硅光子技术全面普及：体验硅发光技术的进展（四）

硅发光取得进展

　　另外，还出现了使硅光子的主角——硅自身发光的例子。东京大学研究生院工学系研究科教授、纳米光子研究中心中心长大津元一的研发小组2011年发现硅可以发光。

　　据介绍，为硅通电，然后边照射电磁波边进行p型掺杂的话，就会开始受激发射。已确认利用该材料制作的硅LED能够发光注5）。

　　注5） 发光波长为1.1～1.5μm，能在大带宽内发光。

　　通过不断优化元件，目前红外光硅LED的外部量子效率超过了10％（图9）。作为才开发2年的发光效率，即使与目前最新型白色LED的 30％左右相比，也已经算十分高了。虽然效率还比较低，但已制作出通过红外光激光振荡的元件，以及可通过红色光、绿色光、蓝色光等发光的硅LED。大津表示，计划使可用于硅光子的红外激光2015年达到10％的效率。

　　图9：实现与现有LED接近的发光效率

　　本图为东京大学大津研究室正在开发的硅LED和硅激光元件的发光效率提高情况。红外发光硅LED的外部发光效率超过了10％，正在靠近现有LED的约30％。（图由《日经电子》根据东京大学大津研究室的资料制作）

　　通过这些技术开发，利用CMOS技术有望使半导体的任意位置成为光源。不仅是光传输，还能为显示器等带来巨大的影响。

　　能否打破1000个硅光子的集成壁垒

　　硅光子要想进一步发展还存在两大课题。一是，使光元件和光收发器大幅实现小型化和低耗电量化的方法。另一个是，进一步实现大容量化的王牌——密集波分复用（DWDM）技术的利用。

　　在PECST等的研究成果中，光收发器的集成度目前有望实现526个/cm2，在不久的将来还可能会实现1000个/cm2（图5）。但再往后，硅光子能否顺利增加集成度就不得而知了。NTT特性科学基础研究所、NTT纳米光子中心中心长纳富雅也表示，“硅光子的集成度存在1cm2约为1000个的壁垒”。

　　这种看法的理由是，构成光收发器的各元件的小型化已经到了极限。尺寸小于20μm见方的元件在硅光子中基本无法实现。因为再缩小元件尺寸的话，漏出的光会大幅增加，能量损失就会迅速增加。

　　瞄准芯片上的路径控制

　　对于这个问题，最有效的解决方法是光密封效果高的光子晶体（PhC）技术。NTT利用化合物半导体制作出光子晶体，开发了多种主动光学元件（图10）。目标是超越光收发器，在芯片上实现采用光存储器等的主动路径控制及简单的信息处理等网络。

　　图10：利用化合物半导体光子结晶实现大规模光集成电路

　　本图为NTT特性科学基础研究所正在开发的、利用化合物半导体光子晶体的光传技术群。与CMOS兼容技术相比，所占面积和耗电量均降低了2～3位数。光RAM等记录介质的开发也取得了成功。（摄影：NTT）

　　作为其核心技术，目前已经开发出了激光振荡元件、光开关及光RAM等，每个元件的尺寸为5～15μm见方。这样便能以100万个/cm2的密度集成光元件。其中，光开关的耗电量非常小，只有660aJ/bit，与电信号相比，有望大幅降低耗电量。该公司就这些技术表示，“打算2025年前后实现能贴在微处理器上的智能光网络芯片”（纳富）。

　　现在的光子晶体未采用硅基，因为很难采用硅基以高效率制作主动元件。不过，结合发光的锗和硅等技术的话，就有可能实现硅基光子晶体。

DWDM可能是最后的课题

　　另一个课题是DWDM，以数十Tbps/cm2进行硅光子光传输可能需要DWDM。该技术早在15年前就已普遍用于长距离通信用设备等，但用于硅光子则非常难。其中一个原因是，各个光元件发出的光的波长以及通过波导的光的波长因温度变化存在巨大偏差（图11）。将长距离通信设备使用的温度控制功能用于硅光子技术的成本过高，不现实。

　　图11：是采用波分复用（WDM）还是采用光多级调制

　　波分复用（WDM）技术和光多级调制技术的优点和课题的比较。WDM的一大课题是耐温度变化性较弱，而光多级调制存在电路规模和元件成本增大的课题。

　　因此，增加光传输容量的方法方面，与DWDM相比，近来更重视多级调制的光传输技术人员越来越多。

　　但也有研究人员认为，“相对于电传输，利用DWDM是光传输的本质优势，必须要推进利用DWDM的研究开发”（东京大学的和田）。最近，MIT的研究人员还在开发使波导不依赖于温度的技术（图12）。

　　图12：还实现了折射率不依赖温度的硅波导

　　本图为MIT开发的折射率基本不依赖温度的光波导概要。随着温度的上升，硅的折射率会变大，而树脂的折射率会变小。因此，波导的有效折射率基本固定。

　　MIT将覆盖波导硅芯的“包覆”部的一部分换成了树脂。这样，波长对温度的依赖性基本就不存在了。