集積フォトニクス

AI と電気光学ポリマープラットフォーム
アルキメデス級の発見となるか？
マイケル・レビー
電気光学（ EO ）ポリマーは、インターネットにおける人工知能（ AI ）の処理能システムの処理能力は、当初 3 ～ 5 年力を高める可能性がある。

ごとに倍増してきた（ 1 ）。しかし 2020年頃以降、その伸び率はけた違いの 10

ギリシャの偉大なる数学者アルキメ

明らかになったのは、AI や AI を動か倍以上に加速し、計算能力は 3 ～ 4 か

デスは、円周率、螺旋、大数の指数、すための高度な計算能力がインターネ

月ごとに倍増している（計算処理量の流体静力学、てこの原理、重力など、ットのトラフィック量をますます増大さ指標であるペタフロップス換算によ数々の数学的発明で功績があるとされせる要因になるということだ。

（2）
る）。AI を構成するニューラルネッている。彼の有名な言葉は、水の変位

例えば、2003 年、ネットフリックス

トワークの発展に伴い、GPU（グラフから不規則な形状物の体積を測定する（ Netflix ）はストリーミングビデオサーィックス・プロセッシング・ユニット）や方法を浴槽で発見した際に発せられたビスを開始してから約 3 年半後には、MPU（マイクロ・プロセッシング・ユニものである。そして、彼は裸のまま「エ加入者数 100 万人突破というマイルスット）の計算処理能力を向上させる必ウレカ（分かったぞ）！」と叫びながらトーンを達 成 した。 今 年、 チャ ット

要がある。そのため、計算処理を支え通りに繰り出したことで知られている。

GPT（ ChatGPT ）は 5 日 間 で 100 万 人るインフラストラクチャへの負荷が増大している。

その後 2 千年の間に、「エウレカ！」のユーザーを獲得し、米メタ社（Meta）と叫ぶに値するような驚くべき発明、のスレッズ（ Threads ）は 1 週間強で 1

光ファイバを伝送する光信号情報の発見、革新は、数多く生まれてきたか億人近いユーザーを獲得したとされて容量を増やす必要があり、光ルーティもしれない。今日、AI の台頭と、AIいる。このようなAIの爆発的な台頭は、ングとスイッチングが行われる場所（通のインターネットや光ネットワークへ我々の想像を絶する方法で社会に影響常は、データセンター）では、ますまの影響もまた、「エウレカ！」と叫ぶほを与えようとしている。

す大量の情報を処理する必要がある。

ど革新的なものかもしれない。さらに、電気光学ポリマーを使用した新しい関連技術プラットフォームには、インターネットにおける AI 処理を促進させる可能性があるのだろうか。

AI の影響の評価
わずか 20 年前では、ダイアルアップモデムを使用して、1 枚の画像をダウンロードするのに平均 10 ～ 20 分かかっていた。10 年前でも、短いビデオクリップやテレビ番組をダウンロードするのに、10 ～ 20 分ほど待たされたものだ。
その後、待ち時間が短縮されるに伴い、周知の通り、画像と動画がインターネット・トラフィック量を押し上げる最大の原因になった。さらにこの 1 年間で182024.5 Laser Focus World Japan

さらに、過去 60 年間の高性能計算

インターネットや光ネットワーク事業

者の経済的コストはさらに増大するだろう。

予想通り、生成AIが800G超のソリューションを急速に展開推進
データ通信用トランシーバーの世界市場$M$10,000

AI とインターネット
AI は、我々の日常活動に浸透しており、さらに効率的に、そしておそ$8,000

3.2T
1.6T
800G
800Gはデータ
400G
通信と電気通信
200Gの巨大市場に
100G
50G
40G

$6,000らくさらに賢く活動するためのアプリケーションとして機能している。このようなツールが普及し、機械知能が日$4,000$2,000

常生活に導入される中、その影響を考慮しないのは得策ではない。インターネットへの影響は膨大であり、インターネットはデータセンターを使用してトラフィックや情報を送受信先にルーティングし、スイッチングする光ネッ$-2016 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028

出典：ライトウェーブ・ロジック社（LWLG）
による社内推定値

データ通信用トランシーバーの世界市場に関する最近の一般的な見解と、生成 AI（ジェネレーティブ AI ）が 800G 超の光トランシーバー・ソリューションを光ネットワークへ展開する動向。[ 画像
提供：米コヒレント社（ Coherent ）、米ライトカウンティング社（ Light Counting ）、米ライトウェーブ・ロジック社（ LWLG ）]トワークに基づいて構築されている。
今日、データセンターは業界でこれな新たなデバイスが検討されている。

までに経験したことのない方法で高性

このようなデバイスは、光ファイバケ同光変調器の製造時に、高電圧を短能化している。AIによるトラフィック、ーブルに光を伝送するレーザ装置の手時間印加して発色団を整列させるた

情報、データの増加という需要が予想前に物理的に配置するものである。

め、超低電力かつ超高速の変調が可能され、インターネットの運用方法が変化している。

電気光学ポリマー変調器能が付加されたものである。になる。当社のポリマー材料と、それに適用する集積フォトニックシリコン

AI は現在、インターネットを高性能変調器と呼ばれる光学部品用の新し

回 路 [ 別 名： フォト ニック 集 積 回 路化する新たな興味深い市場機会を生みいポリマー材料が、今日のインターネ（ PIC ）]は、性能の信頼性と安定性に出しており、その中でも高密度化、高ットで使用されている既存の半導体変優れており、既存の半導体技術に取っ速化、低消費電力化の 3 つの要因が今調器に取って代わるべく開発されていて代わる地位を占めている。

日注目されている。これら 3 つの市場る。光変調器は光のスイッチングと変ポリマー光変調器デバイスは、各辺要因に対応するには、さらに高性能な調を行うもので、今日のインターネッがおよそ数ミリメートルのシリコンベ光学コンポーネントやフォトニックコトや光ネットワーク・アーキテクチュアースのチップ上に形成され、パーキナンポーネントを設計する必要がある。には、何百万台もの光変調器を使用しマイン発色団である電気光学ポリマーこのようなコンポーネントには、インている。現在、既存の半導体変調器は、が堆積される。これらのチップは、デターネットインフラストラクチャの一データ伝送の高速化、トラフィック量ータセンターのスイッチやルーターの部として、データセンター間を相互接の増加、低消費電力の要件、小型化、主要コンポーネントである光ファイバ続する光ファイバケーブルを使用する。

といった AI の普及に伴い要求されるトランシーバーのエンジンに相当する対応に苦労している。

ものである。

今日の光学コンポーネントは、小型化や省スペース化に伴うスイッチの高当社、米ライトウェーブ・ロジック社

高性能光学エンジンを可視化する方密度化、電子計算処理の増加に伴う光（ LWLG ）は、「パーキナマイン電気光法として、自動車を例に挙げよう。ポ情報フローの高速化、環境に優しい低学ポリマー」と呼ばれる最先端の有機リマー光変調器はいわば、ネットワー消費電力の必要性に対処する必要があ材料を調達および製造している。本ポ

クインフラストラクチャ全体は変更せる。これら 3 つの市場要因に対応するリマーは、当社が独自に開発した有機ずに、4 気筒エンジンを V 型 8 気筒エために、次世代の光学コンポーネント発色団を主要成分としており、シリコンジンにアップグレードすることに相として、例えばポリマー変調器のようンチップ上に堆積され、光変調器の機当する。光ファイバモジュールにターLaser Focus World Japan 2024.5

19集積フォトニクス

ボチャージャーを組み込むことによした後には十分に機能するとは限らな合は毎秒 1.6Tbit ）が可能な技術を求めり、データセンターのインフラストラい。インターネットや光ネットワーク・ている。ポリマー変調器は 70GHz をクチャの他の部分は変更せずに済むのアーキテクチュアが継続的に高性能化容易に達成しており、すでに 150GHzだ。この光ファイバモジュールは、通常、を遂げるには、複数世代にわたり最高の性能レベルを示している（これは現高さ 6 ～ 8 フィート、幅約 2 フィート、水準のパフォーマンスを発揮し続ける在のレーン速度の約 2 倍に相当し、4奥行き約 2 フィートほどの大型の金属技術が要求される。

レーンの場合には毎秒 1.6Tbit が実現可能になる）。

製ラックに収納される。今日、データこの性能を可視化するため、あらゆセンター内にはこのようなラックが何る光変調器に共通の指標である「 3dBさらに、プラズモニック設計をポリ百台もある。このような各ラックには光帯域幅」で比較する。シリコン、リマー変調器デバイスの設計に組み込

データセンターのシステム・アーキテク

ン化インジウム、ニオブ酸リチウムなみ、ライトウェーブ・ロジック社製電チュアが構成され、ルーター、スイッチ、どの光変調器はすべて、基本的な 3dB

気光学ポリマー材料を使用する場合、メモリーユニットなどが搭載される。

光帯域幅を有する。この 10 年間、既すでに 250GHz を超える 3dB 帯域幅が概して言えば、電気光学ポリマー技存の半導体光変調器の 3dB 光帯域幅実証されている。これにより、情報レ術は、現世代の製品のみならず、おそは、およそ 20 ～ 30GHz が限界だった。

ーンの伝送速度が現在の目標値の約 4

らく 10 年以上にわたり、インターネッ

最近では、シリコンとリン化インジトと光ネットワークにおける多大な問

ウムの光変調器はともに基本的な光帯題を解決する技術であると捉えること域幅の性能向上を目指して設計され、ができる。

40 ～ 60GHz にまで増大し、70GHz に倍に達する可能性がある。

ポリマー光変調器がAI の普及を促進する
新しいプラットフォーム技術に

電気光学ポリマーには、電気信号と迫る性能も散見されるようになった。

光ビームの伝送速度および位相が整合

経験則として、毎秒100Gbit（100Gbaud

ポリマー光変調器が発揮する最高水するという、本質的に高性能な変調特NRZ ）および毎秒 200Gbit 100Gbaud

準のパフォーマンスは、まさにデータ性を有する。そのため、次世代の製品

PAM4 の エ ン コ ー デ ィ ン グ に は、センター構築において、光ファイバ トにおいてさらなる高性能化が期待でき70GHz の 3dB 光帯域幅が要求される。

ランシーバーなどの次世代光ネットワる。光変調器の分野には、既存の技術

今日の光ネットワークでは、多くのーク機器を設計する際の要求水準を満のみならず、新規参入を目指す競合技

データセンター事業者が、1 レーンあ術も存在する。しかし、そのような技たり少なくとも毎秒 200Gbit（ 4 レーン

新技術のプラットフォームは、ネッ

術は残念ながら、現世代の技術が成熟の場合は毎秒 800Gbit、8 レーンの場

トワーク・アーキテクチュアやインフラ800G搭載型ポリマー光変調器

~1 mm

〜3 mm

200G
200G
200G
200G

開発中 → ライトウェーブ・ロジック社
製P2IC（ポリマーフォトニック光集積回路）
プラットフォームの一部としての、4チャンネルのポリマーPICチップ
1レーンあたり300G、さらには400Gの可能性*• マッハツェンダー干渉計（MZI）アレイを使用した、4チャンネルの光学ポリマーPIC（フォトニック集積回路）のレイアウト• エッジカプラを使用して、東西両側に接続したファイバアレイ• 電気CPW（導波路）伝送長：〜1mm*150GHz超の3dB光帯域幅を有し、さらに250GHz超の潜在的な性能を有するEQ S21を使用
出典：ライトウェーブ・ロジック社（LWLG）

20

2024.5 Laser Focus World Japan

たすものだ。

シリコンフォトニックプラットフォームの一部としての、4 チャンネルの電気光学ポリマー変調器のレイアウト設計。 電気光学ポリマー変調器の最終的な効果は、1レーンあたり 200G（またはそれ以上）の伝送速度でシリコンフォトニック PIC をターボブースト可能であること（画像提供：ライトウェーブ・ロジック社）

信頼性と安定性のための最適化
主要パラメータ

世界最高水準の発色団設計• Very high glass transition temperature (Tg)

現在のライトウェーブ・ロジック社製発色団と競合製品との比較
LWLG• 業界仕様とTg間の差は約100℃以下• 架橋が不要

電気光学効率（r33）• 脱ポーリング（Tgが業界仕様の上限値に近い場合に発生）から

r33
109876543210

材料を保護

180°
C

Tg（ライトウェーブ・ロジック社製ポリマー）

吸光度

約100℃以下の差

100°
C70°
CCompetitionTg

ガラス
転移温度

VnTS

電圧

熱安定性

業界仕様（0 〜 70°C）

PS0°C
データセンター用トランシーバー製品の標準仕様

光安定性

信頼性、安定性、全体的な動作パフォーマンスを考慮して開発された電気光学材料
注記：上記は定性分析であり、特定のパラメータにおける材料がどの程度「良さ」を1〜10のスケールで示したものに過ぎない
出典：ライトウェーブ・ロジック社（LWLG）
による公開データの最良推定値

この画像資料は、LWLG 社が製造する電気光学ポリマーの最適化と設計哲学を示している。重要な特性は、高いガラス転移温度によって主要パラメータが設計されている点である。これにより、電気光学ポリマーは、データセンター環境における通常の動作温度より 100℃近く高い温度で最適化されているストラクチャを変更せずに、既存のトほどの革新と見なすものだろうか」にほどの革新であると著者は考える。

ランシーバーのターボブーストが可能ついて検討しよう。答えはどうあれ、今日我々が使用している AI ツールがなため、低コストでインターネットをアルキメデスが裸のまま通りに繰り出あれば、アルキメデスなら生み出した高速化できるものだ。 さらに高性能すとはとても思えない。 おそらく、彼であろう新しいアイデアや発明を想像な光コンポーネントを組み込むと、イは地元のコーヒーショップでアメリカするのは難しくない。

ンターネットは、増大するデータ・情報・ーノでも飲みながら、今日誰もが利用電気光学ポリマーの並外れた可能性トラフィックの洪水に対処できる点かできる AI アプリケーションを使ってイを考えると、アルキメデスは、この新ら、ますます優れた確固たる地位を確

ンターネットネットサーフィンを楽し

技術プラットフォームが急速に「エウ立する。AI の普及に伴い、光学コンむ程度だろう。

レカ！」と叫ぶほどの革新へと前進しポーネントのパフォーマンスの向上へ

AI の潜在的な影響は我々の生活のていると見なすかもしれない。 電気光のニーズも高まっている。 ライトウェ

質を変える可能性があるため、この技学ポリマーの影響は、間もなく明らかーブ・ロジック社のポリマー技術によ術は AI にとって「エウレカ！」と叫ぶになるはずだ。

り、光ファイバモジュールと付随する光ネットワーク機器がさらに高性能になっていくだろう。

アルキメデス級の発見に値するか？
本記事の冒頭の質問「 AI の台頭はアルキメデスが『エウレカ！』と叫ぶ

参考文献（ 1 ）S. J. Ben Yoo, arXiv:2 2 0 9 .0 8 8 7 3 v1 [cs.NI]（ Sep. 2 0 2 2 ）; https://doi.org/1 0 .4 8 5 5 0 /arxiv.2209.08873.
（ 2 ）E. Masanet, A. Shehabi, N. Lei, S. Smith, and J. Koomey, Science, 367, 6481, 984–986（Feb.
28, 2020 ）; doi:10.1126/science.aba3758.
著者紹介
マイケル・レビー（ Michael Lebby ）は、米ライトウェーブ・ロジック社（ Lightwave Logic ）のCEO。e-mail: info@lightwavelogic.com www.lightwavelogic.com

LFWJ
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