独立行政法人 産業技術総合研究所（産総研）ナノデバイスセンター集積実証室 德島 正敏 総括主幹、亀井 明夫 主査、ナノエレクトロニクス研究部門 堀川 剛 主任研究員らは2012年2月3日、シリコンフォトニクスによる光ICと光ファイバーとの直接光結合技術の高度化を、NECの協力により達成したと発表した。
この技術は、光ファイバーの信号光を光ICの光導波路に高効率で入出力するための技術である。従来の直接結合では、光ファイバーに比べて光導波路が格段に細いことや両者の屈折率の違いから、光信号の損失が大きいことが課題であった。今回、光導波路を伝わる信号光の直径と結合端面の屈折率を同時に変換することができる新しい構造の光変換器を適用することで、一端面あたりの光損失1 dB以下が可能な高効率の光結合技術を開発することができた。本技術によって、光ICと標準的な光ファイバーとの低損失の光結合が可能になり、光結合のための組み立て工程も容易になることから、多チャンネル光ICの低コスト化にも貢献すると期待されるとしている。
シリコンフォトニクスによる光ICの光回路はシリコンの光導波路で構成されるが、それを通る光ビームの断面の大きさは通常1μm角程度以下である。他方、通信用の標準的な光ファイバーを通る光ビームの直径は10μmであり、ビーム径の違いは10～100倍にも達する。そのため、両者を突き合わせるだけで低損失に光結合するには、この倍率でビーム径を拡大/縮小できる光変換器を光IC側に搭載する必要がある。さらに、光導波路側の結合端面の屈折率を光ファイバーと同程度に変換することで、屈折率の差による結合界面での光ビームの反射を抑制することも重要である。今回、これら2つの条件を満たし、通り抜ける信号光を拡大/縮小する光変換器を考案し、標準的な光ファイバーと光ICとの直接光結合を可能とした。この光変換器は、光ICのチップの縁に取り付けるもので、細らせたシリコンの光導波路の先に、結合端面に向かって幅の広がるガラスのリブ型光導波路をかぶせた構造をもつ。すなわち、異なる物質による2つの逆向きのテーパー（先細り）を2重にした2段テーパー構造である。
この光変換器では、2段テーパー構造を構成するシリコンのテーパーとガラスのテーパーの両方が光ビームを拡大/縮小する効果をもつため、1段テーパー構造では難しかった高倍率での光ビームの拡大/縮小が可能になった。また、光ICの光導波路が屈折率の大きいシリコン（屈折率3.5）であっても、結合端面は光ファイバーと同じ屈折率（1.5）のガラスに切り換わるため、光ファイバーとの結合界面での反射を十分に小さくできた。これらの効果により、標準的な光ファイバーと一端面あたり1 dB以下の光損失で結合ができる。 光変換器の構造設計に併せて、その製造プロセスの高度化にも取り組んだ。庇状に上部がせり出したフォトレジストのパターンをシリコン基板上に形成し、それをマスクとして表面をエッチングすることによって、緩やかなスロープを形成できるようになった。量産性を維持したまま、通常の数百倍の厚みのフォトレジストパターンを用いることで、傾斜角1°以下と十分に緩やかなシリコンのスロープを形成できるようになっている。
光変換器アレイを搭載した光ICを試作した。光変換器アレイは光変換器を等間隔に並べたものであり、これによって光ICの光入出力を多チャンネル化できる。光変換器アレイには光ファイバーアレイを結合するが、光ファイバーアレイとしては、標準的な光ファイバーを等間隔（250μmまたは127μm）に数本から数十本並べたものが既に市販されている。従って、光ファイバーアレイとの直接光結合ができる光変換器アレイがあれば、光ICの多チャンネル化を容易に行える。今回開発した光結合技術により、光ファイバーアレイを直接結合するだけで、高効率の光結合を実現できるため、光ICの多チャンネル化が促進されると考えられる。
今回、高度化した技術は、長距離通信用の光ICだけでなく、比較的短距離の光インターコネクト用の光ICへの適用も可能である。将来的には、産総研で展開される新規プロジェクトや共同研究などの枠組みを通じて、本技術を多様な光IC開発に提供することで、大容量情報社会を支える多チャンネル光ICの標準的な光結合技術として普及を図っていく予定であるとしている。
URL=http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20120203/pr20120203.html
| 
