(2) 紫外線硬化樹脂を用いたハイブリッド光集積技術

(1)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

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)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

2

10mm

board to board

chip to chip

on chip 10cm

短距離光通信

Campus network

10,000km 1000km

1km

100m

1m

Global network Intercity network

LAN

長距離光通信

研究背景

(3)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

研究背景 3

TSUBAME 2.0

@ Tokyo Tech

Light Peak @ Intel EXTREME TECH

Optical chip @ Intel The Register

長距離から短距離へ

–

ポート間光通信（

1 m

）

board to board chip to chip on chip

–

チップ間光通信（

10 cm

）

–

オンチップ光通信（

10-20 mm

）

Photonic Wire

Bonding

(4)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

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

インターポーザ内光インターコネクション

オンチップ光インターコネクション

Ohashi et al, NEC

Intel

PETRA 東大

東工大 Fujitsu

(5)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

5

Novel: Photonic wire

研究背景

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



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

Kulicke&Soffa, http://www.kns.com/

Karlsruhe Institute of Technology

フォトニックワイヤボンディング

(PWB)

(6)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

III-V Membrane LD

III-V Membrane PD

Photonic wire bond

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

研究目的

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

(7)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC



_act

~ 1%/well 

_act

~ 3%/well Δ = 40%

Index difference Optical confinement

Δ = 5%

Conventional PICs Membrane PICs (MPICs)

~150 nm Air (n = 1)

SiO

₂

(n = 1.45) Refractive index

Electric field GaInAsP (n = 3.34)

450 nm InP (n = 3.17)

InP (n = 3.17)

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

本研究で用いる光デバイスの特徴 ⁷

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

(8)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

8

SiO₂ BCB

Waveguide region

Si sub.

DFB laser region

3

μm

Semiconductor layer

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

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

本研究で用いる光源の特徴

(9)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

9

しきい値電流：

I

_th

= 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 nm @ I

_b

= 410 µA (1.5 I

_th

), Stopband : 32 nm 0

10 20 30 40 50 60 70

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

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

I

_th

= 270 µA

η

_d

= 12% (front facet)

Injection current [mA]

Light output [μW ]

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30

1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

Lig ht inten sity 10d B/ div .

Wavelength [nm]

RT-CW

I

_bias

= 410 µA (I

_th

= 270 µA) Res. 0.05 nm

Stopband 32 nm

光出力特性 発振スペクトル特性

本研究で用いる光源の特性(1)

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

(10)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

NTT reported f

_r

of 9.4 GHz/mA

^1/2

membrane DFB laser

10

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

0 2 4 6 8 10

0 0.25 0.5 0.75 1

Square root of ( I

_b

- I

_th

) [mA

^1/2

] -3d B f req ue ncy f

-3dB

, Re la xatio n freq ue ncy f

r

[G Hz]

Slope

9.9 GHz/mA

^1/2

f

_r

f

_-3dB

Slope

14.8 GHz/mA

^1/2

RT

W. Kobayashi

et. al.

,

JSTQE

19, 2013

f

_r

変調効率：4.8 GHz/mA

^1/2

（AlGaInAs系活性層、

共振器長100 µm）

半導体クラッド構造を用いた短共振器DFBレーザ

S. Kanazawa

et. al.

,

ELEX

12, 2015

f

_r

変調効率：2.3 GHz/mA

^1/2

（GaInAsP系活性層、

共振器長150 µm）

本研究で用いる光源の特性(2)

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

(11)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

11

i-InP cap layer 100 nm (n=3.17) GaInAsP SCH 15 nm (n=3.34)

SiO

₂

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

i-InP cap layer 100 nm (n=3.17) GaInAsP SCH 15 nm (n=3.34) GaInAsP MQW 90 nm

GaInAsP SCH 15 nm (n=3.34) SiO

₂

(n=1.45)

PWBとレーザの結合構造設計

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

(12)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

12

Photonic Wire Bonding

ステップインデックス型ファイバに類似する構造

HE

₁₁

TE

₀₁

TM

₀₁

HE

₂₁⁽¹⁾

EH

₁₁⁽¹⁾

HE

₃₁⁽¹⁾

SU-8 Core (n = 1.57) Air Cladding

(n = 1)

Refractive Index Profile

Cross Section

PWBの形状と伝搬モード解析

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

(13)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

13

-400 -200 0 200 400

0 20 40 60 80 100

HE₁₁ TE₀₁ HE₂₁

-400 -200 0 200 400

0 20 40 60 80 100

HE₁₁ TE₀₁ HE₂₁

Displacement in horizontal direction (nm)

Displacement in vertical direction (nm)

(%) Coupling efficiency(%) Coupling efficiency

Air

InP InP

SI-InP

500nm

1 μm

光源とのモード結合

HE

₁₁

TE

₀₁

HE

₂₁

HE

₁₁

TE

₀₁

HE

₂₁

HE

₁₁

TE

₀₁

HE

₂₁

PWB

と光源の中心位置

PWBと光源の結合解析

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

(14)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

14

単光子吸収と二光子吸収の比較

紫外光

400 nm

赤外光

800 nm

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

SU-8

フェムト秒レーザ

紫外線硬化他の部分は硬化しない

紫外線硬化樹脂により導波路を作製

レーザレーザ

レンズレンズ

１光子吸収材料２光子吸収材料

反応領域反応領域

1

光子吸収現象２光子吸収現象

フェムト秒レーザーによるポリマーの3次元加工

(15)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

15

Mode-locked Ti:Sapphire laser (800 nm, 80 fs, 82 MHz)

掃引パス制御

三次元掃引

サンプル観察

二光子加工光源光強度制御

実験系

(16)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

サンプル作製プロセス 16

(17)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

PWB径のアスペクト比と線幅 17

0 20 40 60 80 100

1 2 3

0 20 40 60 80 100

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

56 mW 70 mW 88 mW 111 mW

Scanning speed V (μm/s)

PWB width D ( μm ) PWB width D ( μm )

Average laser Power P (μm)

0

0.7 μm

 

0

0.5   μm V = 10 μm/s

0

0.5   μm

10.0 μm

1.7 μm

P = 56 mW

10.0 μm

2.1 μm

P = 70 mW

10.0 μm

2.1 μm

10.0 μm

2.5 μm

P = 88 mW

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

(18)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

18

SOI Chip 1

SOI Chip 2

PWB

(b) (a)

50 μm

PWBによるチップ間接合と細線曲げ

(19)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

0 10 20 30 40

0 2 4 6 8

with PWB w/o PWB

Injection current

_l

(mA) P hot oc urre nt

pd

(  A) I

I

19

Photonic wire bonding

Exposure Speed ≈ 10 μm/s

5.00 μm

p-electrode

n-electrode n-electrode p-electrode

LCI Laser diode Photodetector

Optical Transmission 150 μm

500 μm 500 μm

A

 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

Si上光源と受光器のPWB接続(1)

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

(20)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

0 10 20 30 40

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Injection current _l (mA)

Photocurrent pd (A) Light output 1 (mW)

I

I P

0 10 20 30 40

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Injection current _l (mA)

Photocurrent pd (A) Light output 1 (mW)

I

I P

Bias Voltage = -1V

I_pd

P

₁

A/W 09 . 0

4

 

 P I

_pd

Photodetection Sensitivity η

_pd

20

Mirror 1 (air)

Mirror 2 (SU-8 n=1.57)

Mirror 3 (SU-8 n=1.57)

Mirror 4 (air)

Laser Detector

P ₁

Laser output measurement

P ₄

Sensitivity measurement

R

_l

R

₂

I

_l

→

I

_pd

→

P ₃

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, 22394 (2015)

(21)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

21

pd pd

 P ₃  I

 

 ₁  ₂ ¹ ¹

1 2

2 2

1 1 P P

R R

R

P R 



 

pd dB

pd 10

) ( log 2

10 log

10 1 2

3  



I l

P I P

P 

10dB

程度の損失を推定

PWB

による損失

Mirror 1 (air)

Mirror 2 (SU-8 n=1.57)

Mirror 3 (SU-8 n=1.57)

Mirror 4 (air)

Laser Detector

P ₁

Laser output measurement

P ₄

Sensitivity measurement

R

_l

R

₂

I

_l

→

I

_pd

→

P ₃

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

(22)

T

^OKYO

I

^NSTITUTE ^OF

T

^ECHNOLOGY

QNERC

22

結合損失の理論的検討

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



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まとめ