硅光子剩下的最大課題就是發光元件。此前開發的光收發器的發光元件都無法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導體的發光元件。實現與CMOS兼容的發光元件可以說是硅光子技術的“夙愿”。
硅光子剩下的最大課題就是發光元件。此前開發的光收發器的發光元件都無法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導體的發光元件。實現與CMOS兼容的發光元件可以說是硅光子技術的“夙愿”。 現在，這個課題也在不斷取得突破。此前，由于硅和鍺屬于能帶結構為間接遷移型*的半導體，因此一直被認為基本不發光。但在最近一兩年，這個“常識”被打破，已經能夠看到利用鍺和硅實現發光元件的希望。
本圖為可利用最近開發的CMOS兼容技術制作的發光元件。MIT通過注入電流成功使Ge-on-Si元件實現了激光振蕩（a）。日立制作所和東京大學荒川研究室也通過電流注入技術成功使Ge-on-Si元件實現了發光（b）。另外，東京大學大津研究室成功使pin型硅元件實現了高效率發光（c）。實現了多種波長的發光。（圖（b）由PECST制作，（c）由東京大學大津研究室拍攝）
間接遷移型＝根據波數和電子能量分析半導體的能帶結構時，價帶中能量最大的波數與導帶中能量最小的波數各不相同。波數是與動量有關的物理量，因此即使想把導帶的電子遷移到價帶中，一般來說，不符合動量守恒定律就無法遷移，也就是說無法發光。能發光的能帶結構被稱為直接遷移型。
打破這個常識的研究單位之一就是美國麻省理工學院（MIT）。MIT于2010年通過光激發使鍺發光，2012年通過注入電流，成功使鍺實現了激光振蕩。
成功的秘訣是對鍺進行高濃度n型摻雜，將其能帶結構變成直接遷移型。目前的摻雜濃度為4×1019個/cm3，對于半導體來說非常高。在有關鍺的研究中，與MIT有交流的東京大學的和田自信地表示，“還差一步，如果能達到1020個/cm3以上的摻雜，就能實現與化合物半導體相當的發光增益。硅光子全部能利用（硅和鍺等）IV族材料實現”。
日立制作所和東京大學荒川研究室也實現了鍺發光。日立制作所到2年前為止一直在進行通過量子效果使硅發光的研究，之后開始研究鍺。同樣是利用高濃度的n型摻雜鍺，在此基礎上通過SiN對鍺施加應變，并已確認這種方法可以提高發光強度。
硅發光取得進展
另外，還出現了使硅光子的主角——硅自身發光的例子。東京大學研究生院工學系研究科教授、納米光子研究中心中心長大津元一的研發小組2011年發現硅可以發光。
據介紹，為硅通電，然后邊照射電磁波邊進行p型摻雜的話，就會開始受激發射。已確認利用該材料制作的硅LED能夠發光注5）。
注5） 發光波長為1.1～1.5μm，能在大帶寬內發光。
通過不斷優化元件，目前紅外光硅LED的外部量子效率超過了10％（圖9）。作為才開發2年的發光效率，即使與目前最新型白色LED的30％左右相比，也已經算十分高了。雖然效率還比較低，但已制作出通過紅外光激光振蕩的元件，以及可通過紅色光、綠色光、藍色光等發光的硅LED。大津表示，計劃使可用于硅光子的紅外激光2015年達到10％的效率。
本圖為東京大學大津研究室正在開發的硅LED和硅激光元件的發光效率提高情況。紅外發光硅LED的外部發光效率超過了10％，正在靠近現有LED的約30％。（圖由《日經電子》根據東京大學大津研究室的資料制作）
通過這些技術開發，利用CMOS技術有望使半導體的任意位置成為光源。不僅是光傳輸，還能為顯示器等帶來巨大的影響。
能否打破1000個硅光子的集成壁壘
硅光子要想進一步發展還存在兩大課題。一是，使光元件和光收發器大幅實現小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分復用（DWDM）技術的利用。
在PECST等的研究成果中，光收發器的集成度目前有望實現526個/cm2，在不久的將來還可能會實現1000個/cm2（圖5）。但再往后，硅光子能否順利增加集成度就不得而知了。NTT特性科學基礎研究所、NTT納米光子中心中心長納富雅也表示，“硅光子的集成度存在1cm2約為1000個的壁壘”。
這種看法的理由是，構成光收發器的各元件的小型化已經到了極限。尺寸小于20μm見方的元件在硅光子中基本無法實現。因為再縮小元件尺寸的話，漏出的光會大幅增加，能量損失就會迅速增加。
瞄準芯片上的路徑控制
對于這個問題，最有效的解決方法是光密封效果高的光子晶體（PhC）技術。NTT利用化合物半導體制作出光子晶體，開發了多種主動光學元件（圖10）。目標是超越光收發器，在芯片上實現采用光存儲器等的主動路徑控制及簡單的信息處理等網絡。
本圖為NTT特性科學基礎研究所正在開發的、利用化合物半導體光子晶體的光傳輸技術群。與CMOS兼容技術相比，所占面積和耗電量均降低了2～3位數。光RAM等記錄介質的開發也取得了成功。（攝影：NTT）
作為其核心技術，目前已經開發出了激光振蕩元件、光開關及光RAM等，每個元件的尺寸為5～15μm見方。這樣便能以100萬個/cm2的密度集成光元件。其中，光開關的耗電量非常小，只有660aJ/bit，與電信號相比，有望大幅降低耗電量。該公司就這些技術表示，“打算2025年前后實現能貼在微處理器上的智能光網絡芯片”（納富）。
現在的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作主動元件。不過，結合發光的鍺和硅等技術的話，就有可能實現硅基光子晶體。DWDM可能是最后的課題
因此，增加光傳輸容量的方法方面，與DWDM相比，近來更重視多級調制的光傳輸技術人員越來越多。
但也有研究人員認為，“相對于電傳輸，利用DWDM是光傳輸的本質優勢，必須要推進利用DWDM的研究開發”（東京大學的和田）。最近，MIT的研究人員還在開發使波導不依賴于溫度的技術（圖12）。
MIT將覆蓋波導硅芯的“包覆”部的一部分換成了樹脂。這樣，波長對溫度的依賴性基本就不存在了。
本圖為MIT開發的折射率基本不依賴溫度的光波導概要。隨著溫度的上升，硅的折射率會變大，而樹脂的折射率會變小。因此，波導的有效折射率基本固定。