JP2015194585A

JP2015194585A - 光結合構造

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Publication number: JP2015194585A
Application number: JP2014072040A
Authority: JP
Inventors: 山田　浩治; Koji Yamada; 浩治山田; 福田　浩; Hiroshi Fukuda; 浩福田; 英隆西; Hidetaka Nishi; 土澤　泰; Yasushi Tsuchizawa; 泰土澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-05

Abstract

【課題】高密度な光配線が可能な多層光導波路の層間を、より高い効率で光結合できるようにした光結合構造を提供する。【解決手段】基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された第１コア層１０３と、第１コア層１０３の上に形成された層間クラッド層１０４と、層間クラッド層１０４の上に形成された第２コア層１０５と、第２コア層１０５の上に形成された上部クラッド層１０６とを備える。また、第１コア層１０３と第２コア層１０５とが互いに平行に重なる結合領域１０７を備え、結合領域１０７の第１コア層１０３および第２コア層１０５の間の層間クラッド層１０４に形成された中間コア１０８を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、多層光導波路の層間を光結合する光結合構造に関する。

近年、電子回路の処理能力の向上や消費電力の低減にむけて、電気配線に代えて光配線を電子回路チップ上に構築する技術の開発が進められている。これらの技術においては、電気配線と同様に光配線にも多層配線が求められ、この要求に応えるために、アモルファスシリコンや窒化シリコンを用いた多層光導波路システムが提案されている。通常、光導波路は、平面内に回路を構築するが、上述した多層光導波路システムにおいては、各光導波路層間の光信号の交換、即ち多層光導波路層間の光結合が必要である。

このような多層光導波路層間の光結合構造としては、現在、図６の（ａ）に示すような、グレーティングカップラを用いた構造が提案されている（非特許文献１）。また、図６の（ｂ）に示す方向性結合器を用いた構造（非特許文献２）、および図６の（ｃ）に示す対向逆テーパーを用いた構造（非特許文献３）なども提案されている。

J-H. Kang, Y. Nishikawa, Y. Atsumi, M. Oda, T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai, "Amorphous Silicon Grating-Type Layer-to-Layer Couplers for Intra-Chip Connection," 2012 IEEE Optical Interconnects Conference, Santa Fe, TuD3, pp.52-53,2012. D.D. John, M.J.R. Heck, J. F. Bauters, R. Moreira, J.S. Barton, J.E. Bowers, and D.J. Blumenthal, "Multilayer Platform for Ultra-Low-Loss Waveguide Applications", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.24, no.11, pp.876-878, 2012. R. Takei, E. Omoda, M. Suzuki, S. Manako, T. Kamei, M. Mori, and Y. Sakakibara, "Low-Loss Optical Interlayer Transfer for Three-Dimensional Optical Interconnect," Proc. 10th International conference on Group IV Photonics, Seoul, ThC6, pp.91-92, 2013. D. Gallagher, "Photonic CAD Matures", IEEE LEOS Newsletter, vol.22, no.1, pp.8-14, 2008. D. Lockwood, L. Pavesi (Eds.), "Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications" in "SiliconPhotonics II," Springer, 2011.

しかしながら、上述した多層光導波路層間の光結合構造は、いずれも通信用の１５５０ｎｍ近傍波長帯域で実現されているが、実用上大きな問題をかかえている。まず、グレーティングカップラを用いた光結合構造は、回折を利用するので一般に結合効率が低く、非特許文献１によれば結合効率は２０％程度と非常に低い。また、グレーティングカップラを用いた光結合構造は、波長帯域も狭く波長１５５０ｎｍ帯の赤外光における９０％動作帯域は計算上でも１０ｎｍ程度である。

次に、方向性結合器を用いた光結合構造は、そもそも隣接層の光導波路が結合できるよう近づけた層間距離になっているため、隣接層の光導波路は、チップ面内の同じ位置に重ねて並走配置することができない。この問題を避けるため、非特許文献２では、隣接層の光導波路は、光導波路進行方向に対して垂直方向にずらした位置に配置し、曲線光導波路を用いて光結合部だけを重ねる構造となっている。しかしながら、このような構造では光導波路の水平面内の配列間隔を広くせざるを得ず、高密度な光配線が困難となる。

次に、対向逆テーパーを用いた光結合構造は、まず入力側光導波路は途中で消失してしまうため、任意の分岐比での層間結合が不可能であり、光スイッチなどの干渉計を構成することができない。また、非特許文献２の技術と同様に、層間距離が近いため、高密度な光配線は困難である。さらに、非特許文献２の参考文献５にあるように、この種の逆テーパーデバイスでは層間結合に必要な距離は一般に数百μｍと非常に長くなり、やはり高密度な光配線が困難となる。

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、高密度な光配線が可能な多層光導波路の層間を、より高い効率で光結合できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光結合構造は、基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された第１コア層と、第１コア層の上に形成された層間クラッド層と、層間クラッド層の上に形成された第２コア層と、第２コア層の上に形成された上部クラッド層と、第１コア層と第２コア層とが互いに平行に重なる結合領域と、結合領域の第１コア層および第２コア層の間の層間クラッド層に形成された中間コアとを備え、第１コア層と第２コア層との積層方向の間隔は、第１コア層と第２コア層との間に光結合が起きない距離とされ、第１コア層と中間コアとの積層方向の間隔は、第１コア層と中間コアとの間に光結合が可能な距離とされ、第２コア層と中間コアとの積層方向の間隔は、第２コア層と中間コアとの間に光結合が可能な距離とされている。

以上説明したように、中間コアを設けるようにしたので、本発明によれば、高密度な光配線が可能な多層光導波路の層間が、より高い効率で光結合でき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結合構造の構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態における光結合構造の一部構成を示す斜視図である。図３は、実施の形態における光結合構造の、上側の第２光導波路による光導波路に光を入射した場合の、下側の第１光導波路への光透過率の結合領域１０７の長さ依存性の計算結果を示す特性図である。図４は、実施の形態における光結合構造の、長さを４２．５μｍとした結合領域１０７における結合度の波長依存を示す特性図である。図５は、結合領域１０７の長さを４２．５μｍとした本発明の光結合構造における、側方から見た波長１５５０ｎｍの光の伝搬状態を示す説明図である。図６は、従来よりある多層光導波路層間の光結合構造を説明するための説明図である。

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結合構造の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態における光結合構造の一部構成を示す断面図である。

この光結合構造は、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された第１コア層１０３と、第１コア層１０３の上に形成された層間クラッド層１０４と、層間クラッド層１０４の上に形成された第２コア層１０５と、第２コア層１０５の上に形成された上部クラッド層１０６とを備える。第１コア層１０３とこの上下のクラッド層とにより第１光導波路が構成され、第２コア層１０５とこの上下のクラッド層とにより第２光導波路が構成されている。

また、第１コア層１０３と第２コア層１０５とが互いに平行に重なる結合領域１０７を備え、結合領域１０７の第１コア層１０３および第２コア層１０５の間の層間クラッド層１０４に形成された中間コア１０８を備える。中間コア１０８は、結合領域１０７において、第１コア層１０３および第２コア層１０５の両者に対して平行に延在して配設されている。例えば、中間コア１０８は、結合領域１０７にのみ形成されている。

なお、第１コア層１０３，第２コア層１０５，中間コア１０８のコア断面寸法は、これらによる光導波路が単一モードか単一モードに準じるモード条件を満たす状態になることが好ましい。忠、コア幅の広い多モード光導波路の場合でも、最低次モードを選択的に利用することにより本発明の効果を得ることは可能である。

また、第１コア層１０３と第２コア層１０５との積層方向の間隔は、第１コア層１０３と第２コア層１０５との間に光結合が起きない距離とされている。一方、第１コア層１０３と中間コア１０８との積層方向の間隔は、第１コア層１０３と中間コア１０８との間に光結合が可能な距離とされている。また、第２コア層１０５と中間コア１０８との積層方向の間隔は、第２コア層１０５と中間コア１０８との間に光結合が可能な距離とされている。

なお、第１コア層１０３による光導波路は、第１光導波路を構成する図示しない光配線部に接続し、第２コア層１０５による光導波路は、第２光導波路を構成する図示しない光配線部に接続している。

例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層を下部クラッド層１０２とすればよい。また、ＳＯＩ基板の表面シリコン層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第１コア層１０３を形成すればよい。また、第１コア層１０３を形成した後、よく知られた化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉＯ₂を堆積し、堆積したＳｉＯ₂膜の表面を公知の平坦化技術により平坦化することで、下側の層間クラッド層１０４を形成すればよい。

次に、下側の層間クラッド層１０４を形成した後、化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉを堆積し、堆積したＳｉ膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、中間コア１０８を形成すればよい。次に、中間コア１０８を形成した後、よく知られた化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉＯ₂を堆積し、堆積したＳｉＯ₂膜の表面を公知の平坦化技術により平坦化することで、上側の層間クラッド層１０４を形成すればよい。

次に、上述したように中間コア１０８が埋め込まれた状態に層間クラッド層１０４を形成した後、化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉを堆積し、堆積したＳｉ膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第２コア層１０５を形成すればよい。また、第２コア層１０５を形成した後、よく知られた化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉＯ₂を堆積し、上部クラッド層１０６を形成すればよい。

上述した構成とすることで、中間コア１０８の長さ（結合領域１０７の長さ）を適宜に決定すれば、中間コア１０８による光導波路を介し、上下の第１光導波路と第２光導波路との間で、光を任意の結合度で結合（層間結合）させることが可能となる。

以下に、波長１５５０ｎｍ近傍の赤外線において、コアにシリコン（屈折率３．４７８）、クラッドに酸化シリコン（屈折率１．４４４）に適用して、上述した実施の形態の光結合構造を形成した場合の例を示す。シリコンコアの断面形状は、第１コア層１０３，第２コア層１０５に対して通常の単一モード光導波路を想定し、概ね４００×２００ｎｍ程度とした（非特許文献５）。光伝搬シミュレーションによれば、結合領域１０７以外の領域において、第１光導波路（第１コア層１０３）と第２光導波路（第２コア層１０５）における層間結合は、層間クラッド層１０４の層厚が１．２μｍ以上であれば抑制されることが見いだされており、ここでは１．２μｍとする。なお、層間結合については、層間クラッド層１０４を介して上下に各コアが重なっている領域を対象としている。

また、中間コア１０８の断面形状は、任意に設定可能であるが、ここでは、上述同様に、コア断面形状を４００×２００ｎｍ程度とした。また、入射偏波はＴＥモードとする。

以上の構造に対して上側の第２光導波路の第２コア層１０５による光導波路の一端に光を入射した場合の、中間コア１０８を介した下側の第１光導波路への光透過率の結合領域１０７（中間コア１０８）の長さ依存性の計算結果を図３に示す。計算方法は、上段の第２コア層１０５、下段の第１コア層１０３、および中間の中間コア１０８の３層光導波路構造の垂直断面における伝搬固有モード、および上段のみと下段のみの光導波路の伝搬固有モードを有限差分法（ＦＤＭ法）により求め、上段のみの光導波路の伝搬モードを３層部分の固有モードに展開して、３層部分において固有モード毎に伝搬させ、伝搬後の各固有モードを下段のみの光導波路の伝搬モードに展開し、入力から出力への強度比を求めた（固有モード伝搬法、非特許文献４参照）。

図３に示すように、中間コア１０８を設けた本発明の光結合構造によれば、上下の光導波路は、結合領域１０７において光結合が可能となることがわかる。結合度は結合領域１０７の長さに応じて変化し、結合領域１０７の長さが４２．５μｍの時に完全に光は相手側の光導波路に移動する。本発明の光結合構造により、結合領域１０７の長さは非特許文献３の構造に比べ非常に短くすることが可能である。また、結合効率はほぼ１００％であり、非特許文献１のグレーティングカップラの５倍の高効率である。

ところで、中間コア１０８のコア断面寸法を無限小した場合、言い換えると、中間コア１０８を備えていない構成についても、上述同様の計算を実施したが、この場合は、層間結合は発生せず、上下の光導波路は独立に伝搬可能であることが判明している。従って、本発明における光結合構造において、結合領域１０７以外の上下の光導波路は自由に配置でき、上下に隣り合う光導波路を、同じ位置に重ねて並走配置することが可能であり、非特許文献２の課題が解決される。

次に、結合領域１０７の長さを４２．５μｍとした場合の、波長依存性について、図４を用いて説明する。図４は、長さを４２．５μｍとした結合領域１０７における結合度の波長依存を示す特性図である。図４に示すように、９０％動作帯域が、５０ｎｍ（１．５２５〜１．５７５μｍ）と非常に広い。

次に、結合領域１０７の長さを４２．５μｍとした場合の、光の伝搬状態について図５を用いて説明する。図５は、結合領域１０７の長さを４２．５μｍとした本発明の光結合構造における、側方から見た波長１５５０ｎｍの光の伝搬状態を示す説明図である。図５に示すように、上側の第２コア層１０５による第２光導波路から、中間コア１０８を開始、下側の第１コア層１０３による第１光導波路に、光パワーが移行している。

以上に説明したように、本発明によれば、第１コア層と第２コア層とが互いに平行に重なる結合領域に、中間コアを設けるようにしたので、多層光導波路の層間を、より高い効率で光結合できるようになる。また、光配線の層間結合が起きないようにできるため、光配線を自由にレイアウトすることができ、高密度に配線することができる。

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、上述した説明では、シリコンコアおよび酸化シリコンクラッドを用いた場合について例示したが、これに限るものではなく、本発明は様々な材料系に適用可能である。

例えば、コアは、シリコン，窒化シリコン，酸窒化シリコン，インジウム燐系半導体，ガリウムヒ素系半導体などから構成してもよい。また、クラッドは、酸化シリコン，酸窒化シリコン，酸化アルミニウム，アルミニウムとインジウム燐系あるいはガリウムヒ素系半導体との化合物，エポキシ系ポリマー，ポリイミド系ポリマー，アクリル系ポリマーなどから構成してもよい。これらの材料では屈折率はそれぞれ異なるが、本発明の各部分の寸法は材料の屈折率を考慮して任意に設計が可能であることは、本発明の基本原理からして明らかである。

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…第１コア層、１０４…層間クラッド層、１０５…第２コア層、１０６…上部クラッド層、１０７…結合領域、１０８…中間コア。

Claims

基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された第１コア層と、
前記第１コア層の上に形成された層間クラッド層と、
前記層間クラッド層の上に形成された第２コア層と、
前記第２コア層の上に形成された上部クラッド層と、
前記第１コア層と前記第２コア層とが互いに平行に重なる結合領域と、
前記結合領域の前記第１コア層および前記第２コア層の間の前記層間クラッド層に形成された中間コアと
を備え、
前記第１コア層と前記第２コア層との積層方向の間隔は、前記第１コア層と前記第２コア層との間に光結合が起きない距離とされ、
前記第１コア層と前記中間コアとの積層方向の間隔は、前記第１コア層と前記中間コアとの間に光結合が可能な距離とされ、
前記第２コア層と前記中間コアとの積層方向の間隔は、前記第２コア層と前記中間コアとの間に光結合が可能な距離とされている
ことを特徴とする光結合構造。