CMOSプロセスを用いたフォトニック結晶共振器

Research

CMOSプロセスによるフォトニック結晶共振器において世界最高Q値を達成

フォトニック結晶技術とシリコンフォトニクスとの融合に向けて

従来電気で信号処理していた情報を,光のまま処理することで消費電力を下げようとする試みが始まっています.特にチップ内の配線を光に置き換えることで,システムの低エネルギー化を実現仕様とする,シリコンフォトニクスと呼ばれる研究が盛んです.現在のシリコンフォトニクス研究では光のチップ内伝送に関連する技術開発に力点が置かれていますが,究極的な省エネルギーを実現するために,将来的には信号処理も光が担う可能性があります.そのためには,光を強く閉じ込めることができるフォトニック結晶共振器と呼ばれる素子が必要不可欠とされています.

これを踏まえて本研究ではフォトニック結晶をシリコンフォトニクスの新たな素子として組み込むということを目標としました.この組み込みには2つの難点があったために,今まで実現されてきませんでした.1つ目は作製方法の違いです.シリコンフォトニクスの素子は今後の集積化と,CMOS素子との組み込みを目指して,CMOSプロセスのフォトリソグラフィで作製されることが主流になってきています.それに対し,フォトニック結晶は電子線描画によって作製されます.2つ目は構造の違いです.シリコンフォトニクスの素子はSiO2(二酸化ケイ素)上に作製されるのが通常ですが,従来のフォトニック結晶では架橋構造を取る必要がありました.したがって,従来素子は同じシリコンチップ上に組み込むことが難しかったのです.

フォトニック結晶はCMOSプロセスの主流であるフォトリソグラフィの精度では作製できないと考えられていましたが,図1(a)に示す幅変化型と呼ばれるデザインを採用することでこの問題を克服しました.実際にL3と呼ばれる共振器では,隣り合う穴同士がくっついてしまい,正確に素子が作製できません.

図1:(a)今回作製した素子の電子顕微鏡写真.(b)従来構造(L3共振器)をフォトリソグラフィで作製した場合の構造.

図2に今回作製した素子の光学透過特性を示します.透過スペクトルの幅よりQ値2.2×105が求まりました.この値はフォトリソグラフィで作製されたフォトニック結晶共振器素子としては世界最高Q値です.SiO2に上下面から覆われているため,素子寿命も向上しています.また,本素子の全光スイッチ動作も実現し,光信号処理にも使用できることを実験的に示しました.

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図2(a) 共振器の透過スペクトル特性.

Q値フォトニック結晶がフォトリソグラフィで作製でき,シリコンフォトニクス素子と同様にSiO2上に作製できたので,フォトニック結晶共振器がシリコンフォトニクスの要素素子となりうることが示されました.

成果はScientific Reports, Vol. 5, 11312 (2015).に掲載されています.