通過“慢光”縮小調制器尺寸

　　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小組通過CMOS兼容技術開發出了利用光子晶體（PhC）*技術實現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。

　　圖7：光調制器取得進一步的進步

　　本圖為日本的研究機構開發的新一代光調制器的概要。橫濱國立大學的馬場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度下確保了較長的光的有效路徑長度（a）。東京大學和田研究室通過組合使用鍺調制器和MEMS，利用板簧的應力成功控制了鍺的可調制波長（b）。（圖（a）由 PECST制作，（b）由東京大學和田研究室拍攝）

　　*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了與半導體相同的效果。最近，可實現半導體晶格振動（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，因此能實現調制器的小型化。

　　在PhC的開發中，有將光速減慢到約1/1000萬的例子。不過，光速過慢的話，會出現帶寬非常窄的課題。在馬場教授的開發中，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。

　　原本不發光的材料發光了

　　硅光子剩下的最大課題就是發光元件。此前開發的光收發器的發光元件都無法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導體的發光元件。實現與CMOS兼容的發光元件可以說是硅光子技術的“夙愿”。

　　現在，這個課題也在不斷取得突破。此前，由于硅和鍺屬于能帶結構為間接遷移型*的半導體，因此一直被認為基本不發光。但在最近一兩年，這個“常識”被打破，已經能夠看到利用鍺和硅實現發光元件的希望（圖8）。

　　圖8：CMOS兼容的光源終于要成為現實

　　本圖為可利用最近開發的CMOS兼容技術制作的發光元件。MIT通過注入電流成功使Ge-on-Si元件實現了激光振蕩（a）。日立制作所和東京大學荒川研究室也通過電流注入技術成功使Ge-on-Si元件實現了發光（b）。另外，東京大學大津研究室成功使pin型硅元件實現了高效率發光（c）。實現了多種波長的發光。（圖（b）由PECST制作，（c）由東京大學大津研究室拍攝）

　　*間接遷移型＝根據波數和電子能量分析半導體的能帶結構時，價帶中能量最大的波數與導帶中能量最小的波數各不相同。波數是與動量有關的物理量，因此即使想把導帶的電子遷移到價帶中，一般來說，不符合動量守恒定律就無法遷移，也就是說無法發光。能發光的能帶結構被稱為直接遷移型。

　　打破這個常識的研究單位之一就是美國麻省理工學院（MIT）。MIT于2010年通過光激發使鍺發光，2012年通過注入電流，成功使鍺實現了激光振蕩。

　　成功的秘訣是對鍺進行高濃度n型摻雜，將其能帶結構變成直接遷移型。目前的摻雜濃度為4×1019個/cm3，對于半導體來說非常高。在有關鍺的研究中，與MIT有交流的東京大學的和田自信地表示，“還差一步，如果能達到1020個/cm3以上的摻雜，就能實現與化合物半導體相當的發光增益。硅光子全部能利用（硅和鍺等）IV族材料實現”。

　　日立制作所和東京大學荒川研究室也實現了鍺發光。日立制作所到2年前為止一直在進行通過量子效果使硅發光的研究，之后開始研究鍺。同樣是利用高濃度的n型摻雜鍺，在此基礎上通過SiN對鍺施加應變，并已確認這種方法可以提高發光強度。