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あけなおだいほうじ
5 years ago
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1 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 AMEMIYA 1,2 1 Institute of Innovative Research (IIR), Tokyo Institute of Technology 2 Department of Electrical and Electronic Engineering, Tokyo Institute of Technology

2 研究背景 2 LAN Campus network 1km 100m 長距離光通信 1m board to board Intercity network Global network 1000km 10cm 短距離光通信 10,000km 10mm chip to chip on chip

3 研究背景 3 TSUBAME Tokyo Tech Light Intel EXTREME TECH Optical Intel The Register board to board chip to chip on 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) オンチップ光通信 (10-20 mm) Photonic Wire Bonding

4 電気配線から光配線へ : 短距離間伝送のための光ボード内光インターコネクション 4 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, NEC 東工大

5 フォトニックワイヤボンディング (PWB) 5 Classical: 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, 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

6 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 III-V Membrane LD Photonic wire bond III-V Membrane PD Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)

7 本研究で用いる光デバイスの特徴 7 Conventional PICs Membrane PICs (MPICs) InP (n = 3.17) GaInAsP (n = 3.34) 450 nm InP (n = 3.17) Refractive index Electric field Air (n = 1) ~150 nm SiO 2 (n = 1.45) Index difference Optical confinement Δ = 5% act ~ 1%/well 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 T. Okamoto et al., Electron. Lett. 37, 1455 (2001).

8 本研究で用いる光源の特徴 8 Waveguide region Semiconductor layer DFB laser region SiO 2 BCB DFBレーザコア層 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 Si sub. 3 μm D. Inoue at al., Optics Express 23, (2015)

9 Light output [μw] 本研究で用いる光源の特性 (1) Light intensity 10dB/div RT-CW 5QWs W S = 0.7 μm d core = 270 nm L a = 80 μm κ = 1500 cm -1 ( κl = 12 ) Λ = 298 nm 光出力特性 I th = 270 µa η d = 12% (front facet) Injection current [ma] 発振スペクトル特性 Stopband 32 nm Wavelength [nm] RT-CW I bias = 410 µa (I th = 270 µa) Res nm しきい値電流 : th I = 270 µa (J th = 96 A/cm 2 /well, 5QWs) 外部微分量子効率 : η d = 12% (front facet) 発振波長 : 1533 b = 410 µa (1.5I th ), Stopband : 32 nm D. Inoue at al., Optics Express 23, (2015)

10 -3dB frequency -3dB f, Relaxation frequency r f [GHz] 本研究で用いる光源の特性 (2) RT Slope 14.8 GHz/mA 1/2 f -3dB Slope 9.9 GHz/mA 1/ Square root of (I b -I th ) [ma 1/2 ] f r 半導体クラッド構造を用いた短共振器 DFB レーザ r f 変調効率 :4.8 GHz/mA 1/2 (AlGaInAs 系活性層共振器長 100 µm) W. Kobayashi et. al., JSTQE 19, 2013 f r 変調効率 :2.3 GHz/mA 1/2 (GaInAsP 系活性層共振器長 150 µm) S. Kanazawa et. al., ELEX 12, 2015 電流変調効率 9.9 GHz/mA 1/2 薄膜構造による強光閉じ込め短共振器 DFB 構造 NTT reported f r of 9.4 GHz/mA 1/2 membrane DFB laser D. Inoue at al., Optics Express 23, (2015)

34) (n=3.34) GaInAsP GaInAsP MQW MQW 90 90 nm nm GaInAsP SCH 15 nm (n=3.

11 PWB とレーザの結合構造設計 11 i-inp cap layer 100 nm (n=3.17) i-inp cap layer 100 nm (n=3.17) GaInAsP SCH SCH nm nm (n=3.34) (n=3.34) GaInAsP GaInAsP MQW MQW nm nm GaInAsP SCH 15 nm (n=3.34) GaInAsP SCH 15 nm (n=3.34) SiO 2 SiO 2 (n=1.45) Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)

$57) HE 11 TE 01 TM 01 Refractive Index Profile HE 21 (1) EH 11 (1) HE 31 (1) ステップインデックス型ファイバに類似する構造 Z. Gu et al., J.$

12 PWB の形状と伝搬モード解析 12 Photonic Wire Bonding Air Cladding (n = 1) Cross Section SU-8 Core (n = 1.57) HE 11 TE 01 TM 01 Refractive Index Profile HE 21 (1) EH 11 (1) HE 31 (1) ステップインデックス型ファイバに類似する構造 Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)

100 80 60 40 20-400 -200 0 200 400 Displacement in horizontal direction (nm) HE 11 TE 01 HE 21 0-400 -200

13 (%) Coupling efficiency (%) Coupling efficiency 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 1 μm InP HE 11 TE 01 HE 21 SI-InP nm HE 11 TE HE 21 HE 11 TE 01 HE 21 HE 11 TE 01 HE Displacement in horizontal direction (nm) HE 11 TE 01 HE Displacement in vertical direction (nm) Z. Gu et al., J. Laser Micro/Nanoengineering 10, 148 (2015)

14 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レンズフェムト秒レーザ 1 光子吸収材料 2 光子吸収材料反応領域反応領域 SU-8 他の部分は硬化しない 1 光子吸収現象 2 光子吸収現象紫外線硬化紫外光 400 nm 赤外光 800 nm 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

15 実験系 15 掃引パス制御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) 二光子加工光源

16 サンプル作製プロセス 16

PWB 径のアスペクト比と線幅 PWB width D (μm) PWB width

5 μm 56 mw 70 mw 88 mw 111 mw 3 2 V = 10

2 0 20 40 60 80 100 Scanning speed V (μm/s)

17 PWB 径のアスペクト比と線幅 PWB width D (μm) PWB width D (μm) μm 56 mw 70 mw 88 mw 111 mw 3 2 V = 10 μm/s μm μm Scanning speed V (μm/s) Average laser Power P (μm) 1.7 μm 2.1 μm 2.5 μm P = 56 mw 10.0 μm 10.0 μm P = 70 mw P = 88 mw Z. Gu et al., Optics Express 23, (2015) 10.0 μm

18 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) (b)

p-electrode n-electrode p-electrode A 8 5.

19 Si 上光源と受光器の PWB 接続 (1) Photocurrent I pd ( A) 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 500 μm 150 μm 500 μm Photonic wire bonding Exposure Speed 10 μm/s n-electrode p-electrode n-electrode p-electrode A μm 6 with PWB w/o PWB 4 LCI Laser diode Photodetector 2 Optical Transmission Injection current I l (ma) Z. Gu et al., Optics Express 23, (2015)

20 Si 上光源と受光器の PWB 接続 (2) Photocurrent I pd ( A) Light output P 1 (mw) 20 Mirror 1 (air) I l Mirror 2 (SU-8 n=1.57) Sensitivity measurement P 4 P 1 Laser output measurement R l R 2 Laser P 3 Mirror 3 (SU-8 n=1.57) I pd Detector Mirror 4 (air) Bias Voltage V= -1 I pd P Photodetection Sensitivity η pd I pd P A/W Injection current I l (ma) 光源の閾値電流と受光器の立ち上がり電流が一致 Z. Gu et al., Optics Express 23, (2015)

21 Si 上光源と受光器の PWB 接続 (3) 21 Mirror 1 (air) I l Mirror 2 (SU-8 n=1.57) Sensitivity measurement P 4 P 1 Laser output measurement R l R 2 Laser P 3 Mirror 3 (SU-8 n=1.57) I pd Detector Mirror 4 (air) P 1 R R P1 2 1 R1 R2 P 1 P 3 I pd pd PWB による損失 10log P 3 P 2 10log I pd 2P( 1 I l pd ) 10dB 10dB 程度の損失を推定 Z. Gu et al., Optics Express 23, (2015)

22 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

多光子吸収光造形を用いたチップ間光インタコネクション Intra-chip Optical Interconnection Using Multi-photon Polymerization 雨宮智宏 (Tomohiro AMEMIYA, Ph.D.) 東京工業大学未来産業技術研究所助教 (Assi

多光子吸収光造形を用いたチップ間光インタコネクション Intra-chip Optical Interconnection Using Multi-photon Polymerization 雨宮智宏 (Tomohiro AMEMIYA, Ph.D.) 東京工業大学未来産業技術研究所助教 (Assi 雨宮智宏 (Tomohiro AMEMIYA, Ph.D.) 東京工業大学未来産業技術研究所助教 (Assistant Professor, IIR, Tokyo Institute of Technology) IEEE, OSA, 応用物理学会, 日本光学会受賞 : コニカミノルタ画像科学奨励賞 (1), 矢崎学術賞 (16), 文部科学大臣表彰若手科学者賞 (16) など著書 : 透明マントを求めて,