先週お届け致しましたVLC Photonics発行のホワイトペーパー「フォトニック集積回路の導入による光学システムの変革」の第１編に続き、今週は基盤材料ごとの特徴や、集積可能な光学機能の機能といった少し踏み込んだ内容をご紹介させて頂きます。
フォトニック集積回路の市場、技術概要、今後の展望等をお伝えして参りますので、本稿を通じて少しでもご興味を持っていただけますと幸いです。
VLC Photonics Whitepaper v2.2 June, 2021
フォトニック集積回路の導入による光学システムの変革 vol.2
Summary
フォトニック技術は、光通信、バイオメディカル診断装置、あるいは精密なファイバーセンサーなど、光を利用した様々なアプリケーションを実現しています。
その一方で、これらの用途に必要な光学部品はスペースを使い、高価になる傾向にあります。
特に、電子部品と組み合わせて使用する際には、精密な組み立てが必要になります。
これらの課題を解決するため、フォトニック集積回路という技術が注目されています。
シリコンフォトニクスという名前でも親しまれている同技術ですが、様々なフォトニック機能を集積回路に組み込み、システムを簡素化し、コストを削減することが期待できます。
従来、フォトニック集積回路を可能にする最先端の光製造技術は、ごく限られた人しか手に入れることができませんでした。
しかし現在、一般的なフォトニック集積技術は、様々なアプリケーションや市場において、本来の高度な機能を維持しつつ小型化を実現する、非常に興味深い技術として実証が進んでいます。
前号では，フォトニック集積技術の前提と開発背景について紹介いたしました。
今回は、フォトニック集積における主要な技術に焦点を当て、各基盤材料の特性を利用してどのように集積を行うことができるかを紹介します。
またASPIC(Application Specific Photonic Integrated Circuit、特定のアプリケーション向けに開発されるフォトニック集積回路)と微小光学部品の組立、特化型汎用集積と汎用集積の比較から、ASPICの強みをご紹介いたします。
Main Integration Technologies in Photonic Integration
概要
ASPICの設計・製造には、その用途に応じて、さまざまな基盤材料や技術を選択することが可能です。
現在、主に実用化されている基盤技術は以下の通りです。
- シリコンフォトニクス：シリコン※1 (SOI)、シリカ※2（シリカonシリコン、SiO2、PLCとも呼ばれる）および、窒化シリコン※3(SiNおよびTriPleX)
- III-V族：インジウムリン※4（InP）、ガリウムヒ素（GaAs）およびその誘導体
- ニオブ酸リチウム※5 (LiNbO3)など
特徴
これらの基盤材料にはそれぞれ長所と短所があり、その主な特徴を以下にてご紹介します。
これらの特徴により、どのような光学素子を実用的な方法で集積し、最高の性能を発揮できるかが決まります。
以下に、一般的な集積機能と、それらの機能に適していると考えられる基盤材料を示します。
How is integration being done?
モノリシック集積 vs. 微小光学組立
これまでご紹介してきた技術は、1つのチップ上に光学デバイスを集積、製造するために使用されるもので、モノリシック集積技術と呼ばれています。
従来、光学システムの構築のために用いられてきた微小光学部品の組立と比べると、様々な面でメリットがあります。
すべての光学機能、部品を1つの基板に統合することで、複雑な組み立て、位置合わせ、光学アライメント、パッケージング、テストといった工程を簡素化することができます。
さらに、20～30個以上の光学部品を1つのパッケージに収めるような複雑なシステムを構成する場合には、生産をスケールアップするための有効な選択肢となります。
ここまでご紹介したように基盤材料ごとに異なる技術プラットフォームが存在するため、基盤材料の選択は集積を行う光学機能とデザインルールを決定することを意味します。
つまりこの基盤材料の選定というプロセスは重要なステップであり、用途や実現したい機能、ターゲットとなる特性を考慮した上で、慎重に評価を行う必要があります※6～7。
特化型集積 vs. 汎用集積
ASPICの生産は、長年にわたり、光学システム全体ではなく、単一の光学素子に焦点を当てた「特化型集積」と呼ばれるモデルで実施されてきました。
このモデルは、通信用レーザー、フォトダイオード、パワースプリッター、変調器のように、特定の光学素子、部品に対する特定のニーズと市場が存在することが前提となっています。
このような特定な光学素子、部品を製造するにあたり、製造施設を新設し、製造プロセス整えることで、単一のデバイスに特化した最高級の性能を実現することができます。
ただし、このモデルは毎月数十万台というように大量生産、販売に成功しなければ利益を得ることは難しいのが実態です。
一方、汎用集積は、個々の光学素子ではなくアプリケーションに焦点を当てています。
単一のデバイスのためだけに開発された特殊な製造プロセスに比べ、汎用集積用の製造プロセスでは、あらかじめ汎用的な製造プロセス向けに開発された複数のビルディングブロック(ASPICを構成する構成要素、光学素子)を使用します。
これらを組み合わせることで、複数の光学機能を集積したデバイスを生み出すことができます。
このモデルでは、製造プロセスとコストを多くのユーザーが共有することができるため、ASPICの生産、販売数は必ずしも膨大なものである必要はありません。
また必要に応じて、汎用の製造プロセスをスケールアップして、大量生産に移行することも可能です。したがって汎用集積モデルは、低投資でカスタムASPICへのアクセスを可能にし、莫大なR&D投資をすることなく、集積光学分野への開拓を可能にしていると言えるでしょう。
REFERENCES
- ※1
- W. Bogaerts et Al., "Silicon nanophotonic waveguides and their applications,” Proc. SPIE 7134, Nov 2008.
- ※2
- C.R. Doerr and K. Okamoto, "Advances in Silica Planar Lightwave Circuits," in Journal of Lightwave Technology, Vol. 24(12), pp. 4763-4789, December, 2006.
- ※3
- F. Morichetti et Al., "Box-Shaped Dielectric Waveguides: A New Concept in Integrated Optics?," in Journal of Lightwave Technology, Vol. 25(9), pp. 2579-2589, September, 2007.
- ※4
- R. Nagarajan et Al., "InP Photonic Integrated Circuits," IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 16(5), Sept 2010.
- ※5
- W. Sohler et Al., "Integrated Optical Devices in Lithium Niobate," in Optics & Photonics News, Vol. 19(1), pp. 24-31, 2008.
- ※6
- D. Liang and J.E. Bowers, "Photonic integration: Si or InP substrates?," in Electronics Letters, Vol. 45(12), pp. 578-581, June, 2009.
- ※7
- G.A. Vawter, "Defining capabilities of Si and InP photonics," Proc. of IEEE AVFOP conference, 2010.
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次回はフォトニック集積回路における先端技術と、VLC PhotonicsによるASPIC(Application Specific Photonic Integrated Circuits、特定のアプリケーション向けのフォトニック集積化路)の開発サービスついて説明させて頂きます。
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