硅光子技术全面普及：体验硅发光技术的进展

　　关于在硅晶圆上实现光传输的“硅光子”技术，其实用化和研发的推进速度都超过了预期。其中，日本的进展尤其显著。日本在高密度集成技术和调制器等的小型化方面世界领先，在CMOS兼容发光技术和光子结晶的开发方面的成果也震撼全球。硅光子技术的应用范围有望从目前的主要用途——电路板间的数据传输扩大到芯片间和芯片内的传输。预计这方面的应用将在2020年前后实现实用化。

　　“硅光子”已经进入全面普及阶段。利用该技术，各种光传输元件的大部分都可以通过CMOS技术集成到硅芯片上注1）。

　　注1）目前只有光源还需利用化合物半导体激光元件。

　　硅光子技术目前的主要用途是嵌在有源光缆（Active Optical Cable，AOC）*中的光收发器IC（图1）。AOC在超级计算机、数据中心以及通信运营商的传输装置领域的应用迅速扩大，是用于板卡和设备高速连接的光缆。

　　图1：光传输的应用范围将从板卡间扩大到芯片间，再到芯片内

　　本图为最近和不久的将来的光传输导入领域。名为AOC（有源光缆）的服务器板卡间通信技术大部分都是利用硅光子技术的光传输。预计今后芯片间传输、CPU 内核间以及CPU内核内的全局布线等也将利用光传输。（摄影：（a）为美高森美公司（原卓联半导体），（b）为Luxtera公司，（c）为阿尔特拉）

　　*AOC（Active Optical Cable）＝带光收发器模块的光缆。由于耐久性和可靠性高，在2008年前后，这种光缆在高性能计算机市场上的需求开始扩大。调查公司Global Information发布的数据显示，2011年AOC的全球销量为30.5万根，销售额为7000万美元。该公司预测，2016年的销量将达到 78.6万根，销售额将扩大到1.75亿美元。

　　硅光子之所以能在AOC用光收发器领域取得这样的成绩，是因为可以通过量产大幅降低成本，这与采用CMOS技术的半导体产品一样。而以前的AOC采用的是基于化合物半导体的分立元件，价格较高。

　　以风险公司为中心的市场将发生变化 开拓该用途的是美国加州理工学院成立的风险企业Luxtera，以及同为风险企业的Kotura公司。2008年前后开始量产的Luxtera于 2012年2月宣布，“已售出100万个单位通道传输容量为10Gbit/秒的光IC”。Kotura也于2013年2月宣布，“光IC的销量较上年翻了一番、相当于6万通道/月”。从这些出货量数据来看，这两家公司的产品占了AOC市场的相当大一部分注2）。

　　注2） Luxtera与飞思卡尔半导体和意法半导体开展合作，Kotura与甲骨文等企业在技术开发和制造方面开展合作。

　　不过，该市场将迎来巨大的变化。因为思科系统和英特尔等企业相继涉足该市场。在今后将形成市场的100Gbit/秒传输容量的AOC中，预计硅光子将掌握主导权。

　　思科的动作非常迅速。该公司2012年2月斥资2.71亿美元收购了风险企业Lightwire，同年10月发布了基于硅光子技术的、支持 100Gbit/秒的光收发器规格“Cisco CPAK”，2013年3月发布了安装有该规格光收发器模块的传输装置。

　　英特尔也于2013年1月发布了采用硅光子技术的AOC，该产品支持脸书主导的数据中心行业标准“Open Compute Project”。

　　芯片间光传输大势所趋

　　预计硅光子市场今后还将日益扩大。肩负AOC“未来”的市场已经初现端倪。AOC主要用于“电路板间”的大容量数据传输，而今后，电路板上的微处理器之间以及微处理器与存储器之间等“芯片间”用途将实用化。IBM和英特尔现在正在推进开发，目标是将其用于2020年前后的超级计算机和服务器。

　　图2：光传输和电传输的低耗电量化以1cm为分界

　　如果传输距离在1cm以上，目前的光传输技术的耗电量小于电传输。光传输的耗电量主要是光收发器的电光转换以及光电转换消耗的。最近大幅减小了光收发器的尺寸，因此耗电量也减小了。

　　光传输的应用始于长距离通信，之后其用途扩大到了短距离通信，取代了电传输。在这一点上，采用硅光子的光传输也是一样。预计将来微处理器内部的“CPU内核间”的数据传输也必须要利用硅光子技术。

　　最近，硅光子技术在芯片间的应用有了眉目，这主要是因为，利用硅光子制作的光收发器的耗电量降低了。一般来说，电传输是距离越短，所需的电力越少，而光传输即使距离缩短，电力也不会降低太多。因此，二者以耗电量相同的传输距离为分界点区分使用。最近，利用硅光子的光传输和电传输在传输距离为 1cm时的耗电量基本相同，因此，在比以前短很多的距离间也有望利用光传输（图2）。

　　比如，2013年3月IBM利用硅光子技术开发出了耗电量为1pJ/bit的光收发器IC。预计电传输的最低耗电量在传输距离为1cm时约为150fJ（0.15pJ）/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（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，并已确认这种方法可以提高发光强度。

　　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输技术群。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。