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フォトニック集積回路とは

シノプシス 編集部

読了時間:3分

定義

集積回路とは、スマートフォンやコンピュータ、その他の電子機器の内部に組み込まれているような、機能的な回路を構成する電子部品を内蔵したチップのことです。一方、フォトニック集積回路 (PIC)とは、光(光子)を利用して動作する部品であるフォトニック部品を内蔵したチップのことです。

電子チップでは、電子の流れが抵抗器、インダクタ、トランジスタ、コンデンサなどの電気部品を通過しますが、フォトニックチップでは、光子が導波路(抵抗器や電線に相当)、レーザー(トランジスタに相当)、偏光子、位相シフタなどの光学部品を通過します。

フォトニック集積回路 | シノプシス

フォトニック集積回路 はどのように機能し、どのような問題を解決するのでしょうか?

PICは、レーザー光源を用いて光を注入し、それによって素子を駆動します。これは、スイッチを入れて電気を流し、電子素子を駆動させるのと同様です。本質的に、PICは電子の代わりに光子を用いて情報を処理・伝送します。フォトニックチップ内では、光子は導波路、レーザー、偏光子、位相シフターなどの光学部品を通過します。

電気の代わりに光を利用する集積フォトニクス技術は、集積化や発熱といった電子機器の限界に対する解決策を提供し、デバイスを次のレベルへと引き上げます。これは、データ伝送の容量と速度を向上させる、いわゆる「モア・ザン・ムーア」の概念です。PIC(集積フォトニクス回路)には、小型化、高速化、低発熱、高い集積能力といった利点があり、既存の製造プロセスとの互換性により、高歩留まり、量産化、および低価格化を実現します。 集積フォトニクスの応用分野は幅広く、データ通信やセンシングから、自動車産業、さらには天文学の分野にまで及びます。  

PICはどのような業界や用途に適しているのでしょうか?

PICの主要な応用分野の一つはデータ通信であり、次いでセンシング(農業や自動運転など)、ラボ・オン・ア・チップデバイスなどの生物医学分野、さらに防衛・航空宇宙産業や天文学の分野での応用が挙げられます。 その他の応用例としては、省電力LED、医療から産業用途に至るまでの固体レーザー、そして携帯電話のカメラ、スキャナー、自動車用センサーなどの機器に搭載されている小型光センサーなどが挙げられます。

設計者たちが、集積フォトニクスが有用となり得る新たな技術的課題に取り組み、実現可能性調査を通じてそれが解決策となり得るかどうかを判断するにつれ、PICの改良や新たな応用例が次々と生まれています。こうした調査に関するサービスは、世界中のPICコンソーシアム、設計会社、さらには一部の大学によっても提供されています。

フォトニック・コンピューティングの登場により、従来の電子部品を用いたプリント基板やICは、光電子回路を搭載した製品によって補完され、最終的には置き換えられる可能性がある。

フォトニクスの応用 | シノプシス

今、PICを開発することの意義とは何でしょうか?

集積回路の微細化限界が近づきつつある中、PICは、データ通信(データセンター間およびデータセンター内通信)、自動運転向けのLiDARソリューション、航空宇宙・航空分野のセンシング、そして新たな技術時代における数え切れないほどの将来の応用分野において、最有力な技術となる可能性を秘めています。

PICはどのように開発・モデル化するのでしょうか?

適切な設計およびPICのプロセスフローは、複雑な場合があります。具体的な手順は用途やファウンドリによって異なりますが、基本的な手順は以下の通りです。

  • アイデアや要件を明確にしてください
  • アプリケーションの実現可能性調査を実施する
  • 設計(初期段階からPICのテストおよびパッケージングを考慮して):
    • デバイスレベル(光学、熱、および材料のシミュレーション)
    • 回路レベル(性能を検証するための仮想実験環境)
    • システムレベル(通信リンクに接続されたPIC)
    • レイアウトレベル(設計意図の策定)
    • 検証(製造要件への準拠および高歩留まりの確保のためのDRCおよびLVS)
    • GDS(生成されたマスクを確認し、必要に応じて黒または白のボックスを置き換えてください)
  • プロセスフロー
    • 各工程のシミュレーション
  • 製造
  • テスト
    • ウェハーレベル
    • チップレベル
  • ツール・パッケージ
フォトニック集積回路  のモデリングおよび開発プロセス | シノプシス

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