フォトニックワイヤーボンディング
によるSi基板上III-Vチップ間の光伝搬

Tomohiro AMEMIYA1,2
1Institute of Innovative Research (IIR), Tokyo Institute of Technology
2Department of Electrical and Electronic Engineering, Tokyo Institute of Technology

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

QNERC

研究背景

2LANCampus
network

100m
1km

長距離光通信Intercity
network

1000km1mboard to board

10cm

短距離光通信chip to chip
10,000km

10mm

Globalnetwork
on chip
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

QNERC

研究背景
TSUBAME 2.0@ Tokyo Techboard to board

3

Light Peak @ IntelEXTREME TECH

chip to chip

長距離から短距離へ– ポート間光通信（1 m）– チップ間光通信（10 cm）

Optical chip @ IntelThe Registeron chip

Photonic Wire
Bonding– オンチップ光通信（10-20 mm）

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

QNERC

電気配線から光配線へ： 短距離間伝送のための光4

ボード内光インターコネクションIntel

インターポーザ内光インターコネクション

Fujitsu

PETRA
東大

オンチップ光インターコネクション

Ohashi et al, NECTOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

東工大

QNERC

フォトニックワイヤボンディング(PWB)

5Classical: Electronic wire
 アルミニウム、銅、金 ループ軌跡のタイト・コントロール
 自動化作製

研究背景
Kulicke&Soffa, http://www.kns.com/

Novel: Photonic wire 紫外線硬化樹脂SU-８
 3Dフリーフォームボンディング シングルモード伝播可能
Karlsruhe Institute of Technology

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

QNERC

研究目的

6

フォトニックワイアボンディングによる異種材料光素子接続
結合損失の理論的検討PWBの作製法の確立及び光伝送の実測

Photonic wire bond
III-V Membrane LD
III-V Membrane PD
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)

QNERC

本研究で用いる光デバイスの特徴
Conventional PICs
InP (n = 3.17)

Refractive index

GaInAsP (n = 3.34)
450 nm
InP (n = 3.17)

Electric fieldact ~ 1%/well

Optical confinement

Membrane PICs (MPICs)
Air(n = 1)~150 nmΔ = 5%

Index difference7

SiO2(n = 1.45)

Δ = 40%act ~ 3%/well

薄膜化による各種光デバイスのメリット
 光源 活性層への閉じ込め係数増大に伴う低閾値化 受光器 吸収層への閉じ込め係数増加に伴う感度上昇と小型化

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

T. Okamoto et al., Electron. Lett. 37, 1455 (2001).

QNERC

本研究で用いる光源の特徴

8

Waveguide region DFB laser region• コア層270 nm, 共振器長 80 µm• 回折格子周期 298 nm• 表面回折格子深さ 約50 nm

SiO2
Semiconductorlayer

BCB

Si sub.

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGYDFBレーザ3 μm

D. Inoue at al., Optics Express 23, 29024 (2015)

QNERC

本研究で用いる光源の特性(1)9発振スペクトル特性

光出力特性-30

RT-CW 5QWs
WS = 0.7 μm
dcore = 270 nm
La = 80 μm
κ = 1500 cm-1
( κL = 12 )
Λ = 298 nm

60504030Light intensity 10dB/div.

Light output [μW]70-40-50-60-70

20Ith = 270 µA
ηd = 12% (front facet)

100RT-CWIbias = 410 µA(Ith = 270 µA)
Res. 0.05 nm
Stopband32 nm-80-90

00.2

0.4

0.6

0.8

Injection current [mA]

11510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

Wavelength [nm]

しきい値電流 ： Ith = 270 µA(Jth = 96 A/cm2/well , 5QWs)
外部微分量子効率： ηd = 12% (front facet)
発振波長: 1533 nm @Ib = 410 µA (1.5Ith), Stopband : 32 nm
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

D. Inoue at al., Optics Express 23, 29024 (2015)

QNERC

-3dB frequency f-3dB,Relaxation frequency fr [GHz]

本研究で用いる光源の特性(2)106半導体クラッド構造を用いた短共振器DFBレーザ

f-3dB

RT
Slope
14.8 GHz/mA1/2

810fr 変調効率 ：4.8 GHz/mA1/2fr（AlGaInAs系活性層、共振器長100 µm）

W. Kobayashi et. al., JSTQE 19, 2013

4Slope9.9 GHz/mA1/22fr 変調効率 ：2.3 GHz/mA1/2（GaInAsP系活性層、共振器長150 µm）

S. Kanazawa et. al., ELEX 12, 2015

000.250.50.75

Square root of (Ib-Ith) [mA1/2]

1

電流変調効率 9.9 GHz/mA1/2✓薄膜構造による強光閉じ込め ✓短共振器DFB構造
NTT reported fr of 9.4 GHz/mA1/2 membrane DFB laser

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

D. Inoue at al., Optics Express 23, 29024 (2015)QNERCPWBとレーザの結合構造設計

11i-InP cap layer 100 nm (n=3.17)

i-InP cap layer 100 nm (n=3.17)

GaInAsP
SCH
15 15nmnm(n=3.34)GaInAsP
SCH(n=3.34)
GaInAsP
MQW
90 90nmnm
GaInAsP
MQW
GaInAsP SCH 15 nm (n=3.34)

GaInAsP SCH 15 nm (n=3.34)

SiO2SiO2 (n=1.45)

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)QNERCPWBの形状と伝搬モード解析

12

Photonic Wire Bonding
Air Cladding(n = 1)

Cross
SectionSU-8 Core(n = 1.57)

Refractive
Index
Profile

HE11

TE01

TM01

HE21(1)

EH11(1)

HE31(1)

ステップインデックス型ファイバに類似する構造

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)QNERCPWBと光源の結合解析

13

光源とのモード結合
Air

PWBと光源の中心位置

InP

InP

SI-InP
500nm

HE11(%) Coupling efficiency

100
1 μm

HE11TE01
HE21806040TE01 200HE21-400-2000200

400

Displacement in horizontal direction (nm)

HE11TE01TE01HE21HE21(%) Coupling efficiency

HE11100
HE11TE01HE2180
6040200-400-2000200

400

Displacement in vertical direction (nm)TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)

QNERC

フェムト秒レーザーによるポリマーの3次元加工

14

単光子吸収と二光子吸収の比較
レーザ

レーザ

レンズ

フェムト秒レーザレンズ

１光子吸収材料

２光子吸収材料
反応領域

反応領域

SU-8
1光子吸収現象紫外光
400 nm２光子吸収現象

赤外光
800 nm

他の部分は硬化しない
紫外線硬化

紫外線硬化樹脂により導波路を作製

同時に二つの赤外光光子が吸収される
発生確率が光強度の自乗に比例TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

QNERC

実験系
掃引パス制御15三次元掃引

サンプル観察

光強度制御
Mode-locked
Ti:Sapphire laser(800 nm, 80 fs, 82 MHz)TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

二光子加工光源QNERC

サンプル作製プロセス

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

16QNERCPWB径のアスペクト比と線幅
0  0.5 μm

56 mW
70 mW
88 mW
111 mW

1.81.6PWB width D (μm)

PWB width D (μm)

2.0

171.4
1.20204060801003

0  0.5 μm
10TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

20406080100

Average laser Power P (μm)

2.1 μm2.1μm2.5 μm

10.0 μm

10.0 μm

10.0 μm

P = 56 mW0  0.7 μm

2Scanning speed V (μm/s)

1.7 μmV = 10 μm/s

P = 70 mW

P = 88 mW

Z. Gu et al., Optics Express 23, 22394 (2015)QNERCPWBによるチップ間接合と細線曲げ

18

SOI Chip 1

PWB
SOI Chip 2
50 μm

(a)
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY(b)QNERC

Si上光源と受光器のPWB接続(1)19 PWB/活性層中心位置ずれ数100 nm範囲内で高精度に作製
 PWBを固定させるため20 μm程度ストライプ上にもレーザ掃引
Photonic wire bonding
Exposure Speed ≈ 10 μm/s150 μmn-electrodep-electrodeLCI Laser diode500 μmn-electrodep-electrode5.00 μm

8Photodetector

Optical Transmission
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGYA

Photocurrent Ipd (A)

500 μm6with PWB
w/o PWB

4200102030
Injection current I l (mA)

Z. Gu et al., Optics Express 23, 22394 (2015)

40QNERCSi上光源と受光器のPWB接続(2)Mirror 1(air)20Mirror 2(SU-8 n=1.57)

Il

Sensitivity
measurement→

P3

P1Laser output
measurement

Rl

0.8

Ipd

0.60.42.0P1102030
Injection current I l (mA)

0.2

Light output P1 (mW)Photocurrent Ipd (A)

Bias Voltage
V= -1

4.0

0.00Detector

1.08.06.0→

Mirror 3Ipd Mirror 4(air)(SU-8 n=1.57)

R2

Laser

P4

Photodetection
Sensitivity ηpd
I pd
P4

 0.09A/W

0.040

光源の閾値電流と受光器の立ち上がり電流が一致
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Z. Gu et al., Optics Express 23, 22394 (2015)

QNERC

Si上光源と受光器のPWB接続(3)Mirror 1(air)Il21Mirror 2(SU-8 n=1.57)

Sensitivity
measurement→P3

P1
Laser output
measurement

P4RlLaser→Mirror 3
Ipd Mirror 4(air)(SU-8 n=1.57)

R2Detector

1  R2  R1P2 
P1  2 P11  R1  R2
PWBによる損失  10 log

P3 P3P2

 10 log

I pd

pd

I pd pd
2 P1 ( I l ) 10dB

10dB程度の損失を推定
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Z. Gu et al., Optics Express 23, 22394 (2015)

QNERC

まとめ22

フォトニックワイアボンディングによる異種材料光素子集積結合損失の理論的検討
 メンブレンレーザ/PWB最大結合効率: 52% (-2.8dB)
 LCIレーザ/PWB最大結合効率:70% (-1.6dB)
PWBの作製法の確立及び光伝送の実測
 PWB作製条件：レーザパワー88 mW & NA 0.95
 PWB接続によるレーザ・ディテクタ間光伝送を確認

TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGYQNERC