半導体ファイバーは光ファイバーケーブル伝送ラインに置き換わるのか

インターネットは、奇妙で魅力にあふれた場所です。私が子供の頃はダイヤルアップ インターネットの末期で、チャットルームが全盛の頃でした。今では、私はたまにインターネットでいくつかのオンラインゲームを楽しんでいますが、このようなものは当時は不可能でした。私の電話ルーターや銅線によるネットワークでは、画像をロードするための帯域幅を確保するのがやっとでした。今日のネットワークは、非常に高速な光ファイバーにアップグレードされました。これらの通信システムは確かに昔の銅線によるものより優れていますが、依然としていくつかの欠点もあります。このため研究者たちは、シリカの代わりに半導体を使用する新しい種類の光ファイバーを探求してきました。この新しい種類のケーブルは、広域ネットワークとPCBの両方において、信号伝送に役立つ可能性があります。

光ファイバー

多くの人々は、インターネットのことを、雲の中かどこかに設置されていて接続可能な「何か」と考えていますが、実際にはインターネットとはコンピューターの集まりにすぎません。数百万台ものコンピューターが互いに接続されています。これらのコンピューターを互いに接続する情報ハイウェイの多くは、光ファイバーケーブルで構成されています。光ファイバーはガラスで作られており、その高速性と信号の優れた品質から、ネットワークに広く活用されてきました。しかし、光ファイバーにはいくつかの欠点があります。問題となっている主な欠点は、光回路と電気回路とを接続するため必要な機器のコストと複雑性です。

ほとんどの光ファイバーケーブルはシリカ、つまりガラスを使用して光を伝達します。光は情報を搬送するため優れており、電子的な配線よりもはるかに大きな帯域幅があります。企業は現在40Gbpsのイーサネットを検討していますが、光ファイバーは既に最高43Tbpsの速度に達しています。また、光はビットエラー率が低く、電磁気的干渉に耐性があります。これらの特性から、長距離のネットワークや、速度が最重要なゲームのネットワークの伝送方式として使用されています。

自宅にファイバー接続を導入したいと思うかも知れませんが、まずは価格を調べましょう。ファイバーについての主な不満点の1つは、光信号を電気信号へ変換するため使用される回路のコストです。この理由から、収益を考えた場合に、接続ポイントが問題点になります。この高価な機器はさらに複雑で電子回路との接続が困難でもあります。この理由から、一部の研究者たちは半導体から作られた光ファイバーを開発してきました。

光ファイバーは、World Wide Webへ従来より高速に接続するため役立ってきました。

半導体の光ファイバー

半導体は、電子機器の世界で至る所で使用されています。私のゲーム用コンピューターも、半導体が無くては動作しません。数年前、数人の研究者たちは、半導体の利点を光ファイバーへ適用する方法を発見しました。それ以来、彼らは2つのテクノロジーを統合するため作業を続け、最近になって飛躍的な発見をなしとげました。

光ファイバーは既に、優れた帯域幅と良好な伝送特性を実現しています。では、半導体からどのような利点が得られるでしょうか? 光ファイバーの大きな問題点の1つである、変換コストと複雑性が解決可能になります。半導体は光と電気の両方の信号を同時に伝送でき、伝送中に相互の信号を変換することもできます。電子的なコンバーターが本質的にケーブル自体の中に吸収されることになります。

最近まで、この理論を実践に移すには大きな問題がありました。研究者たちは光と電子の両方を配線で伝導するために結晶を使用していましたが、結晶には境界層が多すぎます。1つの長い結晶の代わりに、この媒体は多数の短い結晶で構成されていました。光が結晶の終端を通過して別の結晶に入るとき、光は散乱します。ペンシルバニア州立大学の研究により、レーザーを使用してケーブル内に長い連続した結晶を形成することで、この問題は解決されました。この方法により、実用的な半導体光ファイバーは実現に一歩近づきました。

近い将来、このような種類のケーブルが近所に設置されるかもしれません。編集クレジット: Hadrian / Shutterstock.com

応用

テクノロジーがあっても、その使い道があって、インターネットで記事にできなければ意味がありません。私の考えでは、半導体光ファイバーには2つの興味深い応用が存在します。1つは明白ですが、もう1つはそれほど明白ではありません。

ほとんどの人々は、このテクノロジーがマクロ用途で興味深いことについて語っています。これによってネットワークが革新され、従来の光ファイバーと銅線の両方が置き替えられるでしょう。これは確かに事実ですが、私は回路レベルでの伝送ラインへの応用が可能なことにも大いに興味を持っています。EMIはあらゆる種類のPCBにとって重大な問題で、デジアナ混在信号回路や高速信号を扱う場合には特に深刻な問題となります。光伝送には、大きなEMIを放射せず、しかもEMIへの耐性を持つという特長があります。このため、基板上に特にノイズの多い伝送ラインが存在するなら、その部分を半導体ファイバーで配線します。この配線は途中でEMIを放射せず、余分なチップなしに配線自体により変換が可能です。このテクノロジーは、その主な目的にも適用されていないため、このほとんどは推測にすぎません。しかし、このテクノロジーが商業的に利用可能になったら、基板レベルでの応用にも目を向けるべきでしょう。

私が最初にインターネットを見つけたとき、それは驚異に満ちた世界でしたが、今では平凡なものです。さいわいにも、研究者たちがこの分野で光学のような素晴らしい発見をしてくれたことに、私は再び興奮しています。光ファイバーは速度と信号の整合性において優れていますが、コストと複雑性に限界がありました。半導体で作られた光ファイバーは、電気的な導体と光学的な導体の利点を両立させ、通信の新しい時代を拓くでしょう。これによって、基板のEMIを低減することも可能になるかもしれません。

半導体ファイバーの両端に変換チップが必要なくても、その伝送ネットワークには間違いなく多くの基板が必要です。この業界に関与するなら、時代の変化に適応できる高度なソフトウェアが必要です。CircuitStudioはPCB設計の最先端で、それを証明するためのツールが搭載されています。

光ファイバーについてその他のご質問は、Altiumの専門家にお問い合わせください。