硅光子技术全面普及：体验硅发光技术的进展（三）

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（b）。另外，东京大学大津研究室成功使pin型硅元件实现了高效率发光（c）。实现了多种波长的发光。（图（b）由PECST制作，（c）由东京大学大津研究室拍摄）

　　*间接迁移型＝根据波数和电子能量分析半导体的能带结构时，价带中能量最大的波数与导带中能量最小的波数各不相同。波数是与动量有关的物理量，因此即使想把导带的电子迁移到价带中，一般来说，不符合动量守恒定律就无法迁移，也就是说无法发光。能发光的能带结构被称为直接迁移型。

　　打破这个常识的研究单位之一就是美国麻省理工学院（MIT）。MIT于2010年通过光激发使锗发光，2012年通过注入电流，成功使锗实现了激光振荡。

　　成功的秘诀是对锗进行高浓度n型掺杂，将其能带结构变成直接迁移型。目前的掺杂浓度为4×1019个/cm3，对于半导体来说非常高。在有关锗的研究中，与MIT有交流的东京大学的和田自信地表示，“还差一步，如果能达到1020个/cm3以上的掺杂，就能实现与化合物半导体相当的发光增益。硅光子全部能利用（硅和锗等）IV族材料实现”。

日立制作所和东京大学荒川研究室也实现了锗发光。日立制作所到2年前为止一直在进行通过量子效果使硅发光的研究，之后开始研究锗。同样是利用高浓度的n型掺杂锗，在此基础上通过SiN对锗施加应变，