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韓国ソウル大学、プログラマブル光子集積回路を開発
韓国ソウル大学工学部は21日、同校電気・コンピュータ工学科のパク・ナムギュ（Namkyoo Park）教授・ユ・ソンギュ（Sunkyu Yu）教授が主導し、ソウル市立大学電気・コンピュータ工学部のパク・シャンジー（Xianji Piao）教授と共同研究チームを結成して、プログラマブル光子集積回路の開発に成功したと発表した。この回路は需要に応じて光信号の伝播速度を制御し、光を「減速」させながら、光信号の伝送特性をリアルタイムで動的に制御することができる。
関連研究成果は国際学術誌「Advanced Science（先進科学）」に掲載された。
フォトニクスチップは次世代光コンピューティングの重要な方向性として注目されている。光信号は伝送速度とエネルギー消費の面で電気信号に対して本質的な優位性を持ち、理論上は極めて低消費電力で超高速データ転送を実現できる。しかし、光は常に一定速度で伝播するため、電子チップのように信号の遅延・バッファリング・同期を実現する方法が、光コンピューティング発展の重要なボトルネックとなってきた。
データセンター・光通信ネットワーク・AIコンピューティングシステムでは、光信号を高速に転送するだけでなく、異なる信号が正確なタイミングで到達することを保証しなければならない。一部のシナリオでは、光信号をシステム内の他のデータと同期させるために遅延させる必要があり、さらには一時的に「バッファリング」する必要さえある。これは従来の光学素子にとって極めて困難な課題であった。
特定周波数の光を「減速」させる
今回の研究チームの突破口となったのは、結合共振器誘起透明（Coupled-Resonator-Induced Transparency、略称CRIT）と呼ばれる光学構造である。この構造は複数の微小な光学共振器間の相互作用を利用して、特定周波数の光が伝播する際に減速させ、「スロー・ライト（遅い光）」効果を実現する。
しかし従来のCRIT素子には致命的な欠陥があった。製造完了後は動作方式が固定されてしまうため、エンジニアが信号遅延時間を延長したり異なる動作周波数帯域に切り替えたりしたい場合、多くの場合まったく新しい光子素子を設計・製造し直す必要があった。この調整不可能性は光通信機器やデータセンターシステムの設計複雑度を大幅に高め、コストを押し上げ、開発サイクルを長引かせていた。
「ブライトモード」と「ダークモード」を統合
この制約を突破するため、研究チームはまったく新しい設計思想を提案した。CRITシステム内の2種類の光学状態——ブライトモード（bright mode）とダークモード（dark mode）——を単一の制御可能な自由度に統合し、2つの調整可能なリング型カプラーを導入することで、製造後に固定されていた共振器構造に需要に応じた再構成能力を持たせた。
研究によれば、デュアルリング型カプラーを利用することで、光信号の遅延時間を調整できるだけでなく、通過帯域幅・波形・回路内の信号伝送特性を独立して制御できることが示された。これは、単一の共振器であれ複数共振器のシステム全体であれ、光信号の伝播速度と伝送特性を自由に再構成できることを意味する。
数値シミュレーションの結果、チップの動作中に光パルスの伝播速度をリアルタイムで動的に調整できることが示された。システムは信号処理性能を損なうことなく光信号の遅延時間を自由に制御でき、追加の専用素子なしに光周波数変換を実現できる。
工学的実現可能性の検証
研究チームは3次元電磁シミュレーションにより、このCRIT素子が成熟した窒化ケイ素（Si₃N₄）光子集積回路プラットフォーム上で製造可能であることを検証した。窒化ケイ素フォトニクスチッププラットフォームは低損失・高安定性という特徴を持ち、現在の光信号処理分野で広く使用されている導波路プラットフォームである。
さらに重要なことに、研究チームは製造および動作段階で生じる可能性のある様々な実際の外乱要因——材料損失・共振器品質因子のばらつき・後方散乱・結合係数の変動・リング型カプラーの位相誤差・熱クロストークなど——を系統的に分析し、この構造が実際の光子回路環境において安定かつ信頼性高く動作できることを実証した。
この研究が提案するプログラマブル光子集積回路プラットフォームは、次世代光インターコネクトに必要なコア機能——信号タイミング同期・可変遅延ライン・光バッファ・周波数変換——をすべて単一の光子チップアーキテクチャに集積できる可能性を持つ。
将来的に産業化が実現すれば、1枚の光チップがソフトウェア定義システムのように需要に応じてリアルタイムで機能を切り替え、信号速度の制御も異なる光学処理タスク間の柔軟な切り替えも可能となる。
AIデータセンター・自動運転・量子技術への応用期待
生成AIと大規模AIモデルの急速な発展により、データセンターとサーバーのコンピューティング需要が急増し、従来の電子半導体の消費電力とデータ転送速度のボトルネックがますます顕著になっている。光コンピューティングは電気信号の代わりに光を用いて情報を伝達し、理論上は極めて低消費電力で超高速データ転送を実現できるが、光バッファリングの課題が長期にわたってその実用化を制約してきた。
今回のプログラマブル光子チップの突破は、光コンピューティングの実用化に向けたコアとなる弱点を補完するものである。商業化が実現すれば、この技術はデータセンターとAIサーバーのエネルギー消費を大幅に削減しながら、データ処理効率を向上させる可能性がある。複数の信号処理機能を単一チップに集積することで、光通信機器とセンサーシステムの小型化を促進し、ハードウェアコストを削減することもできる。
長期的に見れば、この技術は自動運転・次世代通信・量子技術など、超高速情報処理に対する切迫したニーズを持つ産業のコア支援プラットフォームとなる可能性がある。
