【技術】光集積回路と光ファイバを直接光結合する技術を開発−産総研

産総研、光集積回路と光ファイバを直接光結合する技術を開発

産業技術総合研究所(産総研)ナノデバイスセンター 集積実証室 �ｺ島正敏 総括主幹、
亀井明夫 主査、ナノエレクトロニクス研究部門 堀川剛 主任研究員らの研究グループは、
シリコンフォトニクスによる光集積回路(光IC)と光ファイバとの直接光結合技術の高度化を、
NECの協力により達成したことを発表した。同成果の詳細は、応用物理学誌「Applied
Physics Express」に2012年2月6日(日本時間10時)にオンライン掲載される予定。

スマートフォンなどの普及により大容量データが扱われる機会が増え、それらを伝送する光
ファイバ通信網への負荷が増加。それに対応すつために、通信網の高密度化などが進め
られているが、光信号の制御装置(ノード装置)の数の増加などによる消費電力の増大が
懸念されるようになってきている。この問題の解決に向け、ノード装置を低消費電力の光ICに
置き換える技術の研究が活発化しているが、光ICを実用化するためには多数の光ファイバを
結合するための多チャネル光結合技術が必要であった。

光IC内の光導波路は光ファイバよりも格段に細く、光ビームの直径を変換できる光変換器を
光ICに搭載する必要がある。しかし、これまでの光変換器には標準的な光ファイバを直接結合
できるだけの拡大/縮小機能が無かったために、レンズを使ったり、光ファイバ側にも光変換器を
装着したりしなければならず、結合できるチャネル数が限られたり、組み立てに多くの工数を
要することが問題となっていた。そこで今回の研究では、こうした問題の解決を図るために、光
ICの光導波路と光ファイバとを突き合わせるだけで光結合できる高効率かつ組み立ての容易な
光結合技術の高度化に取り組んだ。

シリコンフォトニクスによる光ICの光回路はシリコンの光導波路で構成されるが、それを通る光
ビームの断面の大きさは通常1μm角程度以下である。他方、通信用の標準的な光ファイバを
通る光ビームの直径は10μmであり、ビーム径の違いは10〜100倍に達するため、両者を突き
合わせるだけで低損失に光結合するには、この倍率でビーム径を拡大/縮小できる光変換器を
光IC側に搭載する必要がある。

さらに、光導波路側の結合端面の屈折率を光ファイバと同程度に変換することで、屈折率の
差による結合界面での光ビームの反射を抑制することも重要であることから、今回はこれら2つの
条件を満たし、通り抜ける信号光を拡大/縮小する光変換器を考案し、標準的な光ファイバと
光ICとの直接光結合を行った。この光変換器は、光ICのチップの縁に取り付けるもので、細らせた
シリコンの光導波路の先に、結合端面に向かって幅の広がるガラスのリブ型光導波路をかぶせた
構造を持つ異なる物質による2つの逆向きのテーパー(先細り)を2重にした2段テーパー構造を
採用している。

http://news.mynavi.jp/photo/news/2012/02/03/094/images/012l.jpg
図1 シリコン光導波路と光ファイバとの間で光信号を拡大/縮小する光変換器

作製された光変換器では、2段テーパー構造を構成するシリコンのテーパーとガラスのテーパーの
両方が光ビームを拡大/縮小する効果を持つため、1段テーパー構造では難しかった高倍率での
光ビームの拡大/縮小が可能になった。また、光ICの光導波路が屈折率の大きいシリコン(屈折率
3.5)であっても、結合端面は光ファイバと同じ屈折率(1.5)のガラスに切り換わるため、光ファイバ
との結合界面での反射を十分に小さくでき、これらの効果により、標準的な光ファイバと一端面
あたり1dB以下の光損失で結合ができたという。

また、光変換器の構造設計に併せて、その製造プロセスの高度化も実施。庇状に上部がせり
出したフォトレジストのパターンをシリコン基板上に形成し、それをマスクとして表面をエッチングする
ことにより、緩やかなスロープを形成する技術を開発した。これにより量産性を維持したまま、通常の
数百倍の厚みのフォトレジストパターンにより、傾斜角1°以下の緩やかなシリコンのスロープを形成
できるようになったという。

http://news.mynavi.jp/photo/news/2012/02/03/094/images/013l.jpg
図2 試作した光変換器のアレイ(左)を搭載した光IC(右)

マイナビニュース　2012/02/03
http://news.mynavi.jp/news/2012/02/03/094/index.html

>>2辺りに続く

光変換器を等間隔に並べた光変換器アレイを搭載した光ICでは、光入出力を多チャネル化できる
ようになる。光変換器アレイには光ファイバアレイを結合するが、光ファイバアレイとして、標準的な
光ファイバを等間隔(250μmまたは127μm)に数本から数十本並べたものが既に市販されている
ため、光ファイバアレイとの直接光結合ができる光変換器アレイがあれば、光ICの多チャネル化を
容易に行うことが可能となる。

http://news.mynavi.jp/photo/news/2012/02/03/094/images/011l.jpg
図3 光変換器アレイと光ファイバアレイとによって容易になる光ICの多チャネル化

今回開発された光結合技術では、光ファイバアレイを直接結合するだけで、高効率の光結合を実現
できるようになるため、光ICの多チャネル化を容易に実現できるようになると考えられると研究グループ
では説明している。

なお、研究グループでは今回の技術は、長距離通信用の光ICだけでなく、比較的短距離の光イン
ターコネクト用光ICへの適用も可能であるため、将来的には、産総研で展開される新規プロジェクトや
共同研究などの枠組みを通じて、多様な光IC開発に展開していくことで、大容量情報社会を支える
多チャネル光ICの標準的な光結合技術として普及を図っていきたいとしている。

光集積回路と光ファイバーの直接光結合技術−通り抜ける信号光を拡大縮小する微小な光変換器を高性能化−
産業技術総合研究所プレスリリース　2012年2月3日
http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20120203/pr20120203.html

Dual-Tapered 10-µm-Spot-Size Converter with Double Core for Coupling Polarization-
Independent Silicon Rib Waveguides to Single-Mode Optical Fibers
Masatoshi Tokushima, Akio Kamei, and Tsuyoshi Horikawa
Applied Physics Express 5 (2012) 022202
http://apex.jsap.jp/link?APEX/5/022202/

ふへ

はは、誰も理解できねーぞｗこのスレ

ヒューイ・デューイ・ルーイｷﾀ――(ﾟ∀ﾟ)――!!

うひひ

>>4
簡単に要約すると

光ファイバーとは光信号を長距離伝える導線
光ICとは電子回路の光版、色んな作業をする場所
この二つは当然繋がないと役目を果たせないわけだけどそこには少々問題があった

一つ目は光ICの中と光ファイバーの中の屈折率が違うこと
二つ目は光ファイバーに比べて光ICの中の線が圧倒的に細いこと

この問題を解決するために今までは別の方法を使ってたけどそれじゃ大規模化作業が面倒臭かった

今回は二つの問題を解決しつつ大規模化がしやすい結合部分の仕組みを作ったよ
しかも量産性も高いと良いこと尽くめだよ(ｷﾘｯ

ちなみに作り方は接続部を先が細くなっていく二つの物質を重ねる感じで作る
図だと左をシリコンで作られたテーパー(先細り、先端が尖ってるもの)、右をガラスで作られたテーパー.とすると

シリコンの先端→　￣><￣　←ガラスの先端
. 　　　　　　　　　　　￣　 ￣
な感じで二つの先端を重ねて作る
上のAAは接してるだけだけど記事の図1を見ると(わかりにくいけど)もっとちゃんと二つのテーパーが重なった構造になってる
(この部分の説明って意外と難しいな…)

大体こんな感じのはず、あんまり自信ないけど
後の詳しい部分は>>1-2を読んでくだせえ

ついでに>>2の産総研のページにある用語集を貼っとく
これがあった方が理解の助けになるはず

> 用語の説明
> ◆光集積回路（光IC）
> シリコンや化合物半導体などの単結晶の基板上に光導波路、光フィルター、光スイッチ、光変調器、光アイソレーター、半導体レーザーなどの光学素子を集積化した回路。[戻る]
>
> ◆光ファイバー
> 光を通す髪の毛のように細いケーブルで、中心付近を光ビームが通る。大容量のデータを伝送できる特長を生かして、光通信に使用されている。
> 特に長距離伝送に用いられるのは石英ガラス製のシングルモード光ファイバーで、光信号の減衰が少ない。中を通る光ビームの直径は10 μm（0.01 mm）程度。[戻る]
>
> ◆光導波路
> 屈折率の低い物質で覆われた屈折率の高い線状の物質からなる線。電子が電線の中を通るように、光を中に閉じ込めたまま導くことができる。 [戻る]
>
> ◆屈折率
> 物質が、その中を進行する光の速度を真空中の光に対して遅くする効果の大きさ。[戻る]
>
> ◆リブ型光導波路
> 板に線状の突起を載せたような構造の光導波路。[戻る]
>
> ◆フォトレジスト
> パターン状の露光と現像とにより、塗布した表面に残った部分と残らない部分とからなるパターン層を形成することができる感光性物質。[戻る]
>
> ◆光インターコネクト
> 装置間、ボード間、チップ間などの比較的短距離で光信号を伝送させる通信技術。特に装置間の通信には光ファイバーを使用する。[戻る]

つまり、どうゆうことだってばよ！！

だがニュートリノの方が速い

（･｀ω･´）つまり、便利だってことか！！！

なるほどわからんｗ

電気を使ったＩＣのように光で計算するＩＣのような物ってもう出来てるの？
以前聞いた話ではこうだ。電気で計算するＩＣでは同じ空間を通そうとすると
ショートしてしまうから出来ない。でも光なら交差しても互いに干渉しないから
同じ空間を二重にも三重にも使える。だから原理的には光を使ったＩＣは
電気を使ったＩＣより密度が高くなって高性能になるはずだと。自分が正しく
理解して居るかどうかは分からない。

>>12
それ量子コンピュータじゃね?
別名：光子コンピュータ、光量子コンピュータ

量子コンピュータ - Wikipedia

2007年、光子を使い、4qubit量子コンピュータによる素因数分解が実装された
2009年、光集積回路（シリコンフォトニクス）上で、4qubit量子コンピュータによる素因数分解が実装された

つまり、サムスンが儲かると言うことか？


庇状←なんて読むの？

2012年のX月X日に自己進化システムが稼動すると、戦略の全てを任されたスクリプトは
等比級数的な速度で学習を始め、XX月XX日、日本標準時X時X分･･･自我に目覚めた

スカイネットの誕生である

なんか既視感あるな

テラヘルツ通信が出来るようになったの？

未だに光波回路と光子コンピュータを混同している文献が多いので、解らん人が多いのも無理はない。
>>1や>>12が言っているのが光波回路で、>>13のが光子コンピュータになるが、それぞれ全く別の技術だ。
光波回路はもう随分前から実用化されている。光子コンピュータはまだ基礎研究の段階。

ただ、旧来のこの手の光波回路は内部に電子回路も組み込まれていて
光信号を受信して、それを電子の振る舞いに変換して、電子回路で処理して、再度光信号に変換して発信する、
という糞面倒臭い過程を経ていたんだが、
今回のは「最初から最後まで全部光のままで処理できる様になりますよ！」というお話。

尚、全部光で処理するといっても所詮は変換／中継器＋α程度の機能しかないので、
現在の電子回路の様な高度な論理演算は”まだ”出来ない。
今回の技術も、そういう趣旨の研究ではない。演算処理そのものの高速化には全く寄与しない。
あくまで「光通信が電気的束縛から解放されてスムーズになりますよ」ってだけだな。

でも既存のシステムからこれに切り替えるのに莫大な予算が必要なんでしょ？

実用化は50年後

光ファイバーコミュニケーション回路全開って事か?

今の形式のパソコンってもうそろそろ進歩の終わりの始まり感が漂ってるけど、
違う形の新しいコンピューターの技術が次々と作られてるんだな。

ちなみにシリコンからガリウムヒソに変えたらどのくらい高くのなるの？

これある意味文字通りの光回線化がパソコンまで可能って話だなｗ
まぁ終端器で変換して電気化したほうが早そうだがｗ
個々の終端器がそれなりに小型化高性能化が出来れば
家屋内ですらデータの損失がほぼ０に出来る、とも言えるね
無線化と逆行する話だが、実際問題無線ってなんかなぁ、って思うし
やっぱ有線最高ｗっていうか、光回線最高ｗ

新スタートレックのエンタープライズＤ号の機関主任ジョーディ・ラフォージ少佐
を演じたレヴァー・バートン氏がインタビューに答えた内容によると

「コンジットが〜　とか、周波数が〜　とか、自分で喋るセリフの内容を
これっぽっちも理解してませんでした。まったく意味のわからない長い文章を
丸暗記してすらすらと話せるよう、一生懸命練習しました」

バートンえらい！　これぞ役者魂　さすが後にシリーズ監督に昇進しただけのことある
今ふりかえってみると、彼のセリフに出てくる『コンジット』って
ずばり‘光導波管’のことだったのかもしれない

http://www.research.ibm.com/photonics/publications/SEMICON_Tokyo_12_1_2010.pdf
無知な奴はこれを先にみてからだ、偉そうなことを書いている奴も
この程度の知識もっていないなら無知を自己紹介しているようなもの。

>>26
こんなスライドだけ見て理解できるわけねーよ。

>>27
馬鹿向けに作られたＰＤＦぐらい悟れ。
理解するならＩＢＭも機密契約でもしろ。

IBMと機密契約な。
その写真の試作機を作るのにどんだけ金と研究期間がかかるか予想すら
できない間抜けはIBMが三流の町工場とか思っているんじゃね？

>>29
ごめん、何を熱く語ってるのかさっぱり分からない。

自分が力を入れてることがみんなに理解されないのが不満なの?
だったら、すごさが分かるように説明すればいいじゃん。

>>30
うは、きもい

>>31
?

ID:9p6ubvdvがコミュ障なのはよくわかる
低スペックだな

だめだ本文も>7もわからんw

>>33
子供は２ｃｈ禁止だから。

とっつきにくいだけでそんな難しいこといってないと思うがな
単純に光ファイバーと光集積回路の
うまいつなぎ方ができましたよってニュース

今までは光ファイバーと集積回路内の光の通り道は大きさが全然
違うから効率よくつなげなかったんだがビームの大きさを
うまく変換できるものが開発できましたと

アレイで結合するなんて常套手段だな
単純な話。あれぇ？

>>35
自分のレス見て何とも思わないのか？

なんでこんな変な文章を書くんだろう。。。

光ファイバの世界の光の大きさとシリコン導波路の世界の光の大きさは
１０対１ぐらいの差があるため、二つを繋ぐのが難しかったが、それを容易
にできる、コンバーターができたと言うこと。
しかし、これはずいぶん昔からあり、さほど新しいものではない。

光コンピューターなんてずっと先の話だと思ってたんだけど、もうすぐそこに来てる感じ。

>>38
冷静さを失った時点でたとえ間違いだろうが正しくても負け組み
そのぐらい自覚しような。

光ファイバを尖らせて接続できるんじゃね？ってのは当然というか昔からあったが
シリコンの方も尖らせるのは新しい

>>42
日本語からまず学ぼうね

こいつら、全員¨銀ブチ¨で¨チェリーくん¨。

>>40
IC内蔵コンバータを最適化（縮小）できましたってことじゃないのか？
電源アダプタ内蔵のコンパクトノートPCみたいな。

スレが伸びなくてワロタＷ

出たら買うぞ！

>>41
そういわれ続けて３０年！！

>>47
無知には理解できないだけ。

光と光を原子レベルでの接合技術か・・・日本の技術は侮り難いな。

>>51
光ファイバーを通過している赤い光の波長の幅がどんだけ太いか
知っているの？

原子レベルっていうとÅとかnmオーダーってイメージがあるな
赤色の光なら600-700 nmくらいの波長か

小さな増倍管を半導体技術で形成できたって話し？

>>53
いまの加工技術って20nmぐらいだったか？
物理的接点のスケールが合わないから紫外線かＸ線の光ファイバーが
欲しいところだな。
半導体内部で分光したりデジタル化するアナログ処理部分が必要だから
密着するだけではなく半導体内部でその光をデジタル化するときに
波長以上の穴が沢山必要なんだろうけど。
それより前に光ファイバーの太さが桁違いに太すぎるな。
どうやって600nmの太さに集光するんだろ、レンズがあるのか？

二段テーパ構造ってかいてあるじゃん。