硅光子剩下的最大課題就是發(fā)光元件,。此前開發(fā)的光收發(fā)器的發(fā)光元件都無法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。實現(xiàn)與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說是硅光子技術(shù)的“夙愿”。
硅光子剩下的最大課題就是發(fā)光元件,。此前開發(fā)的光收發(fā)器的發(fā)光元件都無法與硅和CMOS兼容,，因此要粘貼采用化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。實現(xiàn)與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說是硅光子技術(shù)的“夙愿”,。 現(xiàn)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(jié)構(gòu)為間接遷移型*的半導(dǎo)體,，因此一直被認為基本不發(fā)光,。但在最近一兩年,，這個“常識”被打破，已經(jīng)能夠看到利用鍺和硅實現(xiàn)發(fā)光元件的希望,。
本圖為可利用最近開發(fā)的CMOS兼容技術(shù)制作的發(fā)光元件,。MIT通過注入電流成功使Ge-on-Si元件實現(xiàn)了激光振蕩（a）。日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也通過電流注入技術(shù)成功使Ge-on-Si元件實現(xiàn)了發(fā)光（b）,。另外,，東京大學(xué)大津研究室成功使pin型硅元件實現(xiàn)了高效率發(fā)光（c）。實現(xiàn)了多種波長的發(fā)光,。（圖（b）由PECST制作,，（c）由東京大學(xué)大津研究室拍攝）
間接遷移型＝根據(jù)波數(shù)和電子能量分析半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)時，價帶中能量最大的波數(shù)與導(dǎo)帶中能量最小的波數(shù)各不相同,。波數(shù)是與動量有關(guān)的物理量,，因此即使想把導(dǎo)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(fā)光。能發(fā)光的能帶結(jié)構(gòu)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(xué)院（MIT）,。MIT于2010年通過光激發(fā)使鍺發(fā)光，2012年通過注入電流,，成功使鍺實現(xiàn)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(jié)構(gòu)變成直接遷移型,。目前的摻雜濃度為4×1019個/cm3,，對于半導(dǎo)體來說非常高。在有關(guān)鍺的研究中,，與MIT有交流的東京大學(xué)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(xiàn)與化合物半導(dǎo)體相當(dāng)?shù)陌l(fā)光增益,。硅光子全部能利用（硅和鍺等）IV族材料實現(xiàn)”,。
日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也實現(xiàn)了鍺發(fā)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(fā)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(chǔ)上通過SiN對鍺施加應(yīng)變,，并已確認這種方法可以提高發(fā)光強度,。
硅發(fā)光取得進展
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行p型摻雜的話，就會開始受激發(fā)射,。已確認利用該材料制作的硅LED能夠發(fā)光注5）,。
注5） 發(fā)光波長為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,、藍色光等發(fā)光的硅LED,。大津表示，計劃使可用于硅光子的紅外激光2015年達到10％的效率,。
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個硅光子的集成壁壘
硅光子要想進一步發(fā)展還存在兩大課題。一是,，使光元件和光收發(fā)器大幅實現(xiàn)小型化和低耗電量化的方法,。另一個是,，進一步實現(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現(xiàn)526個/cm2,，在不久的將來還可能會實現(xiàn)1000個/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納富雅也表示,，“硅光子的集成度存在1cm2約為1000個的壁壘”,。
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現(xiàn),。因為再縮小元件尺寸的話,，漏出的光會大幅增加,，能量損失就會迅速增加。
瞄準(zhǔn)芯片上的路徑控制
對于這個問題,，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)了多種主動光學(xué)元件（圖10）,。目標(biāo)是超越光收發(fā)器,，在芯片上實現(xiàn)采用光存儲器等的主動路徑控制及簡單的信息處理等網(wǎng)絡(luò)。
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)體光子晶體的光傳輸技術(shù)群,。與CMOS兼容技術(shù)相比，所占面積和耗電量均降低了2～3位數(shù),。光RAM等記錄介質(zhì)的開發(fā)也取得了成功,。（攝影：NTT）
作為其核心技術(shù)，目前已經(jīng)開發(fā)出了激光振蕩元件,、光開關(guān)及光RAM等,，每個元件的尺寸為5～15μm見方。這樣便能以100萬個/cm2的密度集成光元件,。其中,，光開關(guān)的耗電量非常小，只有660aJ/bit,，與電信號相比,，有望大幅降低耗電量。該公司就這些技術(shù)表示,，“打算2025年前后實現(xiàn)能貼在微處理器上的智能光網(wǎng)絡(luò)芯片”（納富）,。
現(xiàn)在的光子晶體未采用硅基,，因為很難采用硅基以高效率制作主動元件。不過,，結(jié)合發(fā)光的鍺和硅等技術(shù)的話,，就有可能實現(xiàn)硅基光子晶體。DWDM可能是最后的課題
因此,，增加光傳輸容量的方法方面,，與DWDM相比，近來更重視多級調(diào)制的光傳輸技術(shù)人員越來越多,。
但也有研究人員認為,，“相對于電傳輸，利用DWDM是光傳輸?shù)谋举|(zhì)優(yōu)勢,，必須要推進利用DWDM的研究開發(fā)”（東京大學(xué)的和田）,。最近，MIT的研究人員還在開發(fā)使波導(dǎo)不依賴于溫度的技術(shù)（圖12）,。
MIT將覆蓋波導(dǎo)硅芯的“包覆”部的一部分換成了樹脂,。這樣，波長對溫度的依賴性基本就不存在了,。
本圖為MIT開發(fā)的折射率基本不依賴溫度的光波導(dǎo)概要,。隨著溫度的上升，硅的折射率會變大,，而樹脂的折射率會變小,。因此，波導(dǎo)的有效折射率基本固定,。