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  • 光通信を支えるフォトニクス｜光源・光変調器と材料の役割

    光通信を支えるフォトニクス｜光源・光変調器と材料の役割

    光ファイバーで大量の情報を運ぶとき、その両端には、光を生み出し、情報を載せ、進む道を整える部品が必要です。光の接続を半導体の近くまで持ち込むには、こうした部品を小さくするだけでなく、電気の回路と組み合わせて動かせるようにする必要があります。

    JSTの『研究開発の俯瞰報告書 ナノテクノロジー・材料分野（2026年）』は、この領域を「フォトニクス材料デバイス」として整理しています。通信の距離やラックの形から少し離れ、光に働きかける材料と、それを部品へ仕上げる製造技術を見てみます。［1］

    簡単にまとめると？

    • 光源・導波路・光変調器は役割が異なり、材料だけでなく、電極や回路との組合せで性能を引き出します。
    • シリコンフォトニクスでも、光の機能をそろえるために異なる材料を同じ基盤へ組み合わせます。
    • 新材料の発見と使える接続の間には、加工・集積・製造基盤や、システム全体での評価が必要です。

    光を作る材料と、情報を載せる材料

    光源は光を発生させ、導波路は光が進む道を作ります。光変調器は、電気の信号に応じて光の状態を変え、情報を載せる部品です。それぞれの働きが違うため、同じ材料を小さく加工すれば全部がそろう、というわけではありません。

    報告書は、InP（リン化インジウム）系の化合物半導体を使う、光変調器を組み込んだレーザーを紹介しています。一方、光変調器の材料としては、薄膜のニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム、有機材料などの研究も挙げています。光を発する働きと、電気信号に応答して光を変える働きでは、材料に求める性質が異なります。［1］

    ここで大切なのは、材料名だけで完成品の速さを決めないことです。報告書が高速な変調に向けて挙げるのは、新材料に加えて、素子の小型化や電極の構成です。電気の信号を光変調器へ届ける部分も、光の応答を引き出す設計に含まれます。材料の特性と、それを駆動する回路・電極を一緒に見る必要があります。

    シリコンを土台に、異なる材料を組み合わせる

    シリコンフォトニクスは、電子回路の製造で蓄積してきた技術を光の回路にも生かす方向です。報告書は、小型化と低コスト化の可能性に加え、化合物半導体などを組み合わせる異種材料集積を重要な課題として扱っています。「シリコン」と呼ぶ技術でも、すべての機能をシリコンだけで担わせるとは限りません。［1］

    組み合わせの対象には、化合物半導体、原子に近い薄さの二次元材料、状態を変えることで性質が変わる相変化材料などがあります。光を制御する微細な構造と、材料そのものの性質を、共通の基盤の上で利用する研究です。異種材料集積は、材料の候補を増やすだけでなく、それぞれの働きを同じ回路の中で使えるようにする課題でもあります。

    光デバイスを読むときの四つの視点
    見る対象 主な役割・問い
    光源・導波路・光変調器 光を作り、通し、情報を載せる機能を、どの材料と構造で担うか。
    回路・電極 光の部品へ電気信号を与え、材料の応答をどう引き出すか。
    異種材料集積 異なる材料の機能を、共通の基盤の上でどう組み合わせるか。
    設計・製造基盤 作りたい光回路を、利用できる製造工程へどう結び付けるか。

    この四つは、別々に完成してから足し合わせるだけの関係ではありません。欲しい光の機能に合わせて材料を選んでも、その材料を狙った場所へ形成できるか、電気回路とともに動かせるかが次の問いになります。報告書は、高品質な材料に加え、原子レベルの制御や異なる材料を積み重ねるプロセスの重要性も示しています。［1］

    設計図を、作れる部品につなぐ

    研究室で一つの素子を作ることと、多くの素子を組み合わせた光回路を設計・製造することには隔たりがあります。その間をつなぐ仕組みの一つが、PDK（Process Design Kit）という設計用の情報・道具のまとまりです。

    報告書は、化合物半導体やシリコンフォトニクスの製造技術とPDKが整い、製造を請け負うファウンドリーを通じて、複雑な光回路を設計・製造できるようになってきたと述べています。材料や加工の研究を、回路を作りたい人が使える基盤へつなぐ動きです。［1］

    ただし、既存の基盤が整うことと、すべての新材料を同じ工程で使えることは別です。報告書が今後の研究として挙げるのは、ナノ材料を必要な場所に形成する技術や、異なる材料を大面積・多層に組み合わせるプロセスです。優れた性質が分かった後にも、配置と加工、集積に関する問いが残ります。

    部品の速さから、つないだときの性能へ

    光の部品と電子回路を近づける例に、同じパッケージへ組み込むCPOがあります。ここでも、光変調器など一つの部品の性能と、接続全体の性能は分けて読む必要があります。報告書は、光と電子の大規模な集積に加え、システム全体の構成も課題に挙げています。［1］

    接続を評価する指標には、単位長さ当たりに確保できる通信帯域を表す帯域密度や、1ビットを運ぶためのエネルギーがあります。前者は限られた実装の幅をどう使うか、後者は情報を運ぶ際にどれだけエネルギーを要するかを見るものです。単に一つの部品を速くするだけでは、どちらが改善したかまでは分かりません。

    光でつなぐ技術を材料から読むと、性能を伸ばす場所がいくつも見えてきます。光に応答する材料、その応答を使う微細構造、電気信号を与える電極、そして複数の機能を作り込む製造工程。新しい材料の発見と、使える接続の実現との間を埋める仕事が、フォトニクスの開発を支えています。

    参考資料

    ［1］JST 研究開発戦略センター『研究開発の俯瞰報告書 ナノテクノロジー・材料分野（2026年）』。CRDS-FY2025-FR-06、2026年1月刊行。N3.03「フォトニクス材料デバイス」、印刷157–160頁（PDF174–177頁）。本稿は同報告書の整理を基にしており、情報の基準時点は2025年12月です。研究対象として挙げられた材料や構成を、すべて量産・実用化済みとは扱っていません。表は本文の論点を整理したものです。

  • Broadcomが示すCPO、光をスイッチのそばへ置く理由

    Broadcomが示すCPO、光をスイッチのそばへ置く理由

    AIの計算機を大きくすると、チップを増やすだけでは済みません。離れたチップへデータを渡す線も増え、その線が使う電力や、途中で止まる可能性が効いてきます。光ファイバーは距離を伸ばしやすい一方、光と電気を変換する装置をどこに置くかが設計の分かれ目です。

    OCP APAC Summit 2026でBroadcomのBhaskar Chinni氏が紹介したCPOは、光を電気信号の出発点に近づける方法です。発表はスイッチの実装からラック間の接続へ話を広げています。ここでは、SUE-Tのような通信手順ではなく、光の変換部を置く場所と、そこから生まれる利点・保守上の課題を見ます。［1・2］

    簡単にまとめると？

    • CPOは光へ変換する部分をスイッチの半導体へ近づけ、高速な電気配線を短くする設計です。
    • 省電力や接続の安定性の結果は、評価した部分・構成・環境に限って読む必要があります。
    • 交換可能な光源と光エンジンは別で、接続配置と保守の単位を合わせて考えます。

    光の変換部を、どこへ置くか

    一般的な着脱式の光モジュールでは、スイッチの半導体から出た高速の電気信号が基板を通り、前面のモジュールで光に変わります。CPO（Co-Packaged Optics）では、光に変える小さなエンジンを、スイッチの半導体と同じパッケージの近くに収めます。基板を走る高速の電気信号を短くできるのが狙いです。［2・3］

    発表の図には、光エンジンを基板上に置く方式も並びます。こちらは半導体の近くには置けますが、同じパッケージに収めるCPOとは別の配置です。「光を使う」だけで一括りにせず、電気で進む区間がどれほど残るかを比べると、設計の違いが見えてきます。

    省電力の数字は、どこを比べている？

    Broadcomの資料は、同社CPO構成の光学部分の電力が、信号を整える回路を持つ着脱式モジュールとの比較で65%少ないという結果を示します。これは特定の比較条件における光学部分の値です。スイッチ全体やデータセンター全体の消費電力が65%減る、という意味ではありません。［2・4］

    変換部を近づけると、長い電気配線を補う回路を減らせる余地があります。ただし、実際の電力は光源、冷却、接続距離、採用する信号方式にも左右されます。比較表を読むなら、モジュールだけの値なのか、スイッチや冷却を含む値なのか、境界を先に確かめたいところです。

    止まりにくさにも、測った範囲がある

    資料はMetaの評価を引き、400Gbps相当ポートの稼働時間を合計した100万ポート時間で、短い接続断であるリンクフラップを観測しなかったと示します。複数のポートの時間を積み上げた数値であり、一本の接続が100万時間動き続けたという意味ではありません。測定対象もBroadcomの特定世代・環境です。すべてのCPO製品で同じ故障率を保証するデータではありません。［2・4］

    この違いは保守でも重要です。前面の光モジュールなら、故障した単位を抜いて交換できます。CPOでは光エンジンが半導体のパッケージに近いため、交換の単位が大きくなりやすい。Broadcomは外付けで交換可能な光源や、ラック側のブラインドメイト接続も示しますが、光源を交換できることと、光エンジンそのものを現場で交換できることは別です。

    ラックの外まで光を伸ばすとき

    発表後半は、銅線で届く範囲に計算機を集める構成から、光で複数のラックをつなぐ構成へ進みます。OCI-MSAの公開仕様には、NRZ信号を複数の波長に分け、一つのファイバーで双方向に運ぶ物理層が記されています。これは接続の土台をそろえる試みです。仕様書があることだけで、異なるメーカーの完成品すべてが接続できると確認されたわけではありません。［2・5］

    Broadcomが描くラック例には、光ファイバーの分岐、電源のバスバー、液冷の出入口、着脱時に位置を合わせてつなぐ光コネクターが同居します。光へ置き換えて終わりではなく、電気、熱、交換作業まで含めてラックを組み直す発想です。図は設計例として読み、掲載された規模を稼働中の導入実績とは扱いません。

    CPOが問いかけるのは、光が銅より常に優れているか、という単純な比較ではありません。速い電気信号をどこまで運び、どこで光に変え、故障したときに何を交換するか。距離と電力、保守の境界を一緒に決めることが、次のAIネットワークの設計につながります。

    Broadcomの事業全体と収益のしくみは、cyclewaveの企業記事で整理しています。

    Broadcomの事業をcyclewaveで読む

    参考資料

    2026年9月23日確認。本文は公開スライドと各団体の一次資料をもとにしています。講演動画の発言・質疑は確認対象に含めていません。性能値は記載された構成・測定範囲に限ります。

    ［1］Open Compute Project：2026 OCP APAC Summit 発表一覧。発表名・登壇者。

    ［2］Bhaskar Chinni「Open Ethernet AI Fabrics Enabled by Co-Packaged Optics」公式掲載スライド。pp.3–12、配置、省電力・評価値、OCI-MSA、ラック構成例。

    ［3］Broadcom：Co-Packaged Optics。着脱式、基板上、同一パッケージの配置と電気信号区間の説明。

    ［4］Broadcom：MetaでのCPO評価に関する発表。2025年10月1日。光学電力の比較と100万ポート時間の観測範囲。

    ［5］OCI-MSA：200G Optical Compute Interconnect Line Interface Specification v1.0。2026年3月11日。NRZ、波長分割、双方向ファイバーの物理層。

  • Ayar LabsのCPO構想、光I/OでAIクラスタを組み替えやすくする

    Ayar LabsのCPO構想、光I/OでAIクラスタを組み替えやすくする

    AIの処理を増やすとき、GPUを一か所に詰め込むだけでは足りなくなってきました。推論を担う計算機、道具を動かすCPU、途中の情報を置くメモリーは、それぞれ必要な量も増え方も違います。必要なものを組み合わせながら使うには、機器の間をどうつなぐかが大切です。

    2026年8月のOCP APAC SummitでAyar LabsのMark Wade氏が示したのは、光の接続を使い、ラックの作り方そのものを単純にしようという構想でした。主役は「速いケーブル」だけではありません。半導体のそばから光で信号を取り出し、計算機を収めるシャーシを、組み合わせやすい単位に変えようとしています。［1］

    簡単にまとめると？

    • Ayar Labsは、半導体の近くで信号を光に変え、シャーシを組み合わせてAIクラスタを構成する案を示しています。
    • 示されたアクセラレータの規模は参照設計で、一般の顧客環境での稼働実績ではありません。
    • 光に替えるだけでなく、通信方式・接続部・シャーシの条件と、光源などの交換方法をそろえる必要があります。

    ラックの中に閉じ込めない

    これまで高い帯域が必要な機器どうしは、短い電気配線で結ぶため、同じシャーシやラックの近くに置く設計が中心でした。距離を伸ばすほど信号を保つのが難しくなり、配線や電力、冷却の制約も一緒に増えます。発表者は、この事情が大型で複雑なラックを生んでいると説明します。［1］

    提案は、GPUなどのアクセラレータやスイッチの近くに光エンジンを置き、シャーシから出る信号を光にすることです。CPO（Co-Packaged Optics）は、その光エンジンを半導体のパッケージの近くへ組み込む設計を指します。長い電気配線に頼る区間を減らし、離れたシャーシどうしを光ファイバーで結びます。［1］

    「組み替えられる」とはどういうことか

    ここでいう組み替えは、動いているGPUを物理的に頻繁に差し替えるという意味ではありません。計算、CPU、メモリー、スイッチを、それぞれ必要な数のシャーシとして増やし、共通の接続で一つのクラスタにまとめる考え方です。負荷ごとに必要な資源が違っても、ラックごと特別な配線を作り直さずに済む可能性があります。これは発表資料を踏まえた設計上の狙いで、すべての設備で実現済みという意味ではありません。［1］

    Ayar LabsとWiwynnが示した構成例では、一つの計算トレーにAI向け半導体を二つとCPUを置き、光エンジンと外部の光源を組み合わせます。資料は、この共通の部品から約1,000基規模のアクセラレータを結ぶ構成を描いています。両社の公開説明では、32トレーを収めるラックを16台つなぐ、1,024基超を想定した参照設計です。構成可能な規模の提示であり、一般の顧客環境で1,024基が稼働しているという報告ではありません。［1・2］

    光エンジンの置き場所には選択肢がある

    発表資料は、光エンジンを基板の上、半導体と同じパッケージ内、さらに近い中間基板上に置く三つの例を並べています。配置が違えば、半導体から光エンジンまでの電気信号の距離も変わります。一つの「CPO」という言葉だけで性能や修理のしやすさを決められない理由です。［1］

    Ayar Labsは、TeraPHY光エンジンと、別の場所に置くSuperNova光源を製品の組み合わせとして紹介しています。レーザーを光エンジンから離すのは、熱と交換作業を考えた設計です。ただし、光ファイバーの取り回し、コネクター、光源の冷却、故障した部品へのアクセスまで設計して初めて、ラック全体として扱いやすくなります。［1・3］

    共通の境界をどこに置くか

    もう一つの要点は、光を使うだけでは組み替えやすいシステムにならないことです。資料は、論理的な通信方式、光の波長、コネクター、シャーシの形など、層ごとに接続の約束事をそろえる必要を示しています。既存のORv3ラックやOCP NIC 3.0などを使いながら、シャーシ間の光接続は今後さらに標準化を進めたい領域として挙げています。［1］

    光接続の利点は、機器を自由に遠ざけられる魔法ではありません。届く距離や電力だけでなく、接続先を変えたときに動作するか、故障した光源やコネクターを直せるかも重要です。今回の発表は、CPOを部品単体の競争から、シャーシを繰り返し使える単位にするための接続設計へ広げて考える手がかりになります。［1］

    この構想を発表したAyar Labsがどんな会社かは、cyclewaveで事業全体を紹介しています。

    Ayar Labsの事業をcyclewaveで読む

    参考資料

    2026年9月23日確認。本文はOCP公式掲載の18ページのスライドを中心にまとめました。講演動画の発言や質疑応答は根拠に含めていません。Ayar Labsの将来の構想や自社モデルを、製品の導入実績や保証値として扱っていません。

    ［1］Open Compute Project：2026 OCP APAC Summitの発表一覧／Mark Wade「Co-Packaged Optics and the Composable AI Cluster」公式掲載スライド（主にpp.3–5、8–16）。

    ［2］Ayar Labs・Wiwynn「Building a Production-Ready Optically Connected Rack for AI Scale-Up」（2026年5月27日。ラック・トレー数は参照設計の説明）。

    ［3］Ayar Labs：CPO製品の公式説明（TeraPHYとSuperNovaの役割）。

  • MicrochipのAIクラスタ接続案、PCIe・ESUNと銅線・光の使い分け

    MicrochipのAIクラスタ接続案、PCIe・ESUNと銅線・光の使い分け

    AIの計算機どうしをつなぐとき、「一番速い接続方法は何か」と考えたくなります。でも、一枚の基板の近くを結ぶのか、ラックの中を結ぶのか、列をまたいで結ぶのかで、必要な距離も、使える電力も変わります。

    2026年8月のOCP APAC Summitで、MicrochipのMatt Holdrege氏は、PCIe、ESUN、銅線、光接続を並べてAI向けネットワークの選び方を説明しました。発表から読み取れるのは、どれか一つに統一する答えではなく、接続する相手と距離に合わせて、組み合わせを変える考え方です。［1・2］

    簡単にまとめると？

    • PCIe・ESUNという接続の仕組みと、銅線・光という信号を運ぶ媒体は、分けて考える選択肢です。
    • 近距離とラックを超える接続では条件が変わり、一つの方式へ統一するより用途に応じて組み合わせます。
    • 速度だけでなく、遅延・電力・費用・故障時の交換しやすさまで含めて選ぶことが重要です。

    「PCIeか、銅線か」という比べ方では足りない

    最初に整理したいのは、発表の四つの言葉が同じ種類の選択肢ではないことです。PCIeは機器をつなぐ規格、ESUNはAIアクセラレータ間のネットワーク向けにEthernetを発展させるOCPの取り組みです。一方、銅線と光ファイバーは信号を運ぶ手段で、CPOは光学エンジンをスイッチの半導体の近くに置く構成を指します。つまり、接続の仕組みと、その信号をどう運ぶかを分けて考えます。［2・3］

    この違いを押さえると、銅線がPCIeの「対抗技術」ではないと分かります。短い距離のPCIe接続に銅線を使うこともあれば、Ethernet系の接続で銅線や光を選ぶこともあります。

    近くをつなぐPCIeと、広げるためのESUN

    発表はPCIe 6.0を、筐体内やラック内で計算機とメモリー、ストレージをつなぐ候補として挙げています。短い距離での低遅延に強みがある一方、電気信号のまま遠くへ伸ばすには限界があります。資料にある「64GT/s」は1レーンの信号転送速度を示す値で、アプリケーションがそのまま使える通信速度ではありません。［2］

    ラックを超えて多くのアクセラレータを結ぶ話では、Ethernetを土台にしたESUNが登場します。通常のEthernetをそのままつなぐという意味ではありません。OCPのESUN作業では、短いメッセージで生じるヘッダの負担や、混雑・エラーをどう扱うかが検討され、2026年3月には1.0仕様が公開されています。発表者は、既存のEthernetの技術や運用経験を生かしながら、接続する機器の数を増やす道として紹介しています。［2〜4］

    銅線が届く距離と、光で広げる距離

    短い距離では、銅線は費用と消費電力を抑えやすく、構成も比較的単純です。ただし信号が高速になるほど、銅線だけで届く距離は厳しくなります。発表も、ラック内のような数メートル程度を得意な場面として整理しています。［2］

    列や部屋をまたぐ規模になると、光接続が候補になります。CPOは光学エンジンをスイッチの半導体の近くに置き、長い電気配線で生じる損失を減らそうとする設計です。DWDMは、一つの光ファイバーで異なる波長の信号を多重化する方法です。両者を組み合わせれば、届く距離や接続密度を広げる余地があります。［2］

    光なら必ず有利、というわけでもありません。発表資料は、費用、熱の管理、ほこりへの対策、故障した部品の交換しやすさを制約として挙げています。通信の数字だけでなく、設置してから直せるかどうかまで含めて比べる必要があります。［2］

    選ぶ順番は、距離・遅延・保守から

    発表では、比較的小さな自社設備やエッジ側にはPCIeと銅線、大規模施設にはESUNと光接続を組み合わせる配置例が示されています。これは発表者が示した設計の見取り図で、各方式の実装や性能を一律に保証するものではありません。［2］

    まず、何をつなぐのか。次に、どこまで離れるのか。そして、遅延、信号を運ぶための電力、故障時の交換、費用を順に見る。そうすると「一番速い線」探しから、AIクラスタ全体で使い続けられる接続の設計へ、視点を移せます。

    発表したMicrochipの事業全体は、cyclewaveの企業記事にまとめています。

    Microchipの企業分析をcyclewaveで読む

    参考資料

    2026年9月23日確認。発表の解説はOCPが公開した14ページのスライドをもとにしています。動画内の発言や質疑応答は本文の根拠に含めていません。

    1. Open Compute Project「2026 OCP APAC Summit」発表一覧 — 「AI Fabric Architecture Options: PCIe, ESUN, Copper, and Co-Packaged Optics」、Matt Holdrege（Microchip）。
    2. Matt Holdrege「AI Fabric Architecture Options」公式掲載スライド — pp.3–11。方式ごとの強み・制約、配置例。
    3. Open Compute Project「Networking/ESUN」 — ESUNが担うネットワーク側の作業領域。
    4. Open Compute Project「The OCP ESUN 1.0 Specification has been released!」 — 2026年3月10日。1.0仕様の公開と主な変更点。