シリコンフォトニクスとは
シリコンフォトニクスとは、シリコンの導波路で光を運び、変調や受光まで同じチップで行う集積回路です。 CMOS と同じ製造ラインで作れます。
光の部品は、これまで個別に作って組み立ててきました。シリコンへ載せ替えるのは、同じウェーハの上へ何千もの部品をまとめて作れば、1 つあたりの費用が桁で下がるからです。
SOI の上の Si 層に導波路を刻み、CMOS と同じ口径で作る
Section titled “SOI の上の Si 層に導波路を刻み、CMOS と同じ口径で作る”土台は SOI の基板です。埋め込み酸化膜の上にある Si の層へ導波路を刻み、上下を屈折率の低い酸化膜で挟みます。光はこの Si の中に閉じ込められて進みます。
imec は 200 mm の iSiPP200 と 300 mm の iSiPP300 という 2 つのプラットフォーム1を提供しており、どちらも CMOS と同じ口径です。TSV・マイクロバンプ・埋め込みマイクロバンプによる集積にも対応し1、電気の回路と組み合わせる道筋まで揃っています。
運ぶ・変える・受けるが、同じ工程の中で揃う
Section titled “運ぶ・変える・受けるが、同じ工程の中で揃う”プラットフォームの部品は、SiN 導波路、III-V レーザー、LNO 変調器、半導体光増幅器、GeSi 電界吸収変調器、Ge/Si アバランシェ受光器です1。imec は、C 帯で 110 GHz を超える GeSi 電界吸収変調器と1、100 GHz の Ge/Si アバランシェ受光器、正味 400 Gbps のデータ受信を示しました。LPCVD の導波路は、極めて低い損失を示すとしています1。運ぶ・変える・受けるの 3 つが、同じ工程の中で揃います。
光を放つレーザーだけは、外から持ち込む
Section titled “光を放つレーザーだけは、外から持ち込む”Si は間接遷移の半導体なので、電流を光へ変える効率が低い材料です。レーザーは別の材料から持ち込むことになります。
レーザーの集積手段は1、ウェーハ規模のフリップチップ接合、マイクロトランスファープリンティング、電気励起のナノリッジレーザーの 3 つです。前の 2 つは別に作ったレーザーを運んで載せる手、最後は Si の上で直接育てる手で、どこまで工程へ取り込むかで選択肢が異なります。
用途はデータセンターの配線で、回線は 400 Gb/s を目標とする
Section titled “用途はデータセンターの配線で、回線は 400 Gb/s を目標とする”将来のデータセンター回線は、400 Gb/s の容量を目標とします2。imec は 2 並列の GeSi 電界吸収変調器による 106 Gb/s の送信器を PAM-4 変調で実現し、その消費は 1.5 pJ/ビットでした。PAM-4 で 53 GBd の単一レーン伝送を 500 m にわたって行い、TSV 送受信機の帯域密度は 1 Tbps/mm² でした。
Si は安く作れるかわりに、レーザーだけは別の材料に頼る
Section titled “Si は安く作れるかわりに、レーザーだけは別の材料に頼る”Si は大口径で安く作れ、CMOS の設備をそのまま使えます。その代わり光を放つ効率が低く、レーザーだけは別の材料を持ち込むことになります。貼り合わせれば結晶を合わせる工程が消えますが、1 個ずつ載せる手間が増えます。直接育てれば工程へ取り込めるものの、格子の差から出る欠陥を抑え込む工夫が要ります。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”シリコンフォトニクスとは何ですか？
シリコンの導波路で光を運び、変調や受光まで同じチップで行う集積回路です。CMOS と同じ製造ラインで作れます。
どんなウェーハで作りますか？
imec は、200 mm の iSiPP200 と 300 mm の iSiPP300 という 2 つのプラットフォームを提供しています。
どんな部品が揃いますか？
SiN 導波路、III-V レーザー、LNO 変調器、半導体光増幅器、GeSi 電界吸収変調器、Ge/Si アバランシェ受光器です。
速度はどのくらいですか？
imec は、C 帯で 110 GHz を超える GeSi 電界吸収変調器と、100 GHz の Ge/Si アバランシェ受光器を示しました。
なぜシリコンを使いますか？
大口径のウェーハで安く作れること、既存の CMOS の設備と工程をそのまま使えることです。
苦手なことは何ですか？
光を放つことです。Si は間接遷移の半導体なので、レーザーには III-V の材料を持ち込みます。
電気の回路とどうつなぎますか？
TSV・マイクロバンプ・埋め込みマイクロバンプによる集積に対応します。
比較・違いを学ぶ
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