第 202 号・2023 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

特集

異種材料集積を用いた
低消費電力波長可変レーザ

Low Power Consumption Tunable Lasers with Heterogeneous Material Integration
＊平谷拓生

新田俊之

Takuo Hiratani

Toshiyuki Nitta

井上尚子

藤原直樹

Naoko Inoue

菊地健彦

八木英樹

Takehiko Kikuchi

Naoki Fujiwara

Hideki Yagi

IoT 技術を用いた様々なアプリケーションの進展により通信量が増大し、2030年にはデータレートが10 Tb/s を超えると予想されている。一方、光通信を支えてきた単一材料光デバイスにおいては10 Tb/s 級のデータ伝送に向けた広帯域化と低消費電力化の両立に限界が見え始めており、技術的なブレークスルーが求められている。高速・高効率動作に優れた III-V 族化合物半導体と素子の小型化による高密度集積が可能なシリコン（Si）フォトニクスのそれぞれの利点を組み合わせた異種材料集積光デバイスは、その有望なアプローチの一つとして期待されている。本稿では異種材料集積を利用した波長可変レーザについて報告する。

The development of various IoT applications is accelerating data traffic, and it is anticipated that a data rate of more than
10 Tb/s will be required by 2030. On the other hand, conventional single-material photonic device technologies supporting
optical communications seem to have limitations to achieve both high-speed operation and low power consumption for
10 Tb/s-class data transmission. To overcome this challenge, heterogeneous integration, which combines the advantagesof III-V compound semiconductors for high-speed and high-efficiency operation and Si photonics for high-density
integration through device miniaturization, is expected as one of the promising approaches. This paper reports
wavelength tunable lasers using heterogeneous integration.
キーワード：異種材料集積、波長可変レーザ、シリコンフォトニクス、接合技術

1.

緒言

自動運転や遠隔医療、スマートシティ、スマート農業など多岐にわたる IoTアプリケーションが提案され、実現に※1向けた取り組みが進められている。従来に比べ様々な「モ本的な消費電力の低減が必要である。このように従来の光通信を支えてきた単一材料光デバイスでは、高速動作と低消費電力の両立に限界が見えてきており、技術的なブレークスルーが求められている。

ノ」がインターネットに接続されることで利便性が大きく

III-V 族化合物半導体と Si フォトニクスのそれぞれの利点向上する一方で、それを支える光通信にはさらなる技術のを組み合わせた異種材料集積光デバイスは、その有望なア向上が必要とされる。このような背景の中、スマート社会プローチとして期待されている。従来の単一材料光デバイ実現に向けた通信網の一つとして、第5世代移動通信シス

スで主に用いられる InP 系材料などの III-V 族化合物半導体

テム（5G）が既に導入され、さらにその先の6G と呼ばれは高速・高効率動作に優れており、Si フォトニクスによりるモバイルシステムが検討されている。これに伴い、アク高密度に集積することで、伝送容量の大容量化が可能となセスネットワークやデータセンタネットワークについてもる。さらに、それぞれの利点を生かした設計を行うことで、これまで以上の情報伝送量が求められることとなる。デー

単一材料素子を超える高効率・低消費電力な動作が期待さ

タ伝送を行う光トランシーバに要求される伝送速度は2025（4）れる（3）、。本稿では、InP 系利得領域と Si フォトニクスを年には1 Tb/s を超え、2030年には10 Tb/s 級に達すると用いた波長フィルタをウエハ接合により集積した波長可変予想されている。

レーザについて報告する。

これまでに光通信システムには、III-V 族化合物半導体※2から成る InP 系モノリシック集積素子（1）やシリコン（Si）2.

フォトニクス※3素子（2）が用いられてきたが、10 Tb/s 級の異種材料集積技術

データ伝送実現は、現状、単一材料素子では困難であり、

III-V 族化合物半導体と Si フォトニクスを組み合わせた異多チャネル化により伝送量を増加させることが一つの方法

種材料集積の取り組みは数多く報告されており、その集積手となる。伝送量の面で利点は大きいが、素子の大型化、コ法についても様々な方法が提案されている。代表的な III-Vストの増加、消費電力の増大等が懸念される。最新のデバ族化合物半導体と Si フォトニクスを用いた異種材料集積技

イス技術を用いた800 Gb/s の伝送速度に対応した小型・術を表1にまとめた。

低消費電力トランシーバを使用した場合でも16チャネルが端面結合型（5）は III-V 族化合物半導体チップと Si フォト必要となり、消費電力は300 W を超えると試算され、抜ニクスチップの端面を突き合わせる形で集積するものであ
異種材料集積を用いた低消費電力波長可変レーザ13（1）住友電工テクニカルレビュー
III-V 族化合物半導体とSi フォトニクスを組み合わせた異種材料集積技術
端面結合

マイクロトランスファー
プリンティング

ウエハ/小片接合(a)[ dB ]

表1

第 202 号・2023 年 1 月

1

100-10

高密度集積

✓✓

✓✓✓

✓✓✓

-20

位置合わせ精度✓✓✓✓✓✓✓

III-V族化合物
半導体部の作製容易さ-301480

✓✓✓

✓✓

✓✓

[ dB ]

(b)

(a)

2

10

1500

1520

1540

1520

1540

1560

1580

1600

1620

1560

1580

1600

1620

[ nm ]

20-10-20-30

2-40-50
1480

11500

[ nm ]

図2 （a）リング共振器1とリング共振器2のフィルタ透過特性と（b）2つのリング共振器を組み合わせたフィルタの透過特性

III-V/Si果、両者の導波路位置ずれによる光結合損失を低減することができるため、III-V 族化合物半導体／ Si 間で高い光結合効率が得られるのが特長である。一方で、Si フォトニクス(b)pn

ウエハ上に接合後、半導体加工を行うため、Si 加工と III-V族化合物半導体加工の両方の知識・技術が必要となる。
以上のように様々な異種材料集積技術が報告されているが、当社では高密度集積、位置合わせ精度の観点で優れてSiいるウエハ / 小片接合技術を用いた異種材料集積光デバイスに着目し検討を行った。

図1 ウエハ接合を用いた InP/Si 接合集積波長可変レーザの（a）概要図と（b）InP/Si 光結合部構造

3.

InP/Si 接合集積波長可変レーザ

図1（a）にウエハ接合を用いた InP/Si 接合集積波長可変レーザの概要図を示す（11）。光を発する InP 系の利得領域とる。それぞれのチップを個別に作製できるため、III-V 族化

Si 導波路で作製したループミラー※4やリング共振器※5を組合物半導体素子の作製は従来通りの手法を用いることがでみ合わせた構成である。InP 系利得領域はリッジ導波路※6をきる。一方で、III-V 族化合物半導体素子の実装時の位置ず用いており、Si 導波路幅により活性層への光閉じ込め係数れによる損失や反射などの課題が挙げられる。

を変化させることができる（12）。また、図1（b）に示すようマイクロトランスファープリンティング（6）～（8）は、III-V 族に InP 系利得領域と Si 導波路との光結合のため、p 型テーパ化合物半導体ウエハ上に作製した素子をピックアップし、、14）と n 型テーパの2段テーパ構造としている（13）（。p 型テーSi フォトニクスウエハ上の所望の位置に接合する技術であパについては、リッジ導波路とハイメサ導波路※7の2種類をる。様々な III-V 族化合物半導体を用いた素子を接合でき、用いた2段リッジ構造としている。本構造を用いることに高密度集積も可能であるが、接合時の位置ずれに課題がより光結合損失および波長依存性の低減が可能である（12）。

ある。

図2に2つのリング共振器の透過スペクトルとそれらを組み（9）、（10）ウエハ／小片接合技術（4）、は III-V 族化合物半導体合わせたフィルタの透過スペクトルを示す。共振波長間隔のウエハまたは小片を Si フォトニクスウエハ上に接合し、がわずかに異なる2つのリング共振器を組み合わせること後から素子の加工を行うことで集積素子を作製するものでで、これら2つの共振波長間隔から決まるモード間隔でそある。異なる種類の III-V 族化合物半導体薄膜を用いること

れぞれの共振波長が一致しピークとなるバーニア効果を用で、様々な機能を持つ素子を1チップ内に高密度に集積するいている。このモード間隔を広くとり、それぞれのリングことも可能となる。この方法では、フォトリソグラフィー共振器上に集積したマイクロヒータによる熱光学効果を用によるパターニングで位置合わせ精度が決まるため、他のいて共振波長をシフトさせることで、広い波長範囲で所望2種類の方法と比較して高い位置精度が得られる。その結の波長を出力できる。
異種材料集積を用いた低消費電力波長可変レーザ14（2）住友電工テクニカルレビュー

第 202 号・2023 年 1 月(a) Si(c) InP

(b)
InP

Si on Insulator(SOI)(d)

GaInAsP(e) p

GaInAsP

,n(f)

p-InP

SiO2n-InP

Si(g)

図3

InP/Si 接合集積波長可変レーザの作製フロー

1.5p(20 °C - CW)[ mW ]()

n

1.00.5Si
写真10.0

試作した素子の InP/Si 光結合構造

020406080

100 120 140[ mA ]
図4

試作素子の電流 - 光出力特性

図3に InP/Si 接合集積波長可変レーザの作製フローを示す。まず、Si on insulator（SOI）ウエハ上に Si 導波路を形成する。次に、InP 基板上に発光層となる GaInAsP 多重顕微鏡写真を写真1に示す。Si 導波路上に2段リッジ構造を量子井戸（MQW）層を含むレーザ構造を結晶成長したウ含む2段のテーパ導波路構造が形成されていることが確認

エハを準備し、Si 導波路を作製した SOI ウエハと直接接合できる。

を行う。薬液等を用いて InP 基板を除去することにより、Si導波路上に InP 系の発光層が接合された状態となる。その4.

後、フォトリソグラフィーによるパターン形成およびドライエッチング等による半導体加工を行うことで、利得領域

4－1試作素子の特性波長可変レーザの特性のリッジ導波路構造および光結合構造である2段テーパ導試作した InP/Si 接合集積波長可変レーザについて、ダイ波路を形成する。最後に、SiO2上部クラッド層を成膜し、シングにより端面形成を行い、評価を行った。Si 外部共振利得部の電極形成、リング共振器および位相調整部のマイ器長2.5 mm、利得領域長1.1 mm の素子の電流 - 光出力特クロヒータ形成を行う。試作した素子の光結合構造の電子性を図4に示す。20℃連続動作において、しきい値電流32異種材料集積を用いた低消費電力波長可変レーザ15（3）住友電工テクニカルレビュー

第 202 号・2023 年 1 月

0[ mW ]

(a)

-40

2

[ nm ][ dBm ]

-20-601-80
1540[ mW ]

1550

1560

1570

1600

1590

1590

1580

1570

1560

1560

1550

1550
010 20 30 40 50 60
1[ mW ]

1540

1600

1610

擬似連続波長掃引動作時のスペクトルの重ね合わせ

(a)

1580

1570

1540

図6Port 1(w/o SOA)
SOA

3dB0(b)

10 20 30 40 50 60
20-10[ mW ]

光強度 [dBm][ nm ][ nm ]

1610

1600

1590

[ nm ]

(b)
1610

1580

図5 （a）2つのリング共振器のヒータ注入電力に対する発振波長マップと（b）それぞれのリング共振器へのヒータ注入電力に対する発振波長mA、最大光出力1.3 mW が得られた。光出力特性に見らド飛びが生じたことによるもので、このタイプのレーザに見られる現象であり、使用時の動作に問題はない。

10 dB-30

SMSR
41 dB

-40-60Port 2 (with SOA)
ISOA: 100 mA-70

Port 1 (without SOA)

-80

れるキンクは、利得領域への電流注入で位相が変化しモー

CW operation at 20 oC
ILD: 100 mA-20-50Port 2(w/SOA)

1550

1560

1570
1580
波長 [nm]1590

図7 （a）SOA を集積した波長可変レーザの構成と（b）スペクトル特性

図5（a）に2つのリング共振器のヒータ注入電力に対する発振波長マップを示す。2つのリング共振器への注入電力を制御することで、バーニア効果による広い波長可変範囲が得られている。位相調整部の制御による共振器モード調整も組み合わせることで広い波長可変範囲で擬似連続波長掃4－2SOA 集積波長可変レーザの特性引動作が可能である。図5（b）にはそれぞれのリング共振

図7（a）に SOA ※8を集積した波長可変レーザの構造を示器への注入電力に対する発振波長を示す。それぞれのリンす（12）。図3で示した作製フローで試作しており、レーザとグ共振器へのヒータ注入電力が50 mW 以下、すなわち、SOA の利得領域は同一の活性層構造を用いている。波長可総注入電力としては100 mW 以下で、擬似連続波長掃引動変レーザの光出力を3 dB 光結合器により1：1に分岐して作が可能である。

おり、Port 1からは SOA を通さない光出力が得られ、Port図6に各ヒータ注入電力を調整し擬似連続波長掃引動作

2からは SOA を通した光出力を得ることができる。

を行った際の重ね合わせたスペクトルを示す。副モード抑図7（b）に波長可変レーザを100 mA で駆動した状態

圧比（SMSR）が41 dB 以上の単一モード動作で56.2 nmで、SOA に100 mA の電流を注入した際の Port 1およびの広い波長可変幅が得られている。広い波長範囲で光出力Port 2のスペクトル特性を示す。SMSR41 dB の単一モーの変化が小さく安定した動作となっているのは、InP/Si 光ド動作が得られており、Port 2と Port 1の光出力差は発振結合構造として、動作波長内で光結合効率の変化が小さい波長のピーク強度で10 dB が得られた。これらの結果は、2段リッジ導波路を含む2段テーパ導波路構造としたことがSi 導波路上に III-V 族化合物半導体素子の多機能集積を実現寄与していると考えられる。

する上で本手法が有望であることを示すものである。
異種材料集積を用いた低消費電力波長可変レーザ

16（4）住友電工テクニカルレビュー

5.

結第 202 号・2023 年 1 月

言用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1IoT

本稿では将来の情報伝送量増大に対応するための一つのInternet of Things: モノのインターネットと呼ばれ、これ方法として、III-V 族化合物半導体と Si フォトニクスを組みまでにインターネットにつながっていなかった様々なモノ合わせた異種材料集積技術を用いた光デバイスについてのがインターネットに接続され相互に通信を行う仕組み。

検討結果を報告した。高密度集積、高光結合効率の観点で利点があるウエハ接合技術により2段リッジ構造を有する※2

InP/Si 接合集積波長可変レーザを試作し、波長可変幅56.2

III 族元素および V 族元素を用いた半導体。直接遷移型といIII-V 族化合物半導体

nm の動作を実現した。これは、Si フォトニクスを用いたう特徴により高効率な発光が可能で、レーザなどの光源と光回路における光源として有望であることを示している。

して用いられる。

また、同一ウエハ上に SOA を集積した波長可変レーザにおいて、SOA による波長可変レーザの光出力の増幅が得られ※3た。本技術は光源だけではなく様々な機能素子への展開がSi 基板上に微細加工技術を用いて、様々な光デバイスを集シリコン（Si）フォトニクス可能であり、これらを Si フォトニクス光回路上に高密度に積可能とする。Si 導波路は大きな屈折率差により強い光閉集積することで、将来の光伝送を支える新たな光デバイスじ込めが得られ、小型化、高密度集積に優れる。

技術となることが期待される。
※46.

謝辞

この成果は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術

ループミラー

光導波路で形成した反射器。方向性結合器などの光結合器により分波した光を再度ループにより戻すことで反射器として機能する。

総合開発機構（NEDO）の委託業務（JPNP14004）の結果得られたものです。

※5

リング共振器

リング状の光導波路と方向性結合器などの光結合器を組み合わせた素子。リングの周長に対応した共振波長間隔で共振する。
※6

リッジ導波路Shallow ridge と呼ばれる導波路構造で、コア層となる活性層上部のクラッド層を矩形に加工することで光を閉じ込めている。
※7ハイメサ導波路

Deep ridge と呼ばれる導波路構造で、上部クラッド層およびコア層となる活性層を矩形に加工した構造で、コア層に光を強く閉じ込めることができる。
※8SOASemiconductor Optical Amplifier: 半導体光増幅素子。

異種材料集積を用いた低消費電力波長可変レーザ

17（5）住友電工テクニカルレビュー

第 202 号・2023 年 1 月

参 考 文 献執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー（1）	H. Yagi, T. Kaneko, N. Kono, Y. Yoneda, K. Uesaka, M. Ekawa,M. Takechi, and H. Shoji,“InP-Based Monolithically Integrated
Photonic Devices for Digital Coherent Transmission,”IEEE J.
Sel. Topics Quantum Electron., vol. 24, no. 1, 6100411（Jan./Feb. 2018）（2）	C. Doerr, L. Chen, D. Vermeulen, T. Nielsen, S. Azemati,
S. Stulz, G. McBrien, X.-M. Xu, B. Mikkelsen, M. Givehchi,
C. Rasmussen, and S. -Y. Park,“Single-Chip Silicon Photonics
100-Gb/s Coherent Transceiver,”Proc. OFC/NFOEC 2014,
paper Th5C.1（2014）（3）	M. Takenaka, J. Han, F. Boeuf, J. Park, Q. Li, C. P. Ho, D. Lyu,S. Ohno, J. Fujikata, S. Takahashi, and S. Takagi,“III-V/Si Hybrid MOS Optical Phase Modulator for Si Photonic
Integrated Circuits,”Proc. ECOC 2018, paper Mo3C.3（2018）（4）	M. Tran, D. Huang, J. Guo, T. Komljenovic, P. A. Morton, andJ. E. Bowers,“Ring-Resonator Based Widely-Tunable NarrowLinewidth Si/InP Integrated Lasers,”IEEE J. Sel. Topics Quantum
Electron., vol. 26, no. 2, pp. 1500514（Mar./Apr. 2020）（5）	Y. Gao, J. Lo, S. Lee, R. Patel, L. Zhu, J. Nee, D. Tsou, R. Carney,and J. Sun,“High-Power, Narrow-Linewidth, Miniaturized Silicon
Photonic Tunable Laser With Accurate Frequency Control,”J.
Lightwave Technol., vol. 38, no. 2, pp. 265-271（2020）（6）	J. Zhang, G. Muliuk, J. Juvert, S. Kumari, J. Goyvaerts, B. Haq,
C. Beeck, B. Kuyken, G. Morthier, D. V. Thourhout, R. Baets,
G. Lepage, P. Verheyen, J. V. Campenhout, A. Gocalinska,
J. O’Callaghan, E. Pelucchi, K. Thomas, B. Corbett, A. J.
Trindade, and G. Roelkens,”III-V-on-Si photonic integratedcircuits realized using micro-transfer-printing,”APL Photon.,
vol. 4, 110803（2019）（7）	R. Kou, T. Hiratani, H. Yagi, H. Kuwatsuka, M. Okano, M. Ohno,
H. Kawashima, K. Suzuki, N. Fujiwara, H. Shoji, and K. Yamada,“III-V/Si Adiabatic-Crossing Taper Structure Designed forµ-Transfer Printing,”Proc. Conference on Lasers and ElectroOptics, paper SM2O.7（2020）（8）	R. Kou, T. Hiratani, H. Yagi, H. Kuwatsuka, T. Yen, M. Okano,
M. Ohno, H. Kawashima, K. Suzuki, N. Fujiwara, H. Shoji,
and K. Yamada,“Inter-layer light transition in hybrid III-V/Si
waveguides integrated by µ-transfer printing,”Opt. Express,
vol. 28, no. 13, pp. 19772-19782（2020）（9）	Y. Wang, K. Nagasaka, T. Mirtarai, Y. Ohiso, T. Amemiya, andN. Nishiyama,“High-quality InP/SOI heterogeneous material
integration by room temperature surface-activated bondingfor hybrid photonic devices,”Jpn. J. Appl. Phys. vol. 59,052004-1-10（2020）（10）	T. Kikuchi, L. Bai, T. Mitarai, H. Yagi, M. Furukawa, T. Amemiya,
N. Nishiyama, and S. Arai,“Enhanced bonding strength of InP/
Si chip-on-wafer by plasma-activated bonding using stresscontrolled interlayer,”Jpn. J. Appl. Phys., vol. 59, SBBD02-1-8（2020）（11）	T . Hiratani, N. Fujiwara, T. Kikuchi, N. Inoue, T. Ishikawa,T. Nitta, M. Eissa, Y. Oiso, N. Nishiyama, and H. Yagi,“III-V gainregion/Si external cavity hybrid tunable lasers with InP-based
two-storied ridge structure,”ISLC 2021, paper TuA3-6（2021）（12）	T. Kikuchi, T. Hiratani, N. Fujiwara, N. Inoue, T. Nitta, M. Eissa,T. Mitarai, Y. Wang, Y. Oiso, N. Nishiyama, and H. Yagi,“III-Vgain region/Si waveguide hybrid lasers with InP-based twostoried ridge structure by direct bonding technology,”Jpn. J.
Appl. Phys., vol. 61, 052002-1-10（2022）（13）	J. Suzuki, F. Tachibana, K. Nagasaka, M. Eissa, L. Bai, T. Mitarai,
T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai,“Highly eﬃcient
double-taper-type coupler between III–V/silicon-on-insulator
hybrid device and silicon waveguide,”Jpn. J. Appl. Phys. vol.
57, 094101-1-6（2018）（14）	T . Miyazaki, F. Tachibana, T. Kikuchi, T. Hiratani, H. Yagi,
M. Eissa, T. Mitarai, T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai,“Taper Length Dependence of Double Taper-Type Coupler
for GaInAsP/SOI Hybrid Integrated Platform,”Proc. Compound
Semiconductor Week（CSW）2019, paper TuA3-6（2019）平谷

拓 生＊ ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

井上

尚 子 ：伝送デバイス研究所

主査

菊地健 彦 ：伝送デバイス研究所

主査

新田俊 之 ：伝送デバイス研究所

グループ長

藤原直 樹 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

グループ長

八木英 樹 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

主幹ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

異種材料集積を用いた低消費電力波長可変レーザ

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