京セラと東北大、シリコン光回路に光アイソレータを直接集積する技術を開発

この半導体ニュースのまとめ

・京セラと東北大がシリコン光回路に光アイソレータを直接集積する技術を開発
・レーザーアニールによる局所加熱で周辺の光回路や金属電極への熱影響を低減
・試作デバイスで13.6dBのアイソレーション比を確認し、戻り光を約20分の1に低減

京セラと東北大学電気通信研究所は9月10日、レーザー光で局所的に熱処理する「レーザーアニール」を用いて、シリコン光回路上に光アイソレータを直接集積する技術を開発したと発表した。

試作デバイスを用いて、光通信で利用される波長域において13.6dBのアイソレーション比を確認。回路内で反射して光源へ戻る光を約20分の1に低減できることを実証した。

研究成果をまとめた論文は、2026年9月3日付でIEEEの学術誌「IEEE Access」に掲載された。

CPOの安定動作に必要となる光アイソレータ

生成AIの普及やAIデータセンターの拡大に伴い、サーバやネットワーク機器の内部では、より多くのデータを低消費電力で伝送することが求められている。

その実現手法の1つとして開発が進むのが、シリコン基板上に光回路を形成するシリコンフォトニクスである。中でも、光回路と電子回路を同一パッケージ内に搭載するCPO(Co-Packaged Optics)は、電気信号の伝送距離を短くすることで、信号損失や消費電力を抑えられる技術として注目されている。

一方、光回路内で発生した反射光がレーザー光源へ戻ると、レーザーの発振状態が不安定になり、通信品質の低下を招く可能性がある。光アイソレータは、信号光を一方向へ通しながら、逆方向に進む戻り光を抑制するための光学部品となり、CPOを小型・高密度化するには、個別部品として光アイソレータを配置するのではなく、シリコン光回路上へ直接作り込む技術が求められる。

レーザー光で必要な領域だけを局所加熱

光アイソレータには、光と磁気の相互作用によって光の進み方を制御する「磁気光学ガーネット」と呼ばれる結晶材料が用いられる。

この材料に光アイソレータとして必要な特性を持たせるには、約600℃以上で熱処理して結晶化させる必要があるが、シリコン光回路のチップ全体を高温で加熱すると、すでに形成されている金属電極や配線、ほかの素子へ熱的な影響を与える可能性があるため、周辺回路を傷めることなく、磁気光学ガーネットだけを熱処理することが課題となっていた。

今回、研究グループでは、磁気光学ガーネットを成膜した約700μm四方の光アイソレータ回路領域へ、近赤外波長帯のレーザー光を照射する手法を開発。レーザー光を照射した領域だけを局所的に加熱することで、磁気光学ガーネットを結晶化させながら、周囲の光回路や金属電極への熱影響を抑えられるようにした。チップ全体を加熱炉へ入れる従来の手法と異なり、必要な箇所だけを選択して処理できることが特徴となる。

レーザーアニールを用いた光アイソレータの形成方法。磁気光学ガーネットを形成した領域だけをレーザー光で局所加熱することで、チップ全体を炉で加熱する従来手法と比べ、周囲の光回路や金属電極への熱影響を抑えられる (提供:京セラ)

戻り光を約20分の1に低減

研究グループでは、光の干渉を利用するシリコンベースのマッハツェンダー干渉計構造を用いて光の干渉を利用する構造のデバイスを試作。信号として進む順方向の光と、反射して光源側へ戻る逆方向の光の出力を比較したところ、光通信で使用される波長域において13.6dBのアイソレーション比を確認し、戻り光を約20分の1に低減できることを実証したとする。