硅光子技术全面普及：体验硅发光技术的进展

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样垂直配置在硅波导上，把调制效率提高到原来的4倍实现的。

　　PECST开发的光调制器通过改变硅波导和附近的载流子密度来改变折射率。此时的课题是如何兼顾波导中的光密封和在不妨碍光的范围内提高载流子密度的控制。此次的设计通过将载流子出入口设计成篦子齿那样细密，不让光从这里漏出，从而解决了这一个课题。

　　（4）锗光敏元件通过由原来的pin型构造改为元件容量小的MSM构造*，实现了2倍以上的高速动作。

　　*MSM（金属-半导体-金属）构造是光电二极管（PD）的一种，半导体与两枚金属电极组合的构造。

　　扩大传输容量密度方面，PECST也有了头绪。其主要研究人员——东京大学先端科学技术研究中心教授荒川泰彦2012年改进了光调制器的电极设计，将其所占面积进一步缩小到了原来的1/5以下。荒川教授表示，"将其用于光收发器IC集成的话，预计可实现10Tbit/秒/cm2的目标传输容量密度"。

　　通过"慢光"缩小调制器尺寸

　　要想进一步改善PECST的成果，进一步缩小光调制器的尺寸并实现高速动作至关重要。这方面的研究也取得了进展（图7）。例如，PECST的研究人员之一——横滨国立大学工学研究院教授马场俊彦的研发小组通过CMOS兼容技术开发出了利用光子晶体（PhC）*技术实现10Gbit/秒动作的Mach- Zehnder型光调制器。由此，将光调制器的长度大幅缩短到了90μm。

　　图7：光调制器取得进一步的进步

　　本图为日本的研究机构开发的新一代光调制器的概要。横滨国立大学的马场研究室利用光子晶体（PhC）将光速降至约1/10，由此在较短的元件长度下确保了较长的光的有效路径长度（a）。东京大学和田研究室通过组合使用锗调制器和MEMS，利用板簧的应力成功控制了锗的可调制波长（b）。（图（a）由 PECST制作，（b）由东京大学和田研究室拍摄）

　　*光子晶体（Photonic Crystal，PhC）＝以人工方式在电磁波透过的材料中制作了大量尺寸与透过的电磁波波长基本相同的开孔的材料。用于光密封、路径控制、群速度控制等。半导体的原子排列规则，因此自由电子等载流子会产生价带、禁带（带隙）和导带。PhC用人工孔代替原子实现了与半导体相同的效果。最近，可实现半导体晶格振动（声子）效果的"声子晶体（Phononic Crystal）"也已问世。

　　PhC的特点是，光密封效果非常高，而且可大幅减慢光速（群速度）。慢光意味着PhC波导的有效折射率大，以短波导也能确保较长的有效路径长度，因此能实现调制器的小型化。

　　在PhC的开发中，有将光速减慢到约1/1000万的例子。不过，光速过慢的话，会出现带宽非常窄的课题。在马场教授的开发中，通过将光速减至约1/10，可在波长为1550nm附近的17nm带宽下使用，而且"对温度的依赖性也比较小，在100℃以上的温度变化下也能运行"。

　　据马场教授介绍，这种复杂构造的元件乍一看好像很难制造，但"可以通过180nm工艺CMOS技术中使用的248nm KrF步进器制造"。

　　导入MEMS技术

　　有望缩小调制器尺寸的另一项技术是MEMS技术。东京大学研究生院工学系研究科教授和田一实的研发小组在采用锗（Ge）的电场吸收（EA）型调制器中采用了MEMS技术。由此，将调制器长度缩小至约30μm。其特点是可以使用无掺杂的锗，而且利用MEMS技术还能使用于调制的波长范围可变。

　　采用锗的EA型调制器和受光器一般通过对锗进行掺杂或施加应变来改变调制和受光波长，但无法实现波长的可变控制，而且掺杂后，存在与其他元件在制造工艺上兼容性降低的课题。

　　原本不发光的材料发光了

　　硅光子剩下的最大课题就是发光元件。此前开发的光收发器的发光元件都无法与硅和CMOS兼容，因此要粘贴采用化合物半导体的发光元件。实现与CMOS兼容的发光元件可以说是硅光子技术的"夙愿"。

　　现在，这个课题也在不断取得突破。此前，由于硅和锗属于能带结构为间接迁移型*的半导体，因此一直被认为基本不发光。但在最近一两年，这个"常识"被打破，已经能够看到利用锗和硅实现发光元件的希望（图8）。

　　图8：CMOS兼容的光源终于要成为现实

本图为可利用最近开发的CMOS兼容技术制作的发光元件。MIT通过注入电流成功使Ge-on-Si元件实现了激光振荡（a）。日立制作所和东京大学荒川研究室也通过电流注入技术成功使Ge-on-Si元件实现了发光（