世界初、京セラと東北大学がシリコン光回路上に直接集積可能な 光アイソレータ技術を開発 ~AIデータセンターなどの高速・低消費電力化に求められる 光電融合チップの高度集積化に貢献~

2026-09-10 京セラ株式会社,東北大学

京セラと東北大学は、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、試作デバイスの動作を実証した。光アイソレータは、光回路内で反射してレーザー光源へ戻る光を抑え、通信を安定化する重要な部品である。従来、磁気光学ガーネットを機能化するには約600℃以上の熱処理が必要で、チップ全体を加熱すると電極や他の光・電子素子への悪影響が課題となっていた。今回、必要な約700μm四方の領域だけを近赤外レーザーで局所加熱する「レーザーアニール」により、周辺回路への熱影響を抑えながらガーネットを結晶化し、シリコン導波路上にモノリシック集積した。試作機では光通信波長域で13.6dBのアイソレーション比を達成し、戻り光を約20分の1に低減。CPOやAIデータセンターにおける光電融合チップの高密度化・低消費電力化への貢献が期待される。

世界初、京セラと東北大学がシリコン光回路上に直接集積可能な 光アイソレータ技術を開発 ~AIデータセンターなどの高速・低消費電力化に求められる 光電融合チップの高度集積化に貢献~
レーザーアニールを用いてシリコン光回路上に集積作製した、光アイソレータの顕微鏡画像

<関連情報>

シリコン導波路上にレーザー焼鈍した鉄ガーネットを用いたモノリシック磁気光学マッハツェンダーアイソレーター Monolithic Magneto-Optical Mach-Zehnder Isolator Using Laser-Annealed Iron Garnet on a Silicon Waveguide

Tomoya Sugita; Reona Motoji; Yuki Yoshihara; Dan Maeda; Hiroki Yamamoto; Hibiki Miyashita;Kazushi Ishiyama:Taichi Goto
IEEE Access  Published:02 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1109/ACCESS.2026.3729586

Abstract

Stable silicon photonic circuits require monolithically integrated optical isolators based on magneto-optical garnet. However, crystallizing the garnet by conventional furnace annealing exposes the entire chip to high temperature and degrades the silicon waveguides and the metal electrodes. Here we avoid this degradation by using local laser annealing in vacuum to crystallize cerium-substituted yttrium iron garnet (Ce:YIG), deposited by ion beam sputtering without a seed layer, directly within a silicon-based Mach-Zehnder interferometer. A laser beam at a wavelength of 915 nm locally crystallized the garnet in a 700 μm square region. The device achieves an isolation ratio of 13.6 dB at a wavelength of 1540 nm, corresponding to a Faraday rotation of 0.092°/μm, with an insertion loss of 20.4 dB and a propagation loss of 9.5 dB. Transmission electron microscopy reveals the crystallized Ce:YIG and a ~10 nm boundary region at the interface with the Si waveguide. These results demonstrate that magneto-optical thin films requiring high-temperature processing can be crystallized locally within a silicon photonic circuit by a high-throughput technique compatible with mass production.

0403電子応用
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