光電融合技術へ向けた
異種材料集積化と光集積回路の開発

１．シリコン基板上への化合物半導体レーザの集積化技術

上智大学　下村 和彦 氏

【本講座で学べること】
・シリコンプラットフォームへの化合物半導体デバイスの集積方法
・シリコン基板への化合物半導体の結晶成長
・シリコン基板への化合物半導体の貼り付け技術
・InP-シリコンテンプレート基板上結晶成長
・シリコン基板上化合物半導体レーザの特性

【講座概要】
データトラフィックの増大と共にデータセンター内の光化が急速に進んでいる。特にCOPや光電融合において、シリコンプラットフォーム上へ光源である化合物半導体レーザを集積化する技術が必要不可欠である。本講座では、シリコンプラットフォームへ化合物半導体を集積化する技術として、直接成長、ウエハ貼付け技術など各種方法について、それぞれの方法のメリット、デメリットを説明する。またテンプレート基板を用いた結晶成長、半導体レーザの特性について説明する。

１．シリコンプラットフォームへの化合物半導体集積化技術
　1.1モノリシック集積
　　シリコン基板への直接成長、選択成長
　1.2ハイブリッド集積技術
　　フリップチップボンディング
　　基板レベルでの貼り合わせ技術　親水性直接貼付、PAB、SAB
　　ハイブリッド集積の問題点
　1.3貼り合わせテンプレート基板への集積化技術
　　薄膜層-シリコン基板の貼り合わせ
　　スマートカット技術

２．InP-Siテンプレート基板上1.5μm帯半導体レーザ
　2.1テンプレート基板の特性
　　表面状態とPL強度、接合強度、ボイド
　2.2テンプレート基板への結晶成長
　　有機金属気相成長法
　　X線回折、PL特性
　　選択成長
　2.3テンプレート基板上半導体レーザの特性
　　ダブルヘテロレーザ、量子井戸レーザ

【質疑応答】

２．薄膜転写法による異種材料光チップレット集積化技術

(国研)産業技術総合研究所　高 磊 氏

【本講座で学べること】
・光導波構造の基礎，各種材料を活用した場合の長所／短所の比較
・シリコンフォトニクスデバイスの基本動作原理，研究開発の現状
・モノリシック／ハイブリッドフォトニクス集積技術，ファブレス化の動向

【講座概要】
シリコン系光導波路素子とその集積技術（通称：シリコンフォトニクス）は基礎的な研究段階から，産業展開に至る実用化開発段階へ移行しており，市場は急拡大を続けている．その一方，更なる高密度・高性能な光集積回路を実現に向けて，解決すべき技術課題が多数認識されており，新たなブレークスルーが求められる．本講演では基本的な素子動作原理から近年の技術動向，取り組むべき諸課題について取り上げ，解説を行う．

１．光導波路の基礎
　1.1 ガラス，化合物半導体，シリコン系導波路の特徴

２．シリコン系光導波路デバイス
　2.1 パッシブ光デバイス（カプラ，フィルタ，入出力光結合など）
　2.2 光変調器
　2.3 受光器
　2.4 レーザー光源

３．フォトニクス集積技術
　3.1 ムーアの法則と集積フォトニクスデバイスの活用
　3.2 CMOS互換モノリシック集積技術
　3.3 多彩な異種材料を活用したハイブリッド集積技術
　3.4 光チップレット，2.5/3次元実装
　3.5 ファブレス化，ファウンドリーサービスの現状

【質疑応答】

３．次世代光インターコネクトに向けた広帯域垂直光I/Oアーキテクチャと集積化技術

(国研)産業技術総合研究所　吉田 知也 氏

【本講座で学べること】
・次世代光インターコネクト（AI/HPC・データセンタ）における要求仕様と技術課題
・エッジカプラおよびグレーティングカプラの特性と構造的限界
・広帯域垂直光I/Oアーキテクチャの概念・原理と従来技術との違い
・位置ずれ・入射角に対する許容特性
・イオンビーム照射（IIB）を用いた高精度加工技術とプロセス制御
・2次元アレイ化による高密度光I/Oへの展開可能性
・Co-Packaged Optics（CPO）および次世代光インターコネクトへの応用可能性

【講座概要】
近年、生成AIの急速な発展に伴い、データセンタにおける通信トラフィックは飛躍的に増大している。このような背景のもと、電気配線の限界を補完する技術として光インターコネクト（特にシリコン光集積回路（Si-PIC））の重要性が一層高まっている。
しかしながら、PICのスケーリングが進むにつれて、チップ外部との光結合、すなわち光I/Oが新たなボトルネックとして顕在化している。従来のエッジカプラやグレーティングカプラはそれぞれに利点を有するものの、高密度実装、広帯域動作、実装許容性といった観点においては構造的な限界があり、今後のさらなるスケーリングに対しては新たなアプローチが求められている。
本講座では、このような課題認識に基づき、垂直光I/Oアーキテクチャという観点から光結合技術を位置づけ直し、その具体的な実現手段としてシリコン立体湾曲型光結合器を取り上げる。本技術は、表面型結合による2次元配置への適合性、超広帯域動作、位置および角度ずれに対する高い許容性といった特長を有し、次世代の光インターコネクトにおける有力な構成要素となり得る。

１．次世代光インターコネクトにおける要求と課題

２．シリコン光集積回路（Si-PIC）のスケーリング限界

３．光I/Oにおける要求仕様の整理

４．エッジカプラの特徴と限界

５．グレーティングカプラの特徴と限界

６．既存光結合技術の比較

７．広帯域垂直光I/Oアーキテクチャの必要性

８．シリコン立体湾曲光結合器の基本原理

９．ビーム制御と光学設計

１０．超広帯域性について（原理）

１１．実験結果：結合効率・帯域特性

１２．入射角・位置ずれに対する許容度

１３．高精度加工技術と製造プロセス

１４．二次元アレイ化と高密度光I/Oへの展開

１５．応用展開と今後の課題

【質疑応答】