小型化也取得巨大進展
瞄準芯片間光傳輸的部件試制也已經展開。由日本內閣府提供支援的研究開發(fā)組織“光電子融合系統(tǒng)基礎技術開發(fā)（PECST）”試制的光收發(fā)器IC注3）達到了目前世界最高的集成度和傳輸容量密度。PECST于2012年9月發(fā)布了可在1cm2的硅芯片上、集成526個數據傳輸速度為12.5Gbps的光收發(fā)器的技術注4），數據傳輸容量密度相當于約6.6Tbit/秒/cm2。主要用于負責LSI間大容量數據傳輸的光轉接板（圖4）。
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圖4：芯片間布線駛入“光的高速公路” |
注3）PECST是以在2025年實現(xiàn)“片上數據中心”、即在硅芯片上實現(xiàn)數據中心功能為目標成立的研究開發(fā)組織。2010年3月開始研究工作。
注4）該光收發(fā)器每組所占面積為0.19mm2。除激光元件外全部利用CMOS兼容技術實現(xiàn)。
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圖5：即將實現(xiàn)10Tbit/秒/cm2的傳輸容量密度 |
這次發(fā)布具有劃時代的意義，該技術解決了各元件的尺寸過大、難以實現(xiàn)短距離傳輸和高密度集成的原有課題。常有人把光傳輸比喻為“飛機”運輸，而把電傳輸比喻為“鐵路”或“汽車”運輸，如果是跨海的長距離運輸，使用飛機比較合適，但如果只是向幾公里遠的相鄰城市運輸貨物則不適合使用飛機。因為不僅有燃料的問題，飛機起降所需的“機場”也太大。而光傳輸中相當于“機場”的光收發(fā)器的尺寸原來就非常大，有數cm見方，不適合1cm距離的傳輸（圖5）。
從PECST的試制品上，能看到在面積1cm2的芯片上集成多個光收發(fā)器IC的可能性。光收發(fā)器IC和構成元件的小型化幾乎直接關系到低耗電量化。因為元件面積小的話，元件容量也小。通過推進元件尺寸的小型化，一舉改善了光傳輸的耗電量和集成度這兩項課題。
開發(fā)獨特的核心技術群
PECST的光收發(fā)器的實現(xiàn)主要依靠四項核心技術（圖6），分別為（1）作為光源的激光陣列元件、（2）連接光源與硅波導的光斑尺寸轉換器（SSC）、（3）Mach-Zehnder型光調制器*、（4）鍺光敏元件。
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圖6：實現(xiàn)6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的核心要素 |
*Mach-Zehnder（馬赫-曾德爾）型光調制器＝光干涉儀的一種，一般是把同一光源的光分成兩束，對其中一束實施相位控制等處理后，再與另一束光耦合。
（1）激光陣列元件以約30μm的間距成功地配置了13通道的激光二極管（LD）。PECST稱“目前已經制作出104通道的元件”。
（2）SSC把以往的一條錐形波導改為三條波導構成，從而大幅降低了光耦合損失。而且，在硅上安裝激光陣列元件時的位置對準精度也大幅放寬，為0.9μm。
解決了調制器的兩個課題
對光收發(fā)器的小型化貢獻最大的是（3）光調制器的開發(fā)。以前，Mach-Zehnder型光調制器為了補償調制效率低的問題，需要較長的路徑長度。原來長度為1cm以上，最近縮短到了1mm左右，而此次大幅縮短至250μm。這是通過將pin型二極管像梳子齒一樣垂直配置在硅波導上，把調制效率提高到原來的4倍實現(xiàn)的。
PECST開發(fā)的光調制器通過改變硅波導和附近的載流子密度來改變折射率。此時的課題是如何兼顧波導中的光密封和在不妨礙光的范圍內提高載流子密度的控制。此次的設計通過將載流子出入口設計成篦子齒那樣細密，不讓光從這里漏出，從而解決了這一個課題。
（4）鍺光敏元件通過由原來的pin型構造改為元件容量小的MSM構造*，實現(xiàn)了2倍以上的高速動作。
*MSM（金屬-半導體-金屬）構造是光電二極管（PD）的一種，半導體與兩枚金屬電極組合的構造。
擴大傳輸容量密度方面，PECST也有了頭緒。其主要研究人員——東京大學先端科學技術研究中心教授荒川泰彥2012年改進了光調制器的電極設計，將其所占面積進一步縮小到了原來的1/5以下。荒川教授表示，“將其用于光收發(fā)器IC集成的話，預計可實現(xiàn)10Tbit/秒/cm2的目標傳輸容量密度”。
要想進一步改善PECST的成果，進一步縮小光調制器的尺寸并實現(xiàn)高速動作至關重要。這方面的研究也取得了進展（圖7）。例如，PECST的研究人員之一——橫濱國立大學工學研究院教授馬場俊彥的研發(fā)小組通過CMOS兼容技術開發(fā)出了利用光子晶體（PhC）*技術實現(xiàn)10Gbit/秒動作的Mach-Zehnder型光調制器。由此，將光調制器的長度大幅縮短到了90μm。
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圖7：光調制器取得進一步的進步 |
光子晶體（Photonic Crystal，PhC）＝以人工方式在電磁波透過的材料中制作了大量尺寸與透過的電磁波波長基本相同的開孔的材料。用于光密封、路徑控制、群速度控制等。半導體的原子排列規(guī)則，因此自由電子等載流子會產生價帶、禁帶（帶隙）和導帶。PhC用人工孔代替原子實現(xiàn)了與半導體相同的效果。最近，可實現(xiàn)半導體晶格振動（聲子）效果的“聲子晶體（Phononic Crystal）”也已問世。
PhC的特點是，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波導的有效折射率大，以短波導也能確保較長的有效路徑長度，因此能實現(xiàn)調制器的小型化。
在PhC的開發(fā)中，有將光速減慢到約1/1000萬的例子。不過，光速過慢的話，會出現(xiàn)帶寬非常窄的課題。在馬場教授的開發(fā)中，通過將光速減至約1/10，可在波長為1550nm附近的17nm帶寬下使用，而且“對溫度的依賴性也比較小，在100℃以上的溫度變化下也能運行”。
據馬場教授介紹，這種復雜構造的元件乍一看好像很難制造，但“可以通過180nm工藝CMOS技術中使用的248nm KrF步進器制造”。
導入MEMS技術
有望縮小調制器尺寸的另一項技術是MEMS技術。東京大學研究生院工學系研究科教授和田一實的研發(fā)小組在采用鍺（Ge）的電場吸收（EA）型調制器中采用了MEMS技術。由此，將調制器長度縮小至約30μm。其特點是可以使用無摻雜的鍺，而且利用MEMS技術還能使用于調制的波長范圍可變。
采用鍺的EA型調制器和受光器一般通過對鍺進行摻雜或施加應變來改變調制和受光波長，但無法實現(xiàn)波長的可變控制，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。