2013/07/27 體驗矽光子(Si photonics)技術進展 @ 真乄科技業的頂尖投資團隊

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圖1：光傳輸的應用範圍將從板卡間擴大到芯片間，再到芯片內

關於在矽晶圓上實現光傳輸的“矽光子”技術，其實用化和研發的推進速度都超過了預期。其中，日本的進展尤其顯著。日本在高密度集成技術和調製器等的小型化方麵世界領先，在CMOS兼容發光技術和光子結晶的開發方麵的成果也震撼全球。矽光子技術的應用範圍有望從目前的主要用途——電路板間的數據傳輸擴大到芯片間和芯片內的傳輸。預計這方麵的應用將在2020年前後實現實用化。

“矽光子”已經進入全麵普及階段。利用該技術，各種光傳輸元件的大部分都可以通過CMOS技術集成到矽芯片上注1）。

　　注1）目前隻有光源還需利用化合物半導體激光元件。

　　矽光子技術目前的主要用途是嵌在有源光纜（Active Optical Cable，AOC）*中的光收發器IC（圖1）。AOC在超級計算機、數據中心以及通信運營商的傳輸裝置領域的應用迅速擴大，是用於板卡和設備高速連接的光纜。

本圖為最近和不久的將來的光傳輸導入領域。名為AOC（有源光纜）的服務器板卡間通信技術大部分都是利用矽光子技術的光傳輸。預計今後芯片間傳輸、CPU 內核間以及CPU內核內的全局布線等也將利用光傳輸。（攝影：（a）為美高森美公司（原卓聯半導體），（b）為Luxtera公司，（c）為阿爾特拉）

　　*AOC（Active Optical Cable）＝帶光收發器模塊的光纜。由於耐久性和可靠性高，在2008年前後，這種光纜在高性能計算機市場上的需求開始擴大。調查公司Global Information發布的數據顯示，2011年AOC的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。該公司預測，2016年的銷量將達到 78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。

　　矽光子之所以能在AOC用光收發器領域取得這樣的成績，是因為可以通過量產大幅降低成本，這與采用CMOS技術的半導體產品一樣。而以前的AOC采用的是基於化合物半導體的分立元件，價格較高。

　　以風險公司為中心的市場將發生變化開拓該用途的是美國加州理工學院成立的風險企業Luxtera，以及同為風險企業的Kotura公司。2008年前後開始量產的Luxtera於 2012年2月宣布，“已售出100萬個單位通道傳輸容量為10Gbit/秒的光IC”。Kotura也於2013年2月宣布，“光IC的銷量較上年翻了一番、相當於6萬通道/月”。從這些出貨量數據來看，這兩家公司的產品占了AOC市場的相當大一部分注2）。

　　注2） Luxtera與飛思卡爾半導體和意法半導體開展合作，Kotura與甲骨文等企業在技術開發和製造方麵開展合作。

　　不過，該市場將迎來巨大的變化。因為思科係統和英特爾等企業相繼涉足該市場。在今後將形成市場的100Gbit/秒傳輸容量的AOC中，預計矽光子將掌握主導權。

　　思科的動作非常迅速。該公司2012年2月斥資2.71億美元收購了風險企業Lightwire，同年10月發布了基於矽光子技術的、支持 100Gbit/秒的光收發器規格“Cisco CPAK”，2013年3月發布了安裝有該規格光收發器模塊的傳輸裝置。

　　英特爾也於2013年1月發布了采用矽光子技術的AOC，該產品支持臉書主導的數據中心行業標準“Open Compute Project”。

　　芯片間光傳輸大勢所趨

　　預計矽光子市場今後還將日益擴大。肩負AOC“未來”的市場已經初現端倪。AOC主要用於“電路板間”的大容量數據傳輸，而今後，電路板上的微處理器之間以及微處理器與存儲器之間等“芯片間”用途將實用化。IBM和英特爾現在正在推進開發，目標是將其用於2020年前後的超級計算機和服務器。

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圖2：光傳輸和電傳輸的低耗電量化以1cm為分界

如果傳輸距離在1cm以上，目前的光傳輸技術的耗電量小於電傳輸。光傳輸的耗電量主要是光收發器的電光轉換以及光電轉換消耗的。最近大幅減小了光收發器的尺寸，因此耗電量也減小了。

　　光傳輸的應用始於長距離通信，之後其用途擴大到了短距離通信，取代了電傳輸。在這一點上，采用矽光子的光傳輸也是一樣。預計將來微處理器內部的“CPU內核間”的數據傳輸也必須要利用矽光子技術。

　　最近，矽光子技術在芯片間的應用有了眉目，這主要是因為，利用矽光子製作的光收發器的耗電量降低了。一般來說，電傳輸是距離越短，所需的電力越少，而光傳輸即使距離縮短，電力也不會降低太多。因此，二者以耗電量相同的傳輸距離為分界點區分使用。最近，利用矽光子的光傳輸和電傳輸在傳輸距離為 1cm時的耗電量基本相同，因此，在比以前短很多的距離間也有望利用光傳輸（圖2）。

　　比如，2013年3月IBM利用矽光子技術開發出了耗電量為1pJ/bit的光收發器IC。預計電傳輸的最低耗電量在傳輸距離為1cm時約為150fJ（0.15pJ）/bit（圖3）1）。雖然還有好幾倍的差距，但如果隻限於光傳輸的各項功能，耗電量比IBM的試製品小2、3位數的技術也已開發出來。

本圖為微處理器的CPU內核間傳輸等的電傳輸技術和光傳輸技術的耗電量。今後的高性能微處理器光憑電傳輸將無法實現耗電量的要求條件。而在距離為1cm的傳輸中，光傳輸的耗電量與電傳輸基本相同。還出現了各部件的耗電量比電氣方式大幅降低的例子。（攝影：IBM）

　　在用途方麵對矽光子光傳輸的期待也越來越高。隨著以提高微處理器速度為目的的多核化和眾核化的推進，必須要大幅增加內存帶寬和CPU內核間的數據傳輸容量。但多核化會導致CPU內核間的傳輸距離增長。而且，傳輸容量必須擴大到與內核內的全局布線相當的程度。對電傳輸而言，條件越來越苛刻。而對於正處於發展期的矽光子光傳輸，今後其耗電量還需要大幅降低。
　　小型化也取得巨大進展

　　瞄準芯片間光傳輸的部件試製也已經展開。由日本內閣府提供支援的研究開發組織“光電子融合係統基礎技術開發（PECST）”試製的光收發器IC注3）達到了目前世界最高的集成度和傳輸容量密度。PECST於2012年9月發布了可在1cm2的矽芯片上、集成526個數據傳輸速度為12.5Gbps的光收發器的技術注4），數據傳輸容量密度相當於約6.6Tbit/秒/cm2。主要用於負責LSI間大容量數據傳輸的光轉接板（圖4）。

本圖為東京大學荒川研究室與PECST開發的LSI間數據傳輸用光轉接板的概要。除了作為光源的激光元件外，都使用CMOS兼容技術集成到了SOI基板上。激光元件也可以利用普通的貼片機安裝到芯片上。（攝影：右為PECST）

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圖3：在不遠的將來，微處理器內核間的傳輸必然要采用光傳輸

　　注3）PECST是以在2025年實現“片上數據中心”、即在矽芯片上實現數據中心功能為目標成立的研究開發組織。2010年3月開始研究工作。

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圖4：芯片間布線駛入“光的高速公路”

　　注4）該光收發器每組所占麵積為0.19mm2。除激光元件外全部利用CMOS兼容技術實現。

　　這次發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，但如果隻是向幾公裏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。而光傳輸中相當於“機場”的光收發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的試製品上，能看到在麵積1cm2的芯片上集成多個光收發器IC的可能性。光收發器IC和構成元件的小型化幾乎直接關係到低耗電量化。因為元件麵積小的話，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。

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圖5：即將實現10Tbit/秒/cm2的傳輸容量密度

本圖為光傳輸用收發器的小型化以及伴隨小型化的集成度提高情況。通過小型化提高集成度的話，傳輸容量密度也會提高。目前的最高傳輸容量密度為PECST實現的6.6Tbit/秒/cm2。PECST預計2013年上半年將實現10Tbit/秒/cm2。

　　開發獨特的核心技術群

　　PECST的光收發器的實現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）連接光源與矽波導的光斑尺寸轉換器（SSC）、（3）Mach-Zehnder型光調製器*、（4）鍺光敏元件。

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圖6：實現6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的核心要素

本圖為東京大學荒川研究室與PECST實現6.6Tbit/秒/cm2傳輸容量密度的技術要點。激光元件方麵，開發出了大規模陣列化的技術；大幅降低了光斑尺寸轉換器的損失；光調製器的尺寸縮小至原來的1/4；鍺光敏元件也實現了2倍以上的高速化。（攝影：PECST）

　　*Mach-Zehnder（馬赫-曾德爾）型光調製器＝光幹涉儀的一種，一般是把同一光源的光分成兩束，對其中一束實施相位控製等處理後，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“目前已經製作出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，在矽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。

　　解決了調製器的兩個課題

　　對光收發器的小型化貢獻最大的是（3）光調製器的開發。以前，Mach-Zehnder型光調製器為了補償調製效率低的問題，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矽波導上，把調製效率提高到原來的4倍實現的。

　　PECST開發的光調製器通過改變矽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範圍內提高載流子密度的控製。此次的設計通過將載流子出入口設計成篦子齒那樣細密，不讓光從這裏漏出，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麵，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年改進了光調製器的電極設計，將其所占麵積進一步縮小到了原來的1/5以下。荒川教授表示，“將其用於光收發器IC集成的話，預計可實現10Tbit/秒/cm2的目標傳輸容量密度”。
　　通過“慢光”縮小調製器尺寸

　　要想進一步改善PECST的成果，進一步縮小光調製器的尺寸並實現高速動作至關重要。這方麵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型光調製器。由此，將光調製器的長度大幅縮短到了90μm。

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　圖7：光調製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製器的概要。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製器和MEMS，利用板簧的應力成功控製了鍺的可調製波長（b）。（圖（a）由 PECST製作，（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製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。用於光密封、路徑控製、群速度控製等。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，因此能實現調製器的小型化。

　　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，這種複雜構造的元件乍一看好像很難製造，但“可以通過180nm工藝CMOS技術中使用的248nm KrF步進器製造”。

　　導入MEMS技術

　　有望縮小調製器尺寸的另一項技術是MEMS技術。東京大學研究生院工學係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）型調製器中采用了MEMS技術。由此，將調製器長度縮小至約30μm。其特點是可以使用無摻雜的鍺，而且利用MEMS技術還能使用於調製的波長範圍可變。

　　采用鍺的EA型調製器和受光器一般通過對鍺進行摻雜或施加應變來改變調製和受光波長，但無法實現波長的可變控製，而且摻雜後，存在與其他元件在製造工藝上兼容性降低的課題。

　　原本不發光的材料發光了

　　矽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矽和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矽光子技術的“夙願”。

　　現在，這個課題也在不斷取得突破。此前，由於矽和鍺屬於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矽實現發光元件的希望（圖8）。

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　圖8：CMOS兼容的光源終於要成為現實

　　本圖為可利用最近開發的CMOS兼容技術製作的發光元件。MIT通過注入電流成功使Ge-on-Si元件實現了激光振蕩（a）。日立製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型矽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製作，（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於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，對於半導體來說非常高。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。矽光子全部能利用（矽和鍺等）IV族材料實現”。

　　日立製作所和東京大學荒川研究室也實現了鍺發光。日立製作所到2年前為止一直在進行通過量子效果使矽發光的研究，之後開始研究鍺。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，並已確認這種方法可以提高發光強度。
　　矽發光取得進展

　　另外，還出現了使矽光子的主角——矽自身發光的例子。東京大學研究生院工學係研究科教授、納米光子研究中心中心長大津元一的研發小組2011年發現矽可以發光。

　　據介紹，為矽通電，然後邊照射電磁波邊進行p型摻雜的話，就會開始受激發射。已確認利用該材料製作的矽LED能夠發光注5）。

　　注5）發光波長為1.1～1.5μm，能在大帶寬內發光。

　　通過不斷優化元件，目前紅外光矽LED的外部量子效率超過了10％（圖9）。作為才開發2年的發光效率，即使與目前最新型白色LED的 30％左右相比，也已經算十分高了。雖然效率還比較低，但已製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、藍色光等發光的矽LED。大津表示，計劃使可用於矽光子的紅外激光2015年達到10％的效率。

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　　圖9：實現與現有LED接近的發光效率

　　本圖為東京大學大津研究室正在開發的矽LED和矽激光元件的發光效率提高情況。紅外發光矽LED的外部發光效率超過了10％，正在靠近現有LED的約30％。（圖由《日經電子》根據東京大學大津研究室的資料製作）

　　通過這些技術開發，利用CMOS技術有望使半導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個矽光子的集成壁壘

　　矽光子要想進一步發展還存在兩大課題。一是，使光元件和光收發器大幅實現小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分複用（DWDM）技術的利用。

　　在PECST等的研究成果中，光收發器的集成度目前有望實現526個/cm2，在不久的將來還可能會實現1000個/cm2（圖5）。但再往後，矽光子能否順利增加集成度就不得而知了。NTT特性科學基礎研究所、NTT納米光子中心中心長納富雅也表示，“矽光子的集成度存在1cm2約為1000個的壁壘”。

　　這種看法的理由是，構成光收發器的各元件的小型化已經到了極限。尺寸小於20μm見方的元件在矽光子中基本無法實現。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。

　　瞄準芯片上的路徑控製

　　對於這個問題，最有效的解決方法是光密封效果高的光子晶體（PhC）技術。NTT利用化合物半導體製作出光子晶體，開發了多種主動光學元件（圖10）。目標是超越光收發器，在芯片上實現采用光存儲器等的主動路徑控製及簡單的信息處理等網絡。

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　圖10：利用化合物半導體光子結晶實現大規模光集成電路

　　本圖為NTT特性科學基礎研究所正在開發的、利用化合物半導體光子晶體的光傳輸技術群。與CMOS兼容技術相比，所占麵積和耗電量均降低了2～3位數。光RAM等記錄介質的開發也取得了成功。（攝影：NTT）

　　作為其核心技術，目前已經開發出了激光振蕩元件、光開關及光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，光開關的耗電量非常小，隻有660aJ/bit，與電信號相比，有望大幅降低耗電量。該公司就這些技術表示，“打算2025年前後實現能貼在微處理器上的智能光網絡芯片”（納富）。

　　現在的光子晶體未采用矽基，因為很難采用矽基以高效率製作主動元件。不過，結合發光的鍺和矽等技術的話，就有可能實現矽基光子晶體。
　　DWDM可能是最後的課題

　　另一個課題是DWDM，以數十Tbps/cm2進行矽光子光傳輸可能需要DWDM。該技術早在15年前就已普遍用於長距離通信用設備等，但用於矽光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發出的光的波長以及通過波導的光的波長因溫度變化存在巨大偏差（圖11）。將長距離通信設備使用的溫度控製功能用於矽光子技術的成本過高，不現實。

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