JP2013246322A

JP2013246322A - 光配線構造

Info

Publication number: JP2013246322A
Application number: JP2012120149A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamada; 浩治山田; Hidetaka Nishi; 英隆西; Yasushi Tsuchizawa; 泰土澤; Hiroyuki Shinojima; 弘幸篠島; Hiroshi Fukuda; 浩福田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】光配線構造における消費電力が低減できるようにする。
【解決手段】第１シリコンコア１０２より構成する第１光導波路を、多モード導波路とし、第２シリコンコア１０３より構成する第２光導波路を、単一モード導波路とする。また、第１シリコンコア１０２と第２シリコンコア１０３とを接続する第３シリコンコア１０４は、テーパー状とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンコアより構成された光導波路による光配線構造に関する。

近年、電子回路の動作速度の向上や回路構造の複雑化に伴い、金属配線部分における消費電力が著しく増大している。この問題を解決するために、電子回路とともに同一基板上に光配線を形成するオンチップ光配線が提案されている。光配線は、伝送路である光導波路におけるエネルギー損失が金属配線に比べ小さくできる可能性があり、電子回路の消費電力低減が期待されている。

このような光配線の構造について図４を用いて説明する。例えば、基板４０１の上に形成された光変調器４０２と受光器４０３とが、光配線構造４０４により接続されている。光変調器４０２には、光源４０５からの光が、光導波路４０６を介して供給されている。

基板４０１は、例えば、公知のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であり、埋め込み絶縁層を下部クラッドとし、埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層をパターニングすることで形成したシリコンコア４４１，４４２およびこれらを覆う上部クラッド（不図示）より光配線構造４０４が構成されている。上部クラッドを構成する材料としては、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマーなどがある。光配線構造４０４は、チャンネル型導波路でもよく、リブ型導波路でもよい。

光配線構造４０４では、屈曲しているシリコンコア４４２などにおける偏向に伴う光の損失やモード変換を防止するため、シリコンコア４４１，シリコンコア４４２の断面を、単一モードあるいはこれに準じるモード（実質的な単一モード）の構成が実現できる寸法としている。なお、光導波路４０６も、シリコンコア４４１による光導波路と同様に単一モードの光導波路である。

上述したようなシリコンコアによる光導波路を伝搬する光の波長は、シリコンが透明でありかつ光源が容易に入手できる、１２００〜１７００ｎｍが良く用いられている。チャンネル型導波路の場合、実質的な単一モードが実現できる光導波路のコア断面寸法は、最大でも幅５００ｎｍ，高さ３００ｎｍである（非特許文献１参照）。また、リブ型導波路であれば、これよりも幅がやや大きくなり、実質的な単一モードが実現できるコア幅として最大６００ｎｍが報告されている（非特許文献２参照）。

Y. A. Vlasov and S. J. McNab, "Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends", OPTICS EXPRESS, Vol.12, No.8, pp.1622-1631, 2004. S. Park, T. Tsuchizawa, T. Watanabe, H. Shinojima, H. Nishi, K. Yamada, Y. Ishikawa, K. Wada, S.Itabashi, "Monolithic integration and synchronous operation of germanium photodetectors and silicon variable optical attenuators", OPTICS EXPRESS, Vol.18, No.8, pp.8412-8421, 2010. D. Lockwood, L. Pavesi (Eds.), "Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications" in"SiliconPhotonics II," Springer, 2011.

ところで、上述したような、コア断面寸法が数百ｎｍの微小なシリコンコアによる光導波路においては、コア側壁の凹凸による光散乱の影響が大きく、最新のシリコン加工技術を用いても１．２ｄＢ／ｃｍ程度である（非特許文献３参照）。

光変調器４０２と受光器４０３とを結ぶ光配線構造（光導波路）４０４の長さは、適用する基板４０１の大きさによって異なるが、近年の電子回路のチップサイズは２５ｍｍ程度まで可能であるため、光導波路長さは、短くてもチップサイズの外周長程度、即ち１０ｃｍ程度は必要となる。最新の加工技術による伝搬損失１．２ｄＢ／ｃｍを仮定すると、光導波路長１０ｃｍにおける伝搬損失は１２ｄＢであり、光強度は約１／１６に減衰してしまう。従って、受光器４０３に十分な強度の光信号を供給するためには、元々の光源４０５の強度を大きくせねばならず、消費電力が大きくなってしまう問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光配線構造における消費電力が低減できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光配線構造は、基板の上に形成された第１シリコンコアからなる直線状の第１光導波路と、基板の上に形成された第２シリコンコアからなる屈曲した第２光導波路と、基板の上に形成された第３シリコンコアからなり、第１光導波路と第２光導波路とを光接続する第３光導波路とを備え、第１光導波路は多モード導波路であり、第２光導波路は単一モード導波路であり、第３シリコンコアは、第１シリコンコアとの接続部は第１シリコンコアと同じ径とされ、第２シリコンコアとの接続部は第２シリコンコアと同じ径とされ、第１シリコンコアから第２シリコンコアにかけて漸次細くなるテーパー状に形成されている。

上記光配線構造において、第１シリコンコアは、幅が２０００ｎｍ以上とされ、第２シリコンコアは、幅が６００ｎｍ以下とされ、高さが３００ｎｍ以下とされていればよい。また、第３光導波路は、テーパー状の部分の導波路長が３０μｍ以上に形成されていればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、光配線構造における消費電力が低減できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光配線構造の構成を示す平面図である。図２は、コア幅を変化させた場合のチャンネル型シリコン導波路の伝搬損失の実験結果を示す特性図である。図３は、電磁界シミュレーションによりテーパー状の部分の長さと損失の関係を計算した結果を示す特性図である。図４は、光配線構造の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光配線構造の構成を示す平面図である。この光配線構造は、基板１０１の上に形成された直線状の第１シリコンコア１０２からなる直線状の第１光導波路と、基板１０１の上に形成された第２シリコンコア１０３からなる屈曲した第２光導波路とを備える。また、基板１０１の上に形成された第３シリコンコア１０４からなり、第１光導波路および第２光導波路を光接続する第３光導波路を備える。

基板１０１は、例えば、公知のＳＯＩ基板であり、埋め込み絶縁層を下部クラッドとし、埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層をパターニングすることで形成した各シリコンコアおよびこれらを覆う上部クラッド（不図示）より各光導波路が構成されている。この場合、例えば、一連の第１シリコンコア１０２，第２シリコンコア１０３，第３シリコンコア１０４は、一体に形成することができる。なお、上部クラッドを構成する材料としては、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ系ポリマー、ポリイミド系ポリマーなどがある。光導波路は、チャンネル型導波路でもよく、リブ型導波路でもよい。

ここで、実施の形態では、第１シリコンコア１０２より構成する第１光導波路を、多モード（マルチモード）導波路とし、第２シリコンコア１０３より構成する第２光導波路を、単一モード（シングルモード）導波路としたところに特徴がある。従って、例えば、第１シリコンコア１０２は、コア幅が、第２シリコンコア１０３よりも広く、コア高さは、第２シリコンコア１０３と同じ状態に形成すればよい。

なお、第２光導波路は、完全に単一モードとなっている必要はなく、単一モードに準じるモード構造となっていればよい。偏向部となる第２光導波路において、他のモードがある程度発生していても、導波していく中である程度発生している他のモードは減衰してほぼなくなる状態であれば、実質的に単一モードの状態として扱える。

また、第３シリコンコア１０４は、テーパー状に形成されている。より詳しく説明すると、第３シリコンコア１０４の第１シリコンコア１０２との接続部は、第１シリコンコア１０２と同じ径としている。また、第３シリコンコア１０４の第２シリコンコア１０３との接続部は、第２シリコンコア１０３と同じ径としている。また、第３シリコンコア１０４は、第１シリコンコア１０２から第２シリコンコア１０３にかけて漸次細くなるテーパー状に形成されている。第３シリコンコア１０４は、第１シリコンコア１０２から第２シリコンコア１０３にかけて、断熱的に漸次細くなっていればよい。

なお、後述するように、同一のシリコン層から各シリコンコアを形成する場合、コア断面の高さは同一となる。この場合、第３シリコンコア１０４は、第１シリコンコア１０２との接続部は第１シリコンコア１０２と同じ幅とされ、第２シリコンコア１０３との接続部は第２シリコンコア１０３と同じ幅にされていればよい。

このように構成した光導波路（光配線構造）により、光変調器１０５と受光器１０６とが接続されている。また、光変調器１０５には、光源１０７からの光が、光導波路１０８を介して供給されている。ここで、光導波路１０８も、上述した第１シリコンコア１０２による光導波路と同様に多モード導波路とされている。また、光変調器１０５および受光器１０６には、第１シリコンコア１０２からなる多モードの第１光導波路が接続しているが、各素子の内部で、適宜に単一モードに変換してもよい。

光導波路の基本伝搬モードの損失は、導波路を構成するコアの側壁の微小な凹凸による散乱により決まり、コア幅が大きいほど伝搬光は側壁を感じなくなるため、伝搬損失が低減されることが知られている（非特許文献３参照）。この低損失化が、第１シリコンコア１０２からなる直線状の第１光導波路において実現されている。また、同様の構成とした光導波路１０８においても低損失化が実現されている。但し、コア幅が大きいと光導波路は多モードとなり、屈曲したコアによる偏向部において、基本モードは高次モードに変換され、失われてしまうため、幅が広く多モードとなる光導波路は、直線部にしか使用できない。

以上のことにより、本発明においては、屈曲したコア（第２シリコンコア１０３）による偏向部においては、テーパー構造のコア（第３シリコンコア１０４）を介し、直線状のコア（第１シリコンコア１０２）から、コア幅が細い単一モードの屈曲したコア（第２シリコンコア１０３）による光導波路に変換する。単一モード導波路としている偏向部の偏向半径は、マイクロメータオーダであり、光配線構造全体に占める偏向部の長さは無視できる。また、直線状のコアと屈曲したコアとは、テーパー状のコアで結合しているので、これらの間の結合損失も抑制されている。これらの結果、光配線構造全体の損失は、低損失な直線状の光導波路の伝搬損失で決まるようになる。従って、本実施の形態によれば、光配線構造全体の伝搬損失を低減することができ、光配線構造における消費電力が低減できる。

なお、直線状の部分，偏向部，およびテーパー部の各コアは、例えば、ＳＯＩ基板の表面シリコン層などの同一のシリコン層を用いて形成すればよく、一般にこれらのコア高さは同一となる。本実施の形態における光配線構造を構成する光導波路のコアサイズの具体的な例としては、光源が通信用に既に開発され、かつシリコンが透明な波長帯域である１２００−１７００ｎｍの赤外線を利用した場合、単一モード導波路である第２シリコンコア１０３の寸法は、概ね幅６００ｎｍ以下、高さ３００ｎｍ以下である（非特許文献１，非特許文献２参照）。このような単一モード導波路の伝搬損失は、上述したように、最新の加工技術を用いても１．２ｄＢ／ｃｍ程度である。

これに対し、コアの幅を広くしていくと徐々に伝搬損失は低下していく。特に、コア幅を１μｍ以上に拡大すると著しく伝搬損失が低減される。図２にコア幅を変化させた場合のチャンネル型シリコン導波路の伝搬損失の実験結果を示す。なお、図２に示す実験結果は、コア高さ２２０ｎｍとし、伝搬光の波長は１５５０ｎｍとしている。図２からわかるように、コア幅が２μｍになると伝搬損失が０．４ｄＢ／ｃｍまで低減される。また２μｍ以上に広げても伝搬損失の低減は確認されない。コア幅を広げた場合の伝搬損失は、コアの側壁散乱以外の要因により支配されていると思われる。これらの結果より、直線状の第１光導波路を構成している第１シリコンコア１０２のコア幅は２μｍ以上とすれば良いことがわかる。

また、多モード導波路である第１光導波路と、単一モード導波路である偏向部となる第２光導波路とは、テーパー構造としてる第３シリコンコア１０４により断熱的にコア幅を変換すれば良いが、テーパー状の部分の長さが短いと断熱的ではなくなり、損失が生じる。電磁界シミュレーションによりテーパー状の部分の長さと損失の関係を計算した結果を図３に示す。計算体系は、図３に示すように、導波方向が９０°異なる２つの直線状の多モード光導波路を、屈曲した単一モード導波路で接続し、また、これらの間をテーパー状のコアにより接続した光配線構造を想定している。また、直線状の部分のコアは、高さ２２０ｎｍ，幅３μｍとし、屈曲部のコアは、高さ２２０ｎｍ，幅４４０ｎｍとしている。図３に示す結果より、テーパー状の部分の長さは、３０μｍ以上あれば、実用上支障がない０．１ｄＢ以下に、損失を低減することができることがわかる。

以上に説明したように、本発明によれば、偏向部においては単一モードとし、直線状の部分においては多モードとし、これらの間は、テーパー状のコアによる光導波路で接続するようにしたので、光配線構造全体の伝搬損失を低減することができ、光配線構造における消費電力が低減できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、光配線構造により、光変調器と受光器とを接続するようにしたが、これに限るものではなく、他の光素子を光配線構造に接続してもよいことは、言うまでもない。また、上述では、４系列の光配線構造としたがこれに限るものではなく、光導波路の系列は、いくつであってもよい。

１０１…基板、１０２…第１シリコンコア、１０３…第２シリコンコア、１０４…第３シリコンコア、１０５…光変調器、１０６…受光器、１０７…光源、１０８…光導波路。

Claims

基板の上に形成された第１シリコンコアからなる直線状の第１光導波路と、
前記基板の上に形成された第２シリコンコアからなる屈曲した第２光導波路と、
前記基板の上に形成された第３シリコンコアからなり、前記第１光導波路と前記第２光導波路とを光接続する第３光導波路と
を備え、
前記第１光導波路は多モード導波路であり、
前記第２光導波路は単一モード導波路であり、
前記第３シリコンコアは、前記第１シリコンコアとの接続部は前記第１シリコンコアと同じ径とされ、前記第２シリコンコアとの接続部は前記第２シリコンコアと同じ径とされ、前記第１シリコンコアから前記第２シリコンコアにかけて漸次細くなるテーパー状に形成されていることを特徴とする光配線構造。
請求項１記載の光配線構造において、
前記第１シリコンコアは、幅が２０００ｎｍ以上とされ、
前記第２シリコンコアは、幅が６００ｎｍ以下とされ、高さが３００ｎｍ以下とされていることを特徴とする光配線構造。
請求項１または２記載の光配線構造において、
前記第３光導波路は、テーパー状の部分の導波路長が３０μｍ以上に形成されていることを特徴とする光配線構造。