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» 2018年05月23日 11時30分 公開

福田昭のデバイス通信(147) imecが語る最新のシリコンフォトニクス技術(7):シリコン光導波路と基本的な光波長フィルター (1/2)

光回路を形成する受動素子(パッシブデバイス)を解説する。具体的にはシリコン光導波路と、基本的なシリコン光波長フィルターを取り上げる。

[福田昭,EE Times Japan]

光回路を構成する受動素子

 半導体デバイス技術に関する国際会議「IEDM」では、カンファレンスの前々日に「チュートリアル(Tutorial)」と呼ぶ技術セミナーを開催している。2017年12月に開催されたIEDMでは、6件のチュートリアルが開催された。

 その中から、シリコンフォトニクスに関する講座「Silicon Photonics for Next-Generation Optical Interconnects(次世代光接続に向けたシリコンフォトニクス)」が興味深かったので、その概要をシリーズでお届けしている。講演者は、ベルギーの研究開発機関imecのJoris Van Campenhout氏である。

 なお講演の内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者の理解を助けるために、講演の内容を適宜、補足している。あらかじめご了承されたい。

 前回は、imecが研究しているシリコンフォトニクス・プラットフォームの姿をご紹介した。今回は、光回路を形成する受動素子(パッシブデバイス)を解説する。具体的にはシリコン光導波路と、基本的なシリコン光波長フィルターを取り上げる。

光ビームを数マイクロメートルの半径で曲げるシリコン光導波路

 シリコンダイの表面で光ビームの伝搬経路を自由自在にレイアウトするための基本素子が、光導波路(optical waveguide)である。光導波路は、中心部のコア(光の通り道)と周辺部のクラッド(光を閉じ込める層)で構成される。コアは屈折率が高く、クラッドは屈折率が低い。光ビームはコア内に入るとコアとクラッドの境界で全反射し、コア内に閉じ込められながら、進行する。

 光導波路の材料にはガラスや半導体などがある。シリコンフォトニクスでは、シリコン(Si)をコア、二酸化シリコン(SiO2)をクラッドとする。光波長が約1.55μm(1550nm)のときにシリコンの屈折率は約3.45、二酸化シリコンの屈折率は約1.45である。この屈折率の違いは非常に大きく、細長い板状のシリコンに光ビームを簡単に閉じ込めることができる。

 シリコンをコア、二酸化シリコンをクラッドとする光導波路(シリコン光導波路)は、ガラスを使う光導波路や化合物半導体のインジウムリン(InP)を使う光導波路に比べると、非常に小さな半径で曲げられるという利点がある。曲げ半径が数マイクロメートルで、伝搬損失は1dB/cmくらい。シリコンコアの幅は450nm、シリコンコアの高さは220nmである。

シリコン光導波路の性能と試作した構造。左は伝搬損失と曲げ半径の関係。中央はシリコン光導波路の電子顕微鏡観察画像と断面構造図。右はシリコン光導波路のレイアウト例 (クリックで拡大) 出典:imec

 シリコン光導波路の課題は、コアとなるシリコンの加工技術にある。コアの側壁が粗くなる、あるいはコアの幅が変動すると、光ビームの伝搬損失が増大する。コアの側壁を滑らかにするとともに、コアの幅を均一に維持しなければならない。

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