JP4991596B2 - 光導波回路及びそれを用いたマルチコア中央処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路を用いて光信号を伝播する光導波回路に関わり、特に光導波路が互いに実質的に交差する箇所を有する回路構造における、交差部分の光導波路構造に関する。

近年、シリコンのＬＳＩにおける成熟したプロセス技術が利用できるシリコン・フォトニクスの研究の進展により、極めて微細で急な曲がりにおいても低損失な光導波路の実現が可能となり、光通信用の送受信モジュール及びシステムの小型化、低消費電力化や、シリコンＬＳＩへの光配線の導入及び融合化が可能となりつつある。こうした光導波路の候補としては、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板上に比較的簡単な手法で形成できるシリコン（Ｓｉ）細線導波路が有力である。

増大する信号量や通信速度の要求に応えつつ、コストを抑えるには、光導波回路の集積度を向上させることが重要である。そのために、導波路を平行に配列するだけではなく、互いに交差する箇所を設ける必要がある。しかし、Ｓｉ細線導波路に代表される光導波路においては、２本以上の導波路が互いに交差する交差部分において、互いの導波路内を伝播する信号光が散乱、反射、干渉し合うことで、大きな損失やクロストークが生じてしまうことが知られており、数多くの交差部分が必要となる光導波回路の設計は困難であった。

従来の交差形光導波路では、例えば２本のＳｉ細線導波路が交差しており、信号光はそれぞれ交差部分を越えて伝播される。この時、交差部分において、光の散乱や反射、互いの干渉、混線が生じ、一方の信号光の伝播特性にして約１．５ｄＢの損失と、−９．２ｄＢものクロストークが生じる（例えば、非特許文献１参照）。点対称な構造をしているので、当然、交差する両導波路中の伝播信号光について、この大きな損失とクロストークが生じることになる。

これに対し、例えば交差部分において、導波路を楕円形状にする方法で、損失やクロストークを低減する手法も知られている（例えば、非特許文献１参照）。この構造では、交差部分での光散乱が抑えられ、楕円形状を形成している側の導波路を伝播する信号光の損失は約０．１ｄＢ、クロストークは約−２５ｄＢ以下と優れた伝播が可能になっている。

しかしながら、この構造では、楕円構造を形成しなかった側の光導波路の導波特性は従来構造と比較して悪化し、高損失、高クロストークとなる。また、この楕円構造を交差する２本の導波路両方に適用し、それぞれの信号光の損失低減を試みると、損失はやはり１．２ｄＢとなり、対策を講じないときの１．５ｄＢに近い値になってしまうことが、同非特許文献に記されている。

すなわち、この構造では、交差する片方のみ光導波路の伝播特性を向上することは可能ではあっても、交差する２本の導波路両方の伝播特性を向上することは難しいと考えられる。こうした特性の交差型光導波路では、数多くの交差部分の形成を必要とする、高密度光配線集積の実現は難しい。
電子情報通信学会論文誌２００５／６ Ｖｏｌ．Ｊ８８−Ｃ Ｎｏ．６

光導波路の交差する箇所において、片方の導波路を伝播する信号光だけではなく、導波路を伝播する全ての信号光を低損失、低クロストークに伝播することは困難であった。全ての導波路内の信号光が、低損失、低クロストークに伝播できなければ、回路設計に交差箇所を含めることは難しく、回路設計の自由度の低下や、高密度の光配線集積化への妨げとなる。

本発明の一様態に係わる光導波回路は、基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された第１の光導波路と、前記第１の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の一方に、先端を前記第１の光導波路の側面に向けて形成され、該先端部がテーパ状に絞られた第２の光導波路と、前記第１の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の他方に、先端を前記第２の光導波路の先端部に対向して形成され、該先端部がテーパ状に絞られた第３の光導波路と、を具備することを特徴とする。

本発明による交差型光導波路構造では、一方の導波路を伝播する信号光の損失、クロストークをほぼゼロに低減でき、もう一方の断続する導波路を伝播する信号光も、クロストークをほぼゼロまで低減できる。したがって、数多くの交差部分の形成を必要とする高密度光配線集積の実現が可能となる。

以下に本発明の詳細について、図を用いて説明する。

まず、本発明の光導波路の導波原理について図を用いて説明する。

本発明では、図１に示すように、基板（図示せず）上に下部クラッド層１３が形成され、下部クラッド層１３上の一部に光導波路７、８が形成されている。光導波路７、８は互いに交差する交差箇所を形成しているが、光導波路７が交差箇所において断続しているために、直接接触してはいない。光導波路７の断続部分の先端はそれぞれ、交差箇所に向けて先細るようなテーパ構造９、１０をなしている。テーパ構造９、１０の上部には、それぞれ下部クラッド層１３よりも屈折率が大きい上部クラッド層１４が形成されている。本発明によれば、このような交差導波路構造をとることにより、光導波路７中を伝播してきた信号光１１は、テーパ構造部分９において、徐々に光閉じ込めを弱くされるために、屈折率の大きい光導波路７中を伝播できなくなり、屈折率の低い下部クラッド層１３に部分結合する。その後、信号光１１は下部クラッド層１３中を伝播するが、下部クラッド層１３よりも屈折率が高い上部クラッド層１４が、伝播させたい方向に沿って上部に形成されているために、下部クラッド１３中を発散することなく、光導波路７に平行に伝播するように誘導される。下部クラッド層１３中を伝播する信号光１１は、交差箇所を越えたあとの、再び徐々に光閉じ込め効果が大きくなってくるテーパ構造部分１０において、高屈折率のコア層である導波路７に部分結合される。このようにして、信号光１１は、光導波路８に直接接触することなく導波路交差部分を越え、再び光導波路７中を伝播することができる。

このように、本発明によれば、信号光を一旦、他の階層に移すことで、交差箇所において、２種類の信号光が直接重なり合い、影響しあう状態を回避することに成功している。このため、導波路８は、交差部分においても通常の直線導波路構造と何ら差異の無い構造をとることが可能になり、その結果導波路８中を伝播する信号光１２は、交差箇所において損失やクロストークをほとんど生じない。

一方、断続している光導波路７中を伝播する信号光１１に関しても、交差箇所における信号光の散乱や反射による損失を大幅に低減でき、また、信号光同士の干渉、混線によるクロストークも劇的に低減可能である。ただしこの時、この交差箇所における信号光１１の層間移動に伴う損失が、従来手法では無かった新たな損失として生じるが。この交差部分を越えるための層間移動に伴う損失は約１．５〜２ｄＢであり、従来技術の１．５ｄＢという値とほぼ同じである。従って、光導波路７中の伝播信号光１２の交差部分の伝播特性を従来技術の特性と比較すると、損失がほぼ同等で、クロストークをほぼゼロに低減できる。

以上のように、本発明による交差型光導波路構造では、一方の信号光の損失、クロストークをほぼゼロに低減でき、もう一方の信号光も、クロストークほぼゼロで伝播できることから、従来の構造と比較して、非常に優れた構造であると言える。

以下に本発明の詳細について、具体的な実施形態を挙げ、図を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係わる交差型光導波路構造の概略を説明するための斜視図であり、図３はその断面図である。

Ｓｉ基板１５上にＳｉＯ２膜からなる下部クラッド層１６が形成され、下部クラッド層１６上の一部にＳｉからなる光導波路１７、１８が形成されており、それぞれの中に信号光２２、信号光２３が伝播されている。下部クラッド層１６の厚さは３μｍであり、光導波路１７、１８は厚さ２５０ｎｍ、幅４５０ｎｍである。光導波路１７、１８は互いに交差する交差箇所を形成しているが、光導波路１７が交差箇所において断続しているために、直接接触してはいない。光導波路１７の断続部分の先端はそれぞれ、交差箇所に向けて先細るようなテーパ構造１９、２０をなしており、テーパ構造１９、２０の長さは２００μｍ、先細ったテーパ先端部分の幅は８０ｎｍである。テーパ構造１９、２０の先端部分は、光導波路１８の側壁からそれぞれ５０μｍの間隔をあけて配置されている。この時、図２においては、光導波路１７、１８が交差する角度は、わかりやすさのために９０度であるように例示されているが、必ずしも９０度である必要はない。従来構造に見られるような交差部分での信号光の反射や混線は、本発明の光導波路交差構造においては生じない。このため、交差角度の違いによる損失・クロストークの増減は生じず、交差角度に関しては自由な設計が可能である。ただし、交差角度が急すぎて、光導波路同士が交差部分以外の箇所でも接合してしまうと、不要な損失・クロストークの原因となる。以上から、光導波路１７、１８の交差角度は５〜９０度が好ましい。テーパ構造１９、２０の上部には、それぞれ下部クラッド層１６よりも屈折率が大きい上部クラッド層２１が形成されている。この上部クラッド層の屈折率と厚さは、次のような関係にあることが望ましい。すなわち、上部クラッド層の屈折率をｎ_１、厚さをｄ_１、光導波路の厚さをｄ_２、入射する光の波長をλとする時、
ｄ_２ ≦ ｄ１ ≦ λ／ｎ_１ …（１）
の関係にあることが望ましい。この時光は上部クラッド層中には伝播せずに、光導波路へ結合する。ここでは屈折率１．５３であるポリイミドを材料としている。上部クラッド層２１の厚さは６００ｎｍ、幅は３μｍ、長さは、テーパ構造部分を包括するために、３００μｍである。なお、上部クラッド層２１の交差箇所側の先端部分は、光導波路と同様にテーパ構造をとることも可能である(図示せず)。なお、図２には光導波路の交差部分のみを示しており、導波路がつながる他の領域には、発光、受光素子やその他各種デバイス、配線等が形成されている。

こうした構造は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を使用することで、実現することができる。即ち、下部クラッド層１６はＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜（ＳｉＯ_２膜）であり、光導波路１７、１８はＳＯＩ基板のＳｉ層を細線状に加工したものである。

先に説明したように、このような交差型光導波路構造をとることで、光導波路１８は、交差部分においても直線導波路構造とほぼ同じ構造をとることができ、光導波路１８中を伝播する信号光２３に、交差部分での損失やクロストークはほとんど生じず、ほぼゼロまで低減できている。

一方、光導波路１７中を伝播する信号光２２は、テーパ構造を介して、屈折率の大きい光導波路１７での光閉じ込めを弱められるために、一旦、下部クラッド層１６中に分布結合して移り、下部クラッド層１６中を伝播することで交差部分を越える。下部クラッド層の厚さｄ_０は、光導波路１７中に導波する光の波長をλ、下部クラッド層の屈折率をｎ_０とした時、
ｄ_０ ≧ λ ／ ｎ_０ …（２）
の関係にあることが望ましい。

上記したように、光導波路１７の上部に光導波路１７に平行して、屈折率が下部クラッド層より大きな上部クラッド層２１が形成されているために、下部クラッド層中を伝播する信号光２２の進行方向は光導波路１７に平行した方向に誘導される。但し、上部クラッド層２１の屈折率は、下部クラッド層１６に入射した光が上部クラッド層２１に十分強く引き付けられる程度に大きくする必要がある。また本実施形態では、断続している導波路１７のテーパ構造部分の先端は、交差するもう一方の導波路１８から５０μｍの距離を開けて配置してある。この距離は３０〜２００μｍであればよいが、距離が３０μｍよりも近いと、信号光２２が下部クラッド層へ分布結合し終わらないうちに、交差するもう一方の導波路１８に到達してしまい、伝搬損失が大きくなってしまう。また距離が２００μｍよりも大きいと、信号光２２が下部クラッド層１６で伝搬される距離が長くなり、下部クラッド層１６中に散乱する成分が増えて損失が大きくなってしまう。距離が５０μｍの時、損失が最も小さくなり、好ましい。

さらに、上部クラッド層２１の交差箇所側の先端部分がテーパ構造をしている場合、信号光２２の下部クラッド層中への拡散と、交差部分での散乱による伝播損失を抑制できる。この時、上部クラッド層のテーパ部分の長さは１００μｍ以下の範囲が好ましい。さらに２０μｍ程度であることがより好ましい。これは、テーパ部分の長さが長すぎると、導波路を伝播する信号光に対する光閉じ込め効果が弱くなりすぎ、伝搬効率が低下するからである。交差部分を越えた信号光２２は、屈折率の大きな光導波路１７に、テーパ構造を介して再度結合する。この時、図２においては断続している導波路のテーパ構造１９、２０の先端部分は、信号光の進行方向をｚ方向としたときに、ｚ軸の同軸上に位置している。しかし実際には、信号光は下部クラッド層中を伝播してくるため、両先端部分が厳密に正面に配置されている必要はなく、３００μｍほどであれば正面からずれていても損失などが増大することはない。ただし、ずれがそれ以上になると損失が増大するため好ましくない。上部クラッド層２１の屈折率は、同様に、下部クラッド層１６を伝播してきた信号光５が、上部クラッド層２１と光導波路１７のテーパ部とに十分強く引き付けられる程度に大きくする。この場合、この上部クラッド層２１の部分には光は閉じ込められないが、下部クラッド層１６を伝播してきた信号光２２を上部クラッド層２１側に引き付けると共に、テーパ構造部分における結合光のモード整合を助ける役割を果たす。

図４に、本交差型光導波路構造における、信号光２２の光伝播の様子を示す。また図４（a）は、本実施形態における光結合デバイスを側面から見た時の、厚さ方向（Ｙ方向）に対する光の分布を示す図。および光の進行方向（Ｚ方向）における光結合効率を示す。図４（ｂ）は光結合デバイスを上面から見た時の幅方向（Ｘ方向）に対する光の分布を示す図。図４（ｃ）は光の進行方向（Ｚ方向）における光結合効率を示す。図中の白い部分ほど光強度が高くなっている。これらの図から、光導波路１７を伝播してきた信号光２２が、交差部分直前で一旦、下部クラッド層１６に移り、上部クラッド層２１によって光導波路１７と平行方向に誘導されて下部クラッド層１６中を伝播し、交差箇所を越えた後に、再び導波路１７に戻っていることが明確にわかる。また、交差部分における損失は約２ｄＢであり、従来技術の値と同程度である。ここでの損失の多くは、下部クラッド層１６中に拡散してしまう成分と、交差部分で散乱してしまう成分が占めると考えられる。

また、この時、断続する光導波路１７の両脇に並行する形で、下部クラッド層１６を掘り下げ、トレンチ領域(図示せず)を形成することで、信号光２２の下部クラッド層１６中での拡散を抑制し、損失を低減することも可能である。この場合、トレンチ領域の位置は、上部クラッド層２１の幅よりも外側であればよい。本実施形態では、上部クラッド層１６の幅は３μｍとしているので、従って断続している導波路１７のテーパ部分から１．５μｍ以上離れていれば良い。ただし、離れるほどに、拡散抑制の効果は小さくなるので、離れる位置は１．５〜２．５μｍにするのが好ましく、より好ましいのは１．５μｍにする場合である。この場合、信号光２２の交差部分での伝播損失は約１．５ｄＢまで低減できる。

またこの時、信号光２２の交差部分でのクロストークは−６０ｄＢ以下であり、ほぼゼロである。

このように、本発明による交差型光導波路構造では、一方の導波路を伝播する信号光の損失、クロストークをほぼゼロに低減でき、もう一方の断続する導波路を伝播する信号光も、クロストークをほぼゼロまで低減できる。

（第２の実施形態）
本発明による光導波路交差部分を適用した光導波回路の実施形態を示す。図５は６つの演算コアを光導波回路でつないでいるマルチコア中央処理装置の模式図である。図には、外部との信号送受信ポートや電極などの、本発明にかかわりない部分は省略してある。こうしたマルチコア構造の演算素子は、コア間の通信が電気配線のものであればすでに実用化されている。

マルチコアチップは、ＳＯＩ基板を用いて形成され、下部クラッド層としてＳｉＯ２層を用い、上部Ｓｉ層を加工することでＳｉ細線導波路を形成し、光導波路を構成する。各演算コア１〜６上の光信号送受信ポート２４は、光導波路２５を介して他の全ての演算コア上の光信号送受信ポートとつながっており、全てのマルチコア間での通信が可能である。この時、本実施形態においては、約９箇所で光導波路交差部分２７が生じている。特に演算コア１から６、３から４への光導波路に着目すると、それぞれ４ヶ所もの光導波路交差部分が生じている。これらの光導波路交差部分において、従来技術の場合は、前述したように、交差箇所１箇所ごとに交差する２本の信号光それぞれに１．５ｄＢの損失と、−９．２ｄＢのクロストークが生じる。このため、４ヶ所もの交差部分を経由するコア１から６、３から４への信号光には多大な損失とクロストークが生じることになり、正確な通信は困難となる。このため、従来構造を適用して光配線を用いたマルチコアチップは、いまだ実用化されていない。一方、図中に示したように、光導波路交差部分に本発明からなる交差構造を適用した場合には、クロストークは−６０ｄＢ以下まで低減でき、全体としての損失も従来構造の半分以下に抑制することが可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態ではＳＯＩ基板を用いたが、必ずしもＳＯＩ基板を用いる必要はない。下部クラッド層上の一部に光導波路が配置され、その上に上部クラッド層を有する構成であればよい。更に、上部クラッド層，下部クラッド層，及び光導波路の材料は実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。上部クラッド層の屈折率ｎ_１ 、下部クラッド層の屈折率ｎ_２ 、光導波路の屈折率ｎ_０ とした時に、
ｎ_２ ＜ｎ_１ ＜ｎ_０ …（３）
の関係であればよい。

また、上部クラッド層の長さ、厚さや幅、下部クラッド層の厚さ、光導波路の厚さや幅、テーパ構造部分の長さや厚さ、先端部分の幅、導波路の交差角度等の条件も仕様に応じて適宜変更可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

本発明による交差型光導波路構造を説明する模式図。 第１の実施形態における交差型光導波路構造示す斜視図。 第１の実施形態における交差型光導波路構造示す断面図。 第１の実施形態における交差型光導波路内の光伝播の様子を示す図。 第２の実施形態における光導波回路の概略構成を示す図。

符号の説明

１〜６ 演算コア
７ 断続する光導波路
８ 交差するもう片方の光導波路
９ テーパ構造部分
１０ テーパ構造部分
１１ 伝播する信号光
１２ 伝播する信号光
１３ 下部クラッド層
１４ 上部クラッド層
１５ Ｓｉ基板
１６ ＳｉＯ２膜からなる下部クラッド層
１７ 断続する光導波路
１８ 光導波路
１９ テーパ構造
２０ テーパ構造
２１ 上部クラッド層
２２ 伝播する信号光
２３ 伝播する信号光
２４ 光信号送受信ポート
２５ 光導波路
２７ 光導波路交差部分

Claims (7)

1. 基板上に形成された下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に形成された第１の光導波路と、
   前記第１の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の一方に、先端を前記第１の光導波路の側面に向けて形成され、光が伝搬できなくなるように該先端部がテーパ状に絞られた第２の光導波路と、
   前記第１の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の他方に、先端を前記第２の光導波路の先端部に対向して形成され、光が伝搬できなくなるように該先端部がテーパ状に絞られた第３の光導波路と、
   前記下部クラッド層上及び前記第２の光導波路の先端部上に形成され、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きい第１の上部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上及び前記第３の光導波路の先端部上に形成され、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きい第２の上部クラッド層と、を具備する光導波回路であって、
   前記下部クラッド層の厚さｄ _０ は、前記第１乃至第３の光導波路を導波する光の波長をλ、前記下部クラッド層の屈折率をｎ _０ とした時、
   ｄ _０ ≧ λ ／ ｎ _０
   の関係にあり、
   かつ、前記第１及び第２の上部クラッド層の厚さｄ _１ は、前記第１乃至第３の光導波路の厚さをｄ _２ 、前記第１及び第２の上部クラッド層の屈折率をｎ _１ とした時に、
   ｄ _２ ≦ ｄ _１ ≦ λ／ｎ _１
   の関係にあることを特徴とする光導波回路。
2. 前記第２及び第３の光導波路の先端が、前記第１の導波路の側面から３０〜２００μｍの距離にあることを特徴とする、請求項１に記載の光導波回路。
3. 前記第１または第２上部クラッド層の、前記第１の光導波路の側面に対向する先端部がテーパ状に絞られ、該テーパ部分の長さが１００μｍより小さいことを特徴とする請求項１〜２何れかに記載の光導波回路。
4. 前記第１または第２の上部クラッド層の両側の、前記下部クラッド層の一部を除去して形成するトレンチ領域を具備することを特徴とする請求項３に記載の光導波回路。
5. 前記基板は、シリコンオンインシュレータ基板であることを特徴とする、請求項１〜４何れかに記載の光導波回路。
6. 前記第１乃至第３の光導波路はシリコン、前記下部クラッド層は酸化シリコンからなることを特徴とする、請求項５に記載の光導波回路。
7. 請求項１〜６いずれかに記載の光導波回路が適用されていることを特徴とするマルチコア中央処理装置。