特集：次世代 EO 素子開発の最前線 2

有機・シリコン融合フォトニクスによるオンチップ超高速光通信デバイス

光デバイスの課題
情報通信処理の光化が進めば、処最先端ナノ光デバイスが性能限界を打破する

理速度や発熱の問題が解決されるだ

情報通信システムの巨大化が進むなかで、どのように消伝送用途以外ではほとんど光化は進

費電力の増大を抑えながら、ICT 機器の小型化や通信速んでおらず、システムの信号処理部度の向上を実現していくかが、極めて重要な課題となって分では、いまだに電子回路に頼っています。この問題に対し、私たちは「有機材料とシリコンいます。これには様々な要因がありフォトニクスとの融合」が光信号処理の超高速化や低消ますが、特に大きな問題は、光デバ費電力化、集積化に画期的なブレイクスルーをもたらすイスが電子デバイスと比べて桁違いと考え、独自の視点から有機・シリコン光集積回路の研にサイズが大きいこと、そして高価究開発を進めています。

なことです。つまり、光デバイスのけでなく、消費電力についても大幅に削減できます。しかしこれまで、光ファイバー通信などの長距離性能が高いことは間違いないのですが、それだけで普及するわけではな
く、サイズやコスト面も含めたトータルな価値が電子デバイスを上回らなければ、特殊用途以外、広く使わナノICT 研究室
主任研究員

井上 振一郎Shin-ichiro Inoue

博士
（工学）
学歴

2004 年 東京工業大学博士課程修了
略歴2004 年、 理 化 学 研 究 所 基 礎 科 学 特 別 研 究 員、
2007年、九州大学先導物質化学研究所助教を経て、2010 年より現職。神戸大学工学研究科准教授（連携講座）、および理化学研究所客員研究員を兼任。
船井情報科学奨励賞、安藤博記念学術奨励賞、光科学技術研究振興財団研究表彰など受賞。
研究分野
光エレクトロニクス、ナノ微細加工、有機非線形光学、ナノフォトニックデバイス
近況
ハードな毎日なのでオフの切り替えは大事にしています。5歳と1歳になり日々成長していく息子たちと過ごす時間が、何より活力を与えてくれます。

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KARC FRONT vol.26 2013 SPRING

オンチップ光・電子集積回路
ファイバー光入力
レシーバー
チップ

分波器器
光検出器
レーザーれる技術には決してなり得ません。

ドライバー
チップ

情報処理の光化を進めるには、複合波器
光出力
光変調器
光変

雑な論理処理に優れた電子集積回路と、高速化・省エネルギー化に有利

図 1 超高速・光 / 電子融合集積チップの概念図。

な光集積回路とを融合する技術の開発が不可欠です。そこで特に重要にように埋めるかがきわめて重要な課回路と同じチップ上に光回路を集積なるデバイスの1つが、電気信号を題となります。

化するような技術が可能になります。
また、シリコンフォトニクスのもう光信号に変換する光変調器です。現
在は、電気光学効果が大きいニオ

シリコンフォトニクス

ひとつの大きな特徴は、シリコンブ酸リチウム（LN）が主に用いられこのような光デバイスと電子デバLSIチップを製造するための施設で40Gbpsの光変調器が実用化されてイスのサイズ、コストのギャップあるCMOSファウンドリーを転用います。

は「シリコンフォトニクス」というして、大規模な光集積回路を圧倒的ま た、 有 機 電 気 光 学（EO）ポ リ

新たな技術分野の登場により、そのに低いコストで製作できることです。

マーを用いた光変調器も近年盛んに差が急速に埋まりつつあります。シ

これは応用上とても重要な要素で、研究されています。2000年代初頭

リコン（Si）はご存じの通り電子デ

将来的には単純なLN、EOポリマーにはLNをはるかに超える材料性能バイスの根幹をなす材料ですが、光光変調器などの従来の非集積型光デをもつ有機EOポリマーがワシント

デバイスにおいても2000年代以降、バイスのほとんどはシリコンフォトン大学のグループによって開発され、国家プロジェクトや産業界が牽引すニクスに置き換えられる可能性があ2007年にはアリゾナ大学のグルーる形で開発が本格化し、瞬く間にシります。

プからLNの5倍以上の材料性能（EOリコンフォトニクスが最注目の技術係数170pm/V）をもつEOポリマー分野として認識されました。

電子デバイスの性能が限界に近づきつつある現在、CPUのメニーコ変調器が報告されています。そして、従来、シリコンは電気光学効果をア化や電気配線の複雑化による信号

米国Gigoptix社からは100Gbpsともたず、材料の特性上、受光・発光遅延、発熱量の問題が顕在化していいう超高速な有機EOポリマー変調素子としても適さないため、光デバます。このため、電気メタル配線の器がすでに商用化されています。

イスには不向きな材料として長年ほ代わりに、光インターコネクション

しかし、これらの光変調デバイスとんど無視されてきました。しかし、という、シリコン光配線・光回路をはすべて、サイズが数cm以上であ近年のデバイス構造の最適化や微細用いる短距離・オンチップ高速光通り、電子デバイスと比較すると桁違加工・プロセス技術の発展によって、信技術の開発が急速に進められていいの大きさです。電子デバイスでは高速なシリコン光変調器や光検出器ます。

微細化が極限まで進んでおり、フィなどの要素技術が次々と開発され、ンガーサイズのチップに数十億個の光と電子素子を融合する、現実的な有機材料とシリコンフォトニクスとトランジスタ素子が集積化されてい技術として期待されています。の融合ます。そのため、1素子あたりのコシリコンフォトニクスの大きな利シリコンフォトニクスは集積化にストも非常に小さくなります。よっ点のひとつは、屈折率の差を大きく優れ、大規模光回路の大量生産、低て、光デバイスが電子デバイスに置とれるため、従来の石英系やポリコスト化が期待できますが、シリコき換わるためには、帯域などの性能マー系の光回路と比べて、その回路ンはEO効果をもたないため、光変向上だけでなく、電子デバイスとのサイズや断面積を約1/1000に小型調の動作原理としてキャリアプラズサイズ、コスト面のギャップをどの化できることです。その結果、電子マ効果（キャリア濃度の密度変化）

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図 2 有機・シリコン融合型ナノフォトニック EO 変調デバイ
スの電子顕微鏡（SEM）写真。

現することで、ナノ領を総合的に進めているグループは、域で光を閉じ込めるこ世界的にみても未来ICT研究所が唯とも可能になります。

一です。

し た が っ て、 シ リ コ
ンフォトニクスと有機を利用しており、動作速度としては材料、両技術のメリットを融合する

現在、私たちは、有機EOポリマー40GHz前後が限界となります。よっことで、超高速な光制御デバイスのとシリコンナノフォトニック構造をて、将来100GHz以上の超高速な光集積化を実現することができると考融合させるプロセス技術を独自に開変調素子の集積化を実現しようとしえています。

発し、ナノオーダーで高精度な有機・シリコン融合型ナノフォトニッ

た場合、まったく新しい光デバイスのデザインが必要となります。
現在、産業界では、10Gbpsもし10研究開発の現状と展望

スローライトやシリコンナノテクノ

クEO変調デバイスの作製に成功しロジーを駆使したデバイス開発ています
（図2）
。また、
シリコンフォ

くは40Gbpsの光信号を、波長・偏このようなナノフォトニック構トニック結晶構造によるスローライ光・空間的に多重・並列化すること

造では、「スローライト」という光ト効果と有機材料の優れたEO特性によって高速データ通信を実現しよの速度を1/100程度まで人為的に減を融合することで、現在実用化されうと開発を進めています。しかし、速させた極限的な光状態をつくり出ているLN光変調器の10倍以上の性情報通信量（トラフィック）の急拡すことが可能です。これにはフォト能指数（電気光学係数）をもち、素大を背景に、近い将来、必ず根本的ニック結晶という光波長程度の周期子サイズが従来の1/1000以下のシな速度の向上、つまり100GHz以上構造を利用するのですが、スローラリコン・有機EOポリマー融合型フォの超高速な光集積回路が必要になる

イト効果を用いることで、物質の非トニック結晶EO変調器の動作実証時期が来ると想定されます。

線形光学効果が大幅に増強されまにはじめて成功しています。

そこで私たちは、これらのバリす。したがって、光デバイスのサイシリコンフォトニクスによるエレアーを打破するため、有機材料（EOズをさらにコンパクト化するとともクトロニクスとフォトニクスの本格ポリマー）とシリコンフォトニクスに、大幅な低消費電力化が可能です。

的な融合は、情報通信技術に根本的とをハイブリッドしたナノフォト

これらの技術を複合すれば、電子デな変革を引き起こす可能性がありまニックデバイスの研究開発を進めてバイス並みに光デバイスを極小化し、す。その中で私たちは、シリコンいます。EOポリマーはLNよりはる

ワンチップ上で電子集積回路のボト

フォトニクスと有機材料の融合をかに大きな非線形光学特性をもってルネックとなっている部分を光に置キーワードとし、双方の長所をリンいるので素子の低電圧化が可能であき換えた究極の超高速・光/電子融クすることで、従来の光素子では不り、さらに光波と高周波帯の屈折率合集積デバイスの開発も可能になり可能だった、様々な新しいオンチッ差がきわめて小さいため、100GHzます（図1）。

プ光技術への展開をはかっていきま〜 THzにいたる超高速な光変調が私たちは、有機材料の開発、製膜・す。100Gbpsを超える超高速光変可能です。一方で、有機材料は屈折分子配向プロセスから世界最高精度

調デバイス、光・電子融合集積回路率が小さいため、従来、集積化にはのシリコンナノ微細加工技術、ナノの開発以外にも、全光スイッチング向かないと考えられてきました。し光デバイスの性能評価や理論解析にや光バッファー、超高感度センサー、かし、有機材料は、様々な異種材料いたるまで、全行程の研究開発を一さらにはバイオフォトニクス応用なと組み合わせることができるため、貫して行っています。このような有ど、広範な分野・領域への波及効果、シリコンとのハイブリッド構造を実機・シリコンフォトニクス融合研究展開が見込まれます。

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