□Silicon Photonics
◎光物性
※「フォトニック」と呼称する場合、「オプティカル」と異なるのは電子と光子の相互作用があることを意味する。
◆シリコン
※1100nmより長い近赤外域（PHz)で透明
⇒シリカ(SiO2）系光ファイバの最低伝送損失波長 1.55μm
※屈折率3.45、結晶のため屈折率揺らぎが少ない
⇒導波路に適する
※100μm帯(THz）で格子振動の吸収が始まる
＿◇発光機構
_ バンド間輻射再結合 interband radiative recombination, band-to-band transition
＿◇希土類添加シリコン光エミッタ
※エルビウム（Er）等をドープ
⇒EDFA エルビウム・ドープファイバ増幅器として光通信で利用
◆プラズモニクス
※金属中の自由電子
⇒プラズモン：集団的な電子の振動（集団的粗密波）
⇒バルク金属中のプラズモン：電磁場成分なし⇒光との相互作用なし
⇒金属・誘電体界面：表面プラズモン⇒誘電体側に電磁場（近接場光）が染み出す
※近接場光：エバネッセント波
※ナノフォトニクス：「解像可能サイズ≧光の波長」の制約を取り払う
◆フォトニック結晶（PC）
Photonic Crystal
※光の波長と同程度の周期性をもつ人工的な多次元周期構造
※フォトニックバンド
※フォトニックバンドギャップ（Photonic Band Gap: PBG)
⇒光伝搬を禁止する禁制帯
※PCデバイス：従来の石英系デバイスに比べて非常に小さい光配線実現
＿◇FDTD法
Finite-Difference Time-Domain Method
時間領域有限差分法
◆負の屈折
◆シリコン光導波路の光学非線形性
＿◇誘導ラマン散乱
Stimulated Raman scattering (SRS)
＿◇誘導パラメトリック散乱
Stimulated parametric scattering
◎シリコン光源
※シリコンでLEDやLDは作り難い
※非線形光学効果
※シリコン光エミッタ⇒シリコンレーザ
※LED：インコヒーレント光（お互いの位相には一定の関係がない）
※レーザ
◆光エミッタ
◎受光素子
◆PINフォトダイオード
※一般的な受光素子
＿◇動作原理
逆バイアスされたpn接合の空乏領域への光入射⇒電子・正孔対の生成
⇒電界にそって逆方向に移動＝光電流
⇒空乏層以外の場所では電界かかっていないので一定の時間後に再結合
⇒効率を上げるために光吸収層(i層）を厚くした(30μm)もの
i層不純物濃度:10^15~10^14 [cm^-3]以下
＿◇Si-pinフォトダイオード
可視光～0.8μm帯
＿◇Ge-pinフォトダイオード
0.8～1.6μm帯
＿◇量子効率η
| 光電流に寄与する電子数
|η＝－－－－－－－－－－－
| 入射フォトン数
◆APD
アバランシェ・フォトダイオード
※pinフォトダイオードより高感度
⇒光ファイバ通信で利用
＿◇動作原理
pn接合逆バイアス、アバランシェ降伏電圧近くまで電圧印加
⇒光入射⇒電子・正孔対の生成⇒高電界で加速され一部は格子の原子と衝突
⇒価電子帯の電子を励起（衝突電離）による新たな電子・正孔対発生
※増幅作用により高感度だが、確率的な揺らぎがあるため増倍雑音発生
＿◇Ge-APD
初期に使われたが、雑音大
＿◇InGaAs/InP ヘテロ構造APD
一般に多く使われる
◆SOIおよびGOI素子
＿◇SOI (Silicon-ON-Insulator)
Si単結晶基板上に埋め込みSiO2層（BOX: Buried Oxide)を形成した上に、上部単結晶Si層を形成したもの。
⇒pn接合逆バイアスよる電気的分離よりも浮遊容量小⇒高速、低消費電力化に向く
※表面Si層の極薄膜化と意図的歪発生⇒電子移動度増加による高速化
※導波路への転用可能
＿◇GOI (Ge-ON-Insulator)
Geの移動度が高い
※GOI光検出器
IBM発案
近距離信号伝送向け850nm帯でSiの70倍の効率
30GHzの高速応答
CMOS工程に無理なく取り入れられる
1V付近の低電圧駆動
◆クーロンブロッケイド
単電子デバイス（単電子トンネリングデバイス）
⇒アバランシェ増幅なし、低電圧で単一フォトン検出
＿◇単電子トランジスタ
金属（半導体）ナノドットを微小トンネル接合のソース、ドレインで挟み込む
ゲートとナノドット間はトンネル接合ではない。
⇒電子１個がドットに注入されただけで0.1Ｖオーダの電位上昇
◎光制御
※ナノフォトニクス：波長限界を超え、ナノメータ領域まで光を制御
◆フォトニック結晶
Photonic Crystal(PC)
※トップダウン型作成法
※ボトムアップ型作成法
※PCスラブ
エアブリッジ化された半導体薄膜に孔を配列させた構造
⇒半導体と空気は屈折率の差が大きく、光が薄膜に閉じ込められる
＿◇PC導波路
PCスラブに１列線欠陥
※スローライト
真空中の１００分の１以下の群速度が用意に得られる
＿◇PC共振器
PCスラブに点欠陥導入⇒定在波の位相条件（共振条件）限定
※バーゼル効果
◆シリコン光導波路
◆超高速全光スイッチ
◆波長変換デバイス