硅光子技術(shù)全面普及：體驗(yàn)硅發(fā)光技術(shù)的進(jìn)展（三）

通過(guò)“慢光”縮小調(diào)制器尺寸

　　要想進(jìn)一步改善PECST的成果，進(jìn)一步縮小光調(diào)制器的尺寸并實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作至關(guān)重要。這方面的研究也取得了進(jìn)展（圖7）。例如，PECST的研究人員之一——橫濱國(guó)立大學(xué)工學(xué)研究院教授馬場(chǎng)俊彥的研發(fā)小組通過(guò)CMOS兼容技術(shù)開(kāi)發(fā)出了利用光子晶體（PhC）*技術(shù)實(shí)現(xiàn)10Gbit/秒動(dòng)作的Mach- Zehnder型光調(diào)制器。由此，將光調(diào)制器的長(zhǎng)度大幅縮短到了90μm。

　　圖7：光調(diào)制器取得進(jìn)一步的進(jìn)步

　　本圖為日本的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的新一代光調(diào)制器的概要。橫濱國(guó)立大學(xué)的馬場(chǎng)研究室利用光子晶體（PhC）將光速降至約1/10，由此在較短的元件長(zhǎng)度下確保了較長(zhǎng)的光的有效路徑長(zhǎng)度（a）。東京大學(xué)和田研究室通過(guò)組合使用鍺調(diào)制器和MEMS，利用板簧的應(yīng)力成功控制了鍺的可調(diào)制波長(zhǎng)（b）。（圖（a）由 PECST制作，（b）由東京大學(xué)和田研究室拍攝）

　　*光子晶體（Photonic Crystal，PhC）＝以人工方式在電磁波透過(guò)的材料中制作了大量尺寸與透過(guò)的電磁波波長(zhǎng)基本相同的開(kāi)孔的材料。用于光密封、路徑控制、群速度控制等。半導(dǎo)體的原子排列規(guī)則，因此自由電子等載流子會(huì)產(chǎn)生價(jià)帶、禁帶（帶隙）和導(dǎo)帶。PhC用人工孔代替原子實(shí)現(xiàn)了與半導(dǎo)體相同的效果。最近，可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶格振動(dòng)（聲子）效果的“聲子晶體（Phononic Crystal）”也已問(wèn)世。

　　PhC的特點(diǎn)是，光密封效果非常高，而且可大幅減慢光速（群速度）。慢光意味著PhC波導(dǎo)的有效折射率大，以短波導(dǎo)也能確保較長(zhǎng)的有效路徑長(zhǎng)度，因此能實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的小型化。

　　在PhC的開(kāi)發(fā)中，有將光速減慢到約1/1000萬(wàn)的例子。不過(guò)，光速過(guò)慢的話，會(huì)出現(xiàn)帶寬非常窄的課題。在馬場(chǎng)教授的開(kāi)發(fā)中，通過(guò)將光速減至約1/10，可在波長(zhǎng)為1550nm附近的17nm帶寬下使用，而且“對(duì)溫度的依賴性也比較小，在100℃以上的溫度變化下也能運(yùn)行”。

　　據(jù)馬場(chǎng)教授介紹，這種復(fù)雜構(gòu)造的元件乍一看好像很難制造，但“可以通過(guò)180nm工藝CMOS技術(shù)中使用的248nm KrF步進(jìn)器制造”。

　　導(dǎo)入MEMS技術(shù)

　　有望縮小調(diào)制器尺寸的另一項(xiàng)技術(shù)是MEMS技術(shù)。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授和田一實(shí)的研發(fā)小組在采用鍺（Ge）的電場(chǎng)吸收（EA）型調(diào)制器中采用了MEMS技術(shù)。由此，將調(diào)制器長(zhǎng)度縮小至約30μm。其特點(diǎn)是可以使用無(wú)摻雜的鍺，而且利用MEMS技術(shù)還能使用于調(diào)制的波長(zhǎng)范圍可變。

　　采用鍺的EA型調(diào)制器和受光器一般通過(guò)對(duì)鍺進(jìn)行摻雜或施加應(yīng)變來(lái)改變調(diào)制和受光波長(zhǎng)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可變控制，而且摻雜后，存在與其他元件在制造工藝上兼容性降低的課題。

　　原本不發(fā)光的材料發(fā)光了

　　硅光子剩下的最大課題就是發(fā)光元件。此前開(kāi)發(fā)的光收發(fā)器的發(fā)光元件都無(wú)法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。實(shí)現(xiàn)與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說(shuō)是硅光子技術(shù)的“夙愿”。

　　現(xiàn)在，這個(gè)課題也在不斷取得突破。此前，由于硅和鍺屬于能帶結(jié)構(gòu)為間接遷移型*的半導(dǎo)體，因此一直被認(rèn)為基本不發(fā)光。但在最近一兩年，這個(gè)“常識(shí)”被打破，已經(jīng)能夠看到利用鍺和硅實(shí)現(xiàn)發(fā)光元件的希望（圖8）。