硅光子技術(shù)全面普及：體驗(yàn)硅發(fā)光技術(shù)的進(jìn)展（四）

硅發(fā)光取得進(jìn)展

　　另外，還出現(xiàn)了使硅光子的主角——硅自身發(fā)光的例子。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授、納米光子研究中心中心長(zhǎng)大津元一的研發(fā)小組2011年發(fā)現(xiàn)硅可以發(fā)光。

　　據(jù)介紹，為硅通電，然后邊照射電磁波邊進(jìn)行p型摻雜的話，就會(huì)開始受激發(fā)射。已確認(rèn)利用該材料制作的硅LED能夠發(fā)光注5）。

　　注5） 發(fā)光波長(zhǎng)為1.1～1.5μm，能在大帶寬內(nèi)發(fā)光。

　　通過不斷優(yōu)化元件，目前紅外光硅LED的外部量子效率超過了10％（圖9）。作為才開發(fā)2年的發(fā)光效率，即使與目前最新型白色LED的 30％左右相比，也已經(jīng)算十分高了。雖然效率還比較低，但已制作出通過紅外光激光振蕩的元件，以及可通過紅色光、綠色光、藍(lán)色光等發(fā)光的硅LED。大津表示，計(jì)劃使可用于硅光子的紅外激光2015年達(dá)到10％的效率。

　　圖9：實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有LED接近的發(fā)光效率

　　本圖為東京大學(xué)大津研究室正在開發(fā)的硅LED和硅激光元件的發(fā)光效率提高情況。紅外發(fā)光硅LED的外部發(fā)光效率超過了10％，正在靠近現(xiàn)有LED的約30％。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)東京大學(xué)大津研究室的資料制作）

　　通過這些技術(shù)開發(fā)，利用CMOS技術(shù)有望使半導(dǎo)體的任意位置成為光源。不僅是光傳輸，還能為顯示器等帶來巨大的影響。

　　能否打破1000個(gè)硅光子的集成壁壘

　　硅光子要想進(jìn)一步發(fā)展還存在兩大課題。一是，使光元件和光收發(fā)器大幅實(shí)現(xiàn)小型化和低耗電量化的方法。另一個(gè)是，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大容量化的王牌——密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的利用。

　　在PECST等的研究成果中，光收發(fā)器的集成度目前有望實(shí)現(xiàn)526個(gè)/cm2，在不久的將來還可能會(huì)實(shí)現(xiàn)1000個(gè)/cm2（圖5）。但再往后，硅光子能否順利增加集成度就不得而知了。NTT特性科學(xué)基礎(chǔ)研究所、NTT納米光子中心中心長(zhǎng)納富雅也表示，“硅光子的集成度存在1cm2約為1000個(gè)的壁壘”。

　　這種看法的理由是，構(gòu)成光收發(fā)器的各元件的小型化已經(jīng)到了極限。尺寸小于20μm見方的元件在硅光子中基本無法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵倏s小元件尺寸的話，漏出的光會(huì)大幅增加，能量損失就會(huì)迅速增加。

　　瞄準(zhǔn)芯片上的路徑控制

　　對(duì)于這個(gè)問題，最有效的解決方法是光密封效果高的光子晶體（PhC）技術(shù)。NTT利用化合物半導(dǎo)體制作出光子晶體，開發(fā)了多種主動(dòng)光學(xué)元件（圖10）。目標(biāo)是超越光收發(fā)器，在芯片上實(shí)現(xiàn)采用光存儲(chǔ)器等的主動(dòng)路徑控制及簡(jiǎn)單的信息處理等網(wǎng)絡(luò)。

　　圖10：利用化合物半導(dǎo)體光子結(jié)晶實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光集成電路

　　本圖為NTT特性科學(xué)基礎(chǔ)研究所正在開發(fā)的、利用化合物半導(dǎo)體光子晶體的光傳