硅光子技術全面普及：體驗硅發光技術的進展（二）

小型化也取得巨大進展

　　瞄準芯片間光傳輸的部件試制也已經展開。由日本內閣府提供支援的研究開發組織“光電子融合系統基礎技術開發（PECST）”試制的光收發器IC注3）達到了目前世界最高的集成度和傳輸容量密度。PECST于2012年9月發布了可在1cm2的硅芯片上、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于約6.6Tbit/秒/cm2。主要用于負責LSI間大容量數據傳輸的光轉接板（圖4）。

　　圖4：芯片間布線駛入“光的高速公路”

　　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）

　　注3）PECST是以在2025年實現“片上數據中心”、即在硅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。

　　注4） 該光收發器每組所占面積為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，但如果只是向幾公里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。而光傳輸中相當于“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的試制品上，能看到在面積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系到低耗電量化。因為元件面積小的話，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。

　　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）連接光源與硅波導的光斑尺寸轉換器（SSC）、（3）Mach-Zehnder型光調制器*、（4）鍺光敏元件。

　　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。激光元件方面，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；光調制器的尺寸縮小至原來的1/4；鍺光敏元件也實現了2