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 シリコンフォトニクスと光集積回路 2025-2035：技術、市場、予測Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2025-2035: Technologies, Market, Forecasts シリコンフォトニクスとフォトニック集積回路の利点と課題とは？ フォトニック集積回路（PIC）は、シリカ（ガラス）、シリコン、リン化インジウムなどの材料で作られた小さな光学システムである。PICは... もっと見る
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サマリー
シリコンフォトニクスとフォトニック集積回路の利点と課題とは？
フォトニック集積回路（PIC）は、シリカ（ガラス）、シリコン、リン化インジウムなどの材料で作られた小さな光学システムである。PICは、数十億ビットの情報をキャンディーバーの大きさのパッケージで送受信できる複雑な光学設計から、周囲の空気中のさまざまな化合物や分子を検出できる人工鼻まで、あらゆるものを可能にする。AIデータセンター内の高速通信におけるPICの重要性は、機械学習モデルの大型化を支援するPIC対応トランシーバーに対する需要の急速な拡大につながっている。
CMOSチップ製造への数十億ドルの投資を活用することで、PICはムーアの法則を超える新たな処理スケーリングの可能性を解き放つことができる。しかし、材料の限界、集積の複雑さ、コスト管理など、PIC市場にはまだ大きな課題が残っている。PIC の設計と製造の初期コストを相殺するには大量の需要が必要であり、製造リードタイムには数ヶ月を要することもある。IDTechExの新しいPICレポートでは、PIC市場を徹底的に調査し、AI用フォトニックトランシーバーが間もなくPICの最大の需要源となる新興セグメントであることを明らかにしている。
将来のPIC材料とは？
将来のPIC材料は多種多様である。現在の市場のほとんどは、光の伝搬にシリコンやシリカベースのPICを使用しています。しかし、間接的なバンドギャップ半導体であるシリコンは、実用的な光源や光検出器ではありません。そのため、シリコンは通常、光源や光検出のためにIII-V族材料と組み合わされる。既存の膨大な集積回路製造産業を活用し、成熟したノードプロセスを一般的に利用することで、シリコンの市場支配は今後も続くと思われる。
しかし、適度なポッケルス効果と低い材料損失を持つ薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）は、量子システムや将来的な高性能トランシーバーなど、高性能変調を必要とする用途で有力な候補として浮上している。モノリシック・リン化インジウム（InP）は、光を検出・放出する能力により、引き続き主要なプレーヤーである。さらに、チタン酸バリウム（BTO）や希土類金属のような革新的な材料は、量子コンピューティングやその他の最先端アプリケーションでの可能性を追求されている。
AIがシリコンフォトニクスとPICの需要をどう変えるか
人工知能（AI）の台頭は、AIアクセラレータやデータセンターが必要とする膨大なデータレートをサポートできる高性能トランシーバに対するかつてない需要に拍車をかけている。シリコンフォトニクスとPICは、1.6Tbps以上の速度でデータを伝送する能力を持ち、この革命の最前線にいる。IDTechExの調査によると、Nvidiaの最新のH200サーバーユニットがGPUあたり約2.5個の800Gトランシーバーを必要としていることからもわかるように、効率的で広帯域幅の通信の必要性はAIにとってより重要になってきており、シリコンフォトニクスとPICはAI主導の未来に不可欠なコンポーネントとして位置づけられている。PICトランシーバー開発の最大の原動力はAIであり、より高性能なAIアクセラレーターにはより高性能なトランシーバーが必要となり、2026年には3.2Tbpsトランシーバーが登場すると予想されている。
将来のアプリケーションは？
シリコンフォトニクスとPICのその他の用途は様々で、広帯域幅のチップ間相互接続から高度なパッケージングやコ・パッケージング光学系まで、これらの技術は次世代コンピューティングへの道を切り開こうとしている。
フォトニックエンジンとアクセラレータ： マッハツェンダー干渉計などの特定のフォトニックコンポーネントを使用し、電気光インターコネクトを通じてこれらのコンポーネントを制御することで、高性能プロセッサやプログラマブルPICデバイスを設計・製造することができ、電子アクセラレータだけでは不可能な高性能を実現します。
PICベースのセンサー： 窒化ケイ素のような特定のPIC材料は、ガスセンサーから「人工鼻」まで、さまざまなセンサーに使用できる。ヘルスケア・センサー産業は、PICデバイスへの光学部品の小型化を利用できる可能性があり、POC診断やウェアラブルへの応用が期待される。
PICベースのFMCW LiDARは、ドローンや自律走行車への応用により、自動車産業や農業産業を変革する可能性を秘めている。
量子システム： トラップドイオンやフォトンベースの量子コンピューティングに投資している企業は、より安定したスケーラブルな量子システムを実現するためにPICに注目している。課題は、量子計算に必要な光子の精密制御を実現することである。
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出典：IDTechEx Research
シリコンフォトニクスとPICの市場は、AIとデータコム・トランシーバ需要の急増に牽引され、力強い成長を遂げている。Intel/Jabil、Coherent、Infineraなど業界の主要企業はトランシーバーにPICを積極的に使用している。中国を拠点とするトランシーバー企業Innolightは、2023年後半に最新のトランシーバーで1.6Tbpsの転送速度を達成した。自社でInPウエハー製造設備を持つコヒレント社も、1.6T以上のアプリケーション向けに高性能トランシーバーを開発している。トランシーバー事業をJabilに譲渡したIntel Silicon Photonicsは、2016年以降800万個以上のPICを出荷したと発表しており、この技術の成熟度を示している。IDTechExは、PIC技術は高性能トランシーバ市場を支配し続け、現代の技術的展望における重要なコンポーネントとしての地位をさらに強固なものにすると予測している。
本レポートの内容
本レポートでは、シリコンフォトニクスとフォトニック集積回路の最新技術革新、主要技術動向、バリューチェーン全体の分析、主要プレーヤー分析、きめ細かな市場予測を詳細に検証しています。
本レポートでは以下のトピックを取り上げています：
本レポートは、広範な調査と業界専門家へのインタビューに基づいており、フォトニック集積回路の将来に関心を持つすべての人に貴重な洞察を提供する。本レポートには、32社の企業プロファイル（多くは直接取材によるもの）と、SPIE Photonex 2024やSPIE Photonics West 2024などのイベントからのサマリーが含まれています。
市場予測
Summary
この調査レポートでは、シリコンフォトニクスとフォトニック集積回路の最新技術革新、主要技術動向、バリューチェーン全体の分析、主要プレーヤー分析、きめ細かな市場予測について詳細に調査・分析しています。
主な掲載内容（目次より抜粋）
Report Summary
What are the benefits and challenges for Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits?
Photonic Integrated Circuits (PICs) are tiny optical systems made out of materials such as Silica (Glass), Silicon, or Indium Phosphide. PICs enable everything from complex optical designs that allow billions of bits of information to be sent and received in a package the size of a candy bar to artificial noses that can detect different compounds and molecules in the air around them. Their importance in high-speed communication within AI data centers is leading to rapid growth in demand for PIC-enabled transceivers to help machine learning models grow ever larger.
By leveraging the billions of dollars in investment in CMOS chip manufacturing, PICs can unlock new processing scaling potential beyond Moore's law. However, there are still significant challenges for the PIC market, such as material limitations, integration complexity, and cost management. Large demand volumes are required to offset the initial cost of designing and manufacturing PICs, and production lead times can take months. IDTechEx's new PIC report thoroughly investigates the PIC market and has identified Photonic Transceivers for AI as an emerging segment that is soon to be the largest source of demand for PICs.
What are the PIC materials of the future?
There is a wide variety of future PIC materials. Most of the current market uses Silicon and Silica-based PICs for light propagation. However, as an indirect bandgap semiconductor, silicon is not a practical light source or photodetector. Therefore, silicon is usually combined with III-V materials for light sources and photodetection. Leveraging the enormous existing integrated circuit manufacturing industry and generally taking advantage of mature node processes, silicon's market dominance is set to continue.
However, Thin Film Lithium Niobate (TFLN), with its moderate Pockels effect and low material loss, is emerging as a strong contender for applications that require high-performance modulation such as quantum systems or potentially high-performance transceivers in the future. Monolithic Indium Phosphide (InP) continues to be a major player due to its ability to detect and emit light. Additionally, innovative materials like Barium Titanite (BTO) and rare-earth metals are being explored for their potential in quantum computing and other cutting-edge applications.
How AI is changing the demand for Silicon Photonics and PICs
The rise of Artificial Intelligence (AI) has spurred an unprecedented demand for high-performance transceivers capable of supporting the massive data rates required by AI accelerators and data centers. Silicon Photonics and PICs are at the forefront of this revolution, with their ability to transmit data at speeds of 1.6Tbps and beyond. As shown by Nvidia's latest H200 server units, which according to IDTechEx's research, require approximately 2.5 800G transceivers per GPU, the need for efficient, high-bandwidth communication is becoming more critical for AI, positioning Silicon Photonics and PICs as essential components in the AI-driven future. The biggest driver of the development of PIC transceivers is AI, as higher-performance AI accelerators will require higher-performance transceivers, with 3.2Tbps transceivers expected to arrive by 2026.
What are the future applications?
Other applications for Silicon Photonics and PICs vary - from high-bandwidth chip-to-chip interconnects to advanced packaging and co-packaged optics, these technologies are paving the way for next-generation computing.
Photonic Engines and Accelerators: Using certain photonic components such as Mach-Zehnder Interferometers, and controlling these components through electro-optical interconnects, high-performance processors and programmable PIC devices can be designed and manufactured, unlocking higher performance than what is possible with electronic accelerators alone.
PIC-based Sensors: Certain PIC materials, such as Silicon Nitride, can used for a range of different sensors, from gas sensors to 'artificial noses'. The healthcare sensor industry may be able to take advantage of the miniaturization of optical components into PIC devices, which could see applications in Point-of-Care diagnostics or wearables.
PIC-based FMCW LiDAR has the potential to transform the automotive and agricultural industries with applications in drones and autonomous vehicles.
Quantum Systems: Companies investing in Trapped Ion and Photon-based Quantum Computing are looking to PICs for more stable and scalable quantum systems. The challenge lies in achieving the precise control of photons necessary for quantum computation.
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Source: IDTechEx Research
The market for Silicon Photonics and PICs is experiencing robust growth, driven by the surge in AI and datacom transceiver demand. Key players in the industry such as Intel/Jabil, Coherent, and Infinera are actively using PICs within their transceivers. Innolight, a China-based transceiver company, hit 1.6Tbps of transfer speed in their latest transceivers in late 2023. Coherent, which has its own InP wafer fab facilities, is also developing higher-performance transceivers for 1.6T+ applications. Intel Silicon Photonics, which has transferred its transceiver business to Jabil, announced it had shipped over 8 million PICs since 2016, showing the maturity of the technology. IDTechEx forecasts that PIC technology is to continue to dominate the high-performance transceiver market, further solidifying its position as a critical component in the modern technological landscape.
What is in this report?
This report includes a detailed examination of the latest innovations in Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits, key technical trends, analysis across the value chain, major player analysis, and granular market forecasts.
The report covers the following topics:
The report is based on extensive research and interviews with industry experts and provides valuable insights for anyone interested in the future of photonic integrated circuits. It includes 32 company profiles, many from first-hand interviews, and summaries from events including SPIE Photonex 2024 and SPIE Photonics West 2024.
Market Forecasts:
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