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» 2018年08月07日 11時30分 公開

福田昭のデバイス通信(157) imecが語る最新のシリコンフォトニクス技術(17):光ファイバーとシリコン光導波路を結合する技術 (1/2)

今回は、光ファイバーとシリコン光導波路を結合する技術を解説する。

[福田昭,EE Times Japan]

垂直方向と水平方向の、2つの結合レイアウト

 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、100Gビット/秒と極めて高速にデジタル信号を光ファイバー伝送する実験と、その結果をご紹介した。今回は、光ファイバーとシリコン光導波路を結合する技術を解説する。

 良く知られているように、光は基本的に真っすぐにしか進まない。光ファイバーとシリコン光導波路の間を進む光も、当然ながら直進する。ここでシリコン光導波路を作り込んだシリコンダイ(シリコンチップ)は、極めて薄い板であることをイメージしよう。光導波路はシリコンダイの表面に沿って細長い線のような形で作られてる。つまり光導波路中の光ビームは、シリコンダイ表面と平行に進む。ここで、光ファイバーをシリコンダイに対してどのように空間的に配置して光導波路と結び付けるか、という命題を考える。

 解答は2通りだ。1つは、シリコンダイ表面に対して垂直に近い方向に光ファイバーを配置する方法である。シリコンダイの光導波路で光ファイバーと結合する部分には、回折格子(グレーティング)を形成しておく。例えば光ファイバーを出て回折格子に入った光ビームは、回折格子によって折り曲げられて光導波路へと進む。このような光結合素子を「回折格子型光ファイバー結合器」と呼ぶ。

 もう1つは、シリコンダイ表面に対して平行な方向に光ファイバーを配置する方法である。光ファイバーの端面(エッジ)とシリコン光導波路の端面(エッジ)を近接させる。シリコン光導波路で光ファイバーと結合する部分には、結合効率を高めるために寸法を太くしたシリコン酸化窒化膜(SiON膜)の光導波路を形成しておく。光ファイバーを出た光ビームは折り曲げられることなく、SiON膜の光導波路に入射する。このような光結合素子を「エッジ型光ファイバー結合器」と呼ぶ。

 回折格子型光ファイバー結合器は、物理形状の周期構造あるいは屈折率の周期構造によって回折格子(グレーティング)を形成している。回折格子の寸法は光ファイバーの光スポット寸法(例えば標準的なシングルモードファイバーである「SMF-28」では約10μm)よりも大きくできるので、結合そのものは易しい。ただし、結合可能な光波長帯域は狭く、また結合効率には偏光モード依存性がある。さらには、垂直方向に光ファイバーをレイアウトしているので、パッケージングが容易ではない。

 エッジ型光ファイバー結合器は、結合可能な光波長の帯域幅が非常に広く、また偏光モードに対する依存性があまりない。また垂直方向の出っ張りが少ないので、パッケージングが容易である。ただし、光導波路の端面はあまり大きくできないので、結合そのものの効率は低い。結合効率を上げるための工夫が必要となる。

光ファイバーとシリコン光導波路を結合する2つの方法。左は回折格子型光ファイバー結合器。右はエッジ型光ファイバー結合器。それぞれに一長一短がある。出典:imec(クリックで拡大)
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