硅光子2010年代中期进入射程（二）：利用硅及锗类材料实现光波导和调制器

　在本站硅光子2010年代中期进入射程（一）所述基于硅类材料的光波导具有光不易向外部泄漏的特点。这样可以获得两个优点。一是可将信号传输时的损失控制在1dB/cm以下。二是可将光波导的曲率半径减小至数μm,从而收放于硅底板的狭小区域内。

　　这一特点源于材料的折射率。从1.55μm频带下的折射率来看，硅约为3.5,氮化硅约为2.5.均高于光纤使用的二氧化硅（SiO2,约1.4）。这样便加大了光波导中心部分（内核）和周边部分（包层）的折射率，从而使光不易从光波导泄漏出去。

　　改进将光线导入光波导的方法

　　尽管光波导的开发前景看好，但仍然存在将光纤输出的光高效导入光波导的技术课题。

　　东芝开发出了使光纤输出的光线在改变光斑直径后与硅光波导耦合的元器件（光斑尺寸转换器），推进该元器件迈向低损失化。原来的光斑转换器是使光纤输出的光射入硅底板上的聚酰亚胺膜，然后再与连接该膜的硅光波导耦合。该方式有两大弱点。一是光会从聚酰亚胺膜泄漏出来，容易产生传输损失。二是必须将聚酰亚胺膜加厚至数μm,很难将光斑尺寸转换器连同其他元器件一起集成。

　　而东芝开发的光斑尺寸转换器是使光射入氧化埋层（BOX）后导入硅光波导（图10），从而克服了上述两项弱点。

　　首先是能够减少将光导入光波导前的传输损失。由于氧化埋层被硅底板和聚酰亚胺膜上下夹着，闭光效果出色。目前在使光耦合时会产生2.8dB的损失，但“通过改进结构可降低至0.5~1dB”（东芝研发中心电子元器件研究室主任研究员江崎瑞仙）。另外，由于不使光射入聚酰亚胺膜，因此可将该膜的厚度减至1μm以下。

　　另外，利用光斑转换器还可实现LSI芯片内的光布线所需要的光波导交叉结构。在交叉的两个光波导中的一个设置该光斑转换器，使穿过该光波导的光在交叉点进入氧化埋层。这样便可在两个光波导的交叉点上防止由光的干扰及散射导致的传输损失。

　　200Gbit/秒的硅调制器亮相

　　（3）调制器是将外部光源输出的光用于硅底板上的信号传输时所需要的元件注3）。通过调制光的强度来生成信号。在调制器方面，可在硅底板上配备的元器件的性能也在飞跃性提高。

　　注3）光源使用可直接高速调制的面发光激光器时，无需在硅底板上配备调制器。

　　在硅调制器的开发上处于**的是英特尔。该公司开发的是Mach-Zehnder干扰计型的硅调制器注4）。通过改进对光相位进行控制的电极等，逐步提高了支持的数据传输速度。2007年证实达到40Gbit/秒（图11）。2008年通过导入波长复用技术达到200Gbit/秒。集成了可将激光按8种波长进行分散或集中的多路复用/解复用器（图12）。各信道的光调制速度为25Gbit/秒。

　　注4）Mach-Zehnder干扰计型调制器先将光信号分成两组，使一组的相位改变后再进行集中，由此生成调制信号。


 

 

图10：将光高效导入光波导（a）使光射入氧化埋层并传输后，与硅光波导耦合。（b）通过抑制光的干扰及散射，使光波导实现交叉结构。

 

图11：利用硅形成高速调制器英特尔开发了Mach-Zehnder干扰计型硅调制器。实证可支持40Gbit/秒的数据传输速度。
 

 

 

图12：通过叠加波长实现200Gbit/秒英特尔通过叠加8种波长实现了支持200Gbit/秒的硅调制器。今后将瞄准板卡间连接等，力争达到1Tbit/秒。