（図2-a）。40 Gbpsの高速な電圧信号入力に追従する明確な光変調出力が観測され、このときの消費エネルギーは、現存する様々な材料や構造の光変調器の中でも最小（1ビットあたり42アトジュール）であることを確認した（図2-b）。

※技術のポイント：極めて小型の電気光学変調器を実現するため、InP半導体にフォトニック結晶光ナノ共振器を作製した。フォトニック結晶の穴配列から3つだけ穴を除去すると、長さが1.3 µm程度の小型のナノ共振器が形成される（図2-a）。また、埋め込みヘテロ技術を用いて、光非線形材料であるInGaAsP材料を精密にナノ共振器中に埋め込んだ。これらの微細加工技術は他機関にはなく、NTTが保有する優位な技術だ。pn接合を介して電圧信号を印加すると、フランツケルディッシュ効果が起き、ナノ共振器中で屈折率と光吸収率が変化するため、入射した光の強度を変調できる。これにより、40Gbpsの高速な光変調動作が観測された。このときの動作エネルギーは、素子の電気容量への充放電にかかるエネルギーが支配的だ。素子の電気容量が0.6 fFと極めて小さいことと、必要な電圧信号が0.5 Vと低いことで、わずか42 aJ/bitに抑えることができた（図2-b）。

超低容量のO-E-O変換素子の実現

　同一のフォトニック結晶上にナノ光変調器とナノ受光器を形成し、近接集積することで、超小型のO-E-O変換素子を作製した（図3-a）。

　動作実験では、ナノ受光器に入力された10Gbpsの高速な光信号がまず電流となり、さらに負荷抵抗を介して電圧信号へと変換される。この電圧信号をナノ光変調器に与えることで、別波長の光に信号波形を転写することができる（図3-b）。

※技術のポイント：ナノ光変調器に用いられた埋め込みヘテロ技術によって、ナノ光変調器（E-O変換）とは異なる材料であるInGaAs吸収層を、ナノ受光器（O-E変換）を形成するために埋め込んだ。これにより、ナノ光変調器をナノ受光器と近接させて集積し、O-E-O変換素子を作製した（図3-a）。完成したO-E-O変換素子の面積は約10×15 µm2、電気容量は約2 fFであり、いずれも従来のO-E-O変換素子に比べて1/100以下となる。
　動作実験では、10Gbpsの高速な光信号をナノ受光器に入力し、生成された電流は負荷抵抗で電圧信号として変換された後、これをナノ光変調器に与えることで別波長の光信号として出力される（光波長変換動作）。一般的に、このような高速な光非線形動作を得るために、光信号を電圧信号に変換する際に電気増幅器を用いることが多いのだが、同素子では高い負荷抵抗（24kΩ）のみで高い電圧信号を生成できるため、そのような増幅器が不要で強い省エネ効果がある。このような高い負荷抵抗を接続しても、素子の電気容量が小さいためにRC時定数を低く抑えられた。結果として、10Gbpsの高速動作が得られ、また、動作に必要な光制御エネルギーが1ビットあたり1.6フェムトジュールまで低減できた。

　これにより、光非線形動作の1つである、光信号の波長変換動作を実現した。このとき必要な光制御エネルギーは1ビットあたりわずか1.6フェムトジュールであり、従来のO-E-O変換素子に比べて2桁以上の低減を達成した（図4-a）。

　また、動作速度とRC時定数の対応から、この集積による電気容量がわずか2fFであることを確認した（図4-b）。これは世界で初めてfFレベルの光電子集積に成功した成果となる。

信号利得をもつ省エネの光トランジスタ動作の実現

　上記の光波長変換動作では、制御光の入力強度よりも被制御光の出力強度を2倍以上高めることができた（図5）。これは光信号の入出力において信号利得が得られたことを意味し、「光トランジスタ」に相当する動作を実現したことになる。従来のO-E-O変換素子では、このような動作における小型化・省エネ化は困難だった（図6）。また、利得があることで、この光トランジスタを多段に接続することも可能となり、将来的に高密度な集積による光信号処理が期待される。

今後の展開

　今回実証されたナノ光変調器およびO-E-O変換型の光トランジスタは、従来の技術に比べて圧倒的に小型で低消費エネルギーであることから、従来「信号伝送」に留まっていた光技術を「信号処理」にまで適用できることが期待できる。例えば、E-O変換/O-E変換を低消費電力化したことで、多数のCMOSチップ内でコア間を光で緊密に接続するネットワーク処理を劇的に省エネ化することが可能となる。また、小型で信号利得をもつ光トランジスタが実現されたことで、電子回路技術だけでは難しい高速な光信号処理を行うことが可能となり、新しい光電融合型のプロセッサチップの実現が期待できる（冒頭の図1）。
　近い将来、サイバーフィジカルシステム（CPS）と呼ばれるような、IoTなどの現実空間からのデータ情報とサイバー空間を介在し、リアルタイムで分析やフィードバック処理を行うシステムが必要と考えられている。現在のCMOSテクノロジーのように並列処理に依存するだけでは高度なリアルタイム処理は難しく、今回実現されたような光電子集積技術をプロセッサチップ内で駆使し、低遅延で低消費エネルギーの情報処理を実現する必要がある。NTTは「本成果である低容量の光電融合技術を活用して、このような次世代の情報処理基盤の構築をめざす」としている。