7月10日、グローバル・メディアのSciTech Dailyによると、中国の華中科技大学（Huazhong University of Science and Technology）、上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）、電子科技大学（University of Electronic Science and Technology of China）、南開大学（Nankai University）などの機関で構成される中国の研究チームはこのほど、世界初の単一チップ集積型のプログラマブル全光信号処理（All-Optical Signal Processing、AOSP）チップの開発に成功した。このチップは光フィルター、信号再生、論理演算をサポートし、従来のシリコンフォトニクスが必要とした「光-電気-光（O-E-O）」変換の制限を打破した。データが入力から出力まで光信号の状態を維持し続けることで、交換器不要の高速演算新アーキテクチャへと歩みを進める。
新開発の光チップが超高速コンピューティング・データ処理を実現
ビッグデータ時代の幕開けには、膨大なデータ処理とエネルギー消費制御において、情報処理に重大な課題をもたらしている。現在、90%を超えるデータは光波を介して伝送されているが、実際のデータ処理は依然として主に電界内で行われている。この不整合を解決するために、2つのアプローチが登場した。1つは信号を光から電気に変換し、その後再び光に戻す方法（「光-電気-光」変換、つまり「O-E-O」変換）。もう1つは、データを完全に光ドメイン内で処理することに焦点を当てる方法で、これは全光信号処理（AOSP）という。
「O-E-O変換」は、透過性の制限や光電子部品を使う課題などの制約に直面している。しかし、AOSPは拡張性に優れた代替案を提供する。非線形プロセスを採用することで、AOSPは複雑性、コスト、エネルギー効率の面でシステム性能を向上させることができる。
プログラマブルAOSPチップ開発でブレークスルー達成
中国の華中科技大学の教授・張新良（チョウ・シンリョウ）氏、上海交通大学の教授・蘇逸凱（スウ・イーカイ）氏、電子科技大学の教授邱坤（チュー・クン）氏と南開大学の朱寧華（ニュー・ニンカ）氏からなる研究チームは、単一チップ集積型のプログラマブル全光信号処理（AOSP）チップの開発に成功した。このチップは、光フィルター、信号再生、論理演算といった重要な機能をサポートできる。
研究者らは、CMOS互換性、最小限の信号損失、コンパクトなフォームファクタ、強力な光非線形性など、シリコンフォトニクスの利点を活用することで、次世代光ネットワークの厳しい要求を満たすチップを生み出した。
これには、高速データ伝送、高度な変調方式との互換性などが含まれている。チームは、動的フィルタリング、論理計算、信号再生を実行する同チップの能力を実証し、光通信、高度計算、イメージング、センシングなどのフロンティアアプリケーションでの使用に向けた強固な基盤を築いた。
シリコンフォトニクスの限界を克服
シリコン・オン・インシュレータ（SOI）技術上でプログラマブル全光信号処理（AOSP）プラットフォームを開発するには、いくつかの技術的障壁が存在する。主な問題は、シリコンがキャリア関連効果、特に二光子吸収（TPA）と自由キャリア吸収（FCA）を示し、非線形相互作用に利用可能なパワー量を制限し、これらの効果を弱めることだ。
これらの限界を克服するため、研究者らは改良された製造方法、デバイス構造、新規材料を導入した。重要な進展の一つは、製造技術の強化を通じた超低損失シリコン導波路と高品質マイクロ共振器の開発だ。これらのコンポーネントは集積フォトニックフィルタをサポートし、広く再構成可能な帯域幅と調整可能な自由スペクトル範囲（FSR）を提供し、入力光信号に対する高度に柔軟かつ精密な操作を可能にする。
高密度集積システムにおける光・熱干渉の課題に対処するため、研究チームは先進的な光学設計とパッケージング技術を開発した。これらの革新により、コンパクトで多機能、低消費電力のチップが実現された。その結果、4種類の異なるプログラマブルAOSPチップ（再構成可能フォトニックフィルタチップ、論理処理チップ、多次元再生チップ、マルチチャネル多機能AOSPチップ）が実現した。
本研究は、プログラマブルAOSPチップ開発における重要な進展を強調する。高い伝送損失、弱い非線形効果、限られた光場制御、深刻な光・電気・熱的クロストークなどの課題は、構造と材料の革新を通じて解決されたという。超低損失シリコン導波路の損失は0.17 dB/cmと低く、Qファクターは最大2.1×10⁶に達している。
研究チームは、帯域幅を0.55 pmから648.72 pm（つまり3桁以上）まで、FSRを0.06 nmから1.86 nm（30倍）まで先進な集積フィルタを実現した。絶対FWM変換効率は最大12 dBと高く、この高い効率性が高性能論理・再生操作の成功に重要だ。
フィルタリング、論理、再生の8チャネル多機能単一チップ集積を達成し、1つのチップ上に136個のデバイス（フィルタ、論理ゲート、再生器、グレーティング、MMI、電極など）を集積できた。総信号処理能力は800 Gb/s（チャネルあたり動作速度100 Gb/s）に達し、DPSKやOOKを含む多様な変調フォーマットに対応可能だ。論理演算用の会話言語理解（CLU）が生成され、QPSK再生により受信機感度を6 dB以上向上できることが示された。先進的な光電子パッケージング技術を活用することで、マルチチャネル信号のチップレベルルーティングと処理が検証された。
カー非線形性（フェムト秒時間尺度）に固有特性により、これらの取り組みはより高速な大規模シリコン基板AOSPチップの設計・製造の基盤を築いた。未来を見据えると、ナノ製造技術、新材料、パッケージングプロセスの改善が、AOSPチップの性能と柔軟性をさらに高め、高速通信と先進的計算に向けたより効率的な光ソリューションを提供することが期待されている。
（原文：https://www.icsmart.cn/93892/）