光で運ぶ：光通信と半導体

光ファイバでデータを運ぶ光通信で、半導体が果たす役割を説明する。電気の信号を光に変える半導体レーザー、光を電気に戻す受光の部品、複数の色の光を重ねる方法、データセンターでの使われ方、シリコンで光の部品を作る技術を扱う。

長い距離を、光で運ぶ

インターネットの通信は、都市の間や、海をまたぐ距離を、光ファイバで運ばれている。光ファイバは、髪の毛ほどの細さのガラスの線である。光は、この線の中を反射しながら進む。

光は、電気の信号に比べて、長い距離を進んでも弱まりにくく、一本の線で多くの情報を運べる。そのため、長い距離や、大量のデータを運ぶ通信では、光が使われる。光ファイバは電気を通さないので、まわりの雑音の影響も受けにくい。

このページでは、光通信の中で、半導体が受け持つ役割を見ていく。

電気を光に変える

機器の中の信号は電気である。光ファイバに送るには、電気の信号を光に変えなければならない。この役割を受け持つのが、半導体レーザーや発光ダイオード（LED）である。光の半導体の仕組みは、前の分野のページで学んだとおり、電気を流すと光が出る。

通信では、光の強さを、速く細かく切り替えて、情報を乗せる。光を明るくしたり、暗くしたりすることを、データの並びに合わせて行う。遠くまで届けるには、光の向きと色がそろい、細く絞れる半導体レーザーが向いている。

光を電気に戻す

光ファイバの反対側では、届いた光を、再び電気の信号に変える。この役割を受け持つのが、光を受ける半導体の部品（受光素子）である。光が当たると、半導体の中で電子と正孔が生まれ、電流が流れる。

届く光はかすかなので、受光素子の出力は小さい。そこで、すぐそばに、信号を大きくする増幅器を置く。通信用の半導体で学んだ、雑音を加えない増幅器と同じ考え方である。大きくした信号を、デジタルの値に直して、回路に渡す。

色を分けて、重ねて運ぶ

一本の光ファイバで運べる量を増やす方法が、色を分けることである。光は色（波長）によって、混ざらずに同じ線を進める。そこで、色の違う複数の光に、別々のデータを乗せ、一本のファイバにまとめて送る。受ける側では、色ごとに分けて、別々に受ける。

こうすれば、ファイバの本数を増やさなくても、運べる量を増やせる。色を重ねたり分けたりする部品も、光の部品として作られる。

データセンターの中でも光

AIやクラウドのサービスを支えるデータセンターには、数多くのサーバーが並んでいる。サーバーどうしの間を、大量のデータが行き来する。この距離は、都市の間ほど長くはないが、電気の線では、速さや電力の面で苦しくなってきている。

そこで、データセンターの中でも、光が使われるようになった。サーバーの間を光ファイバでつなぎ、端に光を送受信する部品を置く。さらに近い距離でも、光を使う動きがある。ただし、光の部品は、電気の回路に比べて、大きく、高価になりやすい。距離が短いほど、光を使う利点は小さくなる。

シリコンで光の部品を作る

光の部品は、これまで、化合物の半導体で作ることが多かった。一方で、シリコンのウェーハの上に、光を通す細い道（導波路）などを作り込む技術がある。この技術は、シリコンフォトニクスと呼ばれる。

シリコンの上に作れば、電気の回路と光の部品を、同じ製造の流れで作れる。大量に、小さく、安く作れる可能性がある。ただし、シリコンは、自分で光を出すことが苦手である。そこで、光を出す部分だけは、化合物の半導体を貼り合わせて作る方法が使われる。

光の部品と電気の回路を近づける

光と電気の間の変換は、距離が近いほど、電気の信号の速さを下げずに済む。そこで、光の部品を、プロセッサなどのパッケージの中に、一緒に入れる動きがある。前のページまでに学んだ、複数のチップを一つのパッケージにまとめる技術を使う。

この方式では、電気の信号が通る距離が短くなり、電力も抑えられる。一方で、熱の扱いや、光ファイバとのつなぎ方など、パッケージの難しさも増す。光の半導体と、後工程の技術が、一緒に進んでいる分野である。

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