シリコンフォトニクス
シリコンフォトニクスとは、半導体材料であるシリコンを用いて光信号を扱う技術であり、従来の電子回路との高い親和性を活かして小型化と高速化を同時に実現しようとする取り組みである。今日ではデータセンターの通信高速化や超低消費電力化を目的に様々な研究が進められ、大規模集積が可能なCMOSプロセスと融合することで量産性の高い光デバイスの開発を支えている。
誕生の背景
光通信分野では高速かつ大容量のデータ伝送を実現できる技術を求める動きが早くから活発であった。一方、CPUなどの集積回路は高密度化が進むにつれ発熱や伝送遅延が問題化した。そこで、電子信号ではなく光信号を用いることで低消費電力化と高速化を狙うアプローチが注目され始めた経緯がある。中でもシリコン基板をそのまま活用できるシリコンフォトニクスは生産工程の互換性やコストメリットが大きく、次世代の半導体産業を牽引する要素技術として期待されるようになっていった。
特長と原理
シリコンフォトニクスの最大の特長は、シリコン基板上に光導波路や光変調器、光増幅器などを集積し、電子回路と混載することで機能統合を可能にする点である。シリコンはバンドギャップが間接遷移型であり、発光効率は低いとされるが、フォトダイオードや微小リング共振器などの設計工夫によって光検出や変調は実用的に行える。さらに高い屈折率コントラストにより配線を極めて小さな寸法へ縮小でき、微細加工技術の発展と相まって大規模実装を実現しやすい仕組みになっている。
関連する技術要素
この技術には光を効率的に導き、変換し、検出するための要素デバイスが多数含まれる。例えば光を閉じ込めるための導波路設計、電気信号を光信号へ変換する変調器、受光するフォトダイオードなどが挙げられる。さらにIII-V族化合物半導体をシリコン基板上に貼り合わせる異種接合技術や、高いQ値を有するマイクロキャビティ共振器の開発も重要である。これらは半導体プロセスをベースに作り上げられ、集積度と歩留まりの面でシリコンフォトニクスの利点を大いに活かしている。
応用領域
データセンターや通信インフラにおける高性能トランシーバ、オンチップ光インターコネクト、センサへの応用が代表的である。特にサーバ間の大容量通信では電気信号を扱うケーブルより低損失・低レイテンシが期待でき、将来的にさらに高次のテラビット級の通信を支える基盤技術となる可能性が高い。加えて医療やライフサイエンス分野でのバイオセンシングや分光計測など、光を活用する計測技術が集積化されることで携帯端末へ搭載できるようになれば、多様な応用が加速すると考えられる。
製造プロセス
従来のCMOSプロセスをベースとし、シリコン基板を酸化膜で覆い波長帯の選択に適したコア層とクラッド層を形成する工程が特徴的である。フォトリソグラフィ工程によって導波路やリング共振器の微細パターンを描き、エッチングによりデバイス構造を作り上げる。さらにイオン注入やアニーリング工程を用いて電気接続部を作り、最後にパッシベーションやメタル配線を施す。この一連の流れを規格化できれば大規模な量産が可能となり、コストの大幅低減が見込まれる。