納富雅也
NTT 物性科学基礎研究所
ナノフォトニクスセンタ センタ長
上席特別研究員

新しい知と技術を生み出すことが研究者の責務．
その責務を楽しもう

NTT ナノフォトニクスセンタでは光電融合技術を追究し，低遅延 ・低消費エネルギーの光コンピューティング技術の創生をめざしています．多様な光情報処理が可能になりつつある中，人工ナノ構造による物質の光学物性制御とデバイス応用を追究する NTT 物性科学基礎研究所 納富雅也上席特別研究員に研究活動の進捗と研究者の姿勢を伺いました．

現代の光技術は，長距離の光ファイバ通信やデータセン集積ナノフォトニクスによる新現象開拓と光処理デバイスを追究

タ内でのサーバ間通信をはじめとする大容量の情報伝送技

前回のご登場は2020年でした．手掛けている研究の進捗をお聞かせいただけますでしょうか．

置内の回路に適用する動きもあり，その究極形はコンピュー入社以来，集積ナノフォトニクスによる新現象開拓と光術を牽引しています．一方，光の高速・大容量の特性を装タチップの中での光ネットワーク回路の構成，そして，光による直接的な情報処理の実現です．

処理デバイスを追究しています．最先端の微細加工技術を「光コンピュータ」の実現は古くから光分野の研究者に駆使して新しいナノフォトニクス構造を実現し，そこに発とって大きな目標の 1 つでしたが，CMOS（Complementary現する新しい物理現象を開拓するとともに，超高速・超低Metal Oxide Semiconductor）電子回路技術が台頭する

消費エネルギーの光電融合情報処理チップの実現に向けた世にあって，実現の容易性およびコストの観点から光を演技術開発を行っています．

算処理に使う有意性を見出せなかった歴史があります．

2023.333

しかし，CMOS の微細化と集積化の限界（ムーアの法電変換，デジタル・アナログ変換の効率向上，③光トラン則の終焉）が徐々に近づく中で，光の高速性を利用した演ジスタ技術による効果的な非線形特性の実現をねらいとし算処理に対して期待が高まっています．それを後押しするています．のが集積ナノフォトニクス技術と呼ばれるものです．ナノ

学術的にも社会的にも期待値の高い研究を手掛けているのですね．

フォトニクス技術とは，高度に発展した半導体微細加工技術を駆使することで，光の波長と同程度，またはそれ以下

こうした状況を受けて，私たちの研究は低遅延・低消費の微細構造をつくり，従来の光デバイスでは不可能な小型エネルギーの演算アクセラレータチップの実現をめざして，化や新しい光物性を生み出すことができる技術です．その「空間・時間・波長自由度を活用する光電融合演算基盤の一例としては，屈折率をサブミクロンスケールで周期的に開発」として，産業技術総合研究所（産総研），名古屋大学，変化させた人工構造であるフォトニック結晶というナノフォ

京都大学，九州大学とともに科学技術振興機構の戦略的創トニクス技術があり，私たちはこれを用いて，デバイスの造研究推進事業（JST-CREST）︵2021︶ に採択されました．

超小型化，超低消費エネルギー化といった性能を実現してこの研究では，光技術による伝送を CMOS に組み合わせ，光の特性を活かした高速信号処理を可能にする光電融きました．
一概に光による演算処理といっても，光回路上だけで汎合型の情報処理に取り組んでいます．IOWN（Innovative

用性のあるさまざまな処理をすることは，現段階においてOptical and Wireless Network）構想の商用化ターゲッは困難です．そこで，私たちは電子回路技術が持つ複雑なトである2030年ごろに実現される光電融合技術をベースとデジタル信号処理や大容量のメモリを組み合わせ，光が得して，チップ内の一部の情報処理演算を光信号で担う計算

意な処理は光回路へ任せることで特定の演算処理を加速さ機システムへの応用を考えています．

せる，アクセラレータとしての機能化が重要になると考え

研究のポイントは 2 つあります． 1 番目は CMOS 回路ました．また，デジタル信号処理に限らず，近年ニーズがと光回路の融合に向けた課題解決です．光変調器のような高まっている機械学習ではアナログ信号処理が重要で，こ電気－光変換（E-O 変換）や，受光器のような光－電気変こに光を利用する価値が見直されています．そこで私たち換（O-E 変換）を小型化・低消費エネルギー化し，高密度は，図 ₁ に示すような CMOS エレクトロニクスとナノフォな光－電子インタフェースを実現することがポイントとな

トニクスを連携させた光電融合アクセラレータを目標としります．私たちは，フォトニック結晶の技術を用いて，世て定め，特にその中で①光の伝搬，特に光の干渉を利用し界初のフェムトファラド（fF）容量の光電変換素子を実現て実行される光速演算，②演算レベルの光電融合による光し，静電容量を抑えることで，非常に小さなエネルギーで干渉演算
Light

E-in

E-in

光速演算
光干渉回路

E-in

E-in

CMOS processor

光電変換
図₁

2023.3

光干渉回路

co-processor

cache

3₄

光速演算

NLO / AMP

光干渉回路

NLO / AMP

光速演算

非線形処理

光電融合アクセラレータの概念図

E-out光電変換が可能なことを実証しています．この技術によっ光の伝搬速度で実行可能なアナログ演算の代表例が積和演て，光と電気がシームレスに融合した高い演算能力と低消算です．この積和演算は，現代のニューラルネットワーク費電力が両立する光電融合演算システムが初めて実現され（NN）を用いた深層学習や AI 処理のもっとも基本的な演ると考えています．

算で，処理のボトルネックになっています．そこで，私た

この高効率光電変換技術のもう 1 つの重要性は，光電変換をとおして光に新しい機能を付加できることです．私た

ちは，光の干渉を利用した積和演算を用いた光電融合 NNアーキテクチャを検討しています．

ちは，集積ナノフォトニクス技術を用いた「ナノ受光器－

私たちの計画では，積和演算を光の干渉を利用した光回ナノ変調器集積素子（OEO 変換デバイス）」で，O-E 変換路で実行し，NN 処理において要所要所で必要となる活性と E-O 変換の両機能を10×15 µm という微小サイズに収化と呼ばれる非線形処理を光トランジスタで行うことを考めた光電融合デバイスを実現し，これを光トランジスタとえています．そして，この光による高速なアナログ演算回して動作させることに成功しています．光トランジスタは路を，高効率な光電変換技術で CMOS プロセッサと一体従来光が苦手だった非線形演算を行うことができるので，化するというシナリオです．このシナリオでは，電気のデ

図 1 中の非線形処理に利用し，光電融合ニューラルネッ

ジタル信号と光のアナログ信号の変換が重要となりますが，トワーク処理などにおいて鍵となる働きをすると考えてい私たちは，上述の線形干渉演算ゲートの技術をベースにします．てデジタル・アナログ変換を超低遅延で行えることを見出

2し，産総研グループにおいて回路動作実証に成功しています．

超低遅延・低消費エネルギーの情報処理システムに向けた重要な一歩を担うている段階で，NTT と産総研グループが高度なシリコン素晴らしい成果を上げていらっしゃるのですね．もう1 つのポイン
トを教えてください．

証を手掛けているところです．並行して，計算機アーキテ

今のところ，このシナリオに向けて要素技術の開発を行っフォトニクス集積技術を用いて，光回路を試作し，原理検クチャの専門家である九州大学グループでは，この光積和もう 1 つのポイントは光の干渉を利用した演算です．干演算器と CMOS 演算回路を連携した大規模演算にスケー渉を利用することで光の伝搬速度で演算を実行することがラビリティを持つ光電融合演算システムアーキテクチャのできます．二分決定グラフ（BDD：Binary Decision

検討を進めていただいています．

Diagram）型のデジタル演算の応用形態として，光並列

私たちの研究は「光速演算」の特性を最大限に活かし，加算器を提案しました．この演算器は 1 回の光電変換と光CMOS と協調動作可能な光電融合アクセラレータの実現

伝搬によりデジタル加算が実行され，CMOS 加算器に比をねらっており，ポストムーア時代において必要とされるべて 1 桁程度の低遅延化が期待できます．この提案を産総超低遅延・低消費エネルギーの情報処理システムに向けた研グループの協力によって 4 ビット光加算器として試作し，重要な一歩になると期待しています．

加算動作の完全実証に成功しました．
BDD 型デジタル演算に関しては，乗算器等では回路規模が指数関数的に増大してしまうという問題点が判明した前回伺った「トポロジカルフォトニクス」も新しい成果を上げていらっしゃると聞きました．

ためにこれを回避する手法を探索したところ，その中で前

前回お伝えしたとおり，私たちは新しい光の性質を追究

述の光トランジスタを要所で用いることで回路規模を縮約する基礎研究を並行して行っており，特にトポロジカルフォできることを見出しました．

トニクスと呼ばれる新しい分野に取り組んでいます．これ

また，光の干渉はアナログ演算そのものですので，光はは私たちが長年取り組んできたフォトニック結晶にトポロアナログ演算においてもっともその優位性を発揮します．

ジーという概念を導入して，新しい物性を創出するもので，2023.3

35

現在世界中で研究が活発に行われています．その中で私た光トポロジカル相転移の実現をねらっています．

ちは，特に動的に再構成可能な光トポロジー系の実現をめ

私たちは，これまでに超小型の電流注入型フォトニックざしています．トポロジカルフォトニクスでは次々と新し結晶ナノ共振器によるレーザを実現していますが，最近こい性質が見つかっており，この性質を動的に制御できればの構造を用いて， 2 つのナノレーザが集積した結合素子を従来の光デバイスや光回路では不可能な動作が可能になる世界で初めて実現し，これを用いて非エルミート光学系特ことを期待しています．制御方法としては，ナノフォトニ有の例外点と呼ばれる特殊な光の状態を実現し，この例外クス構造に機能ナノ材料を装荷修飾する方法と，屈折率虚点からの直接発光の観測に世界で初めて成功しました．ま部を用いた非エルミート光学周期系の特異な性質を利た，フォトニック結晶上に装荷したグラフェン＊ 3 を図 2（b）用する 2 つの方法を用いて光トポロジカル相転移の実現と，のようにサブミクロン周期でパターニングすることで，屈動的光トポロジー変化により実現する新たな光制御の提案

折率虚部が周期的に変調された非エルミートフォトニックをめざしています．

結晶という新しいタイプのフォトニック結晶を実現する手＊1

ナノ材料修飾によるナノフォトニクス構造の制御技術については，温度などで光学的性質が大きく変化する相変化法を提案し，この構造で上記の例外点が実現できることを明らかにしました．

材料をフォトニック結晶の上に装荷する方法を研究しています．そのために優秀な相変化材料である GST

現在は，初期的な観測まで行った光トポロジカル相転移をパターの実現とトポロジカル特異点の形成に関する実験を進めて，ニングして図 2（a）のようにフォトニック結晶上に装荷す定量的なデータの取得をめざしています．また，非エルミーることで，GST の相変化により光トポロジカル相転移をトフォトニック結晶に関しては，グラフェンの選択装荷技起こすことが可能であることを，理論解析により見出して術を用いて屈折率虚部の制御を行う素子作製を行い，例外います．この現象の実現に向けて，成膜技術と高精度位置点やトポロジカル特異点の制御に関する研究を進めています．

＊2

合わせ技術を用いた構造作製技術の開発を行い，サブミクロンスケールの GST が装荷されたシリコントポロジカルフォトニック結晶構造の実現に成功しています．現在，GST の結晶アモルファス相転移によって引き起こされる

＊1
＊2＊3

屈折率虚部：複素数で表される屈折率の虚部．これを光学周期系に用いたものが非エルミートフォトニック結晶となります．
GST：Ge2Sb2Te5，ゲルマニウム，アンチモン，テルルからなる化合物．
グラフェン：炭素の単原子層で構成される結晶．

14,-.)/,01-01.023 14（a）
 相変化材料を装荷した#$ !
トポロジカルフォトニック結晶
  

（b）
グラフェンを装荷した 
 !
非エルミートフォトニック結晶"  

図２362023.3

フォトニック結晶の構造図

トポロジカルフォトニクスや非エルミート光学の研究は，まだまだ探索的な基礎研究段階で応用先が見えているわけ
ではありませんが，従来の物質とは異なる未知の性質がいろいろと見つかっており，エキサイティングな研究開発を現在進行形で行っているところです．この世界では例外点た．この経験をとおして他分野や他の世界に目を向けることは重要であると，さらに強く実感しました．
社会にとって研究者とはどんな存在だとお考えでしょうか．また，後進の研究者の皆さんにも一言お願いいたします．

やトポロジカル特異点といったさまざまな奇妙な性質を持

新しい知と技術を生み出すことが私たち研究者の責務でつ特異点が登場しており，これらの性質を使いこなす新しあり，そのうえでその責務を楽しめる存在だと思います．

い光制御が見つかるのではないかと期待しながら研究を進もし，研究者がいなくなってしまえば，今ある技術は使えめています．

なくなる，もしくは技術そのものが存在しませんよね．そんな意味でも研究者は社会にとって必要で，社会が前に進「光」に演算させたい

むためには必要な存在であると思います．
責務を楽しむために，私自身はゆとりのある時間をつく

光トランジスタの研究がIOWN 構想のきっかけとなったと伺いました．

るように心掛けています．雑務は定常的に発生しますが，私たちが手掛けてきたナノフォトニクスによる光電変換時間をうまく配分して，半日，もしくは丸一日と，雑務にや光トランジスタの研究が，通信ネットワークのあらゆる追われることなく，集中して自由に考えられる時間を設けところに光を導入することをめざした IOWN 構想の 1 つることを大切にしています．こうしたゆとりのある時間がの契機として取りあげていただいたことは大変うれしく思とれていないことで，研究者としての自分が今苦しい状況います．とはいえ，それは偶然の朗報です．元来私の研究に置かれていることを自覚しています．こうした自分のコ

では，通信だけでなく「光に演算そのものをさせること」ンディションに気付いたら，無理をしてでもゆとりのあるにかなりこだわっていて，光はもっといろいろなことがで時間を持つように心掛けています．

きると考えています．話が少し飛躍して聞こえるかもしれ最後に，研究者の皆さん．学生時代に最初に研究室にませんが，脳では，信号が脳内の神経ネットワークを伝搬入ったときのことを思い出してください．最初に実験や研した結果として演算がなされています．この仕組みにふさ究をしていたあの頃の気持ちです．研究も実験も面白かっ

わしいのは電気よりも光であると私は考えました．光のネッたのではないでしょうか．今の研究者は本当に忙しい日々

トワークを使った演算ならスピードが格段に上がり，これを送っており，あの頃の自分を忘れてしまいがちだと思いまで想像もつかなかったようなことができるのです．言いますが，追究する面白さを忘れることなく，面白さを自ら換えると，「光に演算させること」を追究していくことで，の力でつくり上げていきましょう．ワクワクする研究にはIOWN の将来を担う技術要素につながっていければと思っ準備が必要です．その思いを継続できるような仕事の仕方ています．

をしていただきたいと思います．

この「光に演算させること」という発想を光の集積回路

そして，研究者をめざす学生の皆さん．今の日本は博士として実現することが，フォトニック結晶の研究を進めて課程に進む学生の数が少なすぎると感じています．欧米でいくプロセスにおいて内部での議論の俎上に載りましたが，は研究者に限らず技術者も，博士の学位が 1 つのステータ

当初は私たちには難しいターゲットでした．実際に具体的スとして認知されています．したがって世界で活躍できるに検討できるようになったきっかけは JST-CREST にお研究者・技術者をめざすのであれば博士は取得しておくべ

ける計算機科学の専門家とのコラボレーションです．それきだと考えます．そして，自分の将来を決めるときには社まで漠然としていた概念が，全く異なる分野の専門家と組会を近視眼的にみるのではなく，長期的な視野で世界を見むようになり，研究テーマとして具体的なものとなりまし

極めていきましょう．

2023.337