光集積回路

導波路型光アイソレータ
光集積回路のための異種結晶集積化技術
結晶再成長を用いないスポットサイズ変換器
シングルトレンチ型TE-TMモード変換器
偏波無依存グレーティング結合器
テーパを含む結合導波路の結合特性の一般化

導波路型光アイソレータ

 半導体レーザや光増幅器などの光能動素子へ反射戻り光が再入射することを阻止する光アイソレータは、能動素子の動作安定化に必要不可欠です。本研究では、半導体レーザや半導体光増幅器と容易に集積化できるように、半導体導波路で光アイソレータを実現することを目的にしています。アイソレータ動作には磁性ガーネットなどの磁気光学材料を用いる必要があります。半導体導波層の上に隙間無く磁性ガーネットを装荷するために、 ダイレクトボンディング という技術を用い、一偏波のみで比較的容易な磁化制御で動作する、LD集積化形光アイソレータの開発を行っています。



 アイソレータは上の図のように動作します。
半導体レーザから出力された光(赤色)は、そのまま右方向に伝搬して出力端から出力されます。
逆に、外部から反射された光(青色)は左方向に伝搬しますが、半導体レーザには戻りません。これは、磁気光学材料による非相反移相効果(伝搬方向によって光波が受ける位相変化量が異なるという効果)を利用しています。

シリコン導波路型光アイソレータ

 近年、シリコンフォトニクスと呼ばれるシリコンウエハ上に形成した光集積回路の需要が高まっており、本研究室ではシリコン導波路に磁性ガーネットを貼り付けた光アイソレータの研究も行っています。
シリコン導波路はSilicon-on-insulator(SOI)ウエハ上にCMOS互換プロセスで形成されます。SGGGウエハ上に単結晶成長した磁性ガーネットCe:YIG(CeY2Fe5O12)膜をダイレクトボンディングにより直接貼り付けます。
 これまでに世界で初めて20dBを超えるアイソレーション比の動作に成功し、広帯域動作、温度無依存動作などの提案と実証を行っています。



シリコン導波路型光サーキュレータ

 光サーキュレータは特定のポート間で光を一方向に伝達させ、入出力ポートの関係が循環関係にある非相反デバイスであり、双方向通信や波長多重通信を行う上で重要な機能素子です。通信用光機能回路の集積化を行う上で集積化が可能な光素子が必要とされていますが、集積化が可能な半導体導波路での光サーキュレータは実現がされていません。本研究では小型でかつ他のデバイスと容易に集積化ができるように、Siを導波路とし、磁気光学材料による非相反移相効果を用いた光サーキュレータの実現を検討しています。




関連する発表論文

光集積回路のための異種結晶集積化技術



 半導体レーザとその発振安定化に必要不可欠な光アイソレータを集積化するために、格子定数をはじめとする結晶学的に性質の異なる二つの材料系(磁気光学結晶とIII-V族化合物半導体)を集積化する技術を、ダイレクトボンディングという手法で実現しています。
 接着剤を使わずにウェハを直接張り合わせるダイレクトボンディングによって、InPやシリコンと磁気光学結晶(希土類鉄ガーネット)を集積化する技術を開発しています。これまでに、InP基板にMOCVD法により成長したGaInAsPやシリコン基板上に、磁気光学結晶膜を200℃程度の低温熱処理でボンディングできることを実証しています。

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結晶再成長を用いないスポットサイズ変換器

 光ファイバ通信の2大要素として、光を発生するレーザと、発生させた光を伝送する光ファイバが挙げられる。 レーザは半導体チップ上に作られ、レーザで発生した光は、チップ上の光導波路を伝わり、光ファイバに接続される。 しかし,両者を直接接続すると、接続部で大きな結合損失が生じてしまう。これは、光導波路を伝わる光分布の広がりの大きさ(スポットサイズ)と、光ファイバのスポットサイズが大きく異なることに起因する。 そこで、本研究では導波路の光ファイバ結合端面の構造を工夫し、導波路のスポットサイズを光ファイバ程度まで大きくすることにより、結合損失を低減できるデバイス(スポットサイズ変換器-SSC)を検討した。 従来のSSCは複雑な製作プロセスで製作されるものが多かったので、本研究では簡単な製作プロセス(マスク&エッチングのみ)で製作できるSSCを検討した。

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シングルトレンチ型TE-TMモード変換器

 光(電磁波)には「偏波」がある。 光導波路を伝搬する光波には、電界が基板に対して水平方向に振動する「TEモード」と垂直方向に振動する「TMモード」という2つの偏波モードが存在する。 多くの導波路デバイスは、一方の偏波モードに対してしか動作しない設計となっているため、光集積回路を構成するためにはTE-TMモード変換器(偏波回転器とも呼ばれる)が必要となる。 本研究ではTE-TMモード変換器を、導波路に溝をひとつ付加した構造(シングルトレンチ構造)を用いて実現することを検討している。
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偏波無依存グレーティング結合器

伝搬してきた光波を導波路の外部に取り出すグレーティング結合器は、光トランシーバの受信部として用いられる。グレーティング結合器は、下図のように導波路に周期的な溝を設けた構造になっている。 このような導波路を光波が伝搬する際には、導波路の上側へ放射される成分と基板側へ放射される成分および導波路をそのまま透過する成分が発生する。本研究では、 グレーティング結合器の構造を工夫することで上側放射効率の改善を検討している。


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テーパを含む結合導波路の結合特性の一般化

伝搬方向に導波路構造が変化するテーパ形方向性結合器は、その動作特性がプロセス誤差や動作波長の変化による影響を受けにくいという利点を有する。しかし、導波路構造と動作特性の関係は十分には明らかになっておらず、構造を与えて動作特性を解析し、その結果を参考にしながら、所望の特性が得られる構造を模索しなければならない。本研究は、テーパ形結合器の構造と動作特性の関係を明確にすることを目的としている。なお、規格化パラメータを用いて導波路を表現することによって一般化された表現形式を導出し、これを用いて議論を一般化している。

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