成果報告書詳細
管理番号20140000000070
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 CMOSプロセッサ上フォトニックネットワークチップの研究開発
公開日2014/5/2
報告書年度2011 - 2013
委託先名日本電信電話株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約1.背景
 近年、環境問題の観点から、情報通信(IT)機器の消費電力削減はその重要度を増してきている。IT機器における消費電力は、CMOSプロセッサが半分近くのエネルギーを消費し、さらにプロセッサ内のエネルギーは電気配線により消費されている。この問題を解決するため、光配線技術をプロセッサ内の配線に適用するための研究開発が注目されており、チップメーカの2011年時点のロードマップによれば、CMOSチップ用光配線技術は2015年の実用化が見込まれている。

2.目標
 以上の背景を踏まえ、本研究では、プロセッサ内光配線の実現に向けてフォトニック結晶レーザが有望と考えて開発を進めた。2016年にチップ間光配線用部品としてフォトニック結晶レーザアレイと受光素子アレイを製品化し、その後、2019年頃にシリコン基板との集積化、2022年以降に大規模集積フォトニックネットワークチップを実現することを事業化目標として設定した。
 これらの事業化目標を達成するための技術課題として、以下を研究開発項目及びH25年度末の技術目標として設定した。
 (1)電流注入型フォトニック結晶レーザ素子(10fJ/bit動作と100μW出力)
 (2)ナノ構造変調器・受光素子(10Gbit/s動作)
 (3)ネットワーク処理機能実現に向けた素子(波長可変原理の確認)
 (4)集積技術(シリコン上フォトニック結晶レーザの実現)

3.達成状況
 本事業における成果及び達成状況は以下の通りである。
 (1)電流注入型フォトニック結晶レーザ
 横注入型の電流注入構造の作製法を開発し、消費エネルギー5fJ/bit動作を実現した。光出力は40μWを実現し、実用上十分な光出力を達成した。また、25Gbit/s動作を17.8fJ/bitで達成し、動作速度として事業開始時の設定値を大きく上回った。
 (2)ナノ構造変調器・受光素子
受光素子を作製し、1A/Wの受光感度と10Gbit/sの応答を実現した。また、最大受信速度として40Gbit/sを達成した。
 (3)ネットワーク処理機能実現に向けた素子
フォトニック結晶の格子定数の制御により、62nmの発振波長範囲を得、波長制御の原理を確認した。また、発振波長の再現性向上をめざし、シングルモード発振に向けた共振器を提案・検証した。
 (4)集積技術
 シリコン基板上の電流注入フォトニック結晶レーザを実現し、室温連続発振と変調動作を達成した。今後はSiOx導波路型スポットサイズ変換器との集積を進めていく。また、シリコン基板上の分布帰還(DFB)レーザを作製した。
4.まとめ
 以上のように、ほぼ全ての課題において当初目標を達成することができた。本事業を通し、フォトニック結晶デバイスのプロセッサ内光配線に向けた有用性が明らかとなった。また、集積技術においては、シリコン上にフォトニック結晶レーザ及びDFBレーザの作製に成功したことで、コンピュータコムに留まらず、データコムを含んだ広い適用可能性が明らかになったと考えている。
英文要約1. Introduction
Recently, it is a significant challenge to reduce the power consumption of information communication technology (IT) equipment as the solution for environmental problems. In IT devices, more than half of the power consumption is dissipated by CMOS processors. In addition, the data transmission uses nearly half of the power consumption in the processors. To solve the problems, the optical interconnection for processors is attracted much attention. According to the technological roadmap proposed by chipmakers in 2011, the first optical interconnection for CMOS chips is expected to be commercialized in 2015.

2. Targets
In accordance with these backgrounds, we focused on photonic-crystal devices as a promising technology for practical applications. First, we are aiming to realize photonic-crystal laser and detector arrays in 2016. Next, we will realize a photonic integration on a silicon substrate by 2019, then we will achieve a large-scale integrated photonic network chips by around 2022.
We set development targets as follows:
(1) Current-injection photonic-crystal lasers (10-fJ/s operation and an output power of 100 μW),
(2) Nano-scale modulators and photodetectors (10-Gb/s operation)
(3) Network-processing devices (demonstration of wavelength-tuning function)
(4) Photonic integration technologies (photonic-crystal lasers on a silicon substrate).

3. Results
(1) Current-injection photonic crystal lasers
We have developed photonic-crystal lasers with lateral current injection. The world’s smallest energy consumption of 5 fJ/bit was achieved. The maximum output power was 40 μW, which is sufficient for practical applications. We also achieved the modulation speed of 25 Gbit/s, higher than the initial target, with an energy consumption of 17.8 fJ/bit.
(2) Nano-scale modulators and photodetectors
We have developed a photodetector with a responsivity of 1 A/W and 10-Gbit/s modulation speed. The maximum modulation speed was 40 Gbit/s.
(3) Network-processing devises
We could confirm the principle of wavelength tuning by controlling the lattice constant of photonic-crystal lasers. The tuning range was 62 nm. To improve the reproducibility of the lasers, we have proposed new cavity design enabling stable single mode operation.
(4) Photonic integration technologies
We could achieve current-injection photonic-crystal lasers fabricated on a silicon substrate. We are going to integrate these lasers with SiOx-based spot size converters. We also successfully fabricated DFB lasers on a silicon substrate.

4. Conclusion
In summary, we could achieve targets in most subjects. Photonic-crystal devices were confirmed to be practical for the optical interconnection for processors. In addition, we could fabricate photonic-crystal lasers and DFB lasers on silicon. We believe our technologies can be widely applied to the datacom applications in addition to the computercom applications.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る