HKUST、オンチップ光モニタリングの性能を向上させる新しい光検出器を開発

February, 6, 2026, Hong Kong--プログラマブルフォトニクスは、光を使って信号を送信することで、従来の電子機器よりも高速かつエネルギー効率の高い計算を約束する。しかし、現在のシステムは精密なオンチップパワーモニタの必要性に制約されている。香港科技大学工学部(HKUST)の研究チームは、ゲルマニウムイオン埋め込みシリコン導波路フォトダイオードを開発した。
この新しいフォトディテクタは、高い応答度、超低光学損失、最小限の暗電流を実現し、オンチップ光モニタリングの性能を大幅に向上させる。省エネかつ超高感度なバイオセンシングシステムのコアハードウェアを提供し、プログラム可能なフォトニクスの実用化を促進する。この発見は国際誌『Advanced Photonics』に掲載されている。

光を利用して複雑な計算を行うプログラム可能なフォトニクスデバイスは、統合フォトニクス研究の重要な分野として台頭している。電子を使って信号を伝達する従来の電子機器とは異なり、これらのシステムはフォトンを利用し、より高速な処理速度、高い帯域幅、そして高いエネルギー効率を提供する。これらの利点により、プログラム可能なフォトニクスはリアルタイムディープラーニングやデータ集約型コンピューティングのような要求の高いタスクに特に適している。

オンチップパワーモニタはプログラム可能なフォトニックネットワーク構築の中核部品であり、その性能がシステムの適応調整精度、安定性、有効性を直接決定する。しかし、この目的のために設計された既存の光検出器は根本的なトレードオフに直面している。送信される光信号の著しい減衰を防ぐために極めて低い光吸収損失を維持しなければならず、弱い光パワーを検出するには高い応答率、低い暗電流、最小限の消費電力が必要になる。

これらの課題に対応するため、HKUST電子・コンピュータ工学科主任兼教授、Andrew Poon教授と、Ph.D学生、NIU Yueが、ゲルマニウムイオン埋め込みシリコン導波路フォトダイオードを開発した。このアプローチは、応答性と損失のバランスを取る既存のオンチップパワーモニタが直面する課題を克服する。導波路フォトダイオードは、光を閉じ込めて輸送する光導路に直接統合できる小型の光検出器である。主な目的は、導波路を通過する光の一部を従来の電子機器で測定可能な電気信号に変換すること。この変換を強化する一つの方法はイオン注入であり、イオンを照射してシリコン構造に制御された欠陥を導入するプロセスである。適切に実行されれば、これらの欠陥は純粋なシリコンにはエネルギーが低すぎる光子を吸収し、フォトダイオードはより広い波長範囲の光を検出できるようになる。

これまでの試みではホウ素、リン、アルゴンイオンが使用されていた。これらの手法は様々な面で性能を向上させたが、シリコン格子に自由キャリアを導入し、光学性能を低下させた。対照的に、チームはゲルマニウムイオンの埋め込みを選んだ。ケイ素のようなIV族元素として、ゲルマニウムは結晶構造内のシリコン原子を大量の自由キャリアを導入せずに置き換えることができる。この代替により、信号品質を損なうことなく感度を向上させることができる。

研究チームは新しい装置の性能を評価するために一連の比較実験を実施した。結果は、ゲルマニウムイオン注入フォトダイオードが、通信で用いられる1,310 nm(Oバンド)と1,550 nm(Cバンド)の両方で高い応答度を示すことを示していた。また、非常に低い暗電流を示し、光がなくても望ましい出力が最小限で、光学吸収損失も低かった。この特徴の組み合わせにより、そのデバイスは一次信号の流れを妨げずにフォトニック回路への統合に適している。

Andrew Poon教授は次のように述べている。「われわれは他の報告されたオンチップ線形光検出器プラットフォームと結果をベンチマークした。調査結果によると、われわれのデバイスはオンチップ電力監視の主要なパフォーマンス指標で他プラットフォームを上回る性能を示した。この研究は、光ベースのコンピューティングの変革的可能性を現実に近づけ、実用的で大規模なプログラム可能なフォトニックシステムへの重要な一歩を示している。」

プログラム可能なフォトニクスでの即時利用に加え、この新しい検出器の独自の特性は他の有望な応用への扉も開いている。Poon教授は、この検出器の超低暗電流と低バイアス電圧が、弱い光信号の低ノイズ検出が極めて重要なエネルギー効率が高く超感度なバイオセンシングプラットフォームの理想的な候補であると付け加えた。この能力により、lab-on-a-chipシステムにおけるマイクロ流体工学との直接統合が可能となり、将来のバイオセンシングやlab-on-a-chip技術の応用が促進される。