CN101520527B - 光波导电路和使用该光波导电路的多芯中央处理单元 - Google Patents

Abstract

一种光波导电路，包括：形成在衬底上的下包层；形成在下包层上以将下包层分隔成第一部分和第二部分的第一光波导；形成在第一部分上的第二光波导，该第二光波导包括指向第一光波导的侧面的梢端部分，该梢端部分以渐缩的方式变窄；以及形成在第二部分上的第三光波导，该第三光波导包括指向第二光波导的梢端部分的梢端部分，该第三光波导的梢端部分以渐缩的方式变窄。

Description

光波导电路和使用该光波导电路的多芯中央处理单元

2008年2月26日提交的日本专利申请No.2008-044952的包括说明书、权利要求书、附图和摘要的整体公开内容在此引用作为参考。

技术领域

本发明涉及一种电路结构中的交叉部分的光波导结构，在该电路结构的一部分中光波导基本上彼此交叉。

背景技术

随着对可以使用硅LSI的成熟工艺技术的硅光子学的研究的发展，近年来，有可能实现非常精细的、且甚至在锐弯处产生低损耗的光波导。因此，使得发射/接收模块和用于光通信的系统的小型化和低功耗、以及将光互连引入和集成到硅LSI成为可能。这种光波导的潜在的候选物是硅(Si)窄线波导，该硅窄线波导可以通过相对比较简单的技术形成在绝缘体上硅(SOI)衬底上。

为了在满足对信号量和通信速度的日益要求的同时抑制成本，重要的是，提高光波导电路的集成度。因此，要求波导不仅平行地布置而且彼此交叉。然而，在以Si窄线波导为代表的光波导中，已知的是，分别传播通过彼此交叉的两个或更多个波导的信号光被散射和反射，并且在交叉部分中相互干涉，从而引起高损耗或串扰。设计必须形成很多交叉部分的光波导电路是困难的。

在常规交叉光波导电路中，例如，两个Si窄线波导彼此交叉，并且，信号光传播越过交叉部分。此时，在交叉部分出现光的散射、反射、干涉和串扰，所以，在信号光之一的传播特性方面可能会出现约1.5dB的损耗和-9.2dB的串扰。由于该部分具有点对称结构，所以在这两个交叉波导中的传播光信号中自然产生这种高的损耗和串扰。

另一方面，也已知有一种技术，其中，例如，在交叉部分中的波导形成为卵形，从而降低损耗和串扰的水平(例如，参见非专利文献1)。在此结构中，交叉部分中的光散射被抑制，并且，能实现优异的传播，其中，在卵形波导中传播的信号光中出现约0.1dB的损耗和-25dB的串扰。

然而，在此结构中，与常规结构相比而言，没有形成为卵形的光波导的传播特性被削弱，从而导致损耗和串扰高。而且，该非专利文献描述了，当试图将卵形结构应用到这两个交叉波导以降低波导中的信号光的损耗时，损耗为1.2dB或者在1.5dB附近的水平，在没有采用对策的情况下得到1.5dB的损耗。

但是，在该结构中，考虑到这两个交叉光波导的传播特性几乎不能都得到改善，也就是说，只有一个交叉光波导的传播特性可以得到改善。通过具有这样特性的交叉光波导几乎不能实现要求很多交叉部分的光互连的高密度集成。

在光波导彼此交叉的部分中，不仅使得在一个波导中传播的信号光难以以低损耗、低串扰传播，而且使得在这些波导中传播的所有的信号光都难以以低损耗、低串扰传播。当在这些波导中传播的所有的信号光都不能以低损耗、低串扰传播时，在电路设计中几乎不能包含交叉部分，从而降低了电路设计的自由度，并阻止光互连的高密度集成。

发明内容

本发明提供一种光波导电路，该光波导电路包括：形成在衬底上的下包层；第一光波导，其形成在下包层上以将下包层分隔成第一部分和第二部分；形成在第一部分上的第二光波导，该第二光波导包括指向第一光波导的侧面的梢端部分，该梢端部分以渐缩的方式变窄；以及形成在第二部分上的第三光波导，该第三光波导包括指向第二光波导的梢端部分的梢端部分，该第三光波导的梢端部分以渐缩的方式变窄。

附图说明

可以参照附图详细地描述实施例，在附图中：

图1是示出本发明中的交叉光波导结构的视图；

图2是示出第一实施例中的交叉光波导结构的透视图；

图3是示出第一实施例中的交叉光波导结构的截面图；

图4A-4C是示出在第一实施例的交叉光波导中光传播的方式的视图；以及

图5是示意性地示出第二实施例中的光波导电路的配置的视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本发明。

首先，将参照附图描述本发明的光波导的波导原理。

在本发明中，如图1所示，下包层13形成在衬底(未示出)上，光波导7，8形成在下包层13的一部分中。光波导7，8形成交叉部分，并且没有直接相互接触，因为光波导7在交叉部分中中断了，在该交叉部分中所述波导相互交叉。光波导7在中断部分中的梢端被配置为渐缩结构9，10，该渐缩结构9，10分别朝向交叉部分变窄。分别在渐缩结构9，10上形成上包层14，该上包层14的折射率比下包层13的折射率高。根据本发明，利用这样配置的交叉波导结构使得在光波导7中传播的信号光11不能在具有较高折射率的光波导7中传播，因为在渐缩结构9中光约束功能逐渐变弱，从而该信号光部分地耦合到具有较低折射率的下包层13。其后，该信号光11在下包层13中传播，但是被引导为与光波导7平行地传播而没有被漫射，因为在该下包层13上沿着光要传播的方向形成了其折射率比下包层13的折射率高的上包层14。在下包层13中传播的信号光11经过渐缩结构10中的交叉部分之后，该信号光部分地耦合到波导7，在该渐缩结构10中，光约束效应逐渐增加，该波导7是具有较高折射率的芯层。以这样的方式，该信号光11可以再次在波导7中传播越过波导交叉部分，而没有直接与光波导8接触。

因为信号光如上所述的那样被一次地传输到另一层，所以，本发明成功地防止在交叉部分中出现这样的状态：其中，两种信号光直接重叠，从而彼此干涉。因此，光波导8甚至在交叉部分中也可以具有与通常的线性波导结构严格相同的结构，从而在波导8中传播的信号光12在交叉部分中基本上不产生损耗和串扰。

另一方面，就在中断的光波导7中传播的信号光11而言，由于该信号光在交叉部分中的散射和反射所引起的损耗可以被大大地降低，而且由于信号光的干涉和交叉所引起的串扰也可以被急剧地降低。然而，此时，由于信号光11在交叉部分中的层间运动所引起的损耗作为一种在传统技术中没有产生的新损耗产生。由于经过交叉部分的层间运动引起的损耗为约1.5至2dB，基本上等于传统技术中的值或1.5dB。当将针对光波导7中的信号光11而言的交叉部分的传播特性与传统技术中的进行比较时，产生了基本上等于传统技术的损耗，并且，可以将串扰基本上降低到零。

在本发明的交叉光波导结构中，如上所述，信号光之一的损耗和串扰可以基本上降低到零，并且另一个信号光可以在使串扰基本上为零的同时传播。因此，本发明可以提供远优于传统结构的结构。

在下文中，通过对特定实施例进行举例来参照附图详细地描述本发明。

(第一实施例)

图2是示意性地示出本发明第一实施例中的交叉光波导结构的透视图，图3是该结构的截面图。

由SiO₂膜构成的下包层16形成在Si衬底15上，由Si制成的光波导17，18形成在下包层16的一部分中。信号光22，23分别在这些波导中传播。下包层16的厚度为3μm，光波导17，18具有250nm的厚度和450nm的宽度。光波导17，18形成交叉部分，并且没有直接相互接触，因为光波导17在交叉部分中中断了，在该交叉部分中光波导17，18相互交叉。光波导17在中断部分中的梢端被配置为渐缩结构19，20，该渐缩结构19，20分别朝交叉部分变窄。渐缩结构19，20具有200μm的长度，变窄的、渐缩的梢端部分具有80nm的宽度。渐缩结构19，20的梢端部分被放置成与光波导18的相应侧壁形成50μm的间隙。在图2中，为了容易理解，示例性地示出了，光波导17，18的交叉角为90度。然而，该角度不必一定为90度。在本发明的交叉光波导结构中，不会出现在常规结构中观察到的信号光在交叉部分中的反射和串扰。因此，不会发生损耗和串扰取决于交叉角之差的增加和减少，并且，可以自由地设置交叉角。然而，当交叉角过度陡峭并且光波导在除了交叉部分以外的部分中也相互交叉时，可能会产生不期望的损耗和串扰。根据上述内容，光波导17，18的交叉角优选地为5至90度。在渐缩结构19，20上形成上包层21，该上包层21的折射率比下包层16的折射率高。优选，上包层的折射率和厚度具有下述关系：

d₂≤d₁≤λ/n₁(1)

其中，n₁是上包层的折射率，d₁是上包层的厚度，d₂是光波导的厚度，λ是入射光的波长。此时，光没有在上包层中传播，并且该光耦合到光波导。在实施例中，具有1.53的折射率的聚酰亚胺用作材料。在上包层21中，厚度为600nm，宽度为3μm，长度被设置为300μm，以便包括渐缩结构部分。在与光波导相似的方式，上包层21的在交叉部分一侧上的梢端部分可以具有渐缩结构(未示出)。图2仅仅示出光波导的交叉部分。在与波导连接的其它部分中形成光发射和接收装置、其它各种装置、布线等。

该结构可以通过使用绝缘体上硅(SOI)衬底来实现。也就是说，下包层16是嵌入在SOI衬底中的绝缘膜(SiO₂膜)，并且，光波导17，18是通过将SOI衬底的Si层加工成窄线的形式而形成的。

如上所述，利用这样配置的交叉光波导结构使得光波导18在交叉部分中也具有与线性波导结构基本上相同的结构，从而在光波导18中传播的信号光21在交叉部分中几乎不能产生损耗和串扰，并且可以将该损耗和串扰基本上降低到零。

与此不同的是，由于在具有较高折射率的光波导17中的光约束功能通过渐缩结构而变弱，所以在光波导17中传播的信号光22通过分配耦合而被一次地传输到下包层16，然后在下包层16中传播，从而经过交叉部分。优选，下包层的厚度d₀具有下述关系：

d₀≥λ/n₀     (2)

其中，λ是在光波导17中传播的光的波长，n₀是下包层16的折射率。

如上所述，其折射率比下包层的折射率高的上包层21形成在光波导17之上，并且与光波导17平行地形成。因此，在下包层中传播的信号光22的行进方向被引导为与光波导17平行的方向。上包层21的折射率必须被提高到这样的程度，使得入射在下包层16上的光被充分强烈地吸引到上包层21。在实施例中，中断的光波导17的渐缩部分的梢端被放置成与另一个光波导18相隔50μm的距离。该距离可以是30至200μm。当该距离短于30μm时，在信号光22与下包层的分配耦合完成之前，该信号光到达了另一个交叉波导18，从而增加传播损耗。当该距离长于200μm时，信号光22在下包层16中传播的长度延长，并且在下包层16中被散射的分量增加，从而使损耗大。当该距离为50μm时，该损耗最小。因此，该值是优选的。

在上包层21的在交叉部分一侧上的梢端部分具有渐缩结构的情况下，有可能抑制由于信号光22被漫射到下包层以及在交叉部分中散射所引起的传播损耗。此时，优选，上包层的渐缩部分的长度为约200μm，因为当渐缩部分的长度过长时，对在波导中传播的信号光的光约束作用变弱，从而降低传播效率。经过交叉部分的信号光22通过渐缩部分被再次耦合到光波导17。此时，当信号的行进方向被设置为z方向时，在图2中中断的渐缩结构19，20的梢端部分位于z轴的同轴线上。然而，实际上，信号光在下包层中传播，从而不需要梢端部分严格地设置在彼此之前。甚至在与前方偏离约300μm时，也不会增加损耗等。大于该值的偏离不是优选的，因为这样增加了损耗。同样地，上包层的折射率被增加到这样的程度，使得在下包层16中传播的信号光22被充分强烈地吸引到上包层21和光波导17的渐缩部分。在这种情况下，上包层21的部分不会约束光，但是起到这样的作用：将在下包层16中传播的信号光22朝上包层21吸引，帮助渐缩结构部分中的耦合光进行模式匹配。

图4A-4C示出信号光22在交叉光波导结构中的传播方式。图4A是示出当从侧面观看实施例中的光耦合装置时相对于厚度方向(Y方向)的光分配、以及在光行进方向(Z方向)上的光耦合效率的视图。图4B是示出当从上面观看光耦合装置时相对于宽度方向(X方向)的光分配的视图，图4C示出在光行进方向(Z方向)上的光耦合效率。随着图中的一部分越白，该部分中的光强度越高。这些图清楚地说明了，在光波导17中传播的信号光22在紧接交叉部分之前被一次地传输到下包层16中，然后在下包层16中传播，同时通过上包层21被引导为与光波导17平行，并且，在经过交叉部分之后，返回到波导17。在交叉部分中的损耗为约2dB，并且基本上等于常规技术中的值。被漫射到下包层16中且在交叉部分散射的分量占据其中损耗的大部分。

此时，可以通过以与中断的光波导17的两侧平行的方式挖掘下包层16来形成沟槽区域(未示出)，从而抑制信号光22在下包层16中的漫射，以降低损耗。在这种情况下，沟槽区域位于上包层21的宽度之外。在实施例中，上包层21的宽度为3μm，从而沟槽区域与中断的波导17的渐缩部分相隔1.5μm或更大。然而，随着沟槽区域进一步间隔开，抑制漫射的作用越小。因此，沟槽区域优选地间隔1.5至2.5μm，更优选的情况是，沟槽区域间隔1.5μm。在这种情况下，可以将信号光22在交叉部分中的传播损耗降低到约1.5dB。

此时，信号光22在交叉部分中的串扰为-60dB或更小，或者基本上为零。

如上所述，在本发明的交叉光波导结构中，可以将在一个波导中传播的信号光的损耗和串扰基本上降低到零，而且，可以将在另一个中断波导中传播的信号光的串扰基本上降低到零。

(第二实施例)

将描述应用本发明的光波导交叉部分的光波导电路的实施例。图5是多芯中央处理单元的视图，在该多芯中央处理单元中，六个算术芯通过光波导电路相互连接。在该图中，省略了电极和与本发明无关的部件，例如，与外部连接的信号发射/接收端口。这样的多芯结构的算术元件已经投入实际使用，在该多芯结构中，芯之间的通信提供电布线来执行。

使用SOI衬底来形成多芯芯片，SiO₂层用作下包层，并且，通过加工上Si层来形成Si窄线波导，从而配置光波导。算术芯1至6上的光信号发射/接收端口24通过光波导25连接到所有的其它的光信号发射/接收端口，从而能够在所有的多芯之间进行通信。在实施例中，此时，形成九个光波导交叉部分27。当集中注意从算术芯1到算术芯6的光波导以及从算术芯3到算术芯4的光波导时，在每一个波导中形成四个光波导交叉部分。在常规技术的情况中，如上所述，对于两个信号光中的每一个而言，在光波导交叉部分中出现1.5dB的损耗和-9.2dB的串扰。因此，在从算术芯1传播到算术芯6、以及从算术芯3传播到算术芯4且经过四个交叉部分的信号光中产生非常高的损耗和串扰，从而几乎不能执行正确的通信。因此，使用应用常规结构的光学互连的多芯芯片还没有投入实际使用。与此不同的是，在本发明的交叉结构应用到光波导交叉部分的情况中，如图所示，可以将串扰降低到-60dB或更小，并且，可以将总损耗抑制到常规结构的一半或更小。

本发明不局限于上述实施例。尽管SOI衬底用于实施例中，但是不必始终使用SOI衬底，只要在下包层的一部分中形成光波导并且在其上设置上包层即可。此外，上包层、下包层和光波导的材料不局限于实施例中的那些材料，而且，可以根据说明书适当地进行改变，只要满足下述关系：

n₂＜n₁＜n₀   (3)

其中，n₁是上包层的折射率，n₂是下包层的折射率，n₀是光波导的折射率。

此外，在不脱离本发明的精神的情况下可以根据说明书对下述条件进行适当的改变和各种变形：例如，上包层的长度、厚度和宽度；下包层的厚度；光波导的厚度和宽度；渐缩结构部分的长度和厚度；梢端部分的宽度；以及波导的交叉角。

Claims (16)

1.一种光波导电路，包括：

形成在衬底上的下包层；

第一光波导，其形成在所述下包层上以将下包层分隔成第一部分和第二部分；

形成在所述第一部分上的第二光波导，该第二光波导包括指向所述第一光波导的侧面的梢端部分，该梢端部分以渐缩的方式变窄；

形成在所述第二部分上的第三光波导，该第三光波导包括指向所述第二光波导的梢端部分的梢端部分，该第三光波导的梢端部分以渐缩的方式变窄；

第一上包层，其形成在所述下包层和第二光波导的梢端部分上，该第一上包层配置为具有比所述下包层的折射率高的折射率；以及

第二上包层，其形成在所述下包层和第三光波导的梢端部分上，该第二上包层配置为具有比所述下包层的折射率高的折射率。

2.根据权利要求1所述的光波导电路，其中，所述下包层的厚度d₀具有下述关系：

d₀≥λ/n₀

其中，λ是在所述第一至第三光波导中引导的光的波长，n₀是下包层的折射率。

3.根据权利要求1所述的光波导电路，其中，所述第一和第二上包层中的至少一个的厚度d₁具有下述关系：

d₂≤d₁≤λ/n₁

其中，d₂是第一至第三光波导中的至少一个的厚度，n₁是第一和第二上包层中的至少一个的折射率。

4.根据权利要求1所述的光波导电路，其中，所述第二和第三光波导的梢端中的至少一个与第一光波导的侧面相距30至200μm的距离。

5.根据权利要求1所述的光波导电路，

其中，所述第一上包层和第二上包层中的至少一个包括具有以渐缩的方式变窄的渐缩部分的梢端，该梢端与第一光波导的侧面相对；并且

所述渐缩部分的长度短于100μm。

6.根据权利要求5所述的光波导电路，还包括：通过除去所述下包层的部分而形成的凹槽区域，该凹槽区域位于所述第一或第二上包层的两侧上。

7.根据权利要求1所述的光波导电路，

其中，所述衬底是绝缘体上硅衬底。

8.根据权利要求7所述的光波导电路，

其中，所述第一至第三光波导包含硅；并且

所述下包层包含硅氧化物。

9.一种多芯中央处理单元，包括：

衬底；

形成在衬底上的下包层；

第一光波导，其形成在所述下包层上以将下包层分隔成第一部分和第二部分；

形成在所述第一部分上的第二光波导，该第二光波导包括指向第一光波导的侧面的梢端部分，该梢端部分以渐缩的方式变窄；

形成在所述第二部分上的第三光波导，该第三光波导包括指向第二光波导的梢端部分的梢端部分，该第三光波导的梢端部分以渐缩的方式变窄；

第一上包层，其形成在所述下包层和第二光波导的梢端部分上，该第一上包层配置为具有比下包层的折射率高的折射率；以及

第二上包层，其形成在所述下包层和第三光波导的梢端部分上，该第二上包层配置为具有比所述下包层的折射率高的折射率。

10.根据权利要求9所述的多芯中央处理单元，其中，所述下包层的厚度d₀具有下述关系：

d₀≥λ/n₀

其中，λ是在所述第一至第三光波导中引导的光的波长，n₀是下包层的折射率。

11.根据权利要求9所述的多芯中央处理单元，其中，所述第一和第二上包层中的至少一个的厚度d₁具有下述关系：

d₂≤d₁≤λ/n₁

其中，d₂是第一至第三光波导中的至少一个的厚度，n₁是第一和第二上包层中的至少一个的折射率。

12.根据权利要求9所述的多芯中央处理单元，其中，所述第二和第三光波导的梢端中的至少一个与第一光波导的侧面相距30至200μm的距离。

13.根据权利要求9所述的多芯中央处理单元，

其中，所述第一上包层和第二上包层中的至少一个包括具有以渐缩的方式变窄的渐缩部分的梢端，该梢端与第一光波导的侧面相对；并且

所述渐缩部分的长度短于100μm。

14.根据权利要求13所述的多芯中央处理单元，还包括：通过除去所述下包层的部分而形成的凹槽区域，该凹槽区域位于第一或第二上包层的两侧上。

15.根据权利要求9所述的多芯中央处理单元，

其中，所述衬底是绝缘体上硅衬底。

16.根据权利要求15所述的多芯中央处理单元，

其中，所述第一至第三光波导包含硅；并且

所述下包层包含硅氧化物。

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