JP2019028372A - 光接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路の交差点での挿入損失を大きく低減させることが可能で、Si半導体プロセスで製造可能であり、製造バラツキに対するトレランスを向上させることが可能な光接続構造を提供する。【解決手段】光接続構造は、第１光導波路１と、第１光導波路と交差する第２光導波路２とを含む。第２光導波路は、第１光導波路と同一平面にあって水平方向に離間した第１領域及２Ａび第２領域２Ｂと、第１光導波路と異なる平面にあって第１領域と第２領域の間に位置する第３領域２Ｃとを含む。第１領域の端部と第３領域の一方の端部、及び第２領域の端部と第３領域の他方の端部はそれぞれオーバーラップ領域４Ａ、４Ｂを有し、第１領域、第２領域および第３領域はオーバーラップ領域に至るテーパ領域を有する。オーバーラップ領域の各々は、第１領域から第３領域への光遷移または第３領域から第２領域への光遷移における完全結合長に略等しい長さを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光接続構造に関し、より具体的には、光スイッチ等の光回路、光集積回路における複数光導波路間での低損失な交差を実現可能な光接続構造に関する。

従来から、光スイッチ等の光回路、光集積回路(以下、「光回路等」と呼ぶ)において、同一平面にある複数の光導波路が交差する面内交差(intersection)が用いられている。光回路等が大規模になる程面内交差の数が増える傾向にある。面内交差の数が増えるにつれて、面内交差で発生する挿入損失やクロストークが光回路等での光伝播性能に与える影響が大きくなる。したがって、面内交差での挿入損失やクロストークを低減したい要求がある。この要求に答える方法として、光回路等を２層化し、光導波路の立体交差を利用する方法がある。

特許文献１は、交差導波路での光損失とクロストークを低減するために、第１の導波路からの光信号を方向性結合を通じて異なる平面内のブリッジ導波路に結合し、ブリッジ導波路から第２の導波路へ方向性結合する導波路クロスオーバを開示する。また、特許文献２の図６には、立体交差コア300(例えばSiコア)の上方に、離間したテーパ領域30Aを有するSiコア3、30と、その上層の両端にテーパ領域5A、5Cを有するSiNコア5を設け、Siコア3とSiNコア5とSiコア30の間で立体的に光を伝播させる立体光導波路が開示されている。さらに、非特許文献１は、SOI基板上の導波路交差において、テーパを有するSi導波路とその上層のテーパを有するSiN導波路間で光結合させて導波路交差における光損失やクロストークを低減させることを開示する。

特表２００６−５２５５５６号公報 特開２０１４−１５７２１０号公報

W. D. Sacher, Y. Huang, G. Q. Lo, and J. K. S. Poon, "Multilayer silicon nitride-on-silicon integrated photonic platforms and devices," J. Light. Technol., vol. 33, no. 4, pp. 901-910, 2015

特許文献１の導波路クロスオーバは、Si半導体プロセス(例えばCMOSプロセス)を用いた光導波路構造を開示するものではない。また、特許文献２では、立体光導波路を構成する各コアの設計手法(仕様)を開示するものではない。さらに、非特許文献１は、Si導波路とSiN導波路との間の距離がモードフィールド径より小さい(＜100nm)ために、クロストークを十分に抑制することができない。

本発明は、２層化された光回路等における光導波路の立体交差点での挿入損失を大きく低減させることが可能で、Si半導体プロセス(例えばCMOSプロセス)を用いて製造可能であり、その製造バラツキ(光導波路のサイズ変動)に対するトレランスを向上させることが可能な２層間の光接続構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様の光導波路が交差する領域での光接続構造は、第１光導波路と、第１光導波路と交差する第２光導波路とを含む。第２光導波路は、第１光導波路と同一平面にあって水平方向に離間した第１領域及び第２領域と、第１光導波路と異なる平面にあって第１領域と第２領域の間に位置する第３領域とを含む。第１領域の端部と第３領域の一方の端部、及び第２領域の端部と第３領域の他方の端部はそれぞれオーバーラップ領域を有し、第１領域、第２領域及び第３領域はオーバーラップ領域に至るテーパ領域を有する。オーバーラップ領域の各々は、第１領域から第３領域への光遷移または第３領域から第２領域への光遷移における完全結合長に略等しい長さを有する。

本発明の他の一態様の光導波路が交差する領域での光接続構造は、第１光導波路と第１光導波路と交差する第２光導波路とを含む。第２光導波路は、第１光導波路と同一平面にあって離間した第１領域及び第２領域と、第１光導波路と異なる平面にあって第１領域と第２領域の間にある第３領域とを含む。第１領域及び第２領域の端部は、第１テーパ領域と一定幅領域とを有し、第３領域の両端部は、第２テーパ領域と第３テーパ領域とを有し、一定幅領域と第３テーパ領域は、オーバーラップ領域を形成し略同一の長さを有する。

本発明の他の一態様の光導波路が交差する領域での光接続構造は、第１光導波路と、 第１光導波路と交差する第２光導波路とを含む。第２光導波路は、第１光導波路と同一平面にあって離間した第１領域及び第２領域と、第１光導波路と異なる平面にあって第１領域と第２領域の間にある第３領域とを含む。第１領域の端部と第３領域の一方の端部、及び第２領域の端部と第３領域の他方の端部はそれぞれオーバーラップ領域を有する。オーバーラップ領域において、第２光導波路の第１領域及び第２領域は、第１テーパ領域と、一定幅領域と、先端の第２テーパ領域とを有し、第３領域の両端部は、第３テーパ領域と、第４テーパ領域と、先端の一定幅領域または第５テーパ領域とを有する。

本発明によれば、２つの光導波路が交差する領域において、テーパ構造を利用しながら一方の光導波路をブリッジ構造(立体交差)にして光を空間的に迂回させて伝播させることにより、光接続に要する長さを短尺化しつつ、光導波路交差における光損失やクロストークを低減させることが可能となる。

本発明の一実施形態の光接続構造の全体構成を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。 本発明の一実施形態の光接続構造の構成を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。 本発明の一実施形態の光接続構造における各パラメータの関係を示す図である。 本発明の一実施形態の光接続構造でのSiN光導波路の幅の変動に対するトレランスを示す図である。 本発明の他の一実施形態の光接続構造の構成を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。 本発明の他の一実施形態の光接続構造の構成を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。 本発明の他の一実施形態の光接続構造における各パラメータの関係を示す図である。 本発明の一実施形態の光接続構造でのSiN光導波路の幅の変動に対するトレランスを示す図である。 本発明の他の一実施形態の光接続構造の全体構成を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する光接続構造は１組(２本)の光導波路が交差する場合を例にとり説明しているが、交差する光導波路の数は１組(２本)に限られず、複数の光導波路交差において本発明の光接続構造を適用することができる。例えば、図９を参照しながら後述するように、１本の光導波路が別の層の複数の光導波路、より広義には光回路等と交差する場合もある。また、以下の説明では、交差する光導波路、すなわち主にコアとなるシリコン(Si)及び窒化シリコン(SiN)についてのみ説明しているが、実際には光導波路(コア)の周りにはコアよりも屈折率(n)が小さいクラッド層(例えば酸化シリコン)が存在して、光が主にコア内で伝播するように構成されている。さらに、本発明の光接続構造は、光スイッチ等の光回路、光集積回路の一部として用いられるが、光スイッチ等の他の回路構成については、従来からある構成と同様なのでその記載を省略している。

図１は、本発明の一実施形態の光接続構造の全体構成を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。図１(ａ)の上面図において、横方向に走る第１光導波路１と縦方向に走る第２光導波路２が交差点３において交差する。第１光導波路１は、例えばシリコン(Si)からなる。第２光導波路２は、３つの領域、すなわち離間した第１領域２Ａと第２領域２Ｂ、及びこれらの間の第３領域２Ｃからなる。第２光導波路２の第１領域２Ａと第２領域２Ｂは、第１光導波路のある平面と同じ平面上にある。図１(ｂ)の側面図に示すように、第２光導波路２の第３領域２Ｃは、第１光導波路１と第２光導波路２の第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂのある平面(層)よりも距離Ｄだけ上方にある平面(層)上にある。すなわち、第３領域２Ｃはブリッジ構造を成し、交差点３において第１光導波路１と立体交差を成している。第２光導波路２の第１領域２Ａと第２領域２Ｂは、例えばシリコン(Si)からなり、第３領域２Ｃは窒化シリコン(SiN)からなる。

第２光導波路２の第１領域２Ａの端部と第３領域２Ｃの一方の端部は垂直方向でオーバーラップする領域４Ａを有し、同様に第２領域２Ｂの端部と第３領域２Ｃの他方の端部は垂直方向でオーバーラップする領域４Ｂを有する。オーバーラップ領域４Ａにおいて、第２光導波路２の第１領域２Ａの端部と第３領域２Ｃの一方の端部は先細りのテーパ形状(領域)を有する。同様に、オーバーラップ領域４Ｂにおいて、第２領域２Ｂの端部と第３領域２Ｃの他方の端部は先細りのテーパ形状(領域)を有する。２つの領域４Ａ、４Ｂにおいて、第１領域２Ａと第３領域２Ｃ、第３領域２Ｃと第２領域２Ｂは、いわゆる方向性結合器として機能し、図１(ｂ)の矢印６で示すように、光が第１領域２Ａから上方の第３領域２Ｃへ遷移し、さらに第３領域２Ｃから下方の第２領域２Ｂへ遷移する。これにより、第１光導波路１上において第２光導波路の立体交差を介して光が伝播するので、第１及び第２の光導波路の交差領域での光の反射や散乱を抑え、挿入損失やクロストークの発生を大幅に抑制することが可能となる。

ここで、図１の本発明の一実施形態の光接続構造のパラメータの１つである距離Ｄ、すなわち第２光導波路２の第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂのある平面(層)と第３領域２Ｃのある平面(層)との距離(以下、「層間距離」と呼ぶ)Ｄの決め方について説明する。なお、以下の説明では第２光導波路２の第１領域２Ａ及び第２領域２ＢがSiからなり、第３領域２ＣはSiNからなる場合、すなわちSi／SiN導波路の場合を例にとり説明する。一般的に光導波路を伝搬する光電場は、空間的な広がりをもっている。空間的に広がった光電場の裾が他方の導波路と重なる部分において、Si／SiN導波路間の相互作用が生じる。これにより、各導波路が直交している立体交差においては散乱損失が、各導波路が平行している結合領域 (方向性結合器など) においては光エネルギーの移動が生じる。

本発明の光接続構造は、テーパ構造をうまく利用し、立体交差部分においては相互作用を小さくし、結合領域においては相互作用を大きくすることで、交差における損失やクロストークを無視できるレベルまで小さく抑えつつ、十分に製造可能で短尺な光接続を可能とするものである。この目的を達成するためには、適切なSi／SiN層間距離Ｄの設定が重要であるが、この距離はSi／SiN導波路の幅または厚みによって変化しうる。具体的には、基本となる幅、厚みにおけるSiN導波路の光電場分布を考え、SiN導波路中心における電場強度を１としたとき、電場強度が約１％以下となる距離だけ離れた場所にSi導波路の中心が存在するべきである(ただし電場は光の偏光方向電場とする)。このとき、立体交差における損失は無視できる程度に抑制できる。一例としてSiN導波路の幅と厚みがそれぞれ1μm、400nmであり、Si導波路の幅と厚みがそれぞれ430nmと220nmであるとき、TM(Transverse Magnetic)-likeモードにおいてSi導波路部分の電場強度が約1%となる層間距離Dは1.5μmである。このとき交差における損失としては0.0005dBと非常に小さいものが実現できることが本発明者らによるFDTD計算により得られている。なお、この損失0.0005dBは、例えば32×32の入出力ポートを持つような大規模かつ小型なシリコンフォトニクス光スイッチでは、実用的なスイッチ回路の一形態において光導波路交差数が1000近くにもなるため、光導波路間での損失を無視できる程度(0.0005dB)まで小さくする必要があることから求められる損失レベルである。

上記の基準により、層間距離Ｄの最小値(1.5μm)が求められるが、最大値についてはCMOS製造工場における作製プロセスによって規定される。一例として、CVDプロセスで作製し、その後のプロセスを実施できる層間距離Ｄを構成するクラッド層(例えばSiO₂)の膜厚は約2μmであり、この値によって上限が規定される。また層間距離Ｄがそれ以上に大きくなると、Si／SiN導波路の長さを十分に短く(例えば<300μm)させるためにSiN導波路幅をさらに小さくする必要がある。しかし、一般的なKrFリソグラフィにおけるSiN導波路幅の最小寸法は約200nmであることから、上記の膜厚の課題が解決できたとしても、次なる課題としてこの最小寸法の課題(制約)が生じてしまう。以上の検討から、本発明の一実施形態の光接続構造での層間距離Ｄは、約1.5〜2.0μmの範囲にあることが望ましい。

なお、層間距離Ｄの最小値(1.5μm)は、SiN導波路の幅と厚みがそれぞれ標準サイズ(1μm、400nm)である場合に得られるものであり、この標準サイズが変化(増減)した場合においても同様なFDTD計算により交差における損失が0.0005dBとなる層間距離Ｄの最小値を求めることができる。また、層間距離Ｄの上限値(2.0μm)は、現状での一般的なKrFリソグラフィにおけるSiN導波路幅の最小寸法は約200nmであることから得られるものであり、リソグラフィ技術の進歩によりよりより短いSiN導波路幅が安定してかつ容易に得られるようになった場合は、層間距離Dを2.0μmより大きな値とすることが可能となる。

層間距離Ｄが約1.5〜2.0μmと大きくなると層間の相互作用も小さくなるため、従来技術と同じようなテーパ長さを含む構成では、SiN導波路へまたはSi導波路へと到達できる光はごく僅かとなり、効率は非常に悪いものとなってしまう。テーパ構造においては、テーパ長を長くすることで効率を上げることが可能だが、従来と同じ構造のままではテーパ長として2.7cmもの長さが必要となってしまい、大規模かつ小型な光スイッチ等に用いる光接続構造としては現実的ではない。光接続構造の長さを200〜300μm程度で抑えつつ、高効率な光接続を実現するためには、層間距離Ｄが大きくても相互作用を強める工夫が必要となる。そこで、本発明では下記に説明するような光接続構造及びそれを構成する各パラメータの設計を採用している。

図１の本発明の一実施形態の光接続構造の他のパラメータの決め方(設計方法)について説明する。なお、以下の説明では第２光導波路２の第１領域２Ａ及び第２領域２ＢがSiからなり、第３領域２ＣはSiNからなる場合、すなわちSi／SiN導波路の場合を例にとり説明する。図１(ｂ)のオーバーラップ領域４Ａ、４Ｂ、すなわち光結合器での光導波路間の光遷移では、２つの導波路の有効屈折率ｎ_Si、ｎ_SiNが等しいとき、光はSi導波路からSiN導波路へ、及びその逆のSiN導波路からSi導波路へと完全に移ることができる。このときの光遷移に必要な光導波路の長さは完全結合長と呼ばれる。すなわち、結合部分の長さが完全結合長より短い場合、あるいはSi/SiN導波路の有効屈折率が異なっている場合に光遷移効率は低下してしまう。したがって、方向性結合器を用いて層間光接続を実現するためには、光結合領域でのSi導波路とSiN導波路の有効屈折率を一致させる必要がある。

図２は、図１の本発明の一実施形態の光接続構造の第２光導波路２の第１領域２Ａ(Si)の端部と第３領域２Ｃ(SiN)の一端の構成例(方向性結合器を用いた例)を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。なお、ブリッジのもう一方の端部となる第２光導波路２の第２領域２Ｂ(Si)の端部と第３領域２Ｃ(SiN)の他端の構成も同様である。図２において、全体は３つの領域Ａ、Ｃ、Ｂに分かれていて、テーパ領域Ａ、Ｂでは、Si／SiN導波路の有効屈折率がオーバーラップ領域Ｃで一致するように、各導波路の幅を緩やかに狭めている。オーバーラップ領域Ｃの長さは、狭められた最小幅をもつSi／SiN導波路間の完全結合長Ｌ_Cと等しくする。テーパ領域Ａ、Ｂの長さＬ_A、Ｌ_Bが短いと光にとって急峻な屈折率変化となり反射や散乱が生じるため、長さＬ_A、Ｌ_Bは例えば100μm程度とする必要がある。第１領域２Ａ(Si)の幅Ｗ₁は例えば430nmであり、その厚さｄ１は例えば220nmである。第３領域２Ｃ(SiN)の幅Ｗ₂は例えば1μmであり、その厚さｄ２は例えば400nmである。なお、これらのパラメータ(長さＬ_A、Ｌ_B、幅Ｗ₁、Ｗ₂、厚さｄ１、ｄ２)の値はあくまで一例であって、各パラメータにおいて他の値を適宜選択して採用することができる。

図２のオーバーラップ領域Ｃにおける、第１領域２Ａ(Si)の幅Ｗ_Si、第３領域２Ｃ(SiN)の幅Ｗ_SiN、及び完全結合長Ｌ_Cは、例えば以下のように設計することができる。Ｃバンド波長帯(1530nm-1565nm)は光ファイバにおける伝搬損失が小さいという特徴を持つため、光情報通信において最もよく使われる波長帯のうちの一つである。ここではＣバンド波長帯におけるパラメータの設計手法について述べる。中心波長を1.55μmとした場合の各パラメータの関係性をＦＥＭ(Finite Element Method)により計算した結果を図３に示す。図３の(ａ)は第３領域２Ｃ(SiN)の幅W_SiNと第１領域２Ａ(Si)の幅Ｗ_Siの関係を示し、(ｂ)は第３領域２Ｃ(SiN)の幅Ｗ_SiNと完全結合長Ｌ_Cの関係を示している。

図３中の点線は、各点を線形フィッティングした結果であり、狭い範囲では線形近似できることがわかる。この図より、SiN導波路の幅Ｗ_SiNを決めると、Si導波路幅Ｗ_Siおよび完全結合長Ｌ_Cを一意に決めることができる。より具体的には、フィッティング曲線を表す下記の式(１)、(２)からSi導波路幅Ｗ_Siおよび完全結合長Ｌ_Cを得ることができる。なお、図３中の下限で指示される点線は、製造プロセス上の制約からSiN導波路幅の下限が例えば350nmとなる場合を例示しており、その場合の完全結合長Ｌ_Cの下限は58μmとなることがわかる。

次に、図１〜図３を参照しながら説明した本発明の一実施形態の光接続構造をSi半導体プロセス(例えばCMOSプロセス)を用いて製造する際の製造バラツキ(光導波路のサイズ変動)に対するトレランスについて検討する。Si／SiN導波路において、導波路幅が製造誤差によって変動すると有効屈折率ｎ_Si、ｎ_SiNも変化して、光遷移効率が低下してしまう。したがって、本発明の一実施形態の光接続構造を設計／使用する場合もこのトレランスを高めることを考慮する必要がある。今、TE(Transverse Electric)-likeモードと、TM-likeモードのそれぞれについて、完全結合長Ｌ_Cが同程度(例えば70μm)になるように設計したとき、図３、式(１)、(２)の関係から各パラメータは下記の表のようになる。

上記表の各設計パラメータを用いたときの挿入損失が、SiN導波路の幅に対してどのように変化するかを計算した結果を図４に示す。図４において、TE-likeモードにおいては、SiN導波路の幅が±15nm変化したとき挿入損失が1dB増加するのに対し、TM-likeモードではこの幅が±26nmとなっている。したがって、TM-likeモードを利用する方が、SiN導波路の幅変化に対するトレランスは79%上がると期待される。なお、ここではSiN導波路の幅が変化すると仮定したが、Si導波路の幅が変化すると仮定しても同様の傾向が得られる。よって、導波路幅の変動に対するトレランスを高めるためにはTM-likeモードを用いるのが望ましく、その場合、例えば上記した設計値(完全結合長Ｌ_Cが70μm、テーパ領域Ａ、Ｂの長さＬ_A、Ｌ_Bがそれぞれ100μm)を採用すると全長270μm程度の小型の光接続構造が実現可能であることがわかる。

次に図５〜図９を参照しながら本発明の他の一実施形態の光接続構造について説明する。図５は、図１の本発明の一実施形態の光接続構造の他の第２光導波路２の第１領域２Ａ(Si)の端部と第３領域２Ｃ(SiN)の一端の構成例(断熱テーパを用いた例)を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。なお、第２光導波路２の第２領域２Ｂ(Si)の端部と第３領域２Ｃ(SiN)の他端の構成も同様である。図５において、全体は３つの領域(i)、(ii)、(iii)に分かれていている。領域(i)は、通常の幅Ｗ₁と厚みｄ１をもつSi導波路(第１領域２Ａ)の幅をＷ_Siまで狭め、モードサイズを拡大するためのテーパ部分である。領域(ii)では、上下にSi/SiN導波路が重なって配置されており、Si導波路の幅は領域内で一定で、SiN導波路(第３領域２Ｃ)の幅はＷ_SiN1からＷ_SiN2までを緩やかに広がるテーパ構造とすることで、Si導波路とSiN導波路の間で光を遷移させることができる。領域(iii)では、SiN導波路の幅をＷ_SiN2からさらに通常の幅Ｗ₂まで拡大するテーパ部分である。領域(i)の長さＬ_Aに比べ領域(iii)の長さ部分Ｌ_Bが短いのは、SiN導波路の方が有効屈折率が小さいため、より急激に幅を変化させても、光の感じる屈折率変化は小さく抑えられるからである。

図６は、図１の本発明の一実施形態の光接続構造の他の第２光導波路２の第１領域２Ａ(Si)の端部と第３領域２Ｃ(SiN)の一端の構成例(断熱テーパを用いた例)を示す(ａ)上面図と(ｂ)側面図である。なお、第２光導波路２の第２領域２Ｂ(Si)の端部と第３領域２Ｃ(SiN)の他端の構成も同様である。図６において、図５の構成例と同様に全体は３つの領域(i)、(ii)、(iii)に分かれていている。図５の構成例に比べて、領域(i)及び(iii)においてもSi導波路とSiN導波路が重なっている点が異なっている。すなわち、SiN導波路は領域(i)まで延びる先端テーパ構造を有しその先端は幅Ｗ_SiN0を有する。同様に、Si導波路は領域(iii)まで延びる先端テーパ構造を有しその先端は幅Ｗ_Si0を有する。

図６の構成例では、領域(i)の部分でSi導波路の幅をＷ_Siまで狭くし、光の分布がクラッド側に広がるようにする。これにより、Si/SiN導波路間の相互作用は強くなり、より短いテーパでも高い効率が得られようになる。次に、領域(ii)の部分ではSi導波路の幅Ｗ_Siを固定し、SiN導波路の幅のみをＷ_SiN1からＷ_SiN2までを緩やかに変化させることで、光をSiN導波路へと遷移させる。最後に、領域(iii)でSiN導波路の幅をＷ_SiN2から基本幅であるＷ2まで広げる。領域(i)の長さＬ_Aに比べ領域(iii)の長さ部分Ｌ_Bが短いのは、図５の構成と同様に、SiN導波路の方が有効屈折率が小さいため、より急激に幅を変化させても、光の感じる屈折率変化は小さく抑えられるからである。

ここで、領域(i)及び(iii)で先端テーパ構造が存在するメリットを説明するため、例えば図６の左側から光が入って来た場合を考える。このとき、図５の構成ではSi導波路が細くなりモードが広がった所でSiN導波路の先端が現れるため、先端による光の散乱損失が生ずる。一方、図６の構成ではSi導波路が太い所(光がSi中に局在)でSiN導波路の先端が現れるため、先端による光の散乱は抑えられる。Si導波路の先端テーパ構造においても同様のメリットがある。なお、FDTD法による計算に基づき、図６の構成において、SiN導波路の先端テーパの幅Ｗ_SiN0を350nm、Si導波路の先端テーパの幅Ｗ_Si0を100nmとすると、Si/SiN層間距離Ｄが1.5μmのときの散乱損失がそれぞれ0.009dB、0.006dBと無視できるほど小さくなることが確認できている。

図５及び図６の構成において、光の散乱損失をなるべく抑えながら構造の長さを短くするために、有効屈折率の空間変化率を一定に保つという設計指針から、領域(i)の長さＬ_Aは例えば100μmであり、領域(iii)の長さＬ_Bは例えば20μmとすることができる。これらの領域のテーパ部分は光接続の前段階として光のモードをクラッド側へと広げる役割があるが、この部分の屈折率変化があまりにも急な場合、散乱損失が生じることがわかっている。長さＬ_AとＬ_Bにこれらの値を採用することでこれらの領域での有効屈折率の空間変化を0.01(μm)^-1程度とすることができる。なお、領域(iii)の長さＬ_Bが20μmと短いのは、SiN導波路の方が導波路幅の変化に対する有効屈折率の変化が小さいためである。

Si導波路の幅Ｗ₁は例えば430nmであり、その厚さｄ１は例えば220nmである。SiN導波路の幅Ｗ₂は例えば1μmであり、その厚さｄ２は例えば400nmである。なお、これらのパラメータ(Ｗ₁、Ｗ₂、ｄ１、ｄ２)の値はあくまで一例であって、各パラメータにおいて他の値を適宜選択して採用することができる。図５(ｂ)の層間距離Ｄは、既に上述したように、光損失レベルの低減及び製造プロセスの制約から約1.5〜2.0μmの範囲にあることが望ましい。

図５及び図６のSi導波路の幅Ｗ_Si、SiN導波路の幅Ｗ_SiN1、Ｗ_SiN2、及び領域(ii)のテーパ部分の長さＬ_taperは、例えば以下のように設計することができる。ここではＣバンド波長帯におけるパラメータの設計手法について述べる。中心波長を1.55μmとした場合の各パラメータの関係性をFEMにより計算した結果を図７に示す。図７の(ａ)はSi導波路の幅Ｗ_SiとSiN導波路の幅Ｗ_SiN1、Ｗ_SiN2の関係を示し、(ｂ)はSi導波路の幅Ｗ_Siとテーパ部分の長さＬ_taperの関係を示している。図７中の点線は、各点をフィッティングして得た曲線である。図７より、Si導波路の幅Ｗ_Siを決めると、SiN導波路幅Ｗ_SiN1、Ｗ_SiN2およびテーパ部分の長さＬ_taperを一意に決めることができる。

より具体的には、フィッティング曲線を表す下記の式(３)〜(５)からSiN導波路幅Ｗ_SiN1、Ｗ_SiN2およびテーパ部分の長さＬ_taperを得ることができる。なお、図７(ａ)中の水平な点線は、製造プロセス上の制約からSiN導波路幅の下限が例えば350nmとなる場合を例示しており、Si導波路幅Ｗ_Siが210nm、SiN導波路幅Ｗ_SiN1が350nm(図６のＷ_SiN0も同じ)、Ｗ_SiN2が510nm、テーパ長Ｌ_taperが80μmである場合がデバイス長として最小の場合となることがわかる。

ここで、図６の構成において、製造バラツキ(光導波路のサイズ変動)に対するトレランスについて検討する。SiN導波路の幅が変化した場合の損失をモード結合理論を用いて計算した結果を図８の複数テーパの点線として示す。ただし、計算においてはSiN導波路幅の上下限を1μm、350nmとし、またテーパ長さＬ_taperは280μmとしている。また、参考としてTE-likeモードを用いて図２の実施形態と同様な構成の方向性結合器を設計した場合のトレランスも、図８中に従来例の点線として示している。これらの結果を比較すると、本発明の複数段階テーパ構造を用いた場合は、従来の方向性結合器に比べておよそ4.7倍のトレランス向上が得られ、効率が1dB低下する幅は±68nmとなることがわかる。

図９に本発明の他の一実施形態の光接続構造として、既に上述した本発明の光接続構造を複数の光導波路交差に適用する場合の構成例を示す。図９(ａ)の上面図に示すように、横方向に走る第１光導波路(１Ａ、１Ｂ、１Ｃ)は複数であってよく、これらは同一の平面上に存在し、その数は任意である。また、縦方向に走る第２導波路は図１と同様に３領域(２Ａ、２Ｂ、２Ｃ)に分かれており、ブリッジ構造２Ｃにおいて全ての第１光導波路(１Ａ、１Ｂ、１Ｃ)と複数の交差点(３Ａ、３Ｂ、３Ｃ)で立体交差する。本実施形態においては複数の第１光導波路(１Ａ、１Ｂ、１Ｃ)と立体交差をしつつも、図９(ｂ)の矢印６で示すように第１領域２Ａと第３領域２Ｃの間の光遷移、および第３領域２Ｃと第２領域２Ｂの間の光遷移は各１回ずつで良いため、短尺かつ低損失な光接続構造として利用できる。なお、縦方向に走る第２光導波路も複数であってよく、より広義には２つの層における光導波路はそれぞれ複雑な光回路等を構成していてもよい。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、上述した各実施形態において、テーパ構造として、線形テーパに代えて放物線その他任意の滑らかな関数で規定される曲線を有するテーパ構造を採用することができる。また、テーパ構造の幅を２あるいは３段階で変化させることに限られず、４段以上の段階で変化させるようにしてもよい。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明の光接続構造は、光スイッチ等の光回路、光集積回路における光導波路の低損失な交差を実現する光接続構造として産業上幅広く利用することができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ：光導波路(Si光導波路)
２：光導波路
２Ａ、２Ｃ：Si光導波路
２Ｃ：SiN光導波路
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ：交差点
４Ａ、４Ｂ：オーバーラップ領域
６：光の伝播(遷移)

Claims (10)

1. 光導波路が交差する領域での光接続構造であって、
   第１光導波路と、
   第１光導波路と交差する第２光導波路とを含み、
   第２光導波路は、第１光導波路と同一平面にあって水平方向に離間した第１領域及び第２領域と、第１光導波路と異なる平面にあって第１領域と第２領域の間に位置する第３領域とを含み、
   第１領域の端部と第３領域の一方の端部、及び第２領域の端部と第３領域の他方の端部はそれぞれオーバーラップ領域を有し、
   第１領域、第２領域および第３領域はオーバーラップ領域に至るテーパ領域を有し、
   オーバーラップ領域の各々は、第１領域から第３領域への光遷移または第３領域から第２領域への光遷移における完全結合長に略等しい長さを有する、光接続構造。
2. 前記オーバーラップ領域において、前記第２光導波路の第１領域、第２領域、及び第３領域はそれぞれ所定の一定幅を有する、請求項１に記載の光接続構造。
3. 前記第２光導波路において、前記第１領域及び第２領域はシリコン光導波路からなり、前記第３領域は窒化シリコン光導波路からなり、
   前記オーバーラップ領域において、前記シリコン光導波路の幅Ｗ_si(nm)、前記窒化シリコン光導波路の幅Ｗ_siN(nm)、及び前記完全結合長の長さＬ_c(μm)は、
   Ｗ_si＝０.３×Ｗ_siN＋５０
   Ｌ_Ｃ＝１１８×Ｗ_siN＋１５.５
   の関係を有する、請求項１または２に記載の光接続構造。
4. Ｗ_si＝１６０〜１９０nm、Ｗ_siN＝３５０〜４５０nm、Ｌ_Ｃ＝５８〜７０μmである、請求項３に記載の光接続構造。
5. 前記第２光導波路の前記第１領域及び前記第２領域と前記第３領域の厚さ方向での間隔は、１.５〜２.０μmの範囲にある、請求項３または４に記載の光接続構造。
6. 光導波路が交差する領域での光接続構造であって、
   第１光導波路と、
   第１光導波路と交差する第２光導波路とを含み、
   第２光導波路は、第１光導波路と同一平面にあって離間した第１領域及び第２領域と、第１光導波路と異なる平面にあって第１領域と第２領域の間にある第３領域とを含み、
   第１領域及び第２領域の端部は、第１テーパ領域と一定幅領域とを有し、第３領域の両端部は、第２テーパ領域と第３テーパ領域とを有し、一定幅領域と第３テーパ領域は、オーバーラップ領域を形成し略同一の長さを有する、光接続構造。
7. 光導波路が交差する領域での光接続構造であって、
   第１光導波路と、
   第１光導波路と交差する第２光導波路とを含み、
   第２光導波路は、第１光導波路と同一平面にあって離間した第１領域及び第２領域と、第１光導波路と異なる平面にあって第１領域と第２領域の間にある第３領域とを含み、
   第１領域の端部と第３領域の一方の端部、及び第２領域の端部と第３領域の他方の端部はそれぞれオーバーラップ領域を有し、
   オーバーラップ領域において、第２光導波路の第１領域及び第２領域は、第１テーパ領域と、一定幅領域と、先端のテーパ領域とを有し、第３領域の両端部は、第２テーパ領域と、第３テーパ領域と、先端の一定幅領域または第４テーパ領域とを有し、
   第１テーパ領域と先端の一定幅領域または第４テーパ領域、一定幅領域と第２テーパ領域、及び先端のテーパ領域と第２テーパ領域は、それぞれ略同一の長さを有する、光接続構造。
8. 前記第２光導波路において、前記第１領域及び第２領域はシリコン光導波路からなり、前記第３領域は窒化シリコン光導波路からなり、+
   前記オーバーラップ領域において、前記シリコン光導波路の前記一定幅領域の幅Ｗ_si(nm)と、前記窒化シリコン光導波路の前記第３テーパ領域の先端の幅Ｗ_siN1(nm)及び後端の幅Ｗ_siN2(nm)と、前記シリコン光導波路の前記一定幅領域及び前記窒化シリコン光導波路の前記第３テーパ領域の長さＬ_taper(μm)は、
   Ｗ_siN1＝０.０４３Ｗ_si ²−１２.５×Ｗ_si＋１０９０
   Ｗ_siN2＝０.０４３Ｗ_si ²−１２.５×Ｗ_si＋１２５０
   Ｌ_taper＝１５６０×Ｗ_si−２５０
   の関係を有する、請求項６または７に記載の光接続構造。
9. Ｗ_si＝２１０〜２３０nm、Ｗ_siN1＝３５０〜４７０nm、Ｗ_siN2＝５００〜６００nm、Ｌ_taper＝８０〜１１０μmである、請求項８に記載の光接続構造。
10. 前記第２光導波路の前記第１領域及び第２領域と前記第３領域の厚さ方向での間隔は、１.５〜２.０μmの範囲にある、請求項８または９に記載の光接続構造。

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