『好みの色を選べる：NIST の科学家らが、任意の波長のレーザーを開発』

リンドル・ウィリアムズ氏（左）とグレント・ブロドニク氏が、集積フォトニクスチップの端縁に光ファイバを整備している様子が映し出されています。光ファイバは光を運ぶ配管のような役割を果たし、これらチップ上で生成された光を集約して外部へ導出し、実験や実用化のために利用することを可能にします。（画像提供：R. Jacobson/NI スタンダード・アンド・テクノロジ研究所 [NIST]）

数億個の電子デバイスを僅かの平方インチに高密度に集積化したコンピュータチップは、デジタル経済を牽引し、世界の変革をもたらしました。科学者らは、今度は「光」を用いる新たな技術革命的な変化の瀬戸際に立たされているかもしれません。その目標実現への重要な一歩として、国立標準技術研究所（NIST）の研究者らが進めているのは、シリコンウェハー上に特殊材料の複雑なパターンを堆積させることで、「集積回路（インテグレイテッドサーキット）」を光に対して構築する手法の開発です。いわゆる「フォトニクスチップ」と呼ばれるこの技術は、レーザー、導波路、フィルター、スイッチなどの光学デバイスを活用して光を案内し、情報を処理します。この新たな進展は、人工知能（AI）、量子コンピュータ、光学原子時計など、台頭しつつある技術分野に大きな追い風をもたらす可能性があります。

「電子回路が持つほどの性能と普及度を持つ『光の回路』を実現することは、今日の技術における最前線の一つです」と述べているのは、本研究成果を先週『ネイチャー』誌に掲載した研究を主導する NIST 物理学者スコット・パップ氏です。「多くの機能を有する複雑な回路を製造できる技術を習得しており、それは多種多様な応用分野に跨るものです」。

【光の速さ】

情報の伝達や処理において、光は電流には実現できないことを遂行できます。光子（光の粒子）は、電子が回路内を移動する際のスピードと比すると遥かに高速です。さらに、光学原子時計や量子コンピュータといった強力な新興量子技術の制御にも、レーザー光は不可欠です。

しかし、集積フォトニクスが真価を発揮するにはまだいくつかの障壁が残り続けています。その一つがレーザーに関するものです。高品質かつコンパクトで効率的なレーザーは、光の特定の波長（色）に限定されてしか存在せず、例えば半導体レーザーは人間の視覚範囲からわずかに外れた、980 ナノメートルという赤外線の波長を持つ光を生成するにおいては非常に優れています。しかし、光学原子時計や量子コンピュータといった新興技術は、他にも多種多様な色のレーザー光が必要とされます。そのような色を発生させるレーザーは大がかりで高価であり、電力消費も大であるため、実質的にこれらの量子技術を限られた数のかぎられる特別用途の研究所内に閉じ込めてしまっています。

研究者たちは、チップ上の回路にレーザーを統合することで、量子技術を低価格化かつ携帯可能なものへと進化させ、その膨大な可能性を現実のものとしていくことを目指しています。

NIST のグラント・ブロドニク氏、アレキサ・カロロ氏、リンドル・ウィリアムズ氏、スコット・パップ氏らによって、シリコンウェハー上に特殊材料の複雑なパターンを堆積させることで「集積回路（インテグレイテッドサーキット）」を実現しようという取り組みが行われました。（画像提供：R. Jacobson/NIST）

【多層構造のアプローチ】

この新しい NIST フォトニクスチップは、いわば層々あるケーキのように出来ています。NIST の物理学者パップ氏とグラント・ブロドニク氏、ならびに同僚たちは、標準的なシリコンウェーバー（酸化シリコン [ガラス] とリチウムニオベートの層でコーティングされたもの）から出発しました。リチウムニオベートは「非線形材料」とも呼ばれ、入射する光の色を変化させる特性を有します。

その後、研究者たちは回路が一つの色の光を他の色に変換する過程を電気的に制御するために金属部を追加しました。また、別の金属とリチウムニオベートのインターフェースも作成し、これにより回路内での光のオン・オフを迅速に切り替えられるようにしました。これはデータ処理や高速ルティングにおいて極めて重要な能力です。

つまりは「ケーキのアイシング」とも言えるのは、タングステン酸五酸化タンタル（通称：タントラ）という第二の非線形材料です。タントラはまるで魔法のように光を変換し、単一のレーザー色の光を受け取りながら、可視光線の全色譜帯に加え、広範囲の赤外線波長も出力します。パップ氏と colleagues は数年来、タントラを用いて回路を製造する際に加熱することなくパターンニングを行う技術を開発し続けてきました。この手法により、他材料上にタントラを堆積させながら基材を損傷させることなく設置することが可能となりました。

数多くの色変換回路を設計して製作されたこの小型の長方形チップでは、図中の一例として、不可視の赤外光を可視の青光へと変換する動作が示されています。（コイントスのサイズ比較のために 10 セント硬貨が配置されています。）（画像提供：R. Jacobson/NIST）

異なる材料を互いの上に配置した三次元スタックとしてパターンニングすることで、研究者たちは光を層間において効率的に導く単一のチップを製造することに成功しました。これにより、タントラの光操作という魔法のような能力とリチウムニオベートの制御性を統合することが可能となりました。「これは『シームレスな統合』を実現します」とブロドニク氏は述べています。「真の価値は、既存の回路架構にタントラを追加できる点にあります」。

最終的に、研究者らはビールコスター程度のサイズのウェーバーの上に、約 50 個の人指甲程度しかないチップを配置することに成功しました。各チップには 10,000 個以上のフォトニック回路が搭載されており、それぞれが異なる独自の色の光を出力します。「私たちは、単に回路を設計するだけで、これら多様な色をすべて生成できるのです」とパップ氏は述べています。

【一つのチップによる多彩な用途の可能性】

時計やコンピュータといった量子技術こそが、集積フォトニクスから最も大きな恩恵を受ける分野の可能性があります。これらのデバイスは、情報を保存・処理するために原子配列を頻繁に用いますが、各タイプの原子に対して、その内部の量子エネルギー準位に合わせてチューニングされた特別なレーザーが必要となります。例えば、量子コンピュータや時計で一般的に使用されるルビジウム原子は、780 ナノメートルという波長の赤い光に対して反応を示します。一方、もう一つの人気のある選択肢であるストロンチウム原子は、「461 ナノメートルの青い光」を見るようです。他の色を当てるだけでは何も起こりません。

これらオーダーメイドの色を生成するために必要な大型・高価で複雑なレーザー技術が、量子コンピュータや光学時計を実験室の外へ持ち出し、フィールド応用として社会に大きな影響を与えることを阻害する主要な要因となってきました。安価で低電力かつ携帯可能な光学原子時計であれば、火山噴火や地震の予知を助け、GPS への代替的な位置測位・航法システムを提供し、暗黒物質の本質といった科学的謎解明にも貢献できます。また、量子コンピュータは、医薬品や新材料における物理学・化学の研究手法に新しい道を開く可能性があります。

非線形光学を基盤とするチップには、数十色のレーザー光が内蔵されています。（画像提供：S. Papp/NIST）

集積フォトニック回路は量子技術にのみ限定されるわけではありません。パップ氏は、NIST の開発したフォトニクスチップが、テック企業が使用する専門化されたチップ同士の間で信号を効率的に中継する助けとなり得ると考え、「潜在的に AI ベースツールの能力向上と効率化をもたらすことができる」と述べています。また、テック企業も、仮想現実（VR）ディスプレイの品質改善のためにフォトニクス応用に関心を示しています。

現在のところ NIST のチップはまだ大規模量産段階には至っていませんが、パップ氏とブロドニク氏によれば、その製造手法自体が将来への道筋を提供します。NIST の研究者たちは、コロラド州ルイビルに本社を置くスタートアップ企業「オクターブ・フォトニクス」の専門家たちと協力しました。同社は創設者が元 NIST 職員であり、現在は当該技術のスケーリング（量産化）に取り組んでいます。

「実験室でチップが輝き、不可視の光を取り込みながら一つの集積チップ内に多彩な可視光を生成する様子を見れば、どのような応用可能性が潜んでいるかは自明でしょう」とパップ氏は語っています。

参考文献： Grant M. Brodnik, Grisha Spektor, Lindell M. Williams, Jizhao Zang, Alexa R. Carollo, Atasi Dan, Jennifer A. Black, David R. Carlson and Scott B. Papp. "Monolithic 3D integration of tantalum pentoxide nonlinear photonics." Nature. Online publication: April 15, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10379-w