Laser Focus World JAPAN　レーザーフォーカスワールドジャパン

February 6, 2012, つくば--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、德島正敏総括主幹の研究グループ(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)は、シリコンフォトニクスによる光集積回路（光IC）と光ファイバとの直接光結合技術の高度化を、日本電気(NEC)の協力により達成した。
この技術は、光ファイバの信号光を光ICの光導波路に高効率で入出力するための技術。従来の直接結合では、光ファイバ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1dB以下が可能な高効率の光結合技術を開発。これによって、光ICと標準的な光ファイバ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。
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。他方、通信用の標準的な光ファイバ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。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。異なる物質による2つの逆向きのテーパ(先細り)を2重にした2段テーパ構造となっている。
この光変換器では、2段テーパ構造を構成するシリコンのテーパとガラスのテーパ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と一端面あたり1dB以下の光損失で結合ができる。
研究グループは、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100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レイを結合するが、光ファイバレイとしては、標準的な光ファイバを等間隔（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おり、光ファイバ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コネクト用の光ICへの適用も可能。
(詳細は、Applied Physics Expressに2012年2月6日にオンライン掲載)