硅光子技術(shù)全面普及：體驗(yàn)硅發(fā)光技術(shù)的進(jìn)展 - 全文

　　關(guān)于在硅晶圓上實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)摹肮韫庾印奔夹g(shù)，其實(shí)用化和研發(fā)的推進(jìn)速度都超過(guò)了預(yù)期。其中，日本的進(jìn)展尤其顯著。日本在高密度集成技術(shù)和調(diào)制器等的小型化方面世界領(lǐng)先，在CMOS兼容發(fā)光技術(shù)和光子結(jié)晶的開(kāi)發(fā)方面的成果也震撼全球。硅光子技術(shù)的應(yīng)用范圍有望從目前的主要用途——電路板間的數(shù)據(jù)傳輸擴(kuò)大到芯片間和芯片內(nèi)的傳輸。預(yù)計(jì)這方面的應(yīng)用將在2020年前后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

　　“硅光子”已經(jīng)進(jìn)入全面普及階段。利用該技術(shù)，各種光傳輸元件的大部分都可以通過(guò)CMOS技術(shù)集成到硅芯片上注1）。

　　注1）目前只有光源還需利用化合物半導(dǎo)體激光元件。

　　硅光子技術(shù)目前的主要用途是嵌在有源光纜（Ac tive Optical Cable，AOC）*中的光收發(fā)器IC（圖1）。AOC在超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心以及通信運(yùn)營(yíng)商的傳輸裝置領(lǐng)域的應(yīng)用迅速擴(kuò)大，是用于板卡和設(shè)備高速連接的光纜。

　　圖1：光傳輸?shù)膽?yīng)用范圍將從板卡間擴(kuò)大到芯片間，再到芯片內(nèi)

　　本圖為最近和不久的將來(lái)的光傳輸導(dǎo)入領(lǐng)域。名為AOC（有源光纜）的服務(wù)器板卡間通信技術(shù)大部分都是利用硅光子技術(shù)的光傳輸。預(yù)計(jì)今后芯片間傳輸、CPU 內(nèi)核間以及CPU內(nèi)核內(nèi)的全局布線等也將利用光傳輸。（攝影：（a）為美高森美公司（原卓聯(lián)半導(dǎo)體），（b）為L(zhǎng)uxtera公司，（c）為阿爾特拉）

　　*AOC（Active Optical Cable）＝帶光收發(fā)器模塊的光纜。由于耐久性和可靠性高，在2008年前后，這種光纜在高性能計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上的需求開(kāi)始擴(kuò)大。調(diào)查公司Global Information發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2011年AOC的全球銷量為30.5萬(wàn)根，銷售額為7000萬(wàn)美元。該公司預(yù)測(cè)，2016年的銷量將達(dá)到 78.6萬(wàn)根，銷售額將擴(kuò)大到1.75億美元。

　　硅光子之所以能在AOC用光收發(fā)器領(lǐng)域取得這樣的成績(jī)，是因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)量產(chǎn)大幅降低成本，這與采用CMOS技術(shù)的半導(dǎo)體產(chǎn)品一樣。而以前的AOC采用的是基于化合物半導(dǎo)體的分立元件，價(jià)格較高。

　　以風(fēng)險(xiǎn)公司為中心的市場(chǎng)將發(fā)生變化開(kāi)拓該用途的是美國(guó)加州理工學(xué)院成立的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)Luxtera，以及同為風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的Kotura公司。2008年前后開(kāi)始量產(chǎn)的Luxtera于 2012年2月宣布，“已售出100萬(wàn)個(gè)單位通道傳輸容量為10Gbit/秒的光IC”。Kotura也于2013年2月宣布，“光IC的銷量較上年翻了一番、相當(dāng)于6萬(wàn)通道/月”。從這些出貨量數(shù)據(jù)來(lái)看，這兩家公司的產(chǎn)品占了AOC市場(chǎng)的相當(dāng)大一部分注2）。

　　注2） Luxtera與飛思卡爾半導(dǎo)體和意法半導(dǎo)體開(kāi)展合作，Kotura與甲骨文等企業(yè)在技術(shù)開(kāi)發(fā)和制造方面開(kāi)展合作。

　　不過(guò)，該市場(chǎng)將迎來(lái)巨大的變化。因?yàn)樗伎葡到y(tǒng)和英特爾等企業(yè)相繼涉足該市場(chǎng)。在今后將形成市場(chǎng)的100Gbit/秒傳輸容量的AOC中，預(yù)計(jì)硅光子將掌握主導(dǎo)權(quán)。

　　思科的動(dòng)作非常迅速。該公司2012年2月斥資2.71億美元收購(gòu)了風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)Lightwire，同年10月發(fā)布了基于硅光子技術(shù)的、支持 100Gbit/秒的光收發(fā)器規(guī)格“Cisco CPAK”，2013年3月發(fā)布了安裝有該規(guī)格光收發(fā)器模塊的傳輸裝置。

　　英特爾也于2013年1月發(fā)布了采用硅光子技術(shù)的AOC，該產(chǎn)品支持臉書(shū)主導(dǎo)的數(shù)據(jù)中心行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“Open Compute Project”。

　　芯片間光傳輸大勢(shì)所趨

　　預(yù)計(jì)硅光子市場(chǎng)今后還將日益擴(kuò)大。肩負(fù)AOC“未來(lái)”的市場(chǎng)已經(jīng)初現(xiàn)端倪。AOC主要用于“電路板間”的大容量數(shù)據(jù)傳輸，而今后，電路板上的微處理器之間以及微處理器與存儲(chǔ)器之間等“芯片間”用途將實(shí)用化。IBM和英特爾現(xiàn)在正在推進(jìn)開(kāi)發(fā)，目標(biāo)是將其用于2020年前后的超級(jí)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器。

　　圖2：光傳輸和電傳輸?shù)牡秃碾娏炕?cm為分界

　　如果傳輸距離在1cm以上，目前的光傳輸技術(shù)的耗電量小于電傳輸。光傳輸?shù)暮碾娏恐饕枪?a target="_blank">收發(fā)器的電光轉(zhuǎn)換以及光電轉(zhuǎn)換消耗的。最近大幅減小了光收發(fā)器的尺寸，因此耗電量也減小了。

　　光傳輸?shù)膽?yīng)用始于長(zhǎng)距離通信，之后其用途擴(kuò)大到了短距離通信，取代了電傳輸。在這一點(diǎn)上，采用硅光子的光傳輸也是一樣。預(yù)計(jì)將來(lái)微處理器內(nèi)部的“CPU內(nèi)核間”的數(shù)據(jù)傳輸也必須要利用硅光子技術(shù)。

　　最近，硅光子技術(shù)在芯片間的應(yīng)用有了眉目，這主要是因?yàn)?，利用硅光子制作的光收發(fā)器的耗電量降低了。一般來(lái)說(shuō)，電傳輸是距離越短，所需的電力越少，而光傳輸即使距離縮短，電力也不會(huì)降低太多。因此，二者以耗電量相同的傳輸距離為分界點(diǎn)區(qū)分使用。最近，利用硅光子的光傳輸和電傳輸在傳輸距離為 1cm時(shí)的耗電量基本相同，因此，在比以前短很多的距離間也有望利用光傳輸（圖2）。

　　比如，2013年3月IBM利用硅光子技術(shù)開(kāi)發(fā)出了耗電量為1pJ/bit的光收發(fā)器IC。預(yù)計(jì)電傳輸?shù)淖畹秃碾娏吭趥鬏斁嚯x為1cm時(shí)約為150fJ（0.15pJ）/bit（圖3）1）。雖然還有好幾倍的差距，但如果只限于光傳輸?shù)母黜?xiàng)功能，耗電量比IBM的試制品小2、3位數(shù)的技術(shù)也已開(kāi)發(fā)出來(lái)。

　　圖3：在不遠(yuǎn)的將來(lái)，微處理器內(nèi)核間的傳輸必然要采用光傳輸

　　本圖為微處理器的CPU內(nèi)核間傳輸?shù)鹊碾妭鬏敿夹g(shù)和光傳輸技術(shù)的耗電量。今后的高性能微處理器光憑電傳輸將無(wú)法實(shí)現(xiàn)耗電量的要求條件。而在距離為1cm的傳輸中，光傳輸?shù)暮碾娏颗c電傳輸基本相同。還出現(xiàn)了各部件的耗電量比電氣方式大幅降低的例子。（攝影：IBM）

　　在用途方面對(duì)硅光子光傳輸?shù)钠诖苍絹?lái)越高。隨著以提高微處理器速度為目的的多核化和眾核化的推進(jìn)，必須要大幅增加內(nèi)存帶寬和CPU內(nèi)核間的數(shù)據(jù)傳輸容量。但多核化會(huì)導(dǎo)致CPU內(nèi)核間的傳輸距離增長(zhǎng)。而且，傳輸容量必須擴(kuò)大到與內(nèi)核內(nèi)的全局布線相當(dāng)?shù)某潭?。?duì)電傳輸而言，條件越來(lái)越苛刻。而對(duì)于正處于發(fā)展期的硅光子光傳輸，今后其耗電量還需要大幅降低。

　　小型化也取得巨大進(jìn)展

　　瞄準(zhǔn)芯片間光傳輸?shù)牟考囍埔惨呀?jīng)展開(kāi)。由日本內(nèi)閣府提供支援的研究開(kāi)發(fā)組織“光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)（PECST）”試制的光收發(fā)器IC注3）達(dá)到了目前世界最高的集成度和傳輸容量密度。PECST于2012年9月發(fā)布了可在1cm2的硅芯片上、集成526個(gè)數(shù)據(jù)傳輸速度為12.5Gbps的光收發(fā)器的技術(shù)注4），數(shù)據(jù)傳輸容量密度相當(dāng)于約6.6Tbit/秒/cm2。主要用于負(fù)責(zé)LSI間大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓廪D(zhuǎn)接板（圖4）。

　　圖4：芯片間布線駛?cè)搿肮獾母咚俟贰?/p>

　　本圖為東京大學(xué)荒川研究室與PECST開(kāi)發(fā)的LSI間數(shù)據(jù)傳輸用光轉(zhuǎn)接板的概要。除了作為光源的激光元件外，都使用CMOS兼容技術(shù)集成到了SOI基板上。激光元件也可以利用普通的貼片機(jī)安裝到芯片上。（攝影：右為PECST）

　　注3）PECST是以在2025年實(shí)現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”、即在硅芯片上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心功能為目標(biāo)成立的研究開(kāi)發(fā)組織。2010年3月開(kāi)始研究工作。

　　注4）該光收發(fā)器每組所占面積為0.19mm2。除激光元件外全部利用CMOS兼容技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　這次發(fā)布具有劃時(shí)代的意義，該技術(shù)解決了各元件的尺寸過(guò)大、難以實(shí)現(xiàn)短距離傳輸和高密度集成的原有課題。常有人把光傳輸比喻為“飛機(jī)”運(yùn)輸，而把電傳輸比喻為“鐵路”或“汽車(chē)”運(yùn)輸，如果是跨海的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，使用飛機(jī)比較合適，但如果只是向幾公里遠(yuǎn)的相鄰城市運(yùn)輸貨物則不適合使用飛機(jī)。因?yàn)椴粌H有燃料的問(wèn)題，飛機(jī)起降所需的“機(jī)場(chǎng)”也太大。而光傳輸中相當(dāng)于“機(jī)場(chǎng)”的光收發(fā)器的尺寸原來(lái)就非常大，有數(shù)cm見(jiàn)方，不適合1cm距離的傳輸（圖5）。

　　從PECST的試制品上，能看到在面積1cm2的芯片上集成多個(gè)光收發(fā)器IC的可能性。光收發(fā)器IC和構(gòu)成元件的小型化幾乎直接關(guān)系到低耗電量化。因?yàn)樵娣e小的話，元件容量也小。通過(guò)推進(jìn)元件尺寸的小型化，一舉改善了光傳輸?shù)暮碾娏亢图啥冗@兩項(xiàng)課題。

　　圖5：即將實(shí)現(xiàn)10Tbit/秒/cm2的傳輸容量密度

　　本圖為光傳輸用收發(fā)器的小型化以及伴隨小型化的集成度提高情況。通過(guò)小型化提高集成度的話，傳輸容量密度也會(huì)提高。目前的最高傳輸容量密度為PECST實(shí)現(xiàn)的6.6Tbit/秒/cm2。PECST預(yù)計(jì)2013年上半年將實(shí)現(xiàn)10Tbit/秒/cm2。

　　開(kāi)發(fā)獨(dú)特的核心技術(shù)群

　　PECST的光收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)主要依靠四項(xiàng)核心技術(shù)（圖6），分別為（1）作為光源的激光陣列元件、（2）連接光源與硅波導(dǎo)的光斑尺寸轉(zhuǎn)換器（SSC）、（3）Mach-Zehnder型光調(diào)制器*、（4）鍺光敏元件。

　　圖6：實(shí)現(xiàn)6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的核心要素

　　本圖為東京大學(xué)荒川研究室與PECST實(shí)現(xiàn)6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的技術(shù)要點(diǎn)。激光元件方面，開(kāi)發(fā)出了大規(guī)模陣列化的技術(shù)；大幅降低了光斑尺寸轉(zhuǎn)換器的損失；光調(diào)制器的尺寸縮小至原來(lái)的1/4；鍺光敏元件也實(shí)現(xiàn)了2倍以上的高速化。（攝影：PECST）

　　*Mach-Zehnder（馬赫-曾德?tīng)枺┬凸庹{(diào)制器＝光干涉儀的一種，一般是把同一光源的光分成兩束，對(duì)其中一束實(shí)施相位控制等處理后，再與另一束光耦合。

　?。?）激光陣列元件以約30μm的間距成功地配置了13通道的激光二極管（LD）。PECST稱“目前已經(jīng)制作出104通道的元件”。

　　（2）SSC把以往的一條錐形波導(dǎo)改為三條波導(dǎo)構(gòu)成，從而大幅降低了光耦合損失。而且，在硅上安裝激光陣列元件時(shí)的位置對(duì)準(zhǔn)精度也大幅放寬，為0.9μm。

　　解決了調(diào)制器的兩個(gè)課題

　　對(duì)光收發(fā)器的小型化貢獻(xiàn)最大的是（3）光調(diào)制器的開(kāi)發(fā)。以前，Mach-Zehnder型光調(diào)制器為了補(bǔ)償調(diào)制效率低的問(wèn)題，需要較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。原來(lái)長(zhǎng)度為1cm以上，最近縮短到了1mm左右，而此次大幅縮短至250μm。這是通過(guò)將pin型二極管像梳子齒一樣垂直配置在硅波導(dǎo)上，把調(diào)制效率提高到原來(lái)的4倍實(shí)現(xiàn)的。

　　PECST開(kāi)發(fā)的光調(diào)制器通過(guò)改變硅波導(dǎo)和附近的載流子密度來(lái)改變折射率。此時(shí)的課題是如何兼顧波導(dǎo)中的光密封和在不妨礙光的范圍內(nèi)提高載流子密度的控制。此次的設(shè)計(jì)通過(guò)將載流子出入口設(shè)計(jì)成篦子齒那樣細(xì)密，不讓光從這里漏出，從而解決了這一個(gè)課題。

　　（4）鍺光敏元件通過(guò)由原來(lái)的pin型構(gòu)造改為元件容量小的MSM構(gòu)造*，實(shí)現(xiàn)了2倍以上的高速動(dòng)作。

　　*MSM（金屬-半導(dǎo)體-金屬）構(gòu)造是光電二極管（PD）的一種，半導(dǎo)體與兩枚金屬電極組合的構(gòu)造。

　　擴(kuò)大傳輸容量密度方面，PECST也有了頭緒。其主要研究人員——東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心教授荒川泰彥2012年改進(jìn)了光調(diào)制器的電極設(shè)計(jì)，將其所占面積進(jìn)一步縮小到了原來(lái)的1/5以下?；拇ń淌诒硎?，“將其用于光收發(fā)器IC集成的話，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)10Tbit/秒/cm2的目標(biāo)傳輸容量密度”。

　　通過(guò)“慢光”縮小調(diào)制器尺寸

　　要想進(jìn)一步改善PECST的成果，進(jìn)一步縮小光調(diào)制器的尺寸并實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作至關(guān)重要。這方面的研究也取得了進(jìn)展（圖7）。例如，PECST的研究人員之一——橫濱國(guó)立大學(xué)工學(xué)研究院教授馬場(chǎng)俊彥的研發(fā)小組通過(guò)CMOS兼容技術(shù)開(kāi)發(fā)出了利用光子晶體（PhC）*技術(shù)實(shí)現(xiàn)10Gbit/秒動(dòng)作的Mach- Zehnder型光調(diào)制器。由此，將光調(diào)制器的長(zhǎng)度大幅縮短到了90μm。

　　圖7：光調(diào)制器取得進(jìn)一步的進(jìn)步

　　本圖為日本的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的新一代光調(diào)制器的概要。橫濱國(guó)立大學(xué)的馬場(chǎng)研究室利用光子晶體（PhC）將光速降至約1/10，由此在較短的元件長(zhǎng)度下確保了較長(zhǎng)的光的有效路徑長(zhǎng)度（a）。東京大學(xué)和田研究室通過(guò)組合使用鍺調(diào)制器和MEMS，利用板簧的應(yīng)力成功控制了鍺的可調(diào)制波長(zhǎng)（b）。（圖（a）由 PECST制作，（b）由東京大學(xué)和田研究室拍攝）

　　*光子晶體（Photonic Crystal，PhC）＝以人工方式在電磁波透過(guò)的材料中制作了大量尺寸與透過(guò)的電磁波波長(zhǎng)基本相同的開(kāi)孔的材料。用于光密封、路徑控制、群速度控制等。半導(dǎo)體的原子排列規(guī)則，因此自由電子等載流子會(huì)產(chǎn)生價(jià)帶、禁帶（帶隙）和導(dǎo)帶。PhC用人工孔代替原子實(shí)現(xiàn)了與半導(dǎo)體相同的效果。最近，可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶格振動(dòng)（聲子）效果的“聲子晶體（Phononic Crystal）”也已問(wèn)世。

　　PhC的特點(diǎn)是，光密封效果非常高，而且可大幅減慢光速（群速度）。慢光意味著PhC波導(dǎo)的有效折射率大，以短波導(dǎo)也能確保較長(zhǎng)的有效路徑長(zhǎng)度，因此能實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的小型化。

　　在PhC的開(kāi)發(fā)中，有將光速減慢到約1/1000萬(wàn)的例子。不過(guò)，光速過(guò)慢的話，會(huì)出現(xiàn)帶寬非常窄的課題。在馬場(chǎng)教授的開(kāi)發(fā)中，通過(guò)將光速減至約1/10，可在波長(zhǎng)為1550nm附近的17nm帶寬下使用，而且“對(duì)溫度的依賴性也比較小，在100℃以上的溫度變化下也能運(yùn)行”。

　　據(jù)馬場(chǎng)教授介紹，這種復(fù)雜構(gòu)造的元件乍一看好像很難制造，但“可以通過(guò)180nm工藝CMOS技術(shù)中使用的248nm KrF步進(jìn)器制造”。

　　導(dǎo)入MEMS技術(shù)

　　有望縮小調(diào)制器尺寸的另一項(xiàng)技術(shù)是MEMS技術(shù)。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授和田一實(shí)的研發(fā)小組在采用鍺（Ge）的電場(chǎng)吸收（EA）型調(diào)制器中采用了MEMS技術(shù)。由此，將調(diào)制器長(zhǎng)度縮小至約30μm。其特點(diǎn)是可以使用無(wú)摻雜的鍺，而且利用MEMS技術(shù)還能使用于調(diào)制的波長(zhǎng)范圍可變。

　　采用鍺的EA型調(diào)制器和受光器一般通過(guò)對(duì)鍺進(jìn)行摻雜或施加應(yīng)變來(lái)改變調(diào)制和受光波長(zhǎng)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可變控制，而且摻雜后，存在與其他元件在制造工藝上兼容性降低的課題。

　　原本不發(fā)光的材料發(fā)光了

　　硅光子剩下的最大課題就是發(fā)光元件。此前開(kāi)發(fā)的光收發(fā)器的發(fā)光元件都無(wú)法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。實(shí)現(xiàn)與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說(shuō)是硅光子技術(shù)的“夙愿”。

　　現(xiàn)在，這個(gè)課題也在不斷取得突破。此前，由于硅和鍺屬于能帶結(jié)構(gòu)為間接遷移型*的半導(dǎo)體，因此一直被認(rèn)為基本不發(fā)光。但在最近一兩年，這個(gè)“常識(shí)”被打破，已經(jīng)能夠看到利用鍺和硅實(shí)現(xiàn)發(fā)光元件的希望（圖8）。

　　圖8：CMOS兼容的光源終于要成為現(xiàn)實(shí)

　　本圖為可利用最近開(kāi)發(fā)的CMOS兼容技術(shù)制作的發(fā)光元件。MIT通過(guò)注入電流成功使Ge-on-Si元件實(shí)現(xiàn)了激光振蕩（a）。日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也通過(guò)電流注入技術(shù)成功使Ge-on-Si元件實(shí)現(xiàn)了發(fā)光（b）。另外，東京大學(xué)大津研究室成功使pin型硅元件實(shí)現(xiàn)了高效率發(fā)光（c）。實(shí)現(xiàn)了多種波長(zhǎng)的發(fā)光。（圖（b）由PECST制作，（c）由東京大學(xué)大津研究室拍攝）

　　*間接遷移型＝根據(jù)波數(shù)和電子能量分析半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，價(jià)帶中能量最大的波數(shù)與導(dǎo)帶中能量最小的波數(shù)各不相同。波數(shù)是與動(dòng)量有關(guān)的物理量，因此即使想把導(dǎo)帶的電子遷移到價(jià)帶中，一般來(lái)說(shuō)，不符合動(dòng)量守恒定律就無(wú)法遷移，也就是說(shuō)無(wú)法發(fā)光。能發(fā)光的能帶結(jié)構(gòu)被稱為直接遷移型。

　　打破這個(gè)常識(shí)的研究單位之一就是美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）。MIT于2010年通過(guò)光激發(fā)使鍺發(fā)光，2012年通過(guò)注入電流，成功使鍺實(shí)現(xiàn)了激光振蕩。

　　成功的秘訣是對(duì)鍺進(jìn)行高濃度n型摻雜，將其能帶結(jié)構(gòu)變成直接遷移型。目前的摻雜濃度為4×1019個(gè)/cm3，對(duì)于半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)非常高。在有關(guān)鍺的研究中，與MIT有交流的東京大學(xué)的和田自信地表示，“還差一步，如果能達(dá)到1020個(gè)/cm3以上的摻雜，就能實(shí)現(xiàn)與化合物半導(dǎo)體相當(dāng)?shù)陌l(fā)光增益。硅光子全部能利用（硅和鍺等）IV族材料實(shí)現(xiàn)”。

　　日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也實(shí)現(xiàn)了鍺發(fā)光。日立制作所到2年前為止一直在進(jìn)行通過(guò)量子效果使硅發(fā)光的研究，之后開(kāi)始研究鍺。同樣是利用高濃度的n型摻雜鍺，在此基礎(chǔ)上通過(guò)SiN對(duì)鍺施加應(yīng)變，并已確認(rèn)這種方法可以提高發(fā)光強(qiáng)度。

　　硅發(fā)光取得進(jìn)展

　　另外，還出現(xiàn)了使硅光子的主角——硅自身發(fā)光的例子。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授、納米光子研究中心中心長(zhǎng)大津元一的研發(fā)小組2011年發(fā)現(xiàn)硅可以發(fā)光。

　　據(jù)介紹，為硅通電，然后邊照射電磁波邊進(jìn)行p型摻雜的話，就會(huì)開(kāi)始受激發(fā)射。已確認(rèn)利用該材料制作的硅LED能夠發(fā)光注5）。

　　注5）發(fā)光波長(zhǎng)為1.1～1.5μm，能在大帶寬內(nèi)發(fā)光。

　　通過(guò)不斷優(yōu)化元件，目前紅外光硅LED的外部量子效率超過(guò)了10％（圖9）。作為才開(kāi)發(fā)2年的發(fā)光效率，即使與目前最新型白色LED的 30％左右相比，也已經(jīng)算十分高了。雖然效率還比較低，但已制作出通過(guò)紅外光激光振蕩的元件，以及可通過(guò)紅色光、綠色光、藍(lán)色光等發(fā)光的硅LED。大津表示，計(jì)劃使可用于硅光子的紅外激光2015年達(dá)到10％的效率。

　　圖9：實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有LED接近的發(fā)光效率

　　本圖為東京大學(xué)大津研究室正在開(kāi)發(fā)的硅LED和硅激光元件的發(fā)光效率提高情況。紅外發(fā)光硅LED的外部發(fā)光效率超過(guò)了10％，正在靠近現(xiàn)有LED的約30％。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)東京大學(xué)大津研究室的資料制作）

　　通過(guò)這些技術(shù)開(kāi)發(fā)，利用CMOS技術(shù)有望使半導(dǎo)體的任意位置成為光源。不僅是光傳輸，還能為顯示器等帶來(lái)巨大的影響。

　　能否打破1000個(gè)硅光子的集成壁壘

　　硅光子要想進(jìn)一步發(fā)展還存在兩大課題。一是，使光元件和光收發(fā)器大幅實(shí)現(xiàn)小型化和低耗電量化的方法。另一個(gè)是，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大容量化的王牌——密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的利用。

　　在PECST等的研究成果中，光收發(fā)器的集成度目前有望實(shí)現(xiàn)526個(gè)/cm2，在不久的將來(lái)還可能會(huì)實(shí)現(xiàn)1000個(gè)/cm2（圖5）。但再往后，硅光子能否順利增加集成度就不得而知了。NTT特性科學(xué)基礎(chǔ)研究所、NTT納米光子中心中心長(zhǎng)納富雅也表示，“硅光子的集成度存在1cm2約為1000個(gè)的壁壘”。

　　這種看法的理由是，構(gòu)成光收發(fā)器的各元件的小型化已經(jīng)到了極限。尺寸小于20μm見(jiàn)方的元件在硅光子中基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵倏s小元件尺寸的話，漏出的光會(huì)大幅增加，能量損失就會(huì)迅速增加。

　　瞄準(zhǔn)芯片上的路徑控制

　　對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，最有效的解決方法是光密封效果高的光子晶體（PhC）技術(shù)。NTT利用化合物半導(dǎo)體制作出光子晶體，開(kāi)發(fā)了多種主動(dòng)光學(xué)元件（圖10）。目標(biāo)是超越光收發(fā)器，在芯片上實(shí)現(xiàn)采用光存儲(chǔ)器等的主動(dòng)路徑控制及簡(jiǎn)單的信息處理等網(wǎng)絡(luò)。

　　圖10：利用化合物半導(dǎo)體光子結(jié)晶實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光集成電路

　　本圖為NTT特性科學(xué)基礎(chǔ)研究所正在開(kāi)發(fā)的、利用化合物半導(dǎo)體光子晶體的光傳輸技術(shù)群。與CMOS兼容技術(shù)相比，所占面積和耗電量均降低了2～3位數(shù)。光RAM等記錄介質(zhì)的開(kāi)發(fā)也取得了成功。（攝影：NTT）

　　作為其核心技術(shù)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了激光振蕩元件、光開(kāi)關(guān)及光RAM等，每個(gè)元件的尺寸為5～15μm見(jiàn)方。這樣便能以100萬(wàn)個(gè)/cm2的密度集成光元件。其中，光開(kāi)關(guān)的耗電量非常小，只有660aJ/bit，與電信號(hào)相比，有望大幅降低耗電量。該公司就這些技術(shù)表示，“打算2025年前后實(shí)現(xiàn)能貼在微處理器上的智能光網(wǎng)絡(luò)芯片”（納富）。

　　現(xiàn)在的光子晶體未采用硅基，因?yàn)楹茈y采用硅基以高效率制作主動(dòng)元件。不過(guò)，結(jié)合發(fā)光的鍺和硅等技術(shù)的話，就有可能實(shí)現(xiàn)硅基光子晶體。

　　DWDM可能是最后的課題

　　另一個(gè)課題是DWDM，以數(shù)十Tbps/cm2進(jìn)行硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術(shù)早在15年前就已普遍用于長(zhǎng)距離通信用設(shè)備等，但用于硅光子則非常難。其中一個(gè)原因是，各個(gè)光元件發(fā)出的光的波長(zhǎng)以及通過(guò)波導(dǎo)的光的波長(zhǎng)因溫度變化存在巨大偏差（圖11）。將長(zhǎng)距離通信設(shè)備使用的溫度控制功能用于硅光子技術(shù)的成本過(guò)高，不現(xiàn)實(shí)。

　　圖11：是采用波分復(fù)用（WDM）還是采用光多級(jí)調(diào)制

　　波分復(fù)用（WDM）技術(shù)和光多級(jí)調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和課題的比較。WDM的一大課題是耐溫度變化性較弱，而光多級(jí)調(diào)制存在電路規(guī)模和元件成本增大的課題。

　　因此，增加光傳輸容量的方法方面，與DWDM相比，近來(lái)更重視多級(jí)調(diào)制的光傳輸技術(shù)人員越來(lái)越多。

　　但也有研究人員認(rèn)為，“相對(duì)于電傳輸，利用DWDM是光傳輸?shù)谋举|(zhì)優(yōu)勢(shì)，必須要推進(jìn)利用DWDM的研究開(kāi)發(fā)”（東京大學(xué)的和田）。最近，MIT的研究人員還在開(kāi)發(fā)使波導(dǎo)不依賴于溫度的技術(shù)（圖12）。