光電流を従来の340倍に増幅する超小型光回路モニタを開発

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～ AIデータセンターやLiDAR向け光回路を高精度化～

2026年3月19日

早稲田大学

光電流を従来の340倍に増幅する超小型光回路モニタを開発

～ AIデータセンターやLiDAR向け光回路を高精度化～

発表のポイント

●シリコンフォトニクス光集積回路向けにマルチモード干渉構造を活用して、高感度化と低損失化を実現し、従来のシリコンPIN型検出器と比べて約340倍の検出感度を実証しました。

●光をほとんど減衰させない低損失動作と、数マイクロメートルの超小型化を両立しました。

●特殊な材料や複雑な構造を用いない、シリコンのみの非常にシンプルな構造で増幅器を用いずに動作する低消費電力設計を実現しました。

●AIデータセンターやLiDAR用光集積回路の安定動作や省電力化などの高精度化と大規模化に貢献する研究成果です。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202603175817-O1-zNh828M0】

図：マルチモード干渉を利用した光回路モニタ

早稲田大学理工学術院の北 智洋（きた ともひろ）教授の研究グループは、シリコンフォトニクス※1光集積回路向けの超小型光回路モニタを開発しました。生成AIの普及に伴い、AIデータセンターでは大規模な光通信回路の安定動作と省電力化が求められています。また、LiDAR(ライダー)※2などの光センシング分野でも、光集積回路内部の光強度や共振状態を高精度に監視する技術が重要です。本研究では、マルチモード干渉※3を利用した独自構造により、光をほとんど減衰させない低損失動作と高感度化を両立し、従来のシリコンPIN型検出器※4と比べて、光を電流として取り出す能力を約340倍に高めることを実証しました。特殊材料を用いないシリコンのみのシンプルな構造で、電流増幅器を用いず低消費電力で動作します。本技術は、大規模光集積回路の高精度制御に貢献します。

本研究成果は2026年3月4日（水）に「IEEE Journal of Lightwave Technology」にて公開されました。

（1）研究の背景

近年、生成AIの急速な普及により、AIデータセンターでは膨大なデータ処理が行われています。大量の情報を高速かつ低消費電力で伝送するため、電気配線に代わり光通信が広く導入されています。また、自動運転や3次元計測に用いられるLiDARにおいても、小型で高精度な光制御技術が重要となっています。こうした通信とセンシングの両分野を支える基盤技術が、シリコンフォトニクスによる光集積回路です。

光集積回路では、リング共振器や干渉回路などの微小な構造によって光を制御します。これらの回路は温度変化や製造によるばらつきの影響を受けやすく、そのままでは通信性能の低下や動作の不安定化が起きる可能性があります。そのため、光の強度や共振状態を精密に監視しながら制御する必要があります。回路の大規模化が進むほど、こうした監視技術の重要性は一層高まります。

従来も回路内の光強度を測定するために光検出器※5が用いられてきました。しかし、大きな光電流が得られる一般的なゲルマニウム-PIN型検出器は光を吸収して電流を得るため、回路内の光を減衰させます。検出器数が増えると、その損失は無視できなくなります。さらに、検出感度を確保するために増幅回路を必要とする場合が多く、消費電力や実装面積の増加も課題でした。

そのため、光をほとんど弱めず、小型で高感度、かつ低消費電力で動作する新しい回路内光モニタ技術が求められていました。

（2）研究の成果

本研究では、シリコンフォトニクス光集積回路の内部に直接組み込める、新しいインライン光モニタを実現しました。目的は、光をほとんど減衰させずに高感度で検出できる小型デバイスの開発です。

研究グループは、シリコン導波路内で生じるマルチモード干渉に着目しました。通信に用いられる赤外光に対して、シリコンはバンド間吸収がほとんどなく、導波路は低損失です。一方で、導波路表面の界面準位ではわずかな光吸収が生じます。吸収を強めれば感度は上がりますが、同時に損失も増えるというトレードオフが存在します。

本研究では、干渉により導波路中央に光電場が集中する位置に電極を配置しました（図1）。これにより、光の伝搬をほとんど乱さずに電極間距離を短縮しました。フォトコンダクティブゲイン※6はキャリア寿命と走行時間の比で決まり、電極間距離が短いほど増加します。本構造ではこの原理を利用し、低損失性を維持したまま光電流を大きく増幅しました。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202603175817-O2-H4Q30GJK】

図1：マルチモード干渉を利用したインライン型光検出器

開発したインライン光モニタの長さは4.7マイクロメートルで、挿入損失は約0.03デシベルに低減しました（図2）。これは通常のシリコン導波路に電極構造を取り付けた構造と比較して1/75の低損失化を達成しています。さらに光通信やセンシングに用いられる広い波長範囲で低損失動作を確認しました。同時に、フォトコンダクティブゲインにより光電流を増幅し、従来のシリコン-PIN型検出器と比べて最大で約340倍の検出感度を達成しました（図3）。光吸収を増やすのではなく、生成された電荷を増幅することで高感度化を実現しました。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202603175817-O3-V0zgRcB3】

図２：マルチモード干渉の利用による低損失化

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202603175817-O4-c76WFqWi】

図3：フォトコンダクティブゲインによる高感度化

さらに、本モニタをリング共振器に組み込み、光電流スペクトルを測定しました（図4）。共振ピークに対応した明確な光電流の変化を観測し、回路内部の光強度や共振状態を高精度に把握できることを示しました。多数配置しても回路性能への影響は極めて小さいことを確認しました。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202603175817-O5-amf5D919】

図4：インライン光検出器を装荷したリング共振器と共振状態の検出

本成果により、超小型（4.7 マイクロメートル）、低損失（0.03 デシベル）、高感度（340倍）、低消費電力を同時に満たす光回路モニタを実証しました。

（3）研究の波及効果や社会的影響

本成果は、AIデータセンターにおける大規模光通信チップの高度化に貢献します。生成AIの拡大により、データセンターでは膨大な情報を高速かつ低消費電力で伝送する必要があります。光集積回路の大規模化が進む中、回路内部を高精度に監視する技術は不可欠です。本モニタは低損失で多数配置が可能なため、次世代のデータセンター間光通信やCo-Packaged Optics（CPO）※7技術の発展に寄与します。

また、本技術はLiDAR用光集積回路にも応用可能です。リング共振器や光フェーズドアレイなどの精密制御が求められるセンシング分野では、回路内部の光強度や共振状態を高精度に把握することが重要です。本モニタは回路性能をほとんど損なうことなく組み込めるため、センシング精度の向上と小型化に貢献します。さらに、特殊材料を用いないシリコンのみの構造であるため、既存のシリコンフォトニクス製造プロセスとの高い互換性を持ちます。量産性とコスト面でも優位性があります。

本成果は、通信とセンシングを横断するシリコンフォトニクス基盤技術の高度化に寄与するものです。

（4）今後の展望

今後は、本モニタを多数集積した大規模シリコンフォトニクス光集積回路の制御技術を確立します。特に、データセンター間光通信（DCI）向けの多波長光トランシーバへの応用を進めます。回路内部の光強度や共振状態をリアルタイムに監視し、自律的に最適化する技術の実現を目指します。

また、LiDAR用光集積回路への展開も進めます。リング共振器や光フェーズドアレイと組み合わせることで、より高精度で安定した光ビーム制御を実現します。

さらに、本モニタをテラヘルツ（THz）波コヒーレント通信に用いる光変調器へ組み込み、超高速光源および変調器の高精度制御に応用します。THz波通信では光源の安定性と変調精度が重要であり、本技術はその基盤となる光回路内モニタリング技術として発展が期待されます。

（5）研究者のコメント

光集積回路の大規模化、多機能化が進む中で、回路内部を高精度に監視できる技術は不可欠です。本研究では、低損失性と高感度という本来トレードオフの関係にある性能を同時に実現しました。シリコンのみのシンプルな構造であることも大きな強みです。通信やLiDAR、さらにはTHz波コヒーレント通信へと展開し、次世代の光・電波融合技術の基盤を築いていきたいと考えています。

（6）用語解説

※1　シリコンフォトニクス：

シリコンを用いて光の通り道や光の制御機能を半導体チップ上に集積する技術。光通信や光集積回路の小型化・高機能化に利用されている。

※2　 LiDAR(ライダー)：

レーザー光を用いて対象物までの距離や形状を計測する技術。近年は、周波数を連続的に変化させたレーザー光を用いて距離と速度を高精度に測定するFMCW方式のLiDARの研究開発が進んでいる。

※3　マルチモード干渉：

幅の広い導波路内で複数の光の進み方が重なり合うことで、光の強さの分布が変化する現象。この性質を利用して光を分けたり集めたりすることができる。

※4　 PIN型検出器：

p型半導体、i層（電荷がほとんど存在しない層）、n型半導体の三層構造からなる光検出器。光を吸収して電流を生成する仕組みで、光通信や光計測などで広く利用されている。

※5　光検出器：

光を電気信号に変換する素子。光の強さを電流として読み取ることができ、光通信や光計測などに広く用いられている。

※6　フォトコンダクティブゲイン：

光によって発生した電荷が回路内で繰り返し電流として流れることで、光による電流信号が大きく増幅される現象。これにより小さな光でも高感度で検出できる。

※7　Co-Packaged Optics（CPO）

光通信モジュールと電子回路（スイッチICなど）を同一パッケージ内に集積する技術。電気配線の長さを短くすることで消費電力を低減し、データセンター向け高速通信の実現に向けて注目されている。

（7）論文情報

雑誌名：IEEE Journal of Lightwave Technology

論文名：Compact and Ultra-Low-Loss Inline Optical Power Monitor Based on Multimode Interference for Silicon Photonic Integrated Circuits

執筆者名（所属機関名）：Tomohiro Kita*(早稲田大学), Kiyoharu Tsujishita(早稲田大学) *責任著者

掲載日時：2026年3月4日（水）

DOI：10.1109/JLT.2026.3670843

掲載URL：https://ieeexplore.ieee.org/document/11421590

（8）研究助成

本研究は、科学技術振興機構（JST） 研究成果最適展開支援プログラム A-STEP産学共同（育成型）「シリコンフォトニクスハイブリッドレーザを用いた超高解像度ＬｉＤＡＲ基盤技術の開発」（課題番号：JPMJTR23RG）の一環として行われ、一部は日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業「三次元ヘテロジニアス集積技術を用いた1チップLiDARの開発」（課題番号：23K26166）、総務省（MIC）戦略的情報通信研究開発推進事業(SCOPE) 「小型・低消費電力・低雑音THzトランシーバを実現する光電子融合ヘテロジニアス集積技術の研究開発」（課題番号：JP235003005）、村田学術振興・研究財団研究助成「1チップ超広帯域コヒーレント光源の研究開発」、テレコム先端技術研究支援センター研究費「自己注入同期現象を用いた超狭線幅集積型波長可変レーザの研究」の支援を受けて行われました。