情報のクラウド化やオープン型のAIサービスの拡大により、世界中のデータセンターの処理負担はますます増大することが予想されます。その負担はわたしたちの予想をはるかに超えています。

そんな中で注目されているのが光半導体です。

光半導体とは、従来の半導体が電気信号で動作するのに対し、光信号を利用して動作する半導体のことです。

光は、電気信号に比べて高速で、大容量の情報を伝送することができます。また、光信号は電気信号に比べてノイズの影響を受けにくいため、より安定した動作が可能です。

光はとても速く、たくさんの情報を一度に運ぶことができます。この光半導体の働きのおかげで、私たちはインターネットで動画を見たり、スマートフォンで写真を撮ったりすることができるのです。

この記事では、そもそも光半導体とは何なのかについて基本的な解説をするとともに、今後期待される光半導体の役割についてご紹介します。

一般の半導体との違い

一般的な半導体は、電気のスイッチのような働きをします。電気を流すことで、コンピューターが計算したり、情報を保存したりすることができます。

一方で光半導体は、光を使うので、もっとたくさんのことができます。例えば、LEDは光を出して私たちを明るく照らしてくれます。太陽電池は、太陽の光を電気にかえることができます。レーザーは、CDやDVDの情報を読み取ったり、手術に使われたりします。

光半導体のメリット：「光電融合」が高消費電力時代の救世主となりうる

近年はクラウド技術やAI技術の発展により、データセンターの電力消費が急激に増加しています。この問題は、地球環境への負荷増大や、電力不足のリスクといった深刻な社会問題につながる可能性があります。

データセンターの電力消費増加が引き起こす主な問題点は以下の通りです。

• 電力不足: 世界全体の電力需要が増加し、電力不足を引き起こす可能性があります。
• 環境問題: 電力生成に伴うCO2排出量が増加し、地球温暖化に拍車をかける可能性があります。
• データセンター内の熱問題: 電力消費の増加に伴い、データセンター内の温度が上昇し、機器の故障や性能低下を引き起こす可能性があります。

このような課題に対して、光半導体は以下のようなメリットをもたらし、解決策となる可能性を秘めています。

• 低消費電力: 光は電気よりもエネルギー効率が高いため、光半導体を用いることで、データセンターの電力消費を大幅に削減できます。
• 高速処理: 光信号は電気信号よりも伝達速度が速いため、処理速度が向上し、より多くのデータを短時間で処理できます。
• 発熱の抑制: 光信号は発熱が少ないため、データセンター内の温度上昇を抑え、冷却コストを削減できます。
• ノイズに強い: 光信号は電気信号に比べてノイズの影響を受けにくいため、より安定した動作が可能です。

ここで大切なキーワードが「光電融合」（こうでんゆうごう）です。光電融合とは、従来の電子機器が電気信号を使って動作していたのに対し、光信号を使って動作させる技術です。

光は電気よりも高速で、大容量の情報を運ぶことができ、しかも発熱が少ないという特徴がありますから、この光電融合技術をデータセンターに導入することで、以下のようなメリットが期待できます。

光半導体で使われる主な材料

光半導体を作るためには、様々な種類の素材が使われています。それぞれに特徴があり、用途によって使い分けられています。

III-V族半導体

ガリウムヒ素（GaAs）や窒化ガリウム（GaN）などが代表的なIII-V族半導体です。これらの素材は、電子が素早く動きやすく、光を出しやすいという特徴を持っています。そのため、高性能なレーザーやLEDを作るのに適しています。例えば、私たちの生活を明るく照らすLED照明や、高速インターネットを実現する光ファイバー通信に使われています。

シリコン

シリコンは、コンピューターのチップなどに使われる非常に一般的な半導体素材です。近年では、このシリコンを使って光を出す技術も開発されています。シリコンは大量生産できるため、コストを抑えた光デバイスを作ることができます。ただし、シリコンは光を出すのが苦手という性質も持っているので、他の素材と組み合わせて使うこともあります。

有機半導体

有機半導体は、炭素を主成分とする有機化合物から作られる半導体です。プラスチックのように薄く、曲げることができるため、フレキシブルなディスプレイや、体に貼り付けることができるセンサーなどに利用されています。例えば、スマートフォンやテレビに使われている有機ELディスプレイは、有機半導体が使われています。

光半導体の代表的な種類

光半導体は、私たちの生活を支える様々な機器に利用されています。今回は、光半導体の代表的な種類とその働きについて詳しく解説していきます。

①発光ダイオード（LED）

LEDは、電気を流すと光を出す半導体素子です。身近なところでは、照明やディスプレイに使われています。LEDは、使用する半導体材料によって、紫外線から赤外線まで、幅広い色の光を出すことができます。

②半導体レーザー

半導体レーザーは、LEDと似た仕組みですが、より強力で指向性の高い光を出します。CDやDVDプレーヤー、光ファイバー通信など、高精度の光が必要な場面で使われています。

②イメージセンサー

イメージセンサーは、カメラの目にあたる部分で、光を電気信号に変換します。デジタルカメラやスマートフォンのカメラに使われているCMOSセンサーやCCDセンサーが代表的です。

③太陽電池

太陽電池は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換します。太陽光発電システムに使われ、再生可能エネルギーとして注目されています。

④光電センサー

光電センサーは、光の強弱を感知するセンサーです。工場の自動化ラインや、自動ドアなど、様々な場所で利用されています。

⑤フォトインタラプタ

フォトインタラプタは、光を遮ることでスイッチのように動作するセンサーです。プリンターやコピー機などで、紙の有無を検出するのに使われています。

⑥フォトカプラ

フォトカプラは、光を介して電気信号を絶縁して伝達する部品です。ノイズの影響を受けにくいため、産業機器や家電製品など、信頼性の高い電気回路が必要な場面で使われています。

⑦光伝送デバイス

光伝送デバイスは、電気信号を光信号に変換したり、光信号を電気信号に変換したりするデバイスです。インターネット回線など、大容量のデータを高速で伝送するのに利用されています。

光半導体の活用例

光半導体は、私たちの身の回りで様々な形で活躍しています。

通信技術

インターネットやスマートフォンで利用されている高速通信は、光半導体のおかげです。光は電気信号よりもはるかに速く、大量の情報を一度に運ぶことができます。光ファイバーと呼ばれる細いガラスのケーブルの中には、光が高速で飛び交っており、私たちの情報を瞬時に世界中に伝えています。

センサー技術

工場の生産ラインや自動ドアなど、私たちの身の回りには様々なセンサーが設置されています。これらのセンサーの多くには、光半導体が使われています。光を当てて反射光を測ることで、物の大きさや距離を正確に測ることができたり、特定の物質を検出したりすることができます。例えば、スーパーマーケットのレジで商品バーコードを読み取るのも、光センサーの働きによるものです。

コンピューター技術

コンピューターは、電気信号を使って計算を行っていますが、光を使って計算を行う「光コンピューター」の研究も進んでいます。光は電気信号よりも速く情報を伝達できるため、より高速な計算が可能になります。将来的には、人工知能やビッグデータの処理など、高度な計算が求められる分野で活躍が期待されています。

再生可能エネルギー

太陽電池は、太陽の光を電気エネルギーに変える装置です。太陽電池の心臓部には、光を電気に変換する光半導体が使われています。太陽電池は、環境に優しいクリーンエネルギーとして注目されており、私たちの生活を支える重要なエネルギー源になりつつあります。

ディスプレイ技術

スマートフォンやテレビの画面には、LEDという光半導体が使われています。LEDは、明るく、消費電力が少ないという特徴があり、私たちの目に優しいディスプレイを実現しています。また、LEDは様々な色を出すことができるため、鮮やかな映像を楽しむことができます。

まとめ

光半導体は、その高速性、大容量性、低消費電力性という特徴から、次世代の情報通信技術の基盤となることが期待されています。 

光通信、センサー、ディスプレイなど、様々な分野で光半導体は活躍しており、今後もその活躍の場は広がっていくでしょう。

特に、データセンターの電力消費問題や、高速な情報処理が求められるAI分野において、光半導体は重要な役割を果たすと考えられます。光電融合技術の発展とともに、光半導体はますます私たちの生活を豊かにする存在となることが期待されます。

【参考文献】

• 『光半導体デバイスの今後の研究体制』（応用物理学会）
• https://annex.jsap.or.jp/photonics/kogaku/public/34-08-kaisetsu1.pdf
• 日経新聞『NTT、「光の半導体」で限界突破　電気から技術転換』
• https://www.nikkei.com/article/DGXZQOUC194W80Z10C22A1000000
• セブンシックス株式会社『光半導体とは？ – 一般的な半導体との違いについて』
• https://www.sevensix.co.jp/useful/opical-semiconductor_021
• ドコモビジネス『新たなテクノロジー「光の半導体」とは何か？』
• https://www.ntt.com/bizon/optical_semiconductor.html