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{{Use dmy dates|date=November 2014}}
'''シリコンフォトニクス'''とは、[[シリコン]]を[[光学媒質]]として用いた[[フォトニクス]]システムの研究と応用を追究する分野である<ref>{{cite journal
| last = Soref
| first = Richard A.
| last2 = Lorenzo
| first2 = Joseph P.
| date = 1986
| title = All-silicon active and passive guided-wave components for lambda= 1.3 and 1.6 microns
| url =
| journal = IEEE Journal of Quantum Electronics
| volume = 22
| issue =
| pages = 873–879
| doi = 10.1109/JQE.1986.1073057
| access-date =
| bibcode= 1986IJQE...22..873S
}}</ref><ref name="jalali_2006">{{cite journal
|doi = 10.1109/JLT.2006.885782
|title = Silicon photonics
|journal = [[Journal of Lightwave Technology]]
|year = 2006
|volume = 24
|issue = 12
|pages = 4600–4615
| bibcode = 2006JLwT...24.4600J |last1 = Jalali
|first1 = Bahram
|last2 = Fathpour
|first2 = Sasan
}}</ref><ref name="almeida_2004">{{cite journal
|title = All-optical control of light on a silicon chip
|journal = [[Nature (journal)|Nature]]
|year = 2004
|volume = 431
|issue = 7012
|pages = 1081–1084
|doi = 10.1038/nature02921
|pmid=15510144
| bibcode = 2004Natur.431.1081A |author1 = Almeida
|first1 = V. R.
|last2 = Barrios
|first2 = C. A.
|last3 = Panepucci
|first3 = R. R.
|last4 = Lipson
|first4 = M
}}</ref><ref name="pavesi_book">{{cite book
|title = Silicon photonics
|isbn = 3-540-21022-9
|publisher = [[Springer Science+Business Media|Springer]]
|year = 2004
}}</ref><ref name="reed_book">{{cite book
|title = Silicon photonics: an introduction
|isbn = 0-470-87034-6
|publisher = [[John Wiley and Sons]]
|year = 2004
}}</ref>。通常、サブマイクロメートルの精度でシリコンにパターン形成することによりマイクロフォトニクス系を構築する<ref name="pavesi_book" />。シリコンフォトニクスデバイスは[[赤外線]]波長領域で動作するが、従来から[[光ファイバ通信|光通信]]システムで使われることの多い[[波長]]1.55マイクロメートルので動作するものがほとんどである<ref name="lipson_2005">{{cite journal
|doi = 10.1109/JLT.2005.858225
|title = Guiding, Modulating, and Emitting Light on Silicon – Challenges and Opportunities
|journal = [[Journal of Lightwave Technology]]
|year = 2005
|volume = 23
|issue = 12
|pages = 4222–4238
|author = Lipson, Michal
| bibcode = 2005JLwT...23.4222L }}</ref>。[[マイクロエレクトロニクス]]において用いられる[[SOI]]技術を転用し、[[シリカ]]層の上に成層したシリコンが使われることが多い<ref name="pavesi_book" /><ref name="reed_book" />。
[[File:Silicon Photonics 300mm wafer.JPG|thumb|upright|right|シリコンフォトニクス300 mmウエハ]]
シリコンはほとんどの[[集積回路]]の基材として既に使われており、かつシリコンフォトニックデバイスは既存の[[半導体製造]]技術を用いて製造可能であるため、単一のマイクロチップ上に[[光学]]的および[[電子工学]]的構成要素が集積されたハイブリッドデバイスを作製することができる<ref name="lipson_2005" />。そのため、シリコンフォトニクスは[[IBM]]や[[インテル]]などの多くの電子装置製造会社や学術研究グループにより、[[ムーアの法則]]を守るための手段として、光インターコネクトを利用して[[マイクロチップ]]間およびマイクロチップ内での高速[[データ転送]]を提供するために積極的に研究されている<ref name="ibm_silicon">{{cite web
|title = Silicon Integrated Nanophotonics
|publisher = [[IBM]] Research
|url = http://domino.research.ibm.com/comm/research_projects.nsf/pages/photonics.index.html
|accessdate = 14 July 2009
}}</ref><ref name="intel_silicon">{{cite web
|title = Silicon Photonics
|publisher = [[Intel]]
|url = http://techresearch.intel.com/articles/Tera-Scale/1419.htm
|accessdate = 14 July 2009
}}</ref><ref>{{cite journal|last1=SPIE|title=Yurii A. Vlasov plenary presentation: Silicon Integrated Nanophotonics: From Fundamental Science to Manufacturable Technology|journal=SPIE Newsroom|date=5 March 2015|doi=10.1117/2.3201503.15}}</ref>。
シリコンデバイス内を伝播する[[光]]は、[[カー効果]]や[[ラマン効果]]、[[二光子吸収]]や[[光子]]・[[電荷キャリア|自由電荷キャリア]]間相互作用など様々な[[非線形光学]]現象の影響を受ける<ref name="dekker_2008" >{{cite journal
|title = Ultrafast nonlinear all-optical processes in silicon-on-insulator waveguides
|journal = [[Journal of Physics D]]
|year = 2008
|volume = 40
|issue = 14
|page = R249–R271
|doi=10.1088/0022-3727/40/14/r01
|bibcode = 2007JPhD...40..249D |last1 = Dekker
|first1 = R
|last2 = Usechak
|first2 = N
|last3 = Först
|first3 = M
|last4 = Driessen
|first4 = A
}}</ref>。これにより光と光を相互作用させることができ、<ref name="butcher_book">{{cite book
|title = The elements of nonlinear optics
|isbn = 0-521-42424-0
|publisher = [[Cambridge University Press]]
|year = 1991
|author1 = Butcher, Paul N. |author2 = Cotter, David
}}</ref>、光の受動伝送だけでなく波長変換や全光信号ルーティングなどへ応用が可能になるため、非線形光学現象の制御技術は非常に重要である。
また、シリコン[[導波路]]は特異な導波特性を持つため学術的関心をひいている。この導波特性は通信、相互接続、バイオセンサに応用可能であるほか<ref>http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=1668701</ref><ref>https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-23-4-4791</ref>、[[光ソリトン|ソリトン伝播]]などの新奇な非線形光学現象を起こす可能性もある<ref name="hsieh_2006" >{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.14.012380
|title = Ultrafast-pulse self-phase modulation and third-order dispersion in Si photonic wire-waveguides
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2006
|volume = 14
|issue = 25
|pages = 12380–12387
| bibcode = 2006OExpr..1412380H |last1 = Hsieh
|first1 = I.-Wei
|last2 = Chen
|first2 = Xiaogang
|last3 = Dadap
|first3 = Jerry I.
|last4 = Panoiu
|first4 = Nicolae C.
|last5 = Osgood
|first5 = Richard M.
|last6 = McNab
|first6 = Sharee J.
|last7 = Vlasov
|first7 = Yurii A.
}}</ref><ref name="zhang_2007">{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.15.007682
|title = Optical solitons in a silicon waveguide
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2007
|volume = 15
|issue = 12
|pages = 7682–7688
| bibcode = 2007OExpr..15.7682Z |last1 = Zhang
|first1 = Jidong
|last2 = Lin
|first2 = Qiang
|last3 = Piredda
|first3 = Giovanni
|last4 = Boyd
|first4 = Robert W.
|last5 = Agrawal
|first5 = Govind P.
|last6 = Fauchet
|first6 = Philippe M.
}}</ref><ref name="ding_2008">{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.16.003310
|title = Solitons and spectral broadening in long silicon-on- insulator photonic wires
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2008
|volume = 16
|issue = 5
|pages = 3310–3319
| bibcode = 2008OExpr..16.3310D |last1 = Ding
|first1 = W.
|last2 = Benton
|first2 = C.
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|first3 = A. V.
|last4 = Wadsworth
|first4 = W. J.
|last5 = Knight
|first5 = J. C.
|last6 = Skryabin
|first6 = D. V.
|last7 = Gnan
|first7 = M.
|last8 = Sorrel
|first8 = M.
|last9 = de la Rue
|first9 = R. M.
}}</ref>。
== 応用 ==
=== 光通信 ===
典型的な光リンクでは、データを電気信号からまず光信号へと変換する際、電気光学変調器もしくは直接変調レーザを用いる。電気光学変調器は光キャリアの強度や位相を変化させるための機器であるが、シリコンフォトニクスにおいては、自由電荷キャリアの密度を変化させることにより光を変調する形式のものが一般的である。Sorefと Bennettの経験則にあるように<ref>{{cite journal
| last = Soref
| first = Richard A.
| last2 = Bennett
| first2 = Brian R.
| date = 1987
| title = Electrooptical effects in silicon
| url = http://ieeexplore.ieee.org/document/1073206/
| journal = IEEE Journal of Quantum Electronics
| volume = 23
| issue = 1
| pages = 123–129
| doi = 10.1109/JQE.1987.1073206
| access-date =
| bibcode=1987IJQE...23..123S
}}</ref>、電子密度およびホール密度を変化させることでシリコンの[[複素屈折率]]を制御することができ、ここに光を通すことにより光変調が可能である。具体的には順バイアス[[PINダイオード]]<ref name="barrios_2003"/>{{efn|一般的に、位相シフトは大きいが低速である<ref name="barrios_2003">{{cite journal
|doi = 10.1109/JLT.2003.818167
|title = Electrooptic Modulation of Silicon-on-Insulator Submicrometer-Size Waveguide Devices
|journal = [[Journal of Lightwave Technology]]
|year = 2003
|volume = 21
|issue = 10
|pages = 2332–2339
| bibcode = 2003JLwT...21.2332B |last1 = Barrios
|first1 = C.A.
|last2 = Almeida
|first2 = V.R.
|last3 = Panepucci
|first3 = R.
|last4 = Lipson
|first4 = M.
}}</ref>}}および逆バイアス[[PN接合]]ダイオード<ref name="liu_2007">{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.15.000660
|last1 = Liu
|first1 = Ansheng
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|first4 = Hat
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|first5 = Berkehan
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|first6 = Yoel
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|first7 = Nahum
|last8 = Paniccia
|first8 = Mario
|title = High-speed optical modulation based on carrier depletion in a silicon waveguide
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2007
|volume = 15
|issue = 2
|pages = 660–668 |bibcode = 2007OExpr..15..660L
}}
</ref>を用いて光変調器を構成することができる。また、ゲルマニウム検出器と一体化されたマイクロリング変調器を備えたプロトタイプの光学的相互接続が実証されている<ref name="Long Chen_2009">{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.17.015248
|title = Integrated GHz silicon photonic interconnect with micrometer-scale modulators and detectors
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2009
|volume = 17
|issue = 17
|pages = 15248–15256
| bibcode = 2009OExpr..1715248C |arxiv = 0907.0022 |last1 = Chen
|first1 = Long
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|last3 = Manipatruni
|first3 = Sasikanth
|last4 = Lipson
|first4 = Michal
}}
</ref><ref name="register_vance">{{cite news
|title = Intel cranks up next-gen chip-to-chip play
|publisher = The Register
|author = Vance, Ashlee
|url = https://www.theregister.co.uk/2007/01/27/intel_silicon_modulator/print.html
|accessdate = 26 July 2009
}}</ref>。
通信・データ通信分野で通常用いられるマッハ・ツェンダー干渉計などの非共振変調器は典型的にミリメートル程度の寸法で製造されるが、リング共振器のような共振デバイスは数十マイクロメートル程度の小ささで製造することができ、占有面積を節約できる。2013年、標準的なSOI CMOS製造プロセスを用いて製造可能な共振欠乏変調器が実証されている<ref>{{Cite journal | last1 = Shainline | first1 = J. M. | last2 = Orcutt | first2 = J. S. | last3 = Wade | first3 = M. T. | last4 = Nammari | first4 = K. | last5 = Moss | first5 = B. | last6 = Georgas | first6 = M. | last7 = Sun | first7 = C. | last8 = Ram | first8 = R. J. | last9 = Stojanović | first9 = V. | last10 = Popović | first10 = M. A. | doi = 10.1364/OL.38.002657 | title = Depletion-mode carrier-plasma optical modulator in zero-change advanced CMOS | journal = Optics Letters | volume = 38 | issue = 15 | pages = 2657–2659 | year = 2013 | pmid = 23903103| pmc = |bibcode = 2013OptL...38.2657S }}</ref>。SOIではなく、バルクCMOSでも同様のデバイスが実証されている<ref>{{cite web|url=http://www.kurzweilai.net/major-silicon-photonics-breakthrough-could-allow-for-continued-exponential-growth-in-microprocessors |title=Major silicon photonics breakthrough could allow for continued exponential growth in microprocessors |publisher=KurzweilAI |date= 8 October 2013|accessdate=2018年11月}}</ref><ref>{{Cite journal | last1 = Shainline | first1 = J. M. | last2 = Orcutt | first2 = J. S. | last3 = Wade | first3 = M. T. | last4 = Nammari | first4 = K. | last5 = Tehar-Zahav | first5 = O. | last6 = Sternberg | first6 = Z. | last7 = Meade | first7 = R. | last8 = Ram | first8 = R. J. | last9 = Stojanović | first9 = V. | last10 = Popović | first10 = M. A. | doi = 10.1364/OL.38.002729 | title = Depletion-mode polysilicon optical modulators in a bulk complementary metal-oxide semiconductor process | journal = Optics Letters | volume = 38 | issue = 15 | pages = 2729–2731 | year = 2013 | pmid = 23903125| pmc = |bibcode = 2013OptL...38.2729S }}</ref>。
受信機側では、光信号は典型的には半導体[[光検出器]]を用いて電気領域に戻される。キャリア生成に使用される半導体は、通常、光子エネルギーよりも小さいバンドギャップを有し、最も一般的には純ゲルマニウムが選ばれる<ref>{{cite journal |last1=Kucharski |first1=D. |last2=Guckenberger |first2=D. |last3=Masini |first3=G. |last4=Abdalla |first4=S. |last5=Witzens |first5=J. |last6=Sahni |first6=S. |displayauthors=1 |year=2010 |title=10 Gb/s 15mW optical receiver with integrated Germanium photodetector and hybrid inductor peaking in 0.13µm SOI CMOS technology |journal= Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC) |pages=360–361}}</ref><ref>{{cite journal|year = 2006|title=CMOS photonics using germanium photodetectors|journal=ECS Transactions|volume=3|issue=7|pages=17–24|doi=10.1149/1.2355790|url=http://ecst.ecsdl.org/content/3/7/17.abstract|last1=Gunn|first1=Cary|last2=Masini|first2=Gianlorenzo|last3=Witzens|first3=J.|last4=Capellini|first4=G.}}</ref>。ほとんどの検出器はキャリア抽出に[[PN接合]]を使用するが、[[金属半導体接合]]（半導体としてゲルマニウムを使用）に基づく検出器もシリコン導波路に組み込まれている<ref name="vivien_2007">{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.15.009843
|title = High speed and high responsivity germanium photodetector integrated in a Silicon-On-Insulator microwaveguide
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2007
|volume = 15
|issue = 15
|pages = 9843–9848
| bibcode = 2007OExpr..15.9843V |last1 = Vivien
|first1 = Laurent
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|first2 = Mathieu
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|first4 = Delphine
|last5 = Damlencourt
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|last7 = Crozat
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|first8 = Loubna
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|first9 = Eric
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|first10 = Xavier
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|first11 = Daniel
|last12 = Laval
|first12 = Suzanne
}}</ref>。より最近では、40 Gbit/sで動作可能なシリコン・ゲルマニウム[[アバランシェフォトダイオード]]が製造されている<ref name="kang_2008">{{cite journal
|doi = 10.1038/nphoton.2008.247
|title = Monolithic germanium/silicon avalanche photodiodes with 340 GHz gain–bandwidth product
|journal = [[Nature Photonics]]
|year = 2008
|volume = 3
|issue =
|pages = 59–63
|bibcode = 2009NaPho...3...59K}}</ref><ref name="register_modine">{{cite news
|title = Intel trumpets world's fastest silicon photonic detector
|publisher = The Register
|author = Modine, Austin
|url = https://www.theregister.co.uk/2008/12/08/intel_world_record_apd_research/
|date = 8 December 2008
}}</ref>。完全なトランシーバは、アクティブな光ケーブルの形で商業化されている<ref>{{cite journal|author = Narasimha, A. |title = A 40-Gb/s QSFP optoelectronic transceiver in a 0.13 µm CMOS silicon-on-insulator technology|year = 2008|journal = Proceedings of the Optical Fiber Communication Conference (OFC)|page = OMK7|url=http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=OFC-2008-OMK7|isbn=978-1-55752-859-9}}</ref>。
光通信はリンク長によって便宜的に分類される。シリコンフォトニック通信の大部分はいままでのところ、通信距離が数キロメートルの通信用途<ref>{{cite book
| last = Doerr
| first = Christopher R.
| editor-last = Yamada
| editor-first = Koji
| display-authors = etal
| title = Photonic Integration and Photonics-Electronics Convergence on Silicon
| year = 2015
| publisher = Frontiers Media SA
| doi = 10.3389/fphy.2015.00037
| page = 7
| chapter = Silicon photonic integration in telecommunications
| bibcode= 2015FrP.....3...37D
}}</ref>、もしくは数メートルの通信データ通信用途に限られていた<ref>{{cite conference
| title = Monolithic Silicon Photonics at 25Gb/s
| first = Jason
| last = Orcutt
| year = 2016
| conference = Optical Fiber Communication Conference
| publisher = OSA
| pages = Th4H.1
| doi = 10.1364/OFC.2016.Th4H.1
|display-authors=etal
}}</ref><ref>{{cite conference
| title = Recent Progress in Silicon Photonics R&D and Manufacturing on 300mm Wafer Platform
| first = Boeuf
| last = Frederic
| year = 2015
| conference = Optical Fiber Communication Conference
| publisher = OSA
| pages = W3A.1
| doi = 10.1364/OFC.2015.W3A.1
|display-authors=etal
}}</ref>。
しかし、シリコンフォトニクスは光リンクがセンチメートルからメートルの範囲で到達するコンピュータ内通信{{訳語疑問点|date=2018年11月||cand_prefix=原語:|title=computercom}}においても重要な役割を果たすことが期待されている。実際、コンピュータ技術の進歩（および[[ムーアの法則]]の維持）は[[集積回路|マイクロチップ]]間および内のより高速な[[データ転送]]にますます依存してきている<ref name="meindl_2003">{{cite journal
|doi = 10.1109/MCISE.2003.1166548
|title = Beyond Moore's Law: the interconnect era
|journal = Computing in Science & Engineering
|year = 2003
|volume = 5
|issue = 1
|pages = 20–24
|author = Meindl, J. D.
}}</ref>。{{仮リンク|光インターコネクト|en|Optical interconnect}}は、技術進歩の方向性の1候補であり、シリコンフォトニクスは標準的なシリコンチップ上に集積することができれば、非常に有用となりうる<ref name="lipson_2005" /><ref name="barwicz_2006">{{cite journal
|doi = 10.1364/JON.6.000063
|title = Silicon photonics for compact, energy-efficient interconnects
|journal = Journal of Optical Networking
|year = 2006
|volume = 6
|issue = 1
|pages = 63–73
| bibcode = 2007JON.....6...63B |last1 = Barwicz
|first1 = T.
|last2 = Byun
|first2 = H.
|last3 = Gan
|first3 = F.
|last4 = Holzwarth
|first4 = C. W.
|last5 = Popovic
|first5 = M. A.
|last6 = Rakich
|first6 = P. T.
|last7 = Watts
|first7 = M. R.
|last8 = Ippen
|first8 = E. P.
|last9 = Kärtner
|first9 = F. X.
|last10 = Smith
|first10 = H. I.
|last11 = Orcutt
|first11 = J. S.
|last12 = Ram
|first12 = R. J.
|last13 = Stojanovic
|first13 = V.
|last14 = Olubuyide
|first14 = O. O.
|last15 = Hoyt
|first15 = J. L.
|last16 = Spector
|first16 = S.
|last17 = Geis
|first17 = M.
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|first18 = M.
|last19 = Lyszczarz
|first19 = T.
|last20 = Yoon
|first20 = J. U.
}}</ref><ref name="orcutt_2008">{{cite conference
|author = Orcutt, J. S.
|title = Demonstration of an Electronic Photonic Integrated Circuit in a Commercial Scaled Bulk CMOS Process
|conference = Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies
|year = 2008
|display-authors=etal}}</ref>。2006年、[[インテル]]の前上席副社長のPat Gelsingerは「今日、オプティクスはニッチ技術にすぎない。将来、オプティクスは我々が製造するすべてのチップの主流となる」と述べている<ref name="intel_silicon" />。
光入出力(I/O)を備えた最初のマイクロプロセッサは、「ゼロ変化」CMOSフォトニクスと呼ばれる手法を用いて2015年12月に実証された<ref>{{cite journal
| last1 = Sun
| first1 = Chen
| display-authors = etal
| date = 2015
| title = Single-chip microprocessor that communicates directly using light
| url =
| journal = Nature
| volume = 528
| issue =
| pages = 534–538
| doi = 10.1038/nature16454
| bibcode= 2015Natur.528..534S
}}</ref>。この最初の実証は45 nm SOIノードに基づいており、2×2.5 Gbit/sの速度で双方向チップ間リンクを動作させた。リンクの総エネルギー消費量は16 pJ/bと計算され、このほとんどがオフチップレーザの寄与であった。
オンチップ[[レーザ]]光源が必要と考えている研究者もいれば<ref>{{cite conference
| url =
| title = Semiconductor lasers on silicon
| first = John E
| last = Bowers
| year = 2014
| conference = 2014 International Semiconductor Laser Conference\
| publisher = IEEE
| pages = 29
}}</ref>、熱の問題（量子効率は温度が上がるにつれて下がるが、コンピュータチップは通常熱い）およびCMOS互換性の問題のために、オフチップにとどまるだろうと考えている研究者もいる。このようなデバイスの1つは、[[リン化インジウム]]などのシリコンとは別の半導体を[[レーザ媒質]]として用い、これをシリコンとつなぐハイブリッドシリコンレーザである<ref name="intel_hybrid">{{cite web
|url = http://techresearch.intel.com/articles/Tera-Scale/1448.htm
|title = Hybrid Silicon Laser – Intel Platform Research
|publisher = [[Intel]]
|accessdate = 14 July 2009
}}</ref>。他にも、シリコンをレーザ媒質として用いるオールシリコン{{仮リンク|ラマンレーザー|en|Raman laser}}にも可能性がある<ref name="rong_2005">{{cite journal
|title = An all-silicon Raman laser
|doi = 10.1038/nature03273
|journal = [[Nature (journal)|Nature]]
|pmid = 15635371
|year = 2005
|volume = 433
|issue = 7023
|pages = 292–294
| bibcode = 2005Natur.433..292R |author1 = Rong
|first1 = H
|last2 = Liu
|first2 = A
|last3 = Jones
|first3 = R
|last4 = Cohen
|first4 = O
|last5 = Hak
|first5 = D
|last6 = Nicolaescu
|first6 = R
|last7 = Fang
|first7 = A
|last8 = Paniccia
|first8 = M
}}</ref>。
2012年、IBMは標準技術を用いて製造でき、従来のチップに組み込むことのできる90ナノメートル大の光学部品を達成したと発表した<ref name="ibm_silicon" /><ref>{{cite web|url=http://www.gizmag.com/ibm-silicon-nanophotonics/25446/ |title=IBM integrates optics and electronics on a single chip |publisher=Gizmag.com |date= 13 December 2012|author=Borghino, Dario |accessdate=2018年11月}}</ref>。2013年9月、インテルはデータセンター内のサーバ間接続向けに、直径約5mmのケーブルを用いて毎秒100ギガビットの速度でデータを送信する技術を発表した。これに対して、従来のPCI-Eデータケーブルのデータを伝送速度は最大8ギガビット、ネットワーキングケーブルでは40 Gbit/sである。また、[[USB]]3.1規格の最大転送速度は10Gbit/s以上である。ただし、この技術は電気信号および光信号を相互変換するために別の回路基板を必要とするという点で、既存のケーブルを直接置き換えるというものではない。この速度向上により、ラック上のブレードを接続するケーブルの数を減らしたり、プロセッサ、ストレージ、メモリを別々のブレードに分離することも可能となり、より効率的な冷却と動的構成を実現できる<ref>{{cite web|last=Simonite |first=Tom |url=http://www.technologyreview.com/news/518941/intels-laser-chips-could-make-data-centers-run-better |title=Intel Unveils Optical Technology to Kill Copper Cables and Make Data Centers Run Faster | MIT Technology Review |publisher=Technologyreview.com |date= |accessdate=4 September 2013}}</ref>。
[[グラフェン]]光検出器は、現在はまだ電流発生容量においてオーダー1つ程度劣るものの、いくつかの重要な側面においてゲルマニウムのデバイスを上回る可能性を持っている。グラフェンのデバイスは非常に高い周波数で動作することができ、原理的にはより高い帯域幅に達する可能性がある。グラフェンはゲルマニウムより広い波長範囲を吸収することができる。この特性は、同じ光ビーム内でより多くのデータ流を同時に送信するために利用することができる。ゲルマニウム検出器とは異なり、グラフェン光検出器は印加電圧を必要とせず、これによりエネルギー需要を低減することができる。最終的に、グラフェン検出器は原則、より単純で安価なオンチップ集積化を可能にする。しかし、グラフェンは光を強く吸収しない。グラフェンシートとシリコン導波路を組み合わせると、光の経路が良くなり、相互作用を最大化する。そのようなデバイスは最初2011年に実証された。従来の製造技術を使用したデバイスの製造は実証されていない<ref>Orcutt, Mike (2 October 2013) [http://www.technologyreview.com/news/519441/graphene-could-make-data-centers-and-supercomputers-more-efficient "Graphene-Based Optical Communication Could Make Computing More Efficient]. ''MIT Technology Review''.</ref>。
=== 光ルータおよび信号処理器 ===
シリコンフォトニクスの別の用途は、[[光通信]]のための信号ルータにある。光学・電子部品を複数部分に分散させるのではなく、同じチップに組み立てることで構造を大幅に簡素化することができる<ref name="analui_2006">{{cite journal
|doi = 10.1109/JSSC.2006.884388
|title = A Fully Integrated 20-Gb/s Optoelectronic Transceiver Implemented in a Standard 0.13- μm CMOS SOI Technology
|journal = [[IEEE]] Journal of Solid-State Circuits
|year = 2006
|volume = 41
|issue = 12
|pages = 2945–2955
|last1 = Analui
|first1 = Behnam
|last2 = Guckenberger
|first2 = Drew
|last3 = Kucharski
|first3 = Daniel
|last4 = Narasimha
|first4 = Adithyaram
|bibcode = 2006IJSSC..41.2945A
}}</ref>。より広い目的は全光信号処理であり、これにより電子的方式で信号を操作することにより従来行われていた作業が、直接光学的方式で行われる<ref name="almeida_2004" /><ref name="boyraz_2004">{{cite journal
|doi = 10.1364/OPEX.12.004094
|title = All optical switching and continuum generation in silicon waveguides
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2004
|volume = 12
|issue = 17
|pages = 4094–4102
| bibcode = 2004OExpr..12.4094B |last1 = Boyraz
|first1 = ÖZdal
|last2 = Koonath
|first2 = Prakash
|last3 = Raghunathan
|first3 = Varun
|last4 = Jalali
|first4 = Bahram
}}</ref>。重要な例は、光信号のルーティングが他の光信号により直接制御される全[[光スイッチング]]である<ref name="vlasov_2008">{{cite journal
|doi = 10.1038/nphoton.2008.31
|title = High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks
|journal = [[Nature Photonics]]
|year = 2008
|volume = 2
|issue = 4
|pages = 242–246
|last1 = Vlasov
|first1 = Yurii
|last2 = Green
|first2 = William M. J.
|last3 = Xia
|first3 = Fengnian
}}</ref>。別の例は全光波長変換である<ref name="foster_2007">{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.15.012949
|title = Broad-band continuous-wave parametric wavelength conversion in silicon nanowaveguides
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2007
|volume = 15
|issue = 20
|pages = 12949–12958
| bibcode = 2007OExpr..1512949F |last1 = Foster
|first1 = Mark A.
|last2 = Turner
|first2 = Amy C.
|last3 = Salem
|first3 = Reza
|last4 = Lipson
|first4 = Michal
|last5 = Gaeta
|first5 = Alexander L.
}}</ref>。
2013年、[[カリフォルニア]]と[[イスラエル]]に拠点を置く[[Compass-EOS]]という[[ベンチャー|スタートアップ企業]]は、商用のシリコン to フォトニクスルータを初めて発表した<ref>{{cite web|url=https://venturebeat.com/2013/03/12/after-six-years-of-planning-compass-eos-takes-on-cisco-to-make-blazing-fast-routers/ |title=After six years of planning, Compass-EOS takes on Cisco to make blazing-fast routers |publisher=venturebeat.com |date=12 March 2013|accessdate=25 April 2013}}</ref>。
=== シリコンフォトニクスを用いた長距離通信 ===
シリコンマイクロフォトニクスは、マイクロスケールの超低消費電力デバイスを提供するため、潜在的に[[インターネット]]の帯域幅容量を増加させる可能性がある。さらに、これが成功すると、[[データセンター]]の消費電力を大幅に削減することができる。[[サンディア国立研究所]]<ref name="Sandia_2010">{{cite journal
|title = Power penalty measurement and frequency chirp extraction in silicon microdisk resonator modulators
|journal = Proc. Optical Fiber Communication Conference (OFC)
|year = 2010
|issue = OMI7
|author = Zortman, W. A.
}}</ref>、Kotura、[[NTT]]、[[富士通]]や学術機関の研究者は、この機能の証明を試みている。2010年の論文では、マイクロリングシリコンデバイスを使用した80 km、12.5 Gbit/s伝送のプロトタイプが報告されている<ref name="Biberman_Manipatruni_2010">{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.18.015544
|title = First demonstration of long-haul transmission using silicon microring modulators
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2010
|volume = 18
|issue = 15
|pages = 15544–15552
| bibcode = 2010OExpr..1815544B
|last1 = Biberman
|first1 = Aleksandr
|last2 = Manipatruni
|first2 = Sasikanth
|last3 = Ophir
|first3 = Noam
|last4 = Chen
|first4 = Long
|last5 = Lipson
|first5 = Michal
|last6 = Bergman
|first6 = Keren
}}</ref>。
=== ライトフィールドディスプレイ ===
2015年現在、アメリカのスタートアップ企業[[Magic Leap]]が、[[拡張現実]]ディスプレイの目的で、シリコンフォトニクスを使用したライトフィールドチップに取り組んでいる<ref name=":3">{{Cite web|title = Can Magic Leap Do What It Claims with $592 Million?|url = http://www.technologyreview.com/news/538146/magic-leap-needs-to-engineer-a-miracle/|accessdate = 2015-06-13|publisher = MIT Technology Review|last = Bourzac|first = Katherine|date = 2015-06-11}}</ref>。
== 物理的特性 ==
=== 導光および分散適合 ===
シリコンは約1.1マイクロメートルを超える波長を有する[[赤外光]]に対して「[[透明]]」である<ref name="reading_lab">{{cite web
|url = http://www.rdg.ac.uk/infrared/library/infraredmaterials/ir-infraredmaterials-si.aspx
|title = Silicon (Si)
|publisher = [[University of Reading]] Infrared Multilayer Laboratory
|accessdate = 17 July 2009
}}</ref>。また、シリコンは約3.5と非常に高い[[屈折率]]を持つ<ref name="reading_lab" />。この高い屈折率によるきつい光閉じ込めにより、わずか数百ナノメートルの断面寸法を有することのできる微視的[[光導波路]]が可能になる<ref name="dekker_2008" />。シングルモード伝播が達成され<ref name="dekker_2008" />、それにより（シングルモード光ファイバのように）[[モード分散]]の問題を排除できる。
このきつい閉じ込めから生じる強い誘電境界効果は、[[分散 (光学)|工学分散関係]]を実質的に変える。導波路形状を選択することにより、超短パルスを必要とする用途にとって極めて重要な所望の特性を有するように分散を適合することが可能となる<ref name="dekker_2008" />。特に、群速度分散（すなわち[[群速度]]が波長とともに変化する程度）を厳密に制御することができる。1.55マイクロメートルのバルクシリコンでは、長い波長のパルスが短い波長のものよりも高い群速度で移動するという点で、軍速度分散(GVD)は標準である。しかし、適切な導波路形状を選択することにより、これを逆にし、短い波長のパルスの方が早く進むという異常GVDを達成することが可能である<ref name="yin_2006" >{{cite journal
|doi = 10.1364/OL.31.001295
|title = Dispersion tailoring and soliton propagation in silicon waveguides
|journal = [[Optics Letters]]
|year = 2006
|volume = 31
|issue = 9
|pages = 1295–1297
| bibcode = 2006OptL...31.1295Y |last1 = Yin
|first1 = Lianghong
|last2 = Lin
|first2 = Q.
|last3 = Agrawal
|first3 = Govind P.
}}</ref><ref name="turner_2006" >{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.14.004357
|title = Tailored anomalous group-velocity dispersion in silicon channel waveguides
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2006
|volume = 14
|issue = 10
|pages = 4357–4362
| bibcode = 2006OExpr..14.4357T |last1 = Turner
|first1 = Amy C.
|last2 = Manolatou
|first2 = Christina
|last3 = Schmidt
|first3 = Bradley S.
|last4 = Lipson
|first4 = Michal
|last5 = Foster
|first5 = Mark A.
|last6 = Sharping
|first6 = Jay E.
|last7 = Gaeta
|first7 = Alexander L.
}}</ref>。異常分散は[[ソリトン]]伝播の前提条件であり、[[変調不安定性]]にとって重要である<ref name="agrawal_book">{{cite book
|last = Agrawal
|first = Govind P.
|year = 1995
|title = Nonlinear fiber optics
|place = San Diego (California)
|publisher = Academic Press
|edition =2nd
|isbn = 0-12-045142-5
}}</ref>。
シリコンフォトニクスの構成要素が、それらが製造される[[ウエハ]]のバルクシリコンから光学的に独立のままであるため、間に入る材料の層を持つことが必要である。これは普通、[[シリカ]]であり、屈折率がはるかに低く（今回興味のある波長領域で約1.44<ref name="malitson_1965">{{cite journal
|doi = 10.1364/JOSA.55.001205
|title = Interspecimen Comparison of the Refractive Index of Fused Silica
|journal = [[Journal of the Optical Society of America]]
|year = 1965
|volume = 55
|issue = 10
|pages = 1205–1209
|author = Malitson, I. H.
}}</ref>)）、それによりシリコン-シリカ界面での光は（シリコン-空気界面での光のように）[[全反射|全内部反射]]し、シリコン中に残り続ける。この構成はシリコンオンインシュレータとして知られている<ref name="pavesi_book" /><ref name="reed_book" />。これは[[寄生容量]]を低減して性能を向上させるために部品が絶縁体の層上に構築される電子工学の[[SOI]]の技術にちなんで命名された<ref name="celler_2003">{{cite journal
|title = Frontiers of silicon-on-insulator
|journal = [[Journal of Applied Physics]]
|year = 2003
|volume = 93
|page = 4955
| bibcode = 2003JAP....93.4955C |doi = 10.1063/1.1558223
|issue = 9 |last1 = Celler
|first1 = G. K.
|last2 = Cristoloveanu
|first2 = Sorin
}}</ref>。
=== カー非線形性 ===
シリコンは光強度により[[屈折率]]が増加するという点で、[[カー効果|カー非線形性]]を有している<ref name="dekker_2008" />。この効果はバルクシリコンでは特に強くないが、シリコン導波路を使用して光を非常に小さい断面積に集中させることにより大幅に高めることができる<ref name="hsieh_2006" />。これにより低電力で[[非線形光学]]効果を見ることができる。非線形性は、[[スロット導波路]]を用いてさらに強くすることができる。スロット導波路は、強い非線形[[ポリマー]]で満たされた中央の領域に光を閉じ込めるためにシリコンの高屈折率が使われているものである<ref name="koos_2007" >{{cite journal
|doi = 10.1364/OE.15.005976
|title = Nonlinear silicon-on-insulator waveguides for all-optical signal processing
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2007
|volume = 15
|issue = 10
|pages = 5976–5990
| bibcode = 2007OExpr..15.5976K
|pmid=19546900|author1 = Koos
|first1 = C
|last2 = Jacome
|first2 = L
|last3 = Poulton
|first3 = C
|last4 = Leuthold
|first4 = J
|last5 = Freude
|first5 = W
}}</ref>。
カー非線形性は、様々な光学現象の基礎となっている<ref name="agrawal_book" />。1つの例は、[[光パラメトリック増幅器|光パラメトリック増幅]]<ref name="foster_2006">{{cite journal
|title = Broad-band optical parametric gain on a silicon photonic chip
|journal = [[Nature (journal)|Nature]]
|year = 2006
|volume = 441
|issue = 7096
|pages = 960–3
|pmid = 16791190
|doi = 10.1038/nature04932
| bibcode = 2006Natur.441..960F |author1 = Foster
|first1 = M. A.
|last2 = Turner
|first2 = A. C.
|last3 = Sharping
|first3 = J. E.
|last4 = Schmidt
|first4 = B. S.
|last5 = Lipson
|first5 = M
|last6 = Gaeta
|first6 = A. L.
}}</ref>、パラメトリック波長変換<ref name="foster_2007" />、周波数コム生成を実現するためにシリコンに適用された[[4光波混合]]である<ref>{{cite journal|last1=Griffith|first1=Austin G.|last2=Lau|first2=Ryan K.W.|last3=Cardenas|first3=Jaime|last4=Okawachi|first4=Yoshitomo|last5=Mohanty|first5=Aseema|last6=Fain|first6=Romy|last7=Lee|first7=Yoon Ho Daniel|last8=Yu|first8=Mengjie|last9=Phare|first9=Christopher T.|last10=Poitras|first10=Carl B.|last11=Gaeta|first11=Alexander L.|last12=Lipson|first12=Michal|title=Silicon-chip mid-infrared frequency comb generation|journal=Nature Communications|date=24 February 2015|volume=6|pages=6299|doi=10.1038/ncomms7299|arxiv = 1408.1039 |bibcode = 2015NatCo...6E6299G|pmid=25708922}}</ref><ref>{{cite journal|last1=Kuyken|first1=Bart|last2=Ideguchi|first2=Takuro|last3=Holzner|first3=Simon|last4=Yan|first4=Ming|last5=Hänsch|first5=Theodor W.|last6=Van Campenhout|first6=Joris|last7=Verheyen|first7=Peter|last8=Coen|first8=Stéphane|last9=Leo|first9=Francois|last10=Baets|first10=Roel|last11=Roelkens|first11=Gunther|last12=Picqué|first12=Nathalie|title=An octave-spanning mid-infrared frequency comb generated in a silicon nanophotonic wire waveguide|journal=Nature Communications|date=20 February 2015|volume=6|pages=6310|doi=10.1038/ncomms7310|arxiv = 1405.4205 |bibcode = 2015NatCo...6E6310K|pmid=25697764|pmc=4346629}}</ref>。
カー非線形性はまた、光波形からのずれを増強し、スペクトル側波帯の生成およびパルス列への波形の最終的な分割に至る[[変調不安定性]]を起こす可能性がある<ref name="panoiu_2006">{{cite journal
|title = Modulation instability in silicon photonic nanowires
|journal = [[Optics Letters]]
|year = 2006
|volume = 31
|pages = 3609–11
|pmid=17130919
| bibcode = 2006OptL...31.3609P |doi = 10.1364/OL.31.003609
|issue = 24 |last1 = Panoiu
|first1 = Nicolae C.
|last2 = Chen
|first2 = Xiaogang
|last3 = Osgood Jr.
|first3 = Richard M.
}}</ref>。別例（後述）はソリトン伝播である。
=== 2光子吸収 ===
シリコンは1対の[[光子]]が[[電子-正孔対]]を励起するように働く[[2光子吸収]]を示す<ref name="dekker_2008" />。この過程はカー効果と関連があり、複素屈折率の類推により[[複素数|複素]]カー非線形の[[虚数|虚部]]と考えることができる<ref name="dekker_2008" />。1.55マイクロメートルの電気通信波長では、この虚部は実部の約10%である<ref name="yin_2006_2">{{cite journal
|doi = 10.1364/OL.32.002031
|title = Impact of two-photon absorption on self-phase modulation in silicon waveguides: Free-carrier effects
|journal = [[Optics Letters]]
|year = 2006
|volume = 32
|issue = 14
|pages = 2031–2033
|last1 = Yin
|first1 = Lianghong
|last2 = Agrawal
|first2 = Govind P.
|bibcode = 2007OptL...32.2031Y
}}</ref>。
2光子吸収の影響は、光を無駄にし望ましくない[[熱]]を生成するため非常に破壊的である<ref name="nikbin_article">{{cite news
|author = Nikbin, Darius
|title = Silicon photonics solves its "fundamental problem"
|publisher = IOP publishing
|url = http://optics.org/cws/article/research/25379
|date = 20 July 2006
}}</ref>。しかし、2光子吸収のカー比が低くなる長い波長に切り替えるか<ref name="bristow_2007">{{cite journal
|title = Two-photon absorption and Kerr coefficients of silicon for 850– {{convert|2200|nmi|km|abbr=on}}
|journal = [[Applied Physics Letters]]
|year = 2007
|volume = 90
|page = 191104
| bibcode = 2007ApPhL..90b1104R |doi = 10.1063/1.2430400
|issue = 2 |last1 = Rybczynski
|first1 = J.
|last2 = Kempa
|first2 = K.
|last3 = Herczynski
|first3 = A.
|last4 = Wang
|first4 = Y.
|last5 = Naughton
|first5 = M. J.
|last6 = Ren
|first6 = Z. F.
|last7 = Huang
|first7 = Z. P.
|last8 = Cai
|first8 = D.
|last9 = Giersig
|first9 = M.
}}</ref>、スロット導波路（内部非線形材料がカー比に対する2光子吸収が低い）を使用することで軽減することができる<ref name="koos_2007" />。もしくは、2光子吸収により失われたエネルギーは、生成された電荷キャリアからエネルギーを抽出することにより（後述の通り）部分的に取り戻すことができる<ref name="tsia_2006">{{cite conference
|author = Tsia, K. M.
|title = Energy Harvesting in Silicon Raman Amplifiers
|conference = 3rd [[IEEE]] International Conference on Group IV Photonics
|year = 2006
}}</ref>。
=== 自由電荷キャリアの相互作用 ===
シリコン内の自由[[電荷キャリア]]は、光子を吸収し、屈折率を変化させることができる<ref name="soref_1987">{{cite journal
|doi = 10.1109/JQE.1987.1073206
|title = Electrooptical Effects in Silicon
|journal = [[IEEE Journal of Quantum Electronics]]
|year = 1987
|volume = 23
|issue = 1
|pages = 123–129
| bibcode = 1987IJQE...23..123S |last1 = Soref
|first1 = R.
|last2 = Bennett
|first2 = B.
}}</ref>。これは、キャリア濃度が2光子吸収により構築されているため高強度および長時間にわたり特に重要である。自由電荷キャリアの影響は、しばしば（常にではない）望ましいものではなく、取り除くための様々な手段が提案されている。そのような方法の1つに、[[キャリア再結合]]を高めるためにシリコンに[[ヘリウム]]を[[イオン注入|注入]]することがある<ref name="liu_2006">{{cite journal
|doi = 10.1364/OL.31.001714
|title = Nonlinear absorption and Raman gain in helium-ion-implanted silicon waveguides
|journal = [[Optics Letters]]
|year = 2006
|volume = 31
|issue = 11
|pages = 1714–1716
| bibcode = 2006OptL...31.1714L |last1 = Liu
|first1 = Y.
|last2 = Tsang
|first2 = H. K.
}}</ref>。形状を適切に選択することで、キャリア寿命を短縮することもできる。リブ導波路（導波路はシリコンのより広い層のより厚い領域からなる）は、シリカ-シリコン界面でのキャリア再結合と、導波路コアからのキャリア[[拡散]]の両方を高める<ref name="dimitropoulos_2005">{{cite journal
|title = Lifetime of photogenerated carriers in silicon-on-insulator rib waveguides
|journal = [[Applied Physics Letters]]
|year = 2005
|volume = 86
|page = 071115
| bibcode = 2005ApPhL..86a1115Z |doi = 10.1063/1.1846145 |last1 = Zevallos l.
|first1 = Manuel E.
|last2 = Gayen
|first2 = S. K.
|last3 = Alrubaiee
|first3 = M.
|last4 = Alfano
|first4 = R. R.
}}</ref>。
キャリア除去のより進んだ方式は、キャリアが導波路コアから引き離されるように、[[逆バイアス]]された[[PINダイオード]]の[[真性半導体|真性領域]]に導波路を集積することである<ref name="jones_2005">{{cite journal
|doi = 10.1364/OPEX.13.000519
|title = Net continuous wave optical gain in a low loss silicon-on-insulator waveguide by stimulated Raman scattering
|journal = [[Optics Express]]
|year = 2005
|volume = 13
|issue = 2
|pages = 519–525
| bibcode = 2005OExpr..13..519J |last1 = Jones
|first1 = Richard
|last2 = Rong
|first2 = Haisheng
|last3 = Liu
|first3 = Ansheng
|last4 = Fang
|first4 = Alexander W.
|last5 = Paniccia
|first5 = Mario J.
|last6 = Hak
|first6 = Dani
|last7 = Cohen
|first7 = Oded
}}</ref>。より洗練された方法には、電圧と電流の位相がずれている回路の一部にダイオードを使うことで、導波路からパワーを引き出すものがある<ref name="tsia_2006" />。このパワー源は、2光子吸収で失われた光であるため、その一部を取り戻すことで正味の損失（および熱が発生するレート）を低減することができる。
上述の通り、自由電荷キャリア効果は、光を変調するために建設的に利用することもできる<ref name="barrios_2003" /><ref name="liu_2007" /><ref name="xu_2007">{{cite journal
|title = High Speed Carrier Injection 18 Gbit/s Silicon Micro-ring Electro-optic Modulator
|journal = Proceedings of Lasers and Electro-Optics Society
|year = 2007
|pages = 537–538
|last1 = Manipatruni
|first1 = Sasikanth
|author2 = Qianfan Xu
|last3 = Schmidt
|first3 = B.
|last4 = Shakya
|first4 = J.
|last5 = Lipson
|first5 = M.
|displayauthors = 1
|doi=10.1109/leos.2007.4382517
}}</ref>。
=== 二次非線形性 ===
二次非線形性は、結晶構造の中心対称性のためバルクシリコンには存在しない。しかし、ゆがみを加えることで、シリコンの反転対称性が破壊されることがある。これは、例えば薄いシリコン膜上に[[窒化ケイ素|窒化シリコン]]層を堆積させることで得られる<ref name="JacobsenAndersen2006">{{cite journal|last1=Jacobsen|first1=Rune S.|last2=Andersen|first2=Karin N.|last3=Borel|first3=Peter I.|last4=Fage-Pedersen|first4=Jacob|last5=Frandsen|first5=Lars H.|last6=Hansen|first6=Ole|last7=Kristensen|first7=Martin|last8=Lavrinenko|first8=Andrei V.|last9=Moulin|first9=Gaid|last10=Ou|first10=Haiyan|last11=Peucheret|first11=Christophe|last12=Zsigri|first12=Beáta|last13=Bjarklev|first13=Anders|title=Strained silicon as a new electro-optic material|journal=Nature|volume=441|issue=7090|year=2006|pages=199–202|issn=0028-0836|doi=10.1038/nature04706|pmid=16688172|bibcode = 2006Natur.441..199J }}</ref>。
二次非線形現象は、[[ポッケルス効果|光変調]]、[[自発的パラメトリック下方変換]]、[[光パラメトリック増幅器|パラメトリック増幅]]、[[光コンピューティング|超高速光信号処理]]、[[赤外線|中赤外]]発生などに活用できる。しかし、効果的な非線形変換は、関与する光波間の位相整合を必要とする。ゆがみシリコンに基づく2次非線形導波路は分散工学により位相整合を達成することができる<ref name="AvrutskySoref2011">{{cite journal|last1=Avrutsky|first1=Ivan|last2=Soref|first2=Richard|title=Phase-matched sum frequency generation in strained silicon waveguides using their second-order nonlinear optical susceptibility|journal=Optics Express|volume=19|issue=22|year=2011|page=21707|issn=1094-4087|doi=10.1364/OE.19.021707|bibcode = 2011OExpr..1921707A }}</ref>。しかし、これまでのところ実験的実証は位相整合していない設計のみに基づいている<ref name="CazzanelliBianco2011">{{cite journal|last1=Cazzanelli|first1=M.|last2=Bianco|first2=F.|last3=Borga|first3=E.|last4=Pucker|first4=G.|last5=Ghulinyan|first5=M.|last6=Degoli|first6=E.|last7=Luppi|first7=E.|last8=Véniard|first8=V.|last9=Ossicini|first9=S.|last10=Modotto|first10=D.|last11=Wabnitz|first11=S.|last12=Pierobon|first12=R.|last13=Pavesi|first13=L.|title=Second-harmonic generation in silicon waveguides strained by silicon nitride|journal=Nature Materials|volume=11|issue=2|year=2011|pages=148–154|issn=1476-1122|doi=10.1038/nmat3200|pmid=22138793|bibcode = 2012NatMa..11..148C }}</ref>。高い非線形の有機クラッディング<ref name="AlloattiKorn2012">{{cite journal|last1=Alloatti|first1=L.|last2=Korn|first2=D.|last3=Weimann|first3=C.|last4=Koos|first4=C.|last5=Freude|first5=W.|last6=Leuthold|first6=J.|title=Second-order nonlinear silicon-organic hybrid waveguides|journal=Optics Express|volume=20|issue=18|year=2012|page=20506|issn=1094-4087|doi=10.1364/OE.20.020506|bibcode = 2012OExpr..2020506A }}</ref>と周期的にゆがんだシリコン導波路で被覆されたシリコンダブルスロット導波路においても位相整合が得られることが示されている<ref name="HonTsia2009">{{cite journal|last1=Hon|first1=Nick K.|last2=Tsia|first2=Kevin K.|last3=Solli|first3=Daniel R.|last4=Jalali|first4=Bahram|title=Periodically poled silicon|journal=Applied Physics Letters|volume=94|issue=9|year=2009|page=091116|issn=0003-6951|doi=10.1063/1.3094750|arxiv = 0812.4427 |bibcode = 2009ApPhL..94i1116H }}</ref>。
=== ラマン効果 ===
シリコンは、光子が材料の励起もしくは緩和に対応してわずかに異なるエネルギーを有する光子と交換される[[ラマン効果]]を示す。シリコンのラマン遷移は、単一の非常に狭い周波数ピークにより支配される。これは[[ラマン増幅]]のような広帯域現象には問題があるが、[[ラマンレーザ]]のような狭帯域デバイスにとっては有益である<ref name="dekker_2008" />。ラマン増幅とラマンレーザの初期の研究は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校で開始され、純利得シリコンラマン増幅器とファイバ共振器を備えたシリコンパルスラマンレーザの実証につながった(Optics express 2004)。結果的に、全シリコンラマンレーザは2005年に作られた<ref name="rong_2005" />。
=== ブリルアン効果 ===
ラマン効果では、光子は約15THzの[[フォノン#音響フォノンと光学フォノン|光学フォノン]]により赤もしくは青に偏移する。しかし、シリコン導波路は音響フォノン励起も支持する。その光との相互作用は[[ブリルアン散乱]]と呼ばれる。これらの音響フォノンの周波数およびモード形状はシリコン導波路の構造および大きさに依存する。したがって、周波数は数MHzから数十GHzに調整可能である。それらの光との相互作用は、狭帯域光増幅器を作るために使われることがある<ref>{{Cite journal|last=Van Laer|first=Raphaël|last2=Kuyken|first2=Bart|last3=Van Thourhout|first3=Dries|last4=Baets|first4=Roel|date=2015-03-01|title=Interaction between light and highly confined hypersound in a silicon photonic nanowire|url=http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n3/full/nphoton.2015.11.html|journal=Nature Photonics|language=en|volume=9|issue=3|pages=199–203|doi=10.1038/nphoton.2015.11|issn=1749-4885|arxiv=1407.4977|bibcode=2015NaPho...9..199V}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Kittlaus|first=Eric A.|last2=Shin|first2=Heedeuk|last3=Rakich|first3=Peter T.|date=2016-07-01|title=Large Brillouin amplification in silicon|url=http://www.nature.com/nphoton/journal/v10/n7/full/nphoton.2016.112.html|journal=Nature Photonics|language=en|volume=10|issue=7|pages=463–467|doi=10.1038/nphoton.2016.112|issn=1749-4885|arxiv=1510.08495|bibcode=2016NaPho..10..463K}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Van Laer|first=Raphaël |last2=Bazin|first2=Alexandre|last3=Kuyken|first3=Bart|last4=Baets|first4=Roel|last5=Thourhout|first5=Dries Van|date=2015-01-01|title=Net on-chip Brillouin gain based on suspended silicon nanowires|url=http://stacks.iop.org/1367-2630/17/i=11/a=115005|journal=New Journal of Physics|language=en|volume=17|issue=11|pages=115005|doi=10.1088/1367-2630/17/11/115005|issn=1367-2630|arxiv=1508.06318|bibcode=2015NJPh...17k5005V}}</ref>。光子と音響フォノンの相互作用は、3D光学空洞は相互作用を観測する必要はないが、空洞オプトメカニクスの分野でも研究されている<ref>{{Cite journal|last=Van Laer|first=Raphaël|last2=Baets|first2=Roel|last3=Van Thourhout|first3=Dries|date=2016-05-20|title=Unifying Brillouin scattering and cavity optomechanics|url=http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.93.053828|journal=Physical Review A|volume=93|issue=5|pages=053828|doi=10.1103/PhysRevA.93.053828|arxiv=1503.03044|bibcode=2016PhRvA..93e3828V}}</ref>。例えば、シリコン導波路の他に、オプトメカニクスのカップリングはファイバ<ref>{{Cite journal|last=Kobyakov|first=Andrey|last2=Sauer|first2=Michael|last3=Chowdhury|first3=Dipak|date=2010-03-31|title=Stimulated Brillouin scattering in optical fibers|url=https://www.osapublishing.org/aop/abstract.cfm?uri=aop-2-1-1|journal=Advances in Optics and Photonics|language=EN|volume=2|issue=1|doi=10.1364/AOP.2.000001|issn=1943-8206|bibcode=2010AdOP....2....1K}}</ref>およびカルコゲナイド導波路においても実証されている<ref>{{Cite journal|last=Levy|first=Shahar|last2=Lyubin|first2=Victor|last3=Klebanov|first3=Matvei|last4=Scheuer|first4=Jacob|last5=Zadok|first5=Avi|date=2012-12-15|title=Stimulated Brillouin scattering amplification in centimeter-long directly written chalcogenide waveguides|url=https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-37-24-5112|journal=Optics Letters|language=EN|volume=37|issue=24|doi=10.1364/OL.37.005112|issn=1539-4794|page=5112|bibcode=2012OptL...37.5112L}}</ref>。
== ソリトン ==
シリコン導波路を通る光の展開は、3次元[[非線形シュレーディンガー方程式]]で近似することができる<ref name="dekker_2008" />。これは[[双曲線関数|sech]]様の[[ソリトン]]解を認める際に顕著である<ref name="drazin_book">{{cite book
|title = Solitons: an introduction
|publisher = [[Cambridge University Press]]
|year = 1989
|isbn = 0-521-33655-4
|author1=Drazin, P. G. |author2=Johnson, R. S.
|lastauthoramp=yes }}</ref>。これらの[[光ソリトン]]（[[光ファイバ]]においても知られる）は、[[自己位相変調]]（パルスの前縁を赤方偏移させ、後縁を青方偏移させる）と異常群速度分散の間のバランスから生じる<ref name="agrawal_book" />。[[コロンビア大学]]<ref name="hsieh_2006" />、[[ロチェスターカレッジ]]<ref name="zhang_2007" />、[[バス大学]]<ref name="ding_2008" />のグループにより、シリコン導波路内でこのようなソリトンが観測されている。
== 脚注 ==
=== 出典 ===
{{reflist|30em}}
=== 注釈 ===
{{Notes}}
{{DEFAULTSORT:しりこんふおとにくす}}
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