産総研では、これまで約20年間にわたり情報通信基盤に向けたフォトニクスに関する研究開発に本格的に取り組み、光電融合技術を世界に先駆けて蓄積してきた。2020年10月には「プラットフォームフォトニクス研究センター」を設立し、エコシステム構築を見据えながら光電融合に関する研究開発の加速・普及を推進している。本講演では、世界の光通信技術の歴史的変遷からフォトニクスの今後進むべき研究開発の方向性を考察し、日本のフォトニクス産業の将来に向けた産総研の役割と今後を展望する。

インターネットやモバイル、各種情報機器の普及・発展により情報ネットワークが高度化し、IoTやAIによりデジタル情報を賢く活用してスマートな社会を実現する動きが加速しています。様々な「モノ」や「コト」のデジタル化が進みデジタル情報が人々の生活に自然（ナチュラル）な形で溶け込む社会では、人々は日常生活のなかで意識することなく情報を利用し、そして社会全体がこれら情報を利活用して多くの社会課題を解決することが期待できます。IOWN構想はこのような社会を、光を中心とした革新的技術の活用により実現すること目指しています。本講演では、IOWNの構成要素の一つであるオールフォトニクスネットワークに関連する技術の取り組みと今後の展望ついて、以下の3つを軸にご紹介します。
・爆発増加するデータの流通を支える超高速大容量光通信技術　
・光ネットワークのデジタルツイン化によるインテリジェントな制御技術
・情報処理の高度化と低消費電力を両立する光電融合技術

産総研PPRCシリコンフォトニクスチームではシリコンフォトニクス技術の幅広い応用展開を促進するために、オープンイノベーションを意識したシリコンフォトニクス技術の研究開発を実施している。基本的な研究開発方針と研究大項目を下に示す。
１：産業界や学術界で幅広く利用できる標準シリコンフォトニクス技術開発
　・加工精度に優れる300mmウエハープロセスを適用した標準デバイス開発
　・標準ファンドリ―適用にむけたPDK構築
２：将来の高度な応用展開を想定した先進シリコンフォトニクス技術開発
　・異種材料集積による高機能化
　・大規模光集積回路の先進的応用
３：シリコンフォトニクスR & Dエコシステム構築を通じたオープンイノベーション支援
　・ファンドリーサービス体制の構築
　・シリコンフォトニクス周辺技術開発体制の構築

In this presentation, we will describe the world's first large-scale production deployment of lightwave fabrics composed of optical circuit switches (OCSes) and WDM interconnect, used in Google's datacenter and machine-learning (ML) networks. We first review the in-house developed OCS and optical transceiver technologies which enable the reconfigurable, low latency, data rate/format agnostic, and highly available lightwave fabric. We will then discuss system level results and benefits for both datacenter networks and large-scale ML systems, and conclude with future technology directions.

クラウドサービス、特にLLMなどのAI学習において、計算資源間での大きな通信需要が発生している。従来のキャリアネットワークの枠を超え、様々なアプリケーション領域において、広帯域・高信頼・低遅延・ジッタレスの光通信・ネットワーク技術の重要性が増している。本講演では、データコムの要請に喚起された光トランスポートネットワークにおけるディスアグリゲーション技術の進化とともに、産総研で開発するFBD（Functional Block-based Disaggregation）モデル技術を紹介する。FBDモデルは任意の光スイッチノードの自動化をサポートする光ネットワークの資源管理モデルである。広域からデータセンタまでAI/ML基盤で必要とされるあらゆるネットワーク領域に光パスネットワークを自在に導入可能とする、トータルディスアグリゲーションによる光ネットワーク基盤を実現するキー技術である。

ムーアの法則に依存しない新しいコンピューティングとして、シリコン光回路を用いた光演算に注目が集まっている。AI用シリコン光回路の更なる高性能化には、新しい光回路アーキテクチャの探索に加えて、光回路を制御するために必要となる光位相シフタや光強度変調器の性能向上が必須となっている。また、光回路状態を検出するための光パワーモニタの実現も、回路規模が大規模になるにつれて重要性が増している。我々はこれまで、シリコン光回路上にIII-V族半導体や相変化材料、強誘電体などの異種材料を集積した光素子の研究を進めてきた。本講演では、我々が現在取り組んでいるAI用シリコン光回路の最新成果に加えて、III-V族半導体薄膜集積を用いた超低消費電力光位相シフタや低損失光パワーモニター相変化材料を用いた光位相シフタ・強度変調器、強誘電体二酸化ハフニウムジルコニウムを用いた不揮発光位相シフタなどの成果について紹介する。

As AI systems grow larger, their increasing power consumption has become a critical issue in limiting their development. Optical neural network, implementing machine learning algorithms on photonic integrated circuits, offers a promising solution by significantly reducing power consumption. These systems are not only energy-efficient but also offer high speed and low latency, making them ideal as accelerators. Unlike earlier optical computing efforts, recent advancements leverage integrated photonics circuits, optoelectronic hybrid systems, and optical interconnect technologies. However, challenges such as scaling limitations, the absence of optical activation functions, and compatibility with existing training algorithms remain unresolved.

Rather than replicating conventional models with photonics, our focus is shifted to how optical devices and systems can be optimized for specific tasks, achieving superior performance with even smaller models. We proposed a novel approach, the nonlinear mapping-based photonic neural network (PNN), which performs nonlinear transformations on input data without traditional activation functions. This PNN was successfully demonstrated on a silicon photonic integrated circuit, achieving high accuracy, extremely low latency, and reduced power consumption. Our recent developments include exploring optoelectronic hybrid networks with multilayered structures and optically physical information network, indicating significant potential for future advancements in optical neural network computing.

データセンターネットワーク用スイッチ IC の処理速度の急速な進展に伴ってその消費電力が課題となっており、広帯域・省電力な光スイッチの重要性が増している。実際に、Google がデータセンターネットワークのスパイン層に光スイッチを採用し、実運用においても光スイッチの優位性を実証している。また、従来のデータセンターネットワークだけでなく、GPU クラスターを備えた AI サーバにおいても、生成 AI モデルの巨大化に伴って膨大なスイッチング容量が必要になっている。我々は省電力性、高速性、および高集積性を示す大規模シリコン光スイッチ技術の開発に取り組み、電子スイッチ IC よりもはるかに高い電力効率を実証している。本講演では、新しい波長クロスコネクトスイッチ等の最近の取り組みを含め、大規模シリコン光スイッチ技術の進展と展望を紹介する。

Tremendous growth in data center traffic creates a need for high bandwidth and lower power consumption that meets future connectivity requirements within data centers.

An integrated, on-substrate optical I/O platform utilizing the tested and proven high-volume semiconductor manufacturing and packaging ecosystem can overcome the variation and uncertainty inherent in the optical I/O market today. Silicon photonics based optical interfaces can significantly improve I/o density by optimizing solutions along three technology vectors independently: 1) packaging density, 2) speed per lane and number of wavelengths per channel. This approach also leads to significant reduction in overall power consumption per bit transmitted. The high-density integration of CMOS based silicon photonics chiplets to achieve an optical engine bandwidth of 6.4T and deliver an all-optical 51.2T co-packaged optics switch solution. An industry first Broadcom prototype system by co-packaging eight SiPh chiplets with 51.2T switch die that can deliver double the bandwidth of a 25.6T standard solution.

生成AIの登場による計算量の増大に対応するため、多数の半導体チップの並列計算が必要となっている。多数チップの接続を可能とする光インターコネクトには帯域密度の向上と低消費電力化が必要となっている。我々は光インターコネクトの高性能化を目指して、光機能を集積した半導体パッケージ基板の研究開発を行っている。当日はポリマー光回路を中心に光電集積パッケージ基板の概要と最新成果を報告する。

データの価値が重要となる中、データセントリックな新しい光電融合コンピューティング実現に向けた２つの研究が進む。１つは増大するコンピュータ機器（メモリ／ストレージ、クセラレータ）を共有し有効活用するディスアグリゲーテッドコンピューティングの研究である。もう１つは、大規模化が進むAIモデルを高速に処理するための>Tbpsと広帯域なリンクを用いたアクセラレータ間ネットワークの研究である。しかし、従来の電気技術を使ったリンク、スイッチ技術の延長では、消費電力が急増してしまうスケールできない。本講演では、この問題に対して産総研が取り組んでいる、光回線網を使った新しい光電融合コンピューティング実現に向けた研究として以下の２つを紹介する。

シリコンフォトニクスは、次世代の通信インフラを支える重要技術として、大きな注目を集めている。次世代通信インフラにおいては、光集積回路の小型化、大規模集積化、高速化、低消費電力化、多機能化が求められる。これらの要求の実現に向けたキーテクノロジーとして、シリコンフォトニクスプラットフォーム上への異種材料集積が有望視されている。例えば、化合物半導体、磁気光学材料、相変化材料等を集積することで、シリコン材料では実現が困難な優れた光源、光増幅器、光変調器、受光器、光アイソレータ、不揮発性光回路等を実現することができる。

産総研では、これまでに、異種材料集積に向けたシリコンフォトニクスプラットフォームの研究開発を進めてきた。本講演では、異種材料集積に向けたシリコンフォトニクスプラットフォームを中心に、シリコンフォトニクスプラットフォーム上への異種材料集積技術について紹介する。

プラットフォームフォトニクス研究センターは、シリコンフォトニクスコンソーシアムを運営しています。その活動概要を紹介します。