本研究では，我々が考案した「モスキート法」を応用することで，光集積回路を構成するシリコンフォトニクスチップ(SiPC)と汎用光ファイバ(SMF)との接続素子となる fan-in/fan-outポリマー光導波路を，3 次元コア配線を導入して実現する.本年度は，導波路自体の低損失を維持しつつ，SiPC，SMF と導波路との接続部での損失を低減するための導波路設計・作製法を確立することを目指した.
はじめに，導波理論計算を導入して，SiPCチップ上にポリマー光導波路コアを形成する際のコア形状と導波路間の接続損失を算出し，最適導波路コア形状を設計した．その結果，SiPCチップ上に形成するコアは，モスキート法の特徴である円形断面ではなく，底部がチップ表面に接触して平坦化した半円断面形状であっても，その半径，コア間接触距離を最適化すれば，接続損失は生じないことが分かった．そこで，チップ表面に接触するようにポリマー導波路コアを形成する手法を検討した．ニードルが，チップ表面に直交する方向でモノマーを吐出した場合，コアモノマーがチップ表面からの効力を受けて吐出量が安定せず，安定してコアが形成できないことが判明した．チップ表面からの効力を弱めるため，チップ表面に対してニードルを傾けてコアモノマーを吐出したところ，所望のコアをチップ表面上に形成可能となった．
続いて，ポリマー導波路とSMFとの接続側端面にて，導波路内複数コアの高さ均一化を検討した．ニードル先端位置を同一高さとするニードル走査プログラムを導入して形成したコアの高さずれには一定の傾向が見られたことから，そのずれ量をフィードバックして，予め異なるニードル先端高さを設定したニードル走査プログラムを導入してコア高さずれを相殺する手法を試みた．その結果，4コア並列時に，コア間高さずれを±1 μmに制御することに成功した．
2年間の本研究成果は，企業からの委託研究に発展し，2023年度から科研費基盤研究（B）の採択に結実した．
In this research, we fabricate fan-in/fan-out devices which have a role of low-loss connection element between silicon photonics chips (SiPC) and optical fibers (SMF) by applying the "Mosquito method" that we have developed. The fan-in/-out polymer waveguide devices are realized by introducing three-dimensional core wiring. In this year, we investigated the the optimum waveguide structural design and optimum fabrication condition.
First, by introducing the waveguiding theory, we calculated the relationship between the core shape and the connection loss between the two waveguides when forming a polymer core on a SiPC chip, and then, the optimum waveguide core shape was designed. We found that even if the core formed on the SiPC chip did not have a circular cross-section, a semi-circular cross-sectional core (the bottom is flat due to the contact with the chip surface) caused no connection loss by optimizing its diameter and coupling length. Therefore, we investigated a method of forming a polymer waveguide core that has a contact with the chip surface. When the needle dispensing the core monomer is set to be perpendicular to the tip surface, the core monomer received the resistive pressure by the tip surface, which lead to an unstable amount of dispensed core monomer. Hence, the core could not be formed stably. In order to reduce the effect from the chip surface, the needle was tilted against the chip surface when dispensing the core monomer. Then, a desired core could be formed on the chip surface successfully.
Next, we investigated how to equalize the heights of multiple cores on the connection side between the polymer waveguide and SMFs. Since a clear tendency was observed in the core height displacements, we feed-backed the measured core height displacement to the needle scanning program to deliberately set different needle tip heights in advance. Then, we succeeded in controlling the height deviation among the cores to ±1 μm when four cores were dispensed in parallel.
The results of this two-year research is triggering to receive collaborative researches from industry, and the adoption of Grants-in-Aid for Scientific Research (B) from 2023.
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