Si細線導波路集積デバイス

摘要

Silicon photonics on an SOI wafer or chip, which enables miniaturized optical interconnection down to submicron scale utilizing silicon-wire waveguide, has been attracting much attention as a promising platform for downsizing optical communication systems and reducing their energy consumption, in order to realize highly efficient functional optoelectronic devices applying nonlinear optical effects enhanced by strong optical confinement, and for overcoming the electronic wiring bottle-neck in increasing processing speed of LSI circuits. A compact spot-size converter, which is capable of efficient coupling between optical fiber and Si-wire, is a key device for both inter-chip and on-chip interconnections, and a cross-connect with small loss and low crosstalk between waveguides is also indispensable in order to realize highly flexible design of waveguide circuits on a chip. A compact and highly efficient photo-detector with high-speed responses integrated with silicon-wire waveguides is one of the most important devices for on-chip optical interconnects. In this paper, we propose a novel compact and efficient spot-size converter with very thin over-cladding and a flying-junction underpass Si-wire cross-connect, which is suited to integration with other optoelectronic devices and electronic circuits on an SOI wafer. These devices are designed by simulating three-dimensional light propagation, and also are demonstrated experimentally. Further, we propose an extremely small InGaAs-based MSM waveguide-photodetector, which is integrated with Si-wire on an SOI wafer, and its capability of highly-efficient operation is shown theoretically. Its fundamental operation at a wavelength of 1.55μm is also demonstrated by fabricating a device, which is integrated on Si-wire waveguide by applying direct wafer bonding.%SOIウェハあるいはチップ上のシリコンフォトニクスは、シリコン細線導波路を利用して光配線のサブミクロン領域への微細化を可能とし、これにより光通信システムの小型化および低消費エネルギー化や、強い光閉じ込めによる光非線形性による高効率の光機能デバイスの実現、さらには、電気配線ボトルネックを克服してLSI の処理速度の向上を可能とする技術として多くの注目と期待を集めている。光ファイバーとシリコン細線との高効率光結合を可能とする小型のスポットサイズ変換器は、チップ問およびチップ内の光配線におけるキーデバイスであり、低損失かつ低クロストークの交差光導波路も光回路の自在な設計のために不可欠である。また、シリコン細線と集積化された小型で高効率かつ高速応答の受光素子は、チップ内光配線における最も重要なデバイスのひとつである。本報告では、非常に薄い上部クラッドを採用し、SOIウェハ上の他の光電子デバイスや電子回路との集積化に適した、小型で高効率のスポットサイズ変換器および、この構造に基づくシリコン細線の立体交差光導波路を提案して、3次元光伝播シミュレーションに基づく設計を行ない、試作デバイスによる実験的検証を行なう。さらに、SOIウェハ上のシリコン細線と集積化した超小型のInGaAs のMSM 導波路型受光素子をを提案し、理論的解析により高効率動作の可能性を示すとともに、試作素子により波長1.5μm における基本的な受光動作を実証する。