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トゥエンテ大学、CMOS適合シリコン光エミッタ開発

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November, 14, 2017, Enschede--エレクトロニクスと光とは標準的「CMOS」チップ上では相性かよくない。トゥエンテ大学(University of Twente)の研究者、Satadal Duttaは、半導体チップの心臓部への光接続導入を成功させた。この方法で2つの回路は分離されていてもなお通信できる。言い換えると、エレクトロニクスとフォトニクスの世界が接続されている。
 Duttaのソリューションで特に魅力的な点は、特別な材料あるいは製造工程が不要であること。光はシリコンから出る。光源、ディテクタ、光チャネルは、エレクトロニクス作製に用いられる技術を使って造ることができる。完全な光回路は現在、利用できるようになっているが、それらはInPやGaAsのような材料を使う。しかし、これらは、半導体チップで用いられるCMOSチッププロセスに統合することは容易ではない。
 代替はこうなる。シリコンからLED光源を作製。問題は、シリコンが赤外光をわずかに放出するだけであること、一方シリコンディテクタには可視光しか見えない。両者は、通信する波長が違う。したがって、Duttaは画期的な方法を採った。LEDを逆に接続。低電圧では、電流も光もないが、十分に高い電圧では、わずかに電流が流れ、アバランシュのように自己増倍する。この「アバランシュモード」で、LEDは可視光を伝送する。同じプロセスを使い、光ディテクタは、媒介的光チャネルとともに作製可能である。Duttaがこのために設計した特殊コム構造によって、光源は均一でエネルギー効率がよくなる。
 チップ上の光リンクは、2つの回路を「電気的に」相互分離するためのよい方法である。これは、一方の回路が低電圧で低電流、他方がハイパワー回路の場合に必要になることが多い。両者は接続されるが、安全のために、導線接続ではない。すると古典的なトランスが選択肢しなるが、光接続もよく使われる。今日まで、これは分離された「オプトカプラ」で、大きくて速度制約がある。Duttaの新ソリューションは代替としては非常にコンパクト。わずか数10µmであり、高ビットレートで必要とされるプロテクションが用意されている。完全光回路の光チャネルと比べると、エネルギー消費は比較的高い、これはある程度光散乱があるからである。一方、光リンク周りのエレクトロニクス設計は効率的であり、接続に必要な光量は最小に維持できる。
 予測では、オール光回路は「新しいエレクトロニクス」になるとされている。エレクトロニクスから光回路への移行では、Duttaが設計したようなハイブリッド回路が重要な役割を果たす可能性がある。