強力で高精細なマルチカラーレーザをワンチップに収める

November, 18, 2025, New York--コロンビア・エンジニアリングの研究チームは、数十の高出力波長を生成するコンパクトな光源を開発し、新世代のデータセンタ・ハードウェアとポータブル・センシング技術への道を切り開いた。

数年前、Michal Lipsonラボの研究者は驚くべきことに気づいた。

研究チームは、光波を使用して距離を測定する技術LiDARを改善するプロジェクトに取り組んでいた。この研究室は、より明るい光線を生成できる高出力チップを設計していた。

「チップにますます多くのパワーを送るにつれて、チップが周波数コームと呼ばれるものを作成していることに気づいた」と、Lipsonラボの前ポスドク研究員Andres Gil-Molinaは話している。

周波数コームは、虹のように整然としたパターンで隣り合った多くの色を含む特殊なタイプの光である。数十の色、つまり光の周波数が明るく輝くが、それらの間の隙間は暗いままである。スペクトログラム上の周波数コームを見ると、これらの明るい周波数はスパイク、またはコーム上の歯として表示される。これにより、数十のデータストリームを同時に送信できる大きな機会が得られる。異なる色の光は互いに干渉しないため、各歯は独自のチャネルとして機能する。

今日、強力な周波数コムを作成するには、大きくて高価なレーザとアンプが必要になる。Nature Photonics誌のチームの新しい論文で、Lipson、Eugene Higgins教授電気工学教授、応用物理学、同氏の共同研究者は、単一のチップで同じことを行う方法を示している。

「データセンタは、多くの波長を含む強力で効率的な光源に対する多大な需要を生み出している」と、現在Xscape PhotonicsのプリンシパルエンジニアGil-Molinaは言う。「われわれが開発した技術は、非常に強力なレーザをチップ上の数十のクリーンで高出力のチャネルに変換する。つまり、個々のレーザのラックを1つのコンパクトなデバイスに置き換えることができ、コストを削減し、スペースを節約し、より高速でエネルギー効率の高いシステムへの扉を開くことができる。」

「この研究は、シリコンフォトニクスを進歩させるというわれわれの使命における新たなマイルストーンとなる。このテクノロジーが重要なインフラストラクチャとわれわれの日常生活の中心になりつつあるため、この種の進歩はデータセンタを可能な限り効率的にするために不可欠である」(Lipson)。

乱雑な光の整理
このブレークスルーは、チップに搭載できる最も強力なレーザは何かという単純な質問から始まった。

チームは、医療機器やレーザ切断工具などの用途で広く使用されているマルチモードレーザダイオードと呼ばれるタイプを選択した。これらのレーザは膨大な量の光を生成できるが、ビームは「乱雑」であるため、精密なアプリケーションに使用することは困難である。

このようなレーザを、光路の幅がわずか数µｍ、さらには数百ｎｍのシリコンフォトニクスチップに統合するには、慎重なエンジニアリングが必要だった。

「ロック機構と呼ばれるものを使って、この強力だが非常にノイズの多い光源を浄化した」とGil-Molinaは話している。この方法は、シリコンフォトニクスに依存してレーザの出力を再形成およびクリーンアップし、科学者が高コヒーレンスと呼ぶ、はるかにクリーンで安定したビームを生成する。

光が浄化されると、チップの非線形光学特性が引き継がれ、その単一の強力なビームを数十の等間隔の色に分割する。つまり、周波数コームの特徴である。その結果、産業用レーザの生の出力と、高度な通信およびセンシングに必要な精度と安定性を組み合わせた、コンパクトで高効率の光源が誕生した。

なぜ今重要なのか
このブレークスルーのタイミングは偶然ではない。人工知能(AI)の爆発的な成長に伴い、データセンタ内のインフラストラクチャは、プロセッサとメモリの間で情報を十分な速度で移動するために負担がかかっている。最先端のデータセンタはすでに光ファイバリンクを使用してデータを転送しているが、そのほとんどは依然として単波長レーザに依存している。

周波数コムはそれを変える。1つのビームが1つのデータストリームを伝送する代わりに、数十のビームが同じファイバを並列に走らせることができる。これが、1990年代後半にインターネットをグローバルな高速ネットワークに変えた技術である波長分割多重(WDM)の背後にある原理である。

Lipsonのチームは、高出力の多波長コームをチップに直接収まるほど小さくすることで、最新のコンピューティングシステムの最もコンパクトでコストに敏感な部分にこの機能を導入することを可能にした。データセンタを超えて、同じチップでポータブル分光計、超精密光時計、コンパクトな量子デバイス、さらには高度なLiDARシステムも可能になる。

「これは、ラボグレードの光源を現実世界のデバイスに導入することである。強力で効率的で、十分に小さくすることができれば、ほぼどこにでも設置できる」(Gil-Molina)。