シリコンフォトニクス

シリコンフォトニクスは、シリコンを光学媒体として使用するフォトニックシステムの研究と応用です。^{[1] [2] [3] [4] [5]}シリコンは通常、サブミクロンの精度でマイクロフォトニック部品にパターン化されます。^[4]これらは赤外線で動作し、最も一般的なのはほとんどの光ファイバー通信システムで使用される1.55マイクロメートルの波長です。 ^{[6]シリコンは通常、シリカ層の上に位置し、（}マイクロエレクトロニクスの同様の構造との類推により）シリコンオンインシュレーター（SOI ）として知られています。^{[4] [5]}

シリコンフォトニクスデバイスは既存の半導体製造技術を使用して製造することができ、シリコンはすでにほとんどの集積回路の基板として使用されているので、光学部品と電子部品を単一のマイクロチップに統合したハイブリッドデバイスを作成することが可能です。 ^[6]そのため、シリコンフォトニクスは、光相互接続を使用してマイクロチップ間およびマイクロチップ内のデータ転送を高速化することでムーアの法則に遅れを取らないための手段として、IBMやIntelなどの多くの電子機器メーカーや学術研究グループによって積極的に研究されています。^{[7] [8] [9]}

シリコンデバイスを通る光の伝播は、カー効果、ラマン効果、二光子吸収、光子と自由電荷キャリアとの相互作用など、さまざまな非線形光学現象によって支配されています。^[10]非線形性の存在は、光と光との相互作用を可能にするため、根本的に重要です。^[11]これにより、光の受動伝送に加えて、波長変換や全光信号ルーティングなどのアプリケーションが可能になります。

シリコン導波路も学術的に大きな関心を集めており、そのユニークな導波特性により、通信、相互接続、バイオセンサーなどに使用でき、^{[12] [13]}ソリトン伝播などの特殊な非線形光学現象をサポートする可能性を提供しています。^{[14] [15] [16]}

一般的な光リンクでは、データはまず電気光学変調器または直接変調レーザーを使用して電気領域から光領域に転送されます。電気光学変調器は、光キャリアの強度や位相を変えることができます。シリコンフォトニクスでは、変調を実現するための一般的な手法は、自由電荷キャリアの密度を変えることです。電子と正孔の密度が変化すると、ソレフとベネットの経験式で説明されているように、シリコンの屈折率の実数部と虚数部が変わります。^[17]変調器は、順方向バイアスのPINダイオード（一般に大きな位相シフトを生成しますが、速度が遅くなります）^[18]と、逆方向バイアスのp-n接合^[19]の両方で構成できます。ゲルマニウム検出器を統合したマイクロリング変調器を備えたプロトタイプの光インターコネクトが実証されています。^{[20] [21]}マッハツェンダ干渉計 などの非共鳴変調器は、通常ミリメートル単位の寸法を持ち、通常は通信やデータ通信の用途で使用されます。リング共振器などの共鳴デバイスは、数十マイクロメートルの寸法しか持たないため、占有面積がはるかに小さくなります。2013年に、研究者は標準的なシリコンオンインシュレータ相補型金属酸化物半導体（SOI CMOS）製造プロセスを使用して製造できる共鳴空乏変調器を実証しました。^[22]同様のデバイスがSOIではなくバルクCMOSでも実証されています。^{[23] [24]}

受信側では、光信号は通常、半導体光検出器を使用して電気領域に変換されます。キャリア生成に使用される半導体は、通常、光子エネルギーよりも小さなバンドギャップを持ち、最も一般的な選択肢は純粋なゲルマニウムです。^{[25] [26]}ほとんどの検出器はキャリア抽出にp-n接合を使用しますが、金属半導体接合（半導体としてゲルマニウムを使用）に基づく検出器もシリコン導波路に統合されています。^[27]最近では、40 Gbit/sで動作できるシリコンゲルマニウムアバランシェフォトダイオードが製造されています。^{[28] [29]} 完全なトランシーバーは、アクティブ光ケーブルの形で商品化されています。^[30]

光通信は、そのリンクの到達距離、つまり長さによって便宜的に分類されます。これまでのところ、シリコンフォトニック通信の大部分は、到達距離がそれぞれ数キロメートルまたは数メートルの電気通信^[31] およびデータ通信アプリケーション^{[32] [33]}に限定されています。

しかし、シリコンフォトニクスは、光リンクがセンチメートルからメートルの範囲に及ぶコンピュータ通信でも重要な役割を果たすと期待されています。実際、コンピュータ技術の進歩（およびムーアの法則の継続）は、マイクロチップ間およびマイクロチップ内のより高速なデータ転送にますます依存するようになっています。^[34] 光相互接続は前進への道を提供する可能性があり、シリコンフォトニクスは、標準的なシリコンチップに統合されると特に有用であることが証明される可能性があります。^{[6] [35] [36]} 2006年、インテルの上級副社長であり、将来のCEOであるパットゲルシンガーは、「今日、光学はニッチな技術です。明日は、私たちが構築するすべてのチップの主流になります。」と述べました。^[8] 2010年、インテルはシリコンフォトニクスで50Gbit/sの接続を実現しました。^[37]

光入出力（I/O）を備えた最初のマイクロプロセッサは、2015年12月に「ゼロチェンジ」CMOSフォトニクスと呼ばれるアプローチを使用して実証されました。^[38]これはファイバー・ツー・ザ・プロセッサとして知られています。^[39] この最初のデモンストレーションは45nm SOIノードに基づいており、双方向のチップ間リンクは2×2.5Gbit/sの速度で動作しました。リンクの総エネルギー消費量は16pJ/bと計算され、オフチップレーザーの寄与が大部分を占めました。

研究者の中には、オンチップレーザー光源が必要だと考える者もいる。^[40]また、熱の問題（量子効率は温度とともに低下し、コンピュータチップは一般に高温になる）やCMOS互換性の問題から、オフチップのままにしておくべきだと考える者もいる。そのようなデバイスの1つがハイブリッドシリコンレーザーで、シリコンを異なる半導体（インジウムリンなど）に結合させてレーザー媒体としている。^[41]その他のデバイスには、シリコンがレーザー媒体として機能する全シリコンラマンレーザー^[42]や全シリコンブリルアンレーザー^[43]がある。

2012年、IBMは、標準的な技術を使用して製造し、従来のチップに組み込むことができる90ナノメートル規模の光学部品を実現したと発表した。^{[7] [44]} 2013年9月、インテルは、データセンター内のサーバーを接続するために、直径約5ミリメートルのケーブルで毎秒100ギガビットの速度でデータを伝送する技術を発表した。従来のPCI-Eデータケーブルは毎秒最大8ギガビットの速度でデータを伝送し、ネットワークケーブルは毎秒40ギガビットに達する。USB規格の最新バージョンは、毎秒10ギガビットの最高速度である。この技術は、電気信号と光信号を相互変換するために別の回路基板を必要とするため、既存のケーブルを直接置き換えるものではない。その高度な速度により、ラック上のブレードを接続するケーブルの数を減らすことができ、プロセッサ、ストレージ、メモリを別々のブレードに分離して、より効率的な冷却と動的な構成を可能にする可能性もある。[ ^45]

グラフェン光検出器は、いくつかの重要な側面でゲルマニウムデバイスを上回る可能性を秘めているが、急速な改善にもかかわらず、現在の生成能力より約1桁低いままである。グラフェンデバイスは非常に高い周波数で動作し、原理的にはより高い帯域幅に達する可能性がある。グラフェンはゲルマニウムよりも広い範囲の波長を吸収することができる。この特性を利用して、同じ光線でより多くのデータストリームを同時に送信することができる。ゲルマニウム検出器とは異なり、グラフェン光検出器は電圧を印加する必要がないため、エネルギー要件を削減できる。最後に、グラフェン検出器は原理的に、よりシンプルで安価なオンチップ統合を可能にする。しかし、グラフェンは光を強く吸収しない。シリコン導波路とグラフェンシートを組み合わせると、光の経路が改善され、相互作用が最大化される。このようなデバイスの最初の実証は2011年に行われた。従来の製造技術を使用してこのようなデバイスを製造することは実証されていない。^[46]

シリコンフォトニクスのもう一つの応用は、光通信用の信号ルーターである。光学部品と電子部品を複数の部品に分散させるのではなく、同じチップ上に製造することで、構造を大幅に簡素化することができる。^[47]より広い目標は、従来は電子形式で信号を操作することによって行われていたタスクを光形式で直接実行する全光信号処理である。^{[3] [48]}重要な例は全光スイッチングであり、光信号のルーティングが他の光信号によって直接制御される。^[49]別の例は全光波長変換である。^[50]

2013年、カリフォルニアとイスラエルに拠点を置く「Compass-EOS」という新興企業が、初めて商用シリコン・フォトニクス・ルーターを発表しました。^[51]

シリコンマイクロフォトニクスは、超小型で超低消費電力のデバイスを提供することで、インターネットの帯域幅容量を増やす可能性があります。さらに、これがうまく実現されれば、データセンターの消費電力を大幅に削減できる可能性があります。サンディア、^[52]コトゥラ、NTT、富士通、およびさまざまな学術機関の研究者が、この機能の実証を試みています。2010年の論文では、マイクロリングシリコンデバイスを使用した80 km、12.5 Gbit/sのプロトタイプ伝送について報告されています。^[53]

2015年現在、米国の新興企業Magic Leapは、拡張現実ディスプレイを目的としたシリコンフォトニクスを使用したライトフィールドチップの開発に取り組んでいる。^[54]

シリコンフォトニクスは、従来のトランジスタを使用するものよりもエネルギー効率の高い人工知能推論プロセッサに使用されています。これは、マッハツェンダー干渉計（MZI）を使用して実現できます。MZIはナノ電気機械システムと組み合わせることができ、MZIを物理的に曲げて光の位相を変えることで、通過する光を変調します。^{[55] [56] [57]}

シリコンは、波長が約1.1マイクロメートルを超える赤外線を透過します。 ^[58]シリコンの屈折率は約3.5と非常に高くなっています。^[58]この高い屈折率によって光がしっかりと閉じ込められるため、断面寸法が数百ナノメートルしかない微細な光導波路が可能になります。^[10]シングルモード伝搬が実現できるため、^{[10] (}シングルモード光ファイバーのように)モード分散の問題が解消されます。

この厳しい閉じ込めから生じる強い誘電体境界効果は、光分散関係を大きく変える。導波路の形状を選択することで、分散を所望の特性に調整することが可能であり、これは超短パルスを必要とする用途にとって極めて重要である。^[10]特に、群速度分散（つまり、群速度が波長によって変化する程度）は厳密に制御することができる。1.55マイクロメートルのバルクシリコンでは、群速度分散（GVD）は、より長い波長のパルスが短い波長のパルスよりも高い群速度で伝わる点で正常である。しかし、適切な導波路の形状を選択することで、これを逆転させ、より短い波長のパルスがより速く伝わる異常GVDを実現することができる。^{[59] [60] [61]異常分散は、}ソリトン伝搬および変調不安定性の前提条件であるため重要である。^[62]

シリコンフォトニック部品が、それが製造されるウェーハのバルクシリコンから光学的に独立しているためには、介在材料の層が必要である。これは通常シリカであり、屈折率がはるかに低い（対象波長領域で約1.44 ^[63]）ため、シリコン-シリカ界面の光は（シリコン-空気界面の光と同様に）全反射し、シリコン内に留まる。この構造はシリコンオンインシュレータとして知られている。^{[4] [5]これは、電子機器における}シリコンオンインシュレータ技術にちなんで名付けられ、寄生容量を減らして性能を向上させるためにコンポーネントを絶縁体層の上に構築する。 ^[64]シリコンフォトニクスは、光導波路の材料としてシリコン窒化物を使用して構築されている。^{[65] [66]}

シリコンは集束カー非線形性を有し、屈折率は光強度とともに増加する。^[10]この効果はバルクシリコンでは特に強くはないが、シリコン導波路を使用して光を非常に小さな断面積に集中させることで大幅に増強される。^[14]これにより、低出力で非線形光学効果が見られるようになる。この非線形性はスロット導波路を使用することでさらに増強され、スロット導波路ではシリコンの高い屈折率を利用して、強い非線形ポリマーで満たされた中央領域に光を閉じ込める。^[67]

カー非線形性は、さまざまな光学現象の基礎となっている。^[62]一例として、四光波混合が挙げられ、これはシリコンにおいて光パラメトリック増幅、^[68]パラメトリック波長変換、^[50]および周波数コム生成を実現するために応用されている。 ^{[69] [70]}

カー非線形性は変調不安定性も引き起こし、光波形からの偏差を強め、スペクトル側波帯を生成し、最終的に波形をパルス列に分解します。^[71]もう一つの例（下記参照）はソリトン伝播です。

シリコンは2光子吸収（TPA）を示し、一対の光子が電子正孔対を励起する働きをする。^[10]このプロセスはカー効果に関連しており、複素屈折率との類推により、複素カー非線形性の虚数部と考えることができる。^[10] 1.55マイクロメートルの通信波長では、この虚数部は実数部の約10％である。^[72]

TPAの影響は、光を無駄にし、不要な熱を生成するため、非常に破壊的です。^[73]しかし、より長い波長に切り替える（TPA対カー比が低下する）か、^[74]スロット導波路を使用する（内部の非線形材料のTPA対カー比が低くなる）ことで、TPAの影響を軽減できます。^[67]あるいは、TPAによって失われたエネルギーは、生成された電荷キャリアから抽出することで、部分的に回収できます（以下で説明します）。^[75]

シリコン内の自由電荷キャリアは、光子を吸収し、屈折率を変えることができます。^[76]これは、TPA によってキャリア濃度が蓄積されるため、高強度で長時間の場合に特に顕著になります。自由電荷キャリアの影響は多くの場合 (常にではありませんが) 望ましくないため、さまざまな方法で除去することが提案されています。そのような方法の 1 つは、キャリアの再結合を強化するためにシリコンにヘリウムを注入することです。^[77]適切な形状を選択してキャリア寿命を短縮することもできます。リブ導波路(導波路が幅の広いシリコン層内の厚い領域で構成されている) は、シリカとシリコンの界面でのキャリアの再結合と導波路コアからのキャリアの拡散の両方を強化します。^[78]

キャリア除去のより高度な方式は、 PINダイオードの固有領域に導波管を統合することであり、PINダイオードは逆バイアスされ、キャリアが導波管コアから引き離される。^{[79]さらに洗練された方式は、}電圧と電流が位相ずれしている回路の一部としてダイオードを使用し、導波管から電力を抽出できるようにすることである。 ^[75]この電力の源は2光子吸収によって失われた光であり、その一部を回収することで、純損失（および熱発生率）を減らすことができる。

上で述べたように、自由電荷キャリア効果は光を変調するために建設的に利用することもできる。^{[18] [19] [80]}

バルクシリコンでは、結晶構造の中心対称性のため、二次非線形性は存在できません。しかし、歪みを加えると、シリコンの反転対称性は破れます。これは、たとえば、薄いシリコン膜上にシリコン窒化物層を堆積することで実現できます。 ^[81] 二次非線形現象は、光変調、自発的パラメトリックダウンコンバージョン、パラメトリック増幅、超高速光信号処理、および中赤外線生成に利用できます。ただし、効率的な非線形変換には、関係する光波間の位相整合が必要です。歪みシリコンに基づく二次非線形導波路は、分散エンジニアリングによって位相整合を実現できます。^[82] ただし、これまでのところ、実験的実証は、位相整合されていない設計に基づいています。^[83]位相整合は、高非線形有機クラッドでコーティングされたシリコンダブルスロット導波路^[84]および周期的に歪みのあるシリコン導波路でも実現できること が示されています 。^[85]

シリコンはラマン効果を示し、光子がわずかに異なるエネルギーを持つ光子と交換され、材料の励起または緩和に対応する。シリコンのラマン遷移は単一の非常に狭い周波数ピークによって支配されており、これはラマン増幅などの広帯域現象には問題となるが、ラマンレーザーなどの狭帯域デバイスには有益である。^[10]ラマン増幅とラマンレーザーの初期の研究はUCLAで始まり、純利得シリコンラマン増幅器とファイバー共振器を備えたシリコンパルスラマンレーザーの実証につながった（Optics express 2004）。その結果、2005年に全シリコンラマンレーザーが製造された。^[42]

ラマン効果では、光子は周波数約15 THzの光フォノンによって赤方偏移または青方偏移します。ただし、シリコン導波路は音響フォノン励起もサポートします。これらの音響フォノンと光の相互作用はブリルアン散乱と呼ばれます。これらの音響フォノンの周波数とモード形状はシリコン導波路の形状とサイズに依存し、数MHzから数十GHzの周波数で強いブリルアン散乱を生成することができます。^{[86] [87]誘導ブリルアン散乱は、狭帯域光増幅器[88] [89] [90]}や全シリコンブリルアンレーザー^[43]の製造に使用されています。光子と音響フォノンの相互作用はキャビティオプトメカニクスの分野でも研究されていますが、相互作用を観察するために3D光キャビティは必要ありません。^[91]例えば、シリコン導波路以外にも、光ファイバー^{[92]やカルコゲナイド導波路[93]}でも光機械結合が実証されている。

シリコン導波路を通る光の発展は、3次の非線形シュレーディンガー方程式で近似することができ、^[10] sechのようなソリトン解を許容することで有名である。^[94]これらの光ソリトン（光ファイバーでも知られている）は、自己位相変調（パルスの前縁が赤方偏移し、後縁が青方偏移する）と異常群速度分散のバランスから生じる。 ^{[62]このようなソリトンは、}コロンビア大学、^[14] ロチェスター大学、^[15]バース大学のグループによってシリコン導波路で観測されている。^[16]

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