コロンビア大学の研究者、集積フォトニクスの温度を測る

November, 21, 2025, New York--フォトニックデバイスで日常的に使用される薄型抵抗器は温度計としても機能し、統合フォトニクスの可能性を最大限に発揮するのに役立つシンプルな機能である。統合フォトニクスは数十億ドル規模の産業になったが、文字通りその熱を感じている。

データセンタでますます重要なコンポーネントとなっているフォトニックデバイスは、電気ではなく光を使用してデータを移動および処理する。光の物理的な性質により、このアプローチには、より高い帯域幅やより低い遅延など、いくつかの利点がある。さらに広く採用される際の制限の1つは、ハードウェアの温度に対する感度である。フォトニックデバイスが少し熱すぎたり、少し冷たすぎたりすると、精巧に調整されたフォトニック特性が破壊される可能性がある。今日の最先端のコンピューティング設備は、大型の電子温度センサでその問題を防止する。

しかし、温度計はずっとフォトニックチップの一部であったことが判明した。

Nature Photonicsに掲載した新しい論文でコロンビア工学部の研究チームは、フォトニックデバイスを所望の共振周波数に熱的に調整するために日常的に使用される薄膜金属抵抗器も温度を測定できることを発見した。このシンプルで本質的な詳細により、かさばる高価な外部温度センサが不要になり、統合フォトニクスがその潜在能力を最大限に発揮できる可能性がある。

「多くのアプリケーションでシリコンフォトニクスを広く採用するための重要な課題の1つは、熱変動に対するフォトニックデバイスの高感度を軽減することである。われわれがここで開発した技術は、ファウンドリと互換性のある簡単なアプローチを提供し、データ通信や量子情報処理のための大規模なフォトニック集積回路に近い将来的な応用が見出される可能性がある」とAlexander Gaetaは話している。同氏は、コロンビアエンジニアリングで応用物理学David M.Rickey教授、応用物および材料科学、教授電気工学教授。

組み込みソリューションを見つける
研究者やエンジニアが電子機器をナノメートルスケールに縮小したとき、それは世界を変えた。フォトニクスを研究している科学者たちは、光が電子よりも速く動き、より少ないエネルギーを消費しながらより多くの情報を運ぶことができるという、同じことを望んでいる。とは言え、光は強力だが、それを構成するフォトンは壊れやすい。温度のわずかな変化により、光の位相がずれ、フォトニック構造の共鳴周波数が変化する可能性がある。

周囲温度の変化は、共パッケージ化された(co-packaged)電気回路の存在と同様に、フォトニクスを混乱させる可能性がある。電気回路は熱を発生することで有名であり、それがラップトップや携帯電話が熱くなり、データセンタが空調の形で非常に多くのエネルギーを消費する理由の一部である。とは言え、電気回路とフォトニック回路を同じチップ上に組み合わせることは、統合フォトニクス業界の主要な目標である。

フォトニックチップの温度を追跡することは可能だが、外部機器を必要とする複雑なプロセスであり、今日の多くの技術の根底にある電子チップと同じサイズにフォトニックデバイスを縮小する上で障害となっている。

そのハードルを克服するための一歩として、コロンビア大学の研究者は、多くの統合フォトニックデバイスですでに一般的なコンポーネントの新しい用途を発見した。10年以上にわたり、この分野の多くの企業がプラチナ薄膜をハードウェアに組み込んできた。白金は抵抗器として機能し、抵抗器に印加される電圧を制御すると、共振周波数(つまり、フォトニック構造と共鳴する光の色)が変化する。プラチナは、火星の表面や原子炉の内部など、最も過酷な環境の温度センサとしても、バルクの形で長い間使用されてきた。

数年前、Sai Kanth Dachaがポスドク研究員としてGaetaの研究室に加わったとき、彼はこの材料のこれらの一見無関係な用途を結びつけた。

「ある日、チップの1つの熱源を変更し、プラチナの抵抗を観察することにした。大きく変わった」と、この研究の筆頭著者であるDachaは説明した。

プラチナのつながり
ほとんどのバルク抵抗器はオーム方式で、広範囲の電圧にわたって電流と電圧の間に直線関係がある。この研究で使用されている薄膜プラチナ抵抗器はそうではない。その挙動はタングステンフィラメントランプの挙動を反映している」と、Dachaは説明した。非オーム挙動を示す金属薄膜のよく知られた例である。「最終的に、タングステンフィラメントは非常に熱くなり、その特性が変化する。それが光る理由である。」

Dachaと彼の同僚は、統合されたPlatinum抵抗器が同様の電圧-電流曲線をたどることを発見し、これが抵抗の強い温度依存性と温度読み出しとして機能する能力を示唆していることに気づいた。「実際にはとても簡単だ。誰も見たことがないことに驚いている。リアルタイムで温度を直接測定し、必要に応じて安定させることができる」(Dacha)。

この論文の中で、チームは、微細なフォトニックキャビティを安定させる手段としてのこの統合温度計の有用性を記した。市販の分布帰還(DFB)レーザをこのようなキャビティに周波数ロックすることにより、コンパクトな光源を必要とする光通信ネットワークの重要なコンポーネントを実証した。チームはレーザを目的の波長のピコメートル以内に2日以上維持することができた。「これは、一部の商用通信システムよりも優れたパフォーマンスだ。また、その美しさは、キャビティの安定化に光検出がまったく必要ないことである」とDachaは語った。

チームは、この温度計はプラットフォームにとらわれず、様々な材料やチップ構成で動作する必要があると指摘している。たとえば、共著者Michal Lipson、Eugene Higgins電気工学教授および応用物理学教授によって開拓された、光のオンとオフを切り替えるための非常に効率的な方法である、シリコンリング変調器の安定化に役立つはずである。それは、現在ではNVIDIAなどの企業で商用アプリケーションで使用されている。温度を監視することは、極低温を必要とする新しい量子デバイスにとっても重要である。統合された温度計は、必要なクライオチャンバーのサイズを縮小するのに役立つ場合がある。

「これまでのところ、熱の問題は現場で未解決の大きな問題だった。われわれの研究が、リソース効率の高い方法で現実世界の環境で動作できる大規模なフォトニックデバイスを実現するための最初の大きなステップの1つになることを願っている」とDachaはコメントしている。