ボード内光配線実装技術と課題
裏
升吾
†a)金高
健二
††井上
純一
†Technical Issues for Optical Interconnect Circuit Board
Shogo URA
†a), Kenji KINTAKA
††, and Junichi INOUE
†あらまし ボード内光配線における実装技術の重要性について触れ,具体的課題として垂直共振器型面発光 レーザ(VCSEL) の表面実装及び波長選択光変調を取り上げている.VCSEL の表面実装では,外部共振器ミラー を光配線基板に集積してレーザ発振を制御することを目指して,その実現のための具体構造として導波モード共 鳴(GMR) 素子のポテンシャルを紹介している.すなわち,発振波長を GMR 波長にロック,安定化させると同 時に,VCSEL の実装許容誤差を桁違いに拡大する手法を探求している.波長選択光変調は,より短距離高密度 光配線用として期待され,そのためにはチューニング型でないインライン構成が重要であると指摘している.そ の実現のためにグレーティングカプラ(GC) と共振器集積 GMR ミラーの組合せについて紹介している.GMR ミラーは構造によっては反射型ノッチフィルタとなることが示され,on/off 制御の原理について説明している. キーワード 光インタコネクト,光導波路,モード結合,グレーティングカプラ,導波モード共鳴
1.
ま え が き
信号伝送量が爆発的に増加している情報化社会を支 えるインフラとして光配線の普及が進んでいる.社 内や家庭内などのネットワークのみならず,ハイパ フォーマンスコンピューティングやハイエンドルータ などの装置内にも導入されている.電気配線から光配 線への置換え領域は,基本的に帯域・距離積で決まり, 伝送帯域が増加するにつれて短距離応用が導入対象と なる[1].この潮流に従えば,現在,装置内ボード間 まで導入されている光配線は,いずれボード内やパッ ケージ内へ導入されると予測されている[2].しかしな がら,ボード内光配線の実現には大きな技術ハードル が存在する. 現在実用化されているラック間,ボード間の光配線 は,アクティブ光ケーブルのコネクタ接続(配線径∼ 100μm)をベースとしたもので,光ファイバ通信技 術の延長で実現されている.一方,パッケージやプリ †京都工芸繊維大学電気電子工学系,京都市Faculty of Electrical Engineering and Electronics, Kyoto In-stitute of Technology, Matsugasaki, Sakyo-ku, Kyoto-shi, 606–8585 Japan
††国立研究開発法人産業技術総合研究所無機機能材料研究部門,池田
市
National Institute of Advanced Industrial Science and Tech-nology, 1–8–31 Midorigaoka, Ikeda-shi, 563–8577 Japan a) E-mail: [email protected] ント配線板に相当するボード内光配線(配線ピッチ∼ 10μm)にはボード上に光導波路を集積した光配線回 路がベースとなるが,光配線への光結合方式の開発が 大きな課題である.技術の普及は価格で決まる.価格 には,材料,プロセス,検査を含めた製造コストに加 えて,消費電力(発熱対策を含む),信頼性(寿命), 占有容積を含めたランニングコストを総合的に計上し なければならない.したがって,光配線回路の開発に おいては,「信頼性」,「消費電力」,「実装密度」がキー ワードとなる. 前述のように,光配線化には帯域・距離積が重要な指 標となり,1011bps・mが一応の目安である[1].ボー ド内応用でのこの値の有効性は精査を待たねばならな いが,いずれにしても広帯域の光配線が求められるの は間違いない.配線スペースも限定されるため,光導 波路の細径化若しくは光多重化が必須となる. 光導波路の細径化に関しては,屈折率の高い半導体 導波路が魅力的である.光ネットワーク用超小型送受 信モジュールとしてSiフォトニクス(若しくはCMOS フォトニクス)ベースのデバイスが実用化されている. Siが通信波長帯では屈折率の高い透明材料となること, デバイス作製に成熟した半導体プロセスを流用できる ことが背景にあり,2000年以降,急速に研究開発が進 展している.しかしながら,これらは「集積回路技術」 の転用である.実は,電気配線においても,配線板技
すなわち,「ボード内光配線回路を実現するためには, 高密度光配線導波路への光結合を可能とする光回路実 装技術の開発が必須である」と要約することができる. これらは,現状の技術の延長では困難であり,新技術 によるブレークスルーが待望されていることを意味し ている.本論文では,具体的な課題例を挙げ,それに 対する筆者らの取り組みを紹介する.
2.
表面実装光結合
2. 1 面発光レーザの実装と課題 ボード内光配線の基本型は光導波路を集積した光配 線板(光電気混載基板)上にチップを実装する構成で あり,要求される仕様は低電力高密度超広帯域である. 開発目的はボード内超高性能システム集積の実現であ り,電気配線を凌駕する性能,価格を供して初めて実 用化される.そのため,光配線導波路は単一モード, 光多重信号伝送が必須となる.一方,チップの表面実 装を対象とする場合,その許容誤差が実用化の鍵を握 る.光配線板の導波光を外部と入出力する必要がある 場合,高効率な光結合が求められる.高精度の光実装 でしばしば用いられるアクティブアライメント実装は, このような用途では適用できない.したがって,導波 路幅がサブミクロンであるSi配線を用いた光配線板 の可能性は低い.結果,導波路幅が数μmの単一モー ド導波路(主としてSiO2系)を波長多重,偏光多重 で使用することが第一案となる[3], [4]が,やはり許容 誤差の面で厳しい. 光実装における最も重要な課題は垂直共振器型面発 光レーザ(VCSEL: vertical-cavity surface-emitting laser)からの出射光の導波光への結合である.実装許容 誤差が大きく安定な高効率結合が求められる.この実 現を目指して,空間光を反射しかつ導波光を入力結合 できるような素子を光導波路に集積し,Half-VCSEL を表面実装する構成の可能性を探っている[5].すなわ ち,VCSELの片側ミラーを導波路に集積することで レーザ発振を導波路集積素子で制御し,Half-VCSEL と光配線導波路の相対的な位置ずれに関係なく安定な 発振を得ようとするものである. 図1にVCSELの表面実装の基本概念図を示す.高 図 1 VCSELの表面実装の概念図Fig. 1 Basic concept of surface-mount packaging of a VCSEL. 密度が前提であり,単一モードの誘電体導波路を想定 している.したがってVCSELも横単一モードで使用 することになるが,ここでVCSELの単一横モード条 件に整合する程に小さい反射径(微小開口)の外部ミ ラーと比較的大きな面サイズ(横多モード)を有する 活性層を組み合わせて面内方向の実装許容誤差の拡大 を狙った構成である.一方,発振波長は,通常は,ミ ラー間隔で決まる共振モード波長で与えられる.これ は面垂直方向の位置合わせ精度がナノメートルオー ダーであることを意味し,実現性に乏しい.また,波 長多重化を念頭に置く場合,発振波長制御が重要であ り,外部ミラーにその機能をもたせることが望まれる. すなわち波長選択性を有するミラーが望ましい.更に は,この外部ミラーには導波光を励振するための結合 器の役割も求められる.ただし,主役は反射であるか ら結合器としては必然的に低効率となる.これらの外 部ミラーの要求を満たすために,筆者らは導波モード 共鳴の利用を検討している. 2. 2 導波モード共鳴(GMR)ミラー 導波モード共鳴(GMR: guided-mode resonance) フィルタは,薄膜導波路の表面にサブ波長グレーティ ングを集積して形成される狭帯域フィルタである.誘 電体多層膜で形成される波長フィルタと比較して,表 面グレーティングで形成され偏光依存性を有する,周 期構造が膜厚方向ではなく面内方向に形成され狭帯 域化が容易である,反射波長がグレーティング周期で 決まるため異なる波長のフィルタの集積が容易であ る,などの特徴を有する.狭帯域反射現象はWood’s anomalyとして古くから知られていたが,近年その 応用ポテンシャルが指摘[6]されてから,偏光子,波 長板,波長フィルタ,レーザミラー等様々な素子やシ ステムへの応用が報告され,研究開発が急進展してい る.また,その共鳴現象は,伝搬波数が連続的に分布 する放射モードが離散的な導波モードと結合するファ ノ共鳴の一種として説明,解析できる[7].構造によっ
図 2 導波モード共鳴 (GMR) ミラーの基本構成と光波 結合
Fig. 2 Basic configuration of a guided-mode reso-nance (GMR) mirror and wave coupling.
ては,反射位相が大きな波長依存性を示す. このように,GMR素子は,1グレーティング周期 で狭帯域反射波長を制御できる,2共鳴波長付近で反 射位相が擬似不定性を示すように設計できる,3プ レーナプロセスで集積できる,4後述するように導波 路共振器を集積することで微小開口を実現できる,5 その導波路共振器を形成するミラーの反射率を調節す ることで導波光励振結合器としても機能する,など, 一点を除けば,前述のVCSEL表面実装のための導波 路集積外部ミラーとして必要な特性を兼ね備えている. 特に2の反射位相の擬似不定性は面垂直方向の実装許 容誤差を桁違いに拡大する注目すべき特長である.さ て,除外の一点とは,フィルタ構造では高反射率を得 られる波長が特定されることである.VCSELは活性 層厚が薄いため,外部ミラーには高反射率が必要であ る.そこで,反射位相が擬似不定性を示す導波モード 共鳴波長近辺で高い反射率を維持する工夫として,高 反射率基板と組み合わせたGMRミラーを検討してい る[8]. 図2にGMRミラーの基本構成と光波結合の概要を 示す.高反射率基板上に光バッファ層を介して導波コ アとグレーティングが形成されている.空間側から の入射光(放射モード)は,共鳴条件においては,グ レーティングにより導波モードに結合される.励振さ れた導波モードは,同一グレーティングにより,基板 側及び空間側に放射され,入射光の直接透過と反射に 重畳される.入射光の透過と導波モードの基板側放射 は,高反射率基板により抑圧(消滅)される.その結 果,共鳴は生じる(反射位相の擬似不定性を示す)が 高反射を維持するミラーが期待される. 図3にGMRミラーの設計例を示す.SiO2(屈折 率ns= 1.444)基板上にAu (nm= 0.56 − j 9.8)反 射層を設け,SiO2光バッファ層(膜厚tb)を介して Si-N (nf = 1.973)導波コア(膜厚800 nm),Si-Nグ 図 3 GMRミラーの設計例
Fig. 3 Design example of a GMR mirror.
図 4 GMRミラーの反射スペクトルの計算値
Fig. 4 Calculated reflectance of a GMR mirror.
レーティング(凹凸深さ100 nm)を形成する構成であ
る.厳密結合波解析(RCWA: rigorous coupled wave analysis)で計算した反射スペクトルのtb依存性の二 次元濃淡表示を図4に示す[8].横軸が波長,縦軸が光 バッファ層厚である.100%近い反射率を示す中に反射 率が減少しているゾーンが複数観察される.100%近 い反射率はAu層による反射を表している.また,反 射率が低いゾーンはGMRミラー内部の垂直共振モー ドを表している.共振状態では,光波の共振器内に蓄 積されるエネルギが増加し,比例して損失が増加し, 反射率低下につながる.導波モード共鳴が生じない場 合は,Si-Nと空気の境界とAu表面で膜厚方向の共 振器が形成される.この場合,垂直共振モードの波長 はtbに比例する.水平に近いゾーンはこの共振モー ド(常態肢と呼ぶ)に対応する.一方,導波モード共 鳴が生じる場合は,GMRフィルタとAu表面で膜厚 方向の共振器が形成される.この場合,導波モード共 鳴波長付近で見られるGMRフィルタの反射位相の擬 似不定性のため,tbが変化しても垂直共振モード波長 はあまり変化しない.すなわち,垂直方向のゾーンは GMRに呼応(GMR肢と呼ぶ)している.常態肢と GMR肢は連続的に接続している.
がほぼ反位相となっており,GMRフィルタは高反射 を示す.したがって,垂直共振モードのQ値が高くな り損失が増加し,反射率が大きく低下している.ただ し,点Bにおいては,Au反射により形成される放射 モードの定在波がグレーティング部分で節となり,グ レーティングによる導波モード-放射モードの結合が生 じず,その結果,単なる多層膜構造の反射を示すこと になる.高反射率と反射位相の擬似不定性を利用する ためには,GMR肢上でかつ点B近傍を避けるtbを 選択する必要がある. 2. 3 GMRミラーとDBRを用いた垂直共振器 GMRミラーとHalf-VCSELを模したDBRとで形 成される垂直共振器の基本構成例を図5に示す.GMR ミラーとDBRの間のエアギャップ長をlaとする. GMRミラーを図3に示す仕様でtb= 3.37μmと 図 5 GMRミラーと DBR で形成する垂直共振器
Fig. 5 Cross-sectional structure of a vertical cavity consisting of a GMR mirror and a DBR sim-ulating a half-VCSEL.
図 6 垂直共振器の反射スペクトルの計算値
Fig. 6 Calculated reflectance of the vertical cavity consisting of a GMR mirror and a DBR.
l 率が減少しているゾーンが複数観察される.これらは 垂直共振器の共振モードを表している.常態では共振 波長はlaに比例しているが,GMR波長付近で,共振 波長のla依存性が激減する領域がある.laが0.5μm 近く変化しても共振モード波長の変化はnmに抑えら れている. このように,VCSELの発振波長は,実装時や使用 時の位置ずれに鈍感となり,GMR波長に安定に維持 されることが期待される.
3.
波長選択光変調
3. 1 光変調素子と課題 ボード内でも距離が短くなりパッケージレベルにな ると,集積法や熱干渉の問題から,VCSEL直接変調 に代えて光変調器の使用が期待される.外部光源利用 の場合は,SiO2系導波路とSi系導波路の比較検討も 重要な課題となる.Siフォトニクスベースの変調器は Mach-Zehnder干渉計タイプが主流であるが,波長多 重に対応させるためには波長合分波素子が別途必要と なる.波長合分波素子を省略するためには,波長選択 的な光変調器が必要となる. マイクロリング共振器は,共振波長をシフトさせて 特定波長に対する強度変調を与えることが可能であ り,波長選択光変調器として機能する.一方で,吸収 スペクトルが急しゅんなため,個別の特定波長に高精 度かつ正確にチューニング・デチューニングすること が要求され,モニタ素子・回路の集積化を念頭に置く 必要がある.筆者らはそのような不都合を避けるため, チューニング型でない波長選択光変調方式・デバイス を検討してきた[9], [10]が,最近,グレーティングカッ プラ(GC)の結合効率の外部ミラーによる制御の可能 性に着目している. 3. 2 グレーティングカップラ(GC)と放射損失 図7に外部ミラーの有無によるGCの動作の違いに ついて示している.ミラーがないときは,図7(a)に示 すように,伝搬してきた導波光は,GCにより空気側 及び基板側に結合放射され,伝搬とともに指数関数的 減衰を示し,結果,GCを透過しない.一方,図7(b) に示すように,高反射ミラーを適切な間隔で設置して図 7 グレーティングカプラ (GC) の放射損失減衰の制御 Fig. 7 Diffraction decay of a grating coupler (GC) with
free space (a) and high reflection mirror (b).
おくと,ミラー反射により空気側放射は消失し,基板 側放射はミラー反射光との干渉効果により抑圧され, 結果放射は生じず,導波光は透過する.(b)状態を常 態として,(a)状態に波長選択的に切り替えられれば, 透過光も波長選択的に変調される.そのためには反射 型のノッチフィルタとそのon/off制御が求められる. 3. 3 反射型ノッチフィルタと共振器集積 GMRミラーの構成を用いれば,反射型ノッチフィ ルタが得られる.図4に示すように,GMRミラーの 反射スペクトルは点B近傍で反射率が大きく低下す る.したがって,光バッファ層厚を適切に設定するこ とで,狭帯域のノッチフィルタが期待できる. 一方,図1や図7の形態で高密度光配線を構成す るにはGMRミラーは微小開口であることが求めら れる.ところが,GMRが十分に機能する,すなわ ち,入射光の直接透過/反射が導波モードの回折放射 により打ち消されるには,十分な導波モードパワー が励振されることが条件となり,一般のGMR素子 はサブmm径の開口を必要とする.そこで,筆者ら はGMR素子の開口微小化のために,導波路共振器の 集積を提案[11],検討してきた[12], [13].共振器集積
GMR (CRIG: cavity-resonator-integrated guided-mode resonance)ミラーの基本構成と光波結合の様子 を図8に示す[14].高反射率基板上に導波路及びグ レーティングが形成される構造はGMRミラーと同じ であるが,グレーティングはGCと1対のDBRで構 成される.1対のDBRは導波路共振器を形成し,そ の共振器中にGCが配されている.空間側からの入射 光は,共鳴条件においては,GCにより左右に伝搬す る導波モードに結合される.励振された導波モードは 図 8 共振器集積 GMR (CRIG) ミラーの基本構成と光 波結合
Fig. 8 Basic configuration and wave coupling of cavity-resonator-integrated guided-mode res-onance (CRIG) mirror.
図 9 作製した CRIG ミラーの SEM 像
Fig. 9 SEM image of a fabricated CRIG mirror.
DBR共振器内で往復,蓄積され,GCにより基板側 及び空間側に放射される.GCとDBRの間の位相調 整ギャップ長は,左右に伝搬する導波モードからの回 折光波の位相が揃うように設計される. CRIGミラーのノッチフィルタ特性(消光比,帯域) は,光バッファ層厚及び形成される垂直共振器の損失 に大きく依存する.試作したCRIGミラーのSEM像 を図9に示す.Ta2O5/SiO2多層膜基板上にSiO2光 バッファ層を介して600 nm厚のSi-N導波コア層,80 nm深さのSi-Nグレーティングを集積した.グレー ティングと導波路チャネルを一括形成するために,凸 グレーティングの幅により導波路チャネルを得ている. GC長及び導波路チャネル幅は10μmである.得られ た反射スペクトルの測定結果の例を図10に示す[15]. 消光比−20 dB以下,−10 dB幅0.04 nm,−3 dB幅 0.15 nmが得られている. 共振器集積の大きな副次的効果として,位相調整 ギャップ長lgを新たな構造パラメータして利用できる
図 10 作製した CRIG ミラーの反射スペクトルの測定例 Fig. 10 Example of measured reflection spectrum of
the fabricated CRIG mirror.
ことが挙げられる.lgを調整してGCに対するDBR 共振器を相対的に変化させれば,共振モードの定在波 の腹とGCのグレーティング凹凸がずれ,GCによる 導波モード-放射モードの結合効率が変化する.CRIG フィルタのQ値はGCの結合効率で支配されるため, DBR共振器の変位によりQ値を制御できることにな る[16]. 図11に共振器をδΛ変位させたときの反射スペク トルの計算例を示す.ここでΛはGCの周期である. 構造は,SiO2 基板上に500 nm厚のSi-N導波コア, 150 nm凹凸深さのSi-Nグレーティング,GC長10 μm,DBR長片側260μm,チャネル幅10μmとし た.δ = 0はGCがDBR共振器の中央に位置する場 合であり,δが大きくなるとGC結合が小さくなり, フィルタのQ値が高くなる.δ = 1/4では,共振モー ドの定在波の腹の位置がGCグレーティング凹凸の屈 折率境界に一致し,放射モードと導波モードの結合が 生じず,その結果GMR現象は消滅する.δが1/4を 超えて大きくなると,GMR現象が発現し,Q値は低 下する.すなわち,Q値は,δ = 1/2を周期として, δに対して周期的依存性を示す.これらのQ値の変化 の様子は実験的に確認されている[17]. さて,δ = 1/4近傍でδを電気的に変化させると, GMRの発現状態及び消滅状態を制御できる.CRIG フィルタの構造は,入射空間光がGCで左右に伝搬す る導波光に分岐され,それらの励振導波光がそれぞれ 左右のDBRで反射されGCで合波する一種の干渉計 を構成しているとみなすことができる.したがって, 電気光学材料を用いて導波路を構成し,左右の位相調 整ギャップ/DBRにプッシュプルで電界を印加するこ とで,左右の干渉アームの実効長差を変調でき,GMR 現象,例えば,図10に示すようなノッチフィルタリ 図 11 CRIGフィルタの反射スペクトルの計算例
Fig. 11 Calculated reflection spectrum of a CRIG filter.
ングをon/off制御することが期待できる.すなわち, CRIGミラーは図7の(b)状態から(a)状態に波長選 択的に切り替え可能なミラーの有力候補となる.
4.
む す び
以上,ボード内光配線の開発現状,高密度光配線へ の要求,及び実装技術の重要性について触れ,具体的 課題としてVCSELの表面実装及び波長選択光変調を 取り上げた. VCSELの表面実装技術では,外部共振器ミラー構 成の可能性について,GMRの利用を検討している筆 者らの取組みを紹介した.GMRミラーの反射位相は 構造により擬似不定性を示すことが予測され,実証さ れている.これを利用して,面垂直方向の実装許容 誤差を桁違いに拡大する可能性を探っている.現在, CRIGミラーの実証実験を推進中である. 波長選択光変調は,より短距離高密度光配線用とし て期待され,そのためにはチューニング型でないイン ライン構成が重要であることを論じた.そのための新 たなデバイスとして,GCとCRIGミラーの組合せ について紹介した.CRIGミラーは構造により反射型 ノッチフィルタ特性を示す.そのon/off制御の原理に ついて述べた.動作原理は個別には検証されているが, on/off制御は実証されていない.今後の更なる検討が 必要である. 文 献 [1] 三上 修,他,光回路実装技術ロードマップ(03 年度版), エレクトロニクス実装学会光回路実装技術委員会,東京, 2003.[2] A.F. Benner, M. Ignatowski, J.A. Kash, D.M. Kuchta, and M.B. Ritter, “Exploitation of optical in-terconnects in future server architectures,” IBM J.
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Oxford Univ. Visiting Fellow.1987 論 文賞受賞.2010 光・電子集積技術業績賞 (林巌雄賞)受賞.集積光デバイス,導波路グレーティング,光 インタコネクト,光メモリ,光計測デバイスなどの研究に従 事.応用物理学会,エレクトロニクス実装学会,日本光学会, IEEE,OSA 各会員. 金高 健二 (正員) 平 4 阪大・工・電子卒.平 9 同大大学院 博士課程了.博士(工学).同年工業技術 院大阪工業技術研究所入所.平 13 より産 業技術総合研究所.現在,同所無機機能材 料研究部門主任研究員.平 8∼9 日本学術 振興会特別研究員.光集積素子,光インタ コネクト,サブ波長周期構造素子,Si フォトニクス等に関する 研究に従事.応用物理学会,日本光学会,エレクトロニクス実 装学会,日本セラミックス協会,IEEE, OSA 各会員. 井上 純一 (正員) 2009京都工繊大・工芸・電子情報卒.2014 同大大学院博士課程了.博士(工学).同 年同大・電子システム工・助教.現在,導 波モード共鳴を利用した集積光デバイスの 研究に従事.応用物理学会,エレクトロニ クス実装学会各会員.