シリコンフォトニクス 書籍
　
No.2336
AIデータセンター、HPCへ向けた放熱、冷却技術
次世代高速通信に対応する光回路実装、デバイスの開発
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★AIデータセンターの処理能力向上と消費電力低減を両立するシリコンフォトニクス
　更なる普及に向けた光デバイスの開発事例、集積化技術、応用技術の最新動向と今後の課題を掲載

シリコンフォトニクスによる
光デバイスの開発と異種材料集積化
−光電融合、Co-Packaged Opticsの実現に向けて−

発刊予定　：　2026年4月末　　体　裁　：　A4判 約350頁　　　定　価：　製本版、USB版共に77,000円(税込）　
ＩＳＢＮ：　978-4-86798-146-7
　
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■　本書のポイント

◎光源の開発と異種材料集積化
・応力低減と高精度アライメントを両立する薄膜転写技術
・光学素子を量産レベルで高速・高密度に集積する実装プロセスの開発
・シリコンウエハへの化合物光半導体の集積化技術
・Ge、SiGeの発光構造と発光デバイスの開発
・シリコン基板上への量子ドットレーザの成長技術、集積化手法

◎小型で低消費電力な光デバイスの開発
・シリコンフォトニクススイッチの開発動向と大規模・高速光ネットワーク
・シリコンリッチSiN導波路の基本特性と波長変換技術
・光受動素子の究極の小型化を可能とするモザイク素子
・オンチップシリコン電気光学変調コムの開発

◎光ファイバとの光結合技術と検査手法
・自己形成光導波路技術によるSiPhチップとファイバ間の高効率接続技術
・画像処理を用いたファイバアライメント、検査工程の高速短縮化
・シリコンフォトニクス3次元集積回路の内部構造の品質検査法

◎光通信以外への応用事例
・大容量光無線通信に向けたシリコンビームステアリングデバイスの開発
・AI演算処理の高速、省電力化を実現する光ニューラルネットワーク
・集積性、高速性、低消費電力を兼ね備えた光リザバーコンピューティング
・ソリッドステート超小型ライダーの開発事例
・バイオセンサ、水素センサ、ダイヤモンド量子センサなどセンシングデバイスの開発事例

　

■　執筆者（敬称略）　

(国研)産業技術総合研究所 高 磊 芝浦工業大学 横井 秀樹
東レエンジニアリング(株) 岡田 達弥 電気通信大学 一色 秀夫
沖電気工業(株) 谷川 兼一 (国研)産業技術総合研究所 松本 怜典
上智大学 下村 和彦 大阪大学 三科 健
(国研)物質・材料研究機構 松村 亮 法政大学 藤澤 剛
東京都市大学 澤野 憲太郎 元 東海大学・マレーシア工科大学 三上 修
早稲田大学 志村 考功 東海大学 藤川 知栄美
東京科学大学 大澤 泰樹 公立千歳科学技術大学 福田 浩
東京科学大学 吉田 祥 早稲田大学 小西 毅
東京科学大学 八井田 朱音 (国研)産業技術総合研究所 渥美 裕樹
東京科学大学 沖野 晃俊 (国研)産業技術総合研究所 吉田 知也
早稲田大学 北 智洋 (国研)産業技術総合研究所 　 井上 崇　
三菱電機(株) 鈴木 純一 (国研)産業技術総合研究所 鴻池 遼太郎
東京大学 權 晋寛 (国研)産業技術総合研究所 池田 和浩
東京大学 荒川 泰彦 (国研)産業技術総合研究所 鈴木 恵治郎
東京科学大学 渡辺 正裕 (地独)大阪産業技術研究所 山根 秀勝
東京科学大学 庄司 雄哉 (国研)産業技術総合研究所 Cong Guangwei
兵庫県立大学 榎原 晃 金沢大学 砂田 哲
徳島大学 藤方 潤一 横浜国立大学 馬場 俊彦
日本大学 石澤 淳 横浜国立大学 荒川 太郎
東京農工大学 清水 大雅 広島大学 雨宮 嘉照
東京大学 宮武 悠人 豊橋技術科学大学 勝見 亮太
    香川大学 小野 貴史

■　目　　次

第１章　シリコンフォトニクス用光源の作製と異種材料集積化技術

第２章　シリコンフォトニクスを用いた光デバイス、光集積回路の作製技術

第３章　光デバイスと光ファイバの接続、結合技術と品質検査

第４章　シリコンフォトニクスの応用展開

◇第１章　シリコンフォトニクス用光源の作製と異種材料集積化技術◇

第１節 シリコンフォトニクス技術と薄膜転写による異種材料集積

１．シリコンフォトニクスの要素デバイス
　1.1 シリコン光導波路の特徴
　1.2 シリコン光導波路の構造と形態
　1.3 主な光パッシブデバイス
　1.4 シリコンフォトニクス技術と試作サービス
２．シリコンフォトニクスの薄膜転写による異種材料集積
　2.1 シリコンフォトニクス集積技術の分類
　2.2 WoWとCoW接合の特徴と課題
　2.3 Micro-Transfer Printingの特徴と課題

第２節 シリコンフォトニクスへ向けた異種材料の高速実装プロセスの開発

１．シリコンフォトニクスにおける極薄チップの実装ニーズと課題
　1.1 シリコンフォトニクスにおける極薄チップ実装のニーズ
　1.2 異種材料集積の方法と課題
２．レーザー転写を利用した極薄チップの転写技術
　2.1 レーザーを用いた転写技術
　2.2 極薄チップのレーザー転写法
　2.3 レーザー転写材料
３．レーザー転写を用いた実装プロセス
　3.1 プロセスフロー
　3.2 評価結果
　3.3 量産化に向けた効率化
　　3.3.1 ドナー基板の最適化
　　3.3.2 不良チップの除去と穴埋め動作

第３節 シリコンウエハー上への光半導体の異種集積技術

１．IC上へのMicro-LEDsの異種材料集積：20年間の量産実績
２．300mmシリコンウエハーへの光半導体の異種材料集積：タイリングCFB
３．InP系テラヘルツデバイスの異種材料集積：NTTイノベーティブデバイス株式会社と共創

第４節 シリコン基板上へのInP薄膜の直接貼付と結晶成長技術

１．異種半導体の集積化技術
２．親水性直接貼付技術を用いたシリコン基板とInP薄膜層の貼り合わせ
３．InP薄膜層−シリコン基板上への化合物半導体結晶成長
４．InP薄膜層−シリコン基板上GaInAsP系半導体レーザの発振特性
　4.I nP薄膜層−シリコン基板上GaInAsP系半導体レーザの発振特性
　4.1 ダブルヘテロレーザ
　4.2 量子井戸レーザ
　　4.2.1 歪量依存性
　　4.2.2 ボイドと発振特性の関係

第５節 光電デバイス応用へ向けた高速CWレーザーアニール法による絶縁膜基板上へのGe系薄膜の成長

１．IV族系光学材料の要請と技術的課題
　1.1 CMOS互換な光源としてのIV族材料への要求
　1.2 IV族光源が満たすべき要件と物理的ハードル
　1.3 熱平衡偏析の抑制と非平衡固溶
２．高速CWレーザーアニールによるGe系薄膜結晶成長
　2.1 装置構成とGe薄膜の結晶化・歪み印可
　2.2 GeSnへの展開：高Sn固溶の実現
　2.3 n型Geの高活性化と近赤外PLの増大

第６節 オンチップ光配線に向けたシリコン上へのGe発光デバイスの開発

１．ゲルマニウムの特長
２．SiGe/Siへテロ構造と発光研究の黎明期
３．Ge量子ドット
４. Ge-on-Si
　4.1 2段階成長
　4.2 引っ張り歪み
　4.3 Ge-on-Si発光デバイス
５．Ge-on-Insulator (GOI)
　5.1 GOIの必要性
　5.2 GOI作製プロセス
　5.3 GOIの発光
６．SiGe/Geヘテロ構造
　6.1 Ge-on-Si上の高Ge組成SiGe/Geヘテロ構造
　6.2 歪みSiGe/Geの臨界膜厚
　6.3 パターニング法
　6.4 SiGe/Ge多重量子井戸の光デバイス応用
７．Geマイクロブリッジ

第７節 局所液相成長によるGeSn細線の形成と受光・発光特性

１．GeおよびGeSnのバンド構造変調と光デバイス応用への展望
２．局所液相成長法による GeSn 単結晶細線形成
３．LLPC-GeSn細線の光学特性
　3.1 GeSn細線の発光特性と結晶品質の相関
　3.2 近赤外受光素子への応用展開

第８節 異種材料集積光回路に向けた大気圧プラズマによるシリコンウェハの親水化処理

１．シリコンの親水化に向けて開発した大気圧リニア型プラズマ装置
　1.1 銅板に対する大気圧リニア型プラズマ処理の親水化効果
　1.2 シリコンに対する大気圧リニア型プラズマ処理の親水化効果
　1.3 シリコン表面のXPS測定
２．大気圧リニア型プラズマ装置から排出される微粒子数の測

第９節 シリコンフォトニクスヘテロジニアス波長可変レーザの開発と1チップLiDARへの応用

１．ヘテロジニアス波長可変レーザの基本構造
２．ヘテロジニアス波長可変レーザの広波長帯域化
３．マルチモード干渉を利用した低損失電極構造
４．Si/SiNハイブリッド外部共振器を用いたヘテロジニアス波長可変レーザ
５．ヘテロジニアス波長可変レーザのLiDAR応用
　5.1 パッシブOPAを用いた二次元ビームスキャナ
　5.2. FMCW距離計測

第１０節 単一波長光源モジュール実現に向けたシリコンフォトニクス波長ロッカ技術

１．単一波長光源への期待と課題
　1.1 IMDD通信方式とデジタルコヒーレント通信
　1.2 短距離デジタルコヒーレント通信
　1.3 単一波長光源
２．シリコンフォトニクス波長ロッカ
　2.1 従来の波長ロッカと動作原理
　2.2 シリコンフォトニクス波長ロッカを用いたモジュール構成
　2.3 シリコンフォトニクス波長ロッカの動作原理
　2.4 シリコンフォトニクス波長ロッカの基礎評価
３．シリコンフォトニクス波長ロッカを搭載した単一波長光源モジュール
　3.1 単一波長光源モジュールの基礎評価
　3.2 単一波長光源モジュールを用いた伝送実験

第１１節 シリコン上の量子ドットレーザの集積化技術

１．シリコン上のIII?Vレーザ集積方式
２．III-V属量子ドット形成における結晶成長方法
３．シリコン基板上のOバンド量子ドットレーザの直接成長
　3.1 Si(001)基板上における量子ドットレーザ構造の成長
　3.2 レーザデバイスの製造と性能評価
４．C/L/Uバンド量子ドットレーザの成長
　4.1 InP上のInAs 量子ドットの形成
　4.2 低In組成InAlGaAsキャップ層による波長制御
　4.3 レーザデバイスの作製と性能

第１２節 Si基板上量子カスケードレーザの作製と特性評価

１．動作原理と材料の特徴
２．素子構造
　2.1 量子井戸活性層の設計
　2.2 導波路構造と電極コンタクト
　2.3 注入可能電流密度の見積もり
３．素子作製
４．測定方法
５．電流注入発光の測定結果
　

◇第２章　シリコンフォトニクスを用いた光デバイス、光集積回路の作製技術◇

第１節 シリコンフォトニクス用導波路型光アイソレータの開発

１．磁気光学結晶の集積技術
　1.1 希土類鉄ガーネット
　1.2 多結晶堆積法
　1.3 ダイレクトボンディング法
　1.4 薄膜転写法
２．シリコン導波路型光アイソレータ
　2.1 非相反移相効果
　2.2 マッハツェンダー干渉計型光アイソレータ
　2.3 リング共振器型光アイソレータ
　2.4 多モード干渉型光アイソレータ

第２節 多モード干渉光導波路構造を用いた光変調器の高性能化

１．多モード干渉(MMI)カップラを用いたマッハツェンダー光変調器(MZM)
　1.1 1×2 MMIカップラ
　1.2 2×2 MMIカップラ
　1.3 2×2 MMIカップラの光電力分配比の電圧調整
２．MZMの試作・評価
３．光単一側波帯(SSB)変調

第３節 SiGeハイブリッド変調器

１．SiGeハイブリッド光変調器

第４節 ゲルマニウム光検出器

１．光通信用検出器
２．pinフォトダイオードの構造
３．シリコンフォトニクスにおける光検出器
４．フランツケルディッシュ効果を利用した高感度光検出

第５節 オンチップシリコン電気光学変調コムの開発

１．光周波数コムとは
２．電気光学変調（EO）コムの発生原理
３．EOコムの分類と主要なプラットフォーム
　3.1 EO　Modulator comb
　3.2 Resonant EO comb
４．オンチップシリコンEOコム
　4.1 背景
　4.2 Si変調器の概要
　4.3 Si変調器を用いたオンチップシリコンEOコム発生
　4.4 非線形効果を用いたオンチップシリコンEOコムの広帯域化および短パルス化

第６節 シリコンフォトニクス上への強磁性金属プラズモンによる光誘起加熱と磁化の読み出し技術 〜オンチップ光メモリに向けて〜

１．原理
　1.1 表面プラズモン
　1.2 横磁気カー効果
２．シリコン細線導波路上の強磁性金属による光誘起加熱
　2.1 デバイスの作製
　2.2 光誘起加熱特性の評価
３．シリコン細線導波路上の強磁性金属の磁化状態の読み出し
４．まとめと将来展望

第７節 相変化材料を用いた低損失光位相変調器の研究開発

１．本稿の目的・位置づけ・構成
２．相変化材料を用いた光位相変調器
　2.1 相変化材料
　2.2 光位相変調器の動作原理
　2.3 屈折率変調における相変化材料の特異性・有用性
３．相変化材料を用いた光位相変調器の低損失化
　3.1 相変化材料を用いた光位相変調器の低損失化の戦略
　3.2 GST (Ge2Sb2Te5)
　3.3 GSST (Ge2Sb2Se4Te1)
　3.4 GSTS (Ge2Sb2Te3S2)
　3.5 Sb2Se3
　3.6 Sb2S3
４．相変化材料を用いた光強度変調器
５．将来展望
　5.1 相変化材料を用いた光位相変調器のさらなる低損失化
　5.2 光位相変調器の光学特性以外の性能向上

第８節 超音速フリージェットPVD法によるSi導波層を有する光非相反素子の作製

１．導波路型光アイソレータ
　1.1 磁気光学導波路
　1.2 非相反移相量
２．Si導波層を有する光アイソレータ
　2.1 非相反移相効果を利用した光アイソレータ
　2.2 非相反な導波モード−放射モード変換を利用した光アイソレータ
３．超音速フリージェットPVD法で作製した磁気光学導波路

第９節 Siプラットフォーム上ダイヤモンドデバイスの集積化技術

１．ダイヤモンド中のカラーセンター
　1.1 各種カラーセンターの諸特性
　1.2 ダイヤモンド中のカラーセンター形成
２．ダイヤモンド・メンブレンを用いたDOI技術
　2.1 エッチングによるダイヤモンド・メンブレンの形成
　2.2 イオンスライシング＋リフトオフによるダイヤモンド・メンブレンの形成
　2.3 準等方性エッチングによるダイヤモンド・メンブレンの形成
３．Siプラットフォームへのダイヤモンド・メンブレンデバイスのヘテロ集積
　3.1 ダイヤモンド・マイクロディスク共振器のSiフォトニクスプラットフォームへの?TP
　3.2 ダイヤモンド・メンブレンデバイスのSiN導波路への?TP
　　3.2.1 DOI基板によるメンブレンデバイスの適用
　　3.2.2 準等方性エッチングによるメンブレンデバイスの適用

第１０節 シリコンフォトニクススイッチの開発動向と大規模・高速光ネットワークの構築

１．データセンター向け光スイッチネットワークの動向
２．シリコンフォトニクススイッチ
　2.1 光スイッチ技術
　2.2 産総研におけるシリコンフォトニクススイッチの開発変遷
　2.3 シリコンフォトニクススイッチの大規模・高速化
３．大規模・高速光スイッチネットワーク
　3.1 波長・空間光スイッチネットワーク
　3.2 7,424ポート光スイッチネットワークの実証実験
　3.3 光スイッチスループットのまとめ

第１１節 シリコンリッチSiN導波路を用いた多波長一括型波長変換技術

１．全光波長変換器の応用と研究動向
２．シリコンリッチSiN導波路を用いた広帯域波長変換
　2.1 波長変換動作
　2.2 シリコンリッチSiN導波路の設計
　2.3 モード解析
３．波長変換シミュレーション

第１２節 モザイク素子による超小型チップ内通信用光集積回路

１．逆設計光受動素子
２．モザイク素子の構造と特徴
　2.1 格子構造
　2.2 適用素子例
３．モザイク素子の設計・製造法
　3.1 直接2分探索法
　3.2 機械学習援用設計法
　3.3 勾配計算援用設計法
　3.4 モザイク素子の製造法
４．モザイク素子の例
　4.1 1×2パワースプリッタ
　4.2 モード合波器
　

◇第３章　光デバイスと光ファイバの接続、結合技術と品質検査◇

第１節 UV硬化樹脂を用いたシリコンフォトチップとファイバ間高効率接続デバイスへの挑戦

１．SiPhチップへの光入出力方法
２．自己形成光導波路（Self-Written Waveguide: SWW）とは
３．結合効率の改善アプローチ
４．スポットサイズ・ダウンコンバータ
　5.1 HiNAファイバ利用による作製
　5.2 SMFのみを使って作製
５．スポットサイズ・エキスパンダ　
６．多チャンネルSiPhチップやマルチコアファイバへの適用

第２節 シミュレーションを活用したファイバアライメント、検査工程の短縮、高速化

１．ホログラム技術
　1.1 ホログラム
　1.2 計算機生成ホログラム
２．グレーティングカプラ
　2.1 GCと同時に作製するホログラム
３．シミュレーション計算例
　3.1 幾何学パターンホログラム
　3.2 GCのホログラム像
　3.3 ホログラムを用いたイメージアライメント
　3.3 画像認識によるアライメント位置推定

第３節 シリコン導波路デバイスにおける内部構造の品質検査法

１．導波光を用いた内部構造情報取得とデータ同化によるモデリング
　1.1 モデリングの原理
　1.2 データ同化による内部構造の推定
　1.3 計測プローブ光パルスの準備
２．光路モデリングの検証
　2.1 最も基本的な構造体における検証
　2.2 光結合デバイスにおける光路モデリングの実験的検証
　2.3 パッケージ後のアライメント変動検出の確認
　

◇第４章　シリコンフォトニクスの応用展開◇

第１節 大容量光無線通信に向けたシリコンビームステアリングデバイスの開発

１．シリコンビームステアリングデバイスと光結合器
２．大容量信号伝送ビームステアリングデバイスの開発
　2.1 開発デバイスの構成
　2.2 エレファントカプラ
３．ビーム掃引特性
４．信号伝送特性

第２節 フレキシブルシリコン有効媒質の作製技術とテラヘルツ屈折率制御

１．MEMS微細加工による単結晶シリコンのフレキシブル／ストレッチャブル化
　1.1 フレキシブル／ストレッチャブルデバイス
　1.2 MEMS微細加工
　1.3 フレキシブル／ストレッチャブルシリコン基板の基礎特性と応用可能性
２．テラヘルツシリコンフォトニクス
３．フレキシブルシリコン有効媒質の理論設計と試作
　3.1 フレキシブルシリコン有効媒質のコンセプト
　3.2 渦巻ばね構造の力学設計
　3.3 有効媒質理論
　3.4 フレキシブルシリコン有効媒質の作製
４．機械的変形による屈折率制御
　4.1 測定方法
　4.2 透過スペクトルの伸長依存性
　4.3 有効媒質近似との整合
５．シリコンフォトニクスにおける応用展望
　5.1 テラヘルツ光学素子への応用
　5.2 導波路・メタサーフェス・集積光回路への応用
　5.3 既存の電子デバイスとの統合

第３節 大規模シリコン光集積回路を用いた光ニューラルネットワーク演算技術

１．背景
２．ニューラルネットワークの基本原理
３．シリコン光集積回路による光ニューラルネットワーク
　3.1 線形演算
　　3.1.1 基本演算要素と内積
　　3.1.2 行列ベクトル乗算
　　3.1.3 畳み込み演算
　　3.1.4 波長および時間多重技術
　3.2 非線形計算
　　3.2.1 全光方式
　　3.2.2 光電光変換方式
　3.3 重み制御技術
　3.4 ニューラルネットワークアクセラレータの実装
　3.5 PNNの学習手法
　　3.5.1 オフライン学習とオンライン推論
　　3.5.2 インシツ・バックプロパゲーション
　　3.5.3 フォワードオンリー学習
　　3.5.4 群知能とヒューリスティック最適化
４．最近の進展と新モデルの探索
　4.1 フォトニクステンソルコア
　4.2 オンチップPNN
　4.3 新しいPNNモデルへの探索

第４節 光リザバーコンピューティングの設計と実装

１．リザバーコンピューティングとは
　1.1 基本概念と背景
　1.2 RCとその学習方法
２．光リザバーコンピューティング(PhRC)とその基本構成
　2.1 光リザバー＋電気リードアウト構成
　2.2 光リザバー＋光リードアウト構成
３．実装方式の比較と設計指針
　3.1 実装方式
４．非線形性の導入方法
　4.1 光学的非線形性
　4.2 構造的非線形性
５．シリコン光回路RCおよび構造的非線形性導入の例
６．チップ集積型PhRCのための学習方法
　5.1 逐次リッジ回帰（Recursive Least Squares）
　5.2 スパース回帰による物理実装効率の向上
　5.3 学習手法設計の今後の方向性
７．期待される応用分野
　6.1 光通信信号処理
　6.2 In-sensor/near-sensor信号処理
　6.3 時系列予測・異常検知

第５節 シリコンフォトニクスを用いたソリッドステート超小型ライダーの開発

１．3Dセンサと非機械化の試み
　1.1 3Dセンサ比較
　1.2 非機械式1D光ビームスキャナ
　1.3 非機械式2D光ビームスキャン
２．SLGによる1Dビームスキャン
　2.1 基礎理論
　2.2 回折格子構造
　2.3 ビームスキャンの理論計算
　2.4 SLGの製作とビームスキャンの観測
　2.5 熱光学効果による動作，WDM動作
３．点状ビーム形成と2Dビームスキャン
　3.1 コリメート用レンズとFOVの拡大
　3.2 2D光ビームスキャン
４．LiDAR動作
　4.1 測距方式
　4.2 光パワーの条件
　4.3 周波数変調光の生成
　4.4 LiDARチップの製作と動作
　4.5 内部損失
　4.6 サブアレイ構成によるS/N向上
　4.7 ドップラシフト検出による速度と振動の可視化
　4.8 リアルタイム動作
　4.9 ビーム掃引とFMCW測距の同時実現

第６節 シリコン微小リングリング共振器を用いた高感度センサの開発

１．シリコン微小リング共振器バイオセンサ
　1.1 センサ構造と動作原理
　1.2 設計および理論的センシング特性
　1.3 検出特性
　　1.3.1 エタノール検出特性
　　1.3.2 アビジン検出特性
２．水素センサ
　2.1 デバイス構造・動作原理と作製
　2.2 水素検出特性

第７節 シリコンフォトニクス技術のバイオセンサ応用

１．バイオセンサ
２．リング共振器バイオセンサ
　2.1 リング共振器の原理
　2.2 バイオセンサ測定方法
３．感度指標
４．検出性能の向上
　4.1 共振波長変化量の増大方法
　4.2 信号雑音抑制

第８節 窒化シリコン光回路とNVセンターの融合によるダイヤモンド量子情報デバイスの開発

１．量子情報科学におけるハイブリッド集積
２．量子センシングにおけるハイブリッド集積
　2.1 実用化に向けた取り組み
　2.2 ハイブリッド集積
３．ディスカッション
　3.1 量子情報処理における課題
　3.2 量子センシングにおける課題

第９節 シリコン光集積回路を用いた量子分類器の開発

１．シリコン光集積量子回路
２．Data Reuploading法による量子分類
　2.1 量子分類器
　2.2 従来の光量子分類器の課題
　2.3 Data Reuploading法
　2.4 単一量子ビット分類器の動作原理
　2.5 非線形性と普遍性の実現
　2.6 本手法の意義
３．シリコン光集積回路を用いた量子分類器
　3.1 光集積回路による量子分類
　3.2 単一光子による実装
　3.3 多光子系への拡張
　3.4 学習の方法
　　3.4.1 コスト関数
　　3.4.2 学習の手順
　　3.4.3 逐次最小問題最適化法
４．量子分類器の実装
　4.1 実験条件
　4.2 簡略化した量子回路モデル
　4.3 分類タスク
　4.4 学習結果
　4.5 分類精度