データセンタ向け光デバイスの開発動向と今後の展望

第1部 シリコンフォトニクス技術の概要と産業展開状況

(2025年9月26日 10:30〜12:00)

　生成AI等のコンピューティング需要の爆発的は増大を背景に、経済性やエネルギー効率に優れる分散コンピューティングスシステムの開発が進みつつある。そこでは、集積性、エネルギー効率および経済性に優れた光伝送システムが必要であり、これを支える光回路プラットフォーム技術としてシリコンフォトニクスの研究開発が世界中で進行中である。 　本講演では、シリコンフォトニクス技術の開発状況と応用状況について述べるとともに、当該技術の幅広い産業展開を支援する研究開発エコシステムとして、産業技術総合研究所を中心とした産学官連携体制の例を紹介する。

1. 背景
   1. コンピューティング需要の爆発増大と分散コンピューティングによる対応
   2. 分散コンピューティングの実現に向けたフォトニクスの大規模導入
2. シリコンフォトニクス 〜その特徴と現状〜
   1. シリコンフォトニクスの技術的特徴
   2. シリコンフォトニクスの技術開発状況
3. シリコンフォトニクスの産業エコシステム化にむけて
   1. スケーラブル実装技術・光源集積自動化・自動化ウエハーレベル検査・設計自動化
   2. シリコンフォトニクスファブ
   3. 自律的R&Dエコシステム
4. 産業エコシステム構築にむけた産総研シリコンフォトニクス技術
   1. 産総研のシリコンフォトニクス基礎技術
   2. 標準シリコンフォトニクス
   3. 先進シリコンフォトニクス
   4. シリコンフォトニクスエコシステム
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第2部 短距離デジタルコヒーレント通信向け光デバイス技術の開発動向

(2025年9月26日 13:00〜14:30)

　光ファイバ通信はこれまで、国内の通信網から海底ケーブルを介した大陸同士をつなぐなど、長距離通信を実現する技術として進展してきた。しかし近年、AIや機械学習の発展に伴いデータセンタの高度化と巨大化が進み、光ファイバ通信は長距離伝送のみならず、電気配線に代わる短距離高速通信技術としても注目されるようになった。特にChatGPTに代表される大量の情報を用いた学習においては、演算自体よりもその膨大なデータを通信する際の速度・電力がボトルネックとなるなど、現在のAIブームは光通信技術なくしては成り立たないと言っても過言ではない。 　本講演では、これまで長距離通信技術として発展してきたデジタルコヒーレント技術が、近年データセンタ内の短距離通信技術として用いられるようになった背景および現状、そしてそこで期待される技術について述べる。技術内容としては主にデジタルコヒーレント用変調器ならびに光源について紹介し、最後に今後のデータセンタ向け光通信技術の展望について議論する。

1. 短距離デジタルコヒーレント通信技術の概要
   1. デジタルコヒーレント通信技術と短距離適用への要求
   2. 強度変調 (IMDD) 通信方式の現状
   3. 短距離デジタルコヒーレント通信方式への要求
2. 短距離デジタルコヒーレント用変調器の動向
   1. デジタルコヒーレント用変調器の概要
   2. Si系変調器
   3. InP系変調器
   4. LiNbO3系変調器
   5. その他構成
3. 短距離デジタルコヒーレント用光源の動向
   1. 波長可変レーザモジュール (ITLA)
   2. 波長モニタ内蔵DFB-CAN
   3. 将来展望
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第3部 データセンタ用超高速面発光レーザ集積光源の研究動向

(2025年9月26日 14:40〜16:10)

　面発光レーザは、低しきい値電流化が進められ、消費電力が小さい、二次元アレー化が可能、ウェハ単位での性能試験が可能であるなど、従来構造の半導体レーザに比べて多くの利点が実証されて、現在の短距離光ネットワークの光源として中心的な役割を果たしている。 　スーパーコンピュータやデータセンタでは、膨大な数の光配線導入が必須であり、ここでは、低消費電力動作を可能とする面発光レーザが中心的な役割を担っている。 　20Gbpsを越える高速直接変調動作、1bit当たりの消費電力として100fJ以下などの低消費電力動作など、将来の低消費電力インターコネクトのための革新的な開発が進められている。また、サイバー空間とフィジカル空間が一体化するサイバー・フィジカル・システムの発展を支えるには、エッジ・クラウドコンピューティング性能の大幅な高度化が不可欠であり、そこでは、超高速・低消費電力光インターコネクト技術が求められている。
さらに、最近では、AIデータセンタにおける膨大なネットワークトラフィックが加速し、消費電力の問題が顕在化している。 　本講演では、 面発光レーザの高速化技術、特に我々が進めてきた結合共振器による高速変調技術、次世代光インターコネクトに向けCPO (Co-package Optics) 超小型光トランシーバなど、最近の進展について述べる。

1. データセンタと面発光レーザ
   1. データセンタにおける光インターコネクト
   2. 面発光レーザの概要と特性
   3. 最近の高速面発光レーザ
2. 面発光レーザの高速化技術
   1. 面発光レーザの変調帯域制限と高速化技術
   2. 結合共振器面発光レーザ
   3. 高速変調特性
   4. 光ファイバ伝送特性
3. 光トランシーバへの応用
   1. LPO (Linear-drive Pluggable Optics) トランシーバ
   2. CPO (Co-Packaged Optics) トランシーバ
   3. 将来展望
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第4部 データセンタ向け大規模・高速光回線交換スイッチの開発動向

(2025年9月26日 16:20〜17:30)

　ChatGPTに代表される生成AI サービスの急激な進展に伴い、データセンタの必要帯域・消費電力は増加の一途を辿っており、将来的にAI/ML の消費電力はデータセンタ全体の40%-60%に達すると予想されている。Googleは世界に先駆けてデータセンタ内のサーバ間ネットワークへ部分的に光回線交換スイッチを導入し、消費電力並びにコスト削減を実証したことで高い注目を集めている。 　本講座では、進展が著しいデータセンタおよびAIスーパーコンピューターの世界的な動向とそのネットワーク基本技術をご紹介し、次世代データセンタにおいて期待される光回線交換スイッチ技術の役割を説明する。続いて、産業技術総合研究所でこれまでに開発してきた光スイッチの変遷を振り返り、更なる大規模・高速化に向けた今後の課題や展望を説明する。併せて、大規模・高速光スイッチの構成例として、数千ポート規模やマイクロ秒オーダ以下の応答速度で動作可能な光スイッチシステムに関する実証実験の様子を紹介する。

1. データセンタ・AIコンピューティングを取り巻く背景
   1. データセンタの進展・インパクト
   2. 次世代データセンタ・AIコンピューティングに求められる要件
2. データセンタネットワークの基本構成
   1. 階層型電気スイッチネットワーク
   2. AIコンピューターネットワーク
   3. データセンタ向け光スイッチネットワーク
3. 光回線交換スイッチ技術
   1. 代表的な光スイッチの例
   2. シリコンフォトニクススイッチ
   3. 大規模・高速光スイッチ
4. データセンタ向け光スイッチに関する今後の展望
   1. ポート数拡大
   2. 高速 (ナノ秒オーダ) 切り替え
   3. 低損失・高機能化
5. まとめ
• 質疑応答