光子結晶 は CMOS を 超えた 光電子 機器 に 革命 的 な 変化 を もたらす こと が でき ます

未来のデータセンターを想像してみてください。そこでは、電子部品がブンブン音を立てるのではなく、微小な結晶を通して光速で情報が処理されています。かつてはSFの世界に限定されていたこのビジョンは、フォトニック結晶技術を通じて現実のものとなりつつあります。CMOS技術がその物理的限界に近づくにつれて、光電子集積化が現在の性能の壁を打ち破るための重要な解決策として浮上しています。

微小な光の迷路：フォトニック結晶の仕組み

フォトニック結晶は、周期的な屈折率の変化を持つ人工的に設計された材料です。この構造的な周期性により、光の伝搬をこれまでにないほど制御できるようになり、光子を微小な空間に閉じ込めて光と物質の相互作用を劇的に高めます。本質的にナノスケールの光学迷路として機能するこれらの結晶は、洗練された構造設計を通じて光の経路を正確に操作できます。

半導体基板上で高度なナノ製造技術を用いて製造されたフォトニック結晶は、その周期構造を注意深く調整することで、さまざまな光学現象を実現します。

• 超強力な光の閉じ込め： 光子をサブ波長体積に集中させ、光学デバイスの効率を向上させます
• スローライト効果： 光の伝搬速度を遅くし、光と物質の相互作用時間を延長します
• 負の屈折： 新規の光学部品のための異常な光の屈折を可能にします

これらのユニークな特性により、フォトニック結晶は、光学メモリデバイスの小型化とフォトニック集積回路の消費電力削減のための変革的な要素としての地位を確立しています。

結晶の類推：電子から光子へ

「フォトニック結晶」という用語は、固体物理学から直接インスピレーションを得ています。従来の結晶では、周期的な原子配列が周期的なポテンシャル場を作り出し、導体、絶縁体、半導体を生み出します。

この基本的な原理はフォトニクスにも拡張されます。電子波が原子スケールの周期性と相互作用するのと同様に、光波は、光学波長（通常200〜400 nm）に一致する周期性を持つ人工構造と相互作用します。これらの寸法を設計することにより、フォトニック結晶は、特定の光周波数をブロックする完全なフォトニックバンドギャップ材料など、天然材料では不可能な光学特性を実現します。

CMOSを超えて：光電子集積化の必要性

計算需要が指数関数的に増加する中、従来のCMOS技術は克服できない障壁に直面しています。ムーアの法則は数十年にわたる進歩を牽引しましたが、トランジスタの小型化は現在、原子スケールの限界に近づいており、速度と電力効率のボトルネックを生み出しています。

自律走行車から災害予測システムまで、新たなアプリケーションは、従来の電子機器では実現できない超低遅延処理を必要としています。その解決策は、光子の速度と効率と電子の計算能力を組み合わせた、シームレスな光電子集積化にあります。

NTTのフォトニックブレークスルー：集積化への道を開く

半導体製造の進歩により、フォトニック結晶の開発が急速に進んでいます。NTTの20年にわたるナノフォトニクス研究は、重要なイノベーションを生み出しました。

• 世界最小容量の光電子集積化（2019年）
• 記録的な低電力光変調器とトランジスタ
• 産業規模の実現可能性を持つフォトニック結晶スイッチ

これらの成果により、これまでにない速度とエネルギー効率を備えた光電子回路が実現し、コンピューティングアーキテクチャに革命をもたらす可能性があります。

IOWNビジョン：オールフォトニクスな未来

NTTの革新的な光＆ワイヤレスネットワーク（IOWN）イニシアチブは、フォトニクスインフラストラクチャの2030年ロードマップを概説しています。このビジョンの中心となるのは、オールフォトニクスネットワーク（APN）であり、以下のことを約束するエンドツーエンドの光学システムです。

• 超大容量データ伝送
• ほぼゼロ遅延通信
• 大幅な省エネルギー

フォトニクスを計算およびメモリシステムに統合することにより、このフレームワークは情報処理のパラダイムを根本的に変革し、よりスマートで持続可能な技術エコシステムを実現する可能性があります。