迅速进步的硅光子技术 IBM与英特尔各有不同之处

对硅光子而言，实现起来门槛最高的是光发射元件。即使是Ge-on-Si技术，制成光发射元件的话也仅停留在注入光后确认有激光振荡现象的阶段。而要想实现实用化，则必须能够用电流来驱动激光器，目前尚未达到可立即使用的阶段。

　　但这并不是说其他的光发射元件技术就有成为标准技术的实力。其最大原因在于块状硅的能带结构为“间接迁移型”，不能高效发光。

　　厂商及研究机构的解决方法大致可分为3种：①放弃在硅上制作光源的现有做法，通过外置的激光元件向芯片内部导入光；②将利用化合物半导体制造的激光元件与硅芯片贴合；③通过某种手段使硅等直接发光。

*间接迁移型＝半导体能带结构分类之一。从能量和波数来看能带的话，导带中能级最低点的波数与价带中能量最高点的波数不同。由于波数与运动量等价，在载流子迁移前后难以满足“运动量守恒定律”，因此很难发光。

　　采用方法①的是Luxtera公司和IBM公司等（图11）。比如，Luxtera公司的光收发器IC在芯片内将1个外置激光元件的光分为4束，向4个解调器供给。IBM选择该方法的原因在于，“与其他元件相比，激光元件的耗电量最大，可靠性也较低。与IC分开设置的话，发生问题时更容易处理，所以是合理的做法”（IBM的Vlasov）。
为了解决实现硅光子时成为最大障碍的光源课题，众多厂商及研究机构向各种技术开发发起了挑战。在原来公认因能带结构为间接迁移型而不发光的Ge及Si方面，也开发出了通过带隙工程使之发光的技术。


　　对该方法持否定态度的是英特尔。“设计自由度低，增加所需光源时无法满足，因此我们不会使用”（英特尔的庞思立）。

英特尔选择粘合方法


　　英特尔始终设法在硅上形成发光元件，持续进行了6年多研究。最初发表的是③中的技术。该公司2005年2月宣布开发出了硅制拉曼激光元件。不过，该技术是通过射入激励光的光激励来实现振荡，似乎还未能证实能够通过电流激励来产生振荡。

　　接着，英特尔2006年9月宣布与美国加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California, SantaBarbara，UCSB）共同开发出了“混合硅激光器”（图11）。这就是②中提到的技术，该技术是将InP等化合物半导体激光元件与硅光导波路粘合在一起。与其他的粘合技术不同，将硅导波路用作激光元件的谐振器的一部分，因此可通过改变硅导波路的设计来决定发光波长。另外也不需要采取以高精度对齐光轴等以往存在课题的处理，所以还具有可降低制造成本的优点。目前英特尔在硅光子光源中采用的也是该激光器技术。

　　不过，在硅芯片上粘合化合物半导体的技术即便在电路的CMOS工艺中也几乎没有实用化案例。英特尔也似乎并未将其当作最终解决方案，目前仍在继续进行多种探索。2010年12月，英特尔开始向拥有量子点激光器技术的东京大学纳米量子信息电子研究机构实施3年共50万美元的出资，在光源方面展开了共同研究。

通过控制带隙来实现发光

　　在③方面，不仅是英特尔，其他公司也在积极追求这一终极目标。前面提到的美国麻省理工学院利用Ge-on-Si技术开发的激光元件也是其中之一（图11）。块状锗（Ge）与硅一样，因能带结构为间接迁移型而无法发光。但美国麻省理工学院发现，对Ge-on-Si元件进一步进行n型掺杂话就会产生激光振荡现象。其原因在于电子“吸收”了不会迁移的导带电势，从而使可迁移的其他电势发挥了作用。但是未能证实可通过电流激励实现发光。

　　日立制作所从2006年起就一直在从事使硅本身发光的研究。这一研究获得成果的话，便可利用硅基材料制造从光接收元件到光发射元件的所有元件，硅光子技术将由此获得巨大发展。

　　日立制作所证实，将硅制成1～数nm厚的薄膜状，能带结构就会改变，从而实现发光。不过尚未达到激光振荡的水平。“现已证实，采用我们公司于1989年开发的鳍型晶体管构造来形成多量子阱，可实现光的放大”（日立制作所通信电子研究部主任研究员菅原俊树）。

通过MEMS来补偿波长的变化

　　对光路而言，调制器的重要性仅次于光接收元件及光发射元件，最近该元件在结构及特性上改善最为显著。按照构造，调制器大致可分为MZ型调制器*、环形谐振器及电场吸收型（EA）调制器3种。这些调制器各有优缺点（图12）。Luxtera公司以及由日本厂商组成的硅光子开发组织“PETRA”*等采用的是实用化案例丰富的MZ型调制器。不过，MZ型调制器用硅来制造的话，尺寸略大，达到100μm～1mm。因此，“能够以30μm左右直径来制造的环形谐振器获得越来越高的人气”（*PETRA（Photonics Electronics Technology Research Association）＝技术研究组合光电子融合基础技术研究所。由富士通、日立制作所、三菱电机、NEC、NTT、OKI于2009年8月共同成立的光传输技术研发组织。取得成果的话，还考虑直接作为企业开展业务。

*MZ型调制器＝Mach-Zehnder modulator。该调制器将导波路分成两支，通过对其中一支的光波进行反相位调制，在重新汇合时消除振幅。

　　不过，环形谐振器也存在课题。这就是容易受周围温度变化的影响。温度有变动的话，导波路的折射率就会变化，使光的实效路径长度发生改变。这样一来，谐振频率（波长）也会随之改变，从而给波长多路复用技术的利用等带来不利影响。

　　尽管如此，环形谐振器的人气仍然非常高，其原因就在于已开始有研究提出对温度依存性进行补偿的技术。比如，东京大学的和田研究小组提出，对通过MEMS技术制造的悬壁型硅材料进行弯曲时，其变形会使带隙值发生变化，可利用这一点来实施补偿。

　　从小型化的观点来看，EA调制器也是可供选择的方案之一。不过，该调制器只用硅的话无法制造，必须利用需在制造工艺上下工夫的Ge等。最近，在光吸收材料方面，还出现了利用有助于碳原子形成两维片状的石墨烯的案例。美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）用石墨烯制造出了面积非常小，仅为25μm2的EA调制器。虽然该调制器目前的工作频率很低，只有1GHz，但理论上可达到500GHz。

某硅光子技术人员）。
IBM公司及Luxtera公司对光发射元件以外的光元件采取与晶体管等同样用CMOS前端工艺来制造的方法。另外，英特尔也打算以布线等的CMOS后端工艺来制造光元件。

　　而PETRA则按照电路和光路分别制造IC芯片，然后粘合起来。虽然CMOS工艺和粘合工艺各有优缺点，但以前电路的CMOS技术曾通过采用相同工艺来集成各种功能的电路降低了成本，从而超越了其他技术，从这一历史来看，光元件的集成方法也很可能会最终向CMOS工艺整合。（全文完，记者：野泽 哲生）