硅光子技术全面普及：体验硅发光技术的进展

）/bit（图3）1）。虽然还有好几倍的差距，但如果只限于光传输的各项功能，耗电量比IBM的试制品小2、3位数的技术也已开发出来。

　　图3：在不远的将来，微处理器内核间的传输必然要采用光传输

　　本图为微处理器的CPU内核间传输等的电传输技术和光传输技术的耗电量。今后的高性能微处理器光凭电传输将无法实现耗电量的要求条件。而在距离为1cm的传输中，光传输的耗电量与电传输基本相同。还出现了各部件的耗电量比电气方式大幅降低的例子。（摄影：IBM）

　　在用途方面对硅光子光传输的期待也越来越高。随着以提高微处理器速度为目的的多核化和众核化的推进，必须要大幅增加内存带宽和CPU内核间的数据传输容量。但多核化会导致CPU内核间的传输距离增长。而且，传输容量必须扩大到与内核内的全局布线相当的程度。对电传输而言，条件越来越苛刻。而对于正处于发展期的硅光子光传输，今后其耗电量还需要大幅降低。

　　小型化也取得巨大进展

　　瞄准芯片间光传输的部件试制也已经展开。由日本内阁府提供支援的研究开发组织"光电子融合系统基础技术开发（PECST）"试制的光收发器IC注3）达到了目前世界最高的集成度和传输容量密度。PECST于2012年9月发布了可在1cm2的硅芯片上、集成526个数据传输速度为12.5Gbps的光收发器的技术注4），数据传输容量密度相当于约6.6Tbit/秒/cm2。主要用于负责LSI间大容量数据传输的光转接板（图4）。

　　图4：芯片间布线驶入"光的高速公路"

　　本图为东京大学荒川研究室与PECST开发的LSI间数据传输用光转接板的概要。除了作为光源的激光元件外，都使用CMOS兼容技术集成到了SOI基板上。激光元件也可以利用普通的贴片机安装到芯片上。（摄影：右为PECST）

　　注3）PECST是以在2025年实现"片上数据中心"、即在硅芯片上实现数据中心功能为目标成立的研究开发组织。2010年3月开始研究工作。

　　注4） 该光收发器每组所占面积为0.19mm2。除激光元件外全部利用CMOS兼容技术实现。

　　这次发布具有划时代的意义，该技术解决了各元件的尺寸过大、难以实现短距离传输和高密度集成的原有课题。常有人把光传输比喻为"飞机"运输，而把电传输比喻为"铁路"或"汽车"运输，如果是跨海的长距离运输，使用飞机比较合适，但如果只是向几公里远的相邻城市运输货物则不适合使用飞机。因为不仅有燃料的问题，飞机起降所需的"机场"也太大。而光传输中相当于"机场"的光收发器的尺寸原来就非常大，有数cm见方，不适合1cm距离的传输（图5）。

　　从PECST的试制品上，能看到在面积1cm2的芯片上集成多个光收发器IC的可能性。光收发器IC和构成元件的小型化几乎直接关系到低耗电量化。因为元件面积小的话，元件容量也小。通过推进元件尺寸的小型化，一举改善了光传输的耗电量和集成度这两项课题。

　　图5：即将实现10Tbit/秒/cm2的传输容量密度

　　本图为光传输用收发器的小型化以及伴随小型化的集成度提高情况。通过小型化提高集成度的话，传输容量密度也会提高。目前的最高传输容量密度为PECST实现的6.6Tbit/秒/cm2。PECST预计2013年上半年将实现10Tbit/秒/cm2。

　　开发独特的核心技术群

　　PECST的光收发器的实现主要依靠四项核心技术（图6），分别为（1）作为光源的激光阵列元件、（2）连接光源与硅波导的光斑尺寸转换器（SSC）、（3）Mach-Zehnder型光调制器*、（4）锗光敏元件。

　　图6：实现6.6Tbit/秒/cm2传输容量密度的核心要素

　　本图为东京大学荒川研究室与PECST实现6.6Tbit/秒/cm2传输容量密度的技术要点。激光元件方面，开发出了大规模阵列化的技术；大幅降低了光斑尺寸转换器的损失；光调制器的尺寸缩小至原来的1/4；锗光敏元件也实现了2倍以上的高速化。（摄影：PECST）

　　*Mach-Zehnder（马赫-曾德尔）型光调制器＝光干涉仪的一种，一般是把同一光源的光分成两束，对其中一束实施相位控制等处理后，再与另一束光耦合。

　　（1）激光阵列元件以约30μm的间距成功地配置了13通道的激光二极管（LD）。PECST称"目前已经制作出104通道的元件"。

　　（2）SSC把以往的一条锥形波导改为三条波导构成，从而大幅降低了光耦合损失。而且，在硅上安装激光阵列元件时的位置对准精度也大幅放宽，为0.9μm。

　　解决了调制器的两个课题

对光收发器的小型化贡献最大的是（3）光调制器的开发。以前，Mach-Zehnder型光调制器为了补偿调制效率低的问题，需要较长的路径长度。原来长度为1cm以上，最近缩短到了1mm左右，而此次大幅缩短至250μm。这是通过将pin型二极管像梳子齿一