JP6864336B2 - 層間結合器 - Google Patents
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Description
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、導波路が互いに交差する箇所を設ける必要がある。
一方、多層光回路では、層を超えた意図せぬ信号漏話を無視するため、上下層の導波路の間隔は層間距離(層間厚)1μm以上とするのが望ましい。
例えば、導波路形状を先端部分だけ先細りのテーパ型にすることによって、電磁界分布を広範に広げ、上下層の導波路を結合させる層間結合器が提案されている(後記比較例参照)。テーパ型の導波路で実現できるので、簡便な構造であるものの、層間距離1μm以上に対し、5cm程度の非常に長い素子長が必要となるという重大な欠点がある。このような非常に長い素子長が必要となるので、上記層間結合器を備える多層光回路は実用化されていない。
図1は、本発明の一実施形態に係る層間結合器の構成を示す斜視図である。図2(a)は、層間結合器の上面図、図2(b)は、層間結合器の側面図である。
[構成]
図1および図2に示すように、層間結合器100は、基板1上に形成された第1導波路10と、第1導波路10と層間距離(層間厚)D離隔して平行に配置された第2導波路20と、を備える。
層間結合器100は、第1導波路10から遷移した光分布(電磁界分布)を第2導波路20に伝播させて層間を結合する。層間結合器100は、機能性部品同士を結ぶ導波路を交差させたい場合、一方の導波路を別の層まで繋ぐときに用いる方向性結合器である。
第1導波路10は、例えばc-Si(Crystal silicon)からなるc-Si導波路であり、第2導波路20は、例えばa-Si(amorphous silicon):Hからなるa-Si:H導波路である。ここで、第2導波路20の材料として、a-Si:Hを用いると、a-Si:Hは低温で積層できるので第2導波路20に繋がる光機能素子回路や電子回路にダメージを与えないので好ましい。第1導波路10は、かかる熱的な制約はないので導波路の材料としてc-Siを用いている。第1導波路10および第2導波路20のいずれの材料にもa-Si:Hを用いてもよい。
第1導波路10および第2導波路20の材質は、シリコン(Si)には限定されず、どのような材質でもよい。後記するように、一方または双方の導波路の材質が化合物半導体(例えば、InP)であってもよい。
基板1は、例えばSOI(Silicon-On-Insulator)基板である。なお、基板1は、どのような材質の基板でもよい。
第2導波路20は、先端20aに向かって幅が狭くなる第1テーパ(1sttaper)21と、第2テーパ21の端部21aから先端20aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパ(2ndtaper)22と、を備える。
図1の例では、第1導波路10と第2導波路20とは、同一構造を採る。第1導波路10と第2導波路20とは、平行に層間距離D離隔して対向配置される。図1および図2(a)に示すように、第1導波路10は、先端10aを図1のz軸の+方向に配置した場合、第2導波路20の先端20aは、図1のz軸の−方向に配置される。図1および図2(b)に示すように、下側の第1導波路10と上側の第2導波路20とは、層間距離D離隔している。層間距離Dは、例えば1μmである。ここで、素子長を鑑みると、使用される層間距離Dは、D=500nm〜1.5μmと考えられる。そのためD=1μmに限定されるものではない。
また、c-Siからなる第1導波路10の幅は、450nm、厚さは220nmである。a-Si:Hからなる第2導波路20の幅は、450nm、厚さは220nmである。
第1テーパ11,21は、光の反射を許容する高屈折率のテーパ形状を有する。光の反射および高屈折率については、後記する。また、第1導波路10の第1テーパ11の起点と第2導波路20の第1テーパ11の起点間の素子長は200μm近傍である。
第2テーパ12,22は、第1テーパ11,21の端部11a,21aから先端10a,20aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先が細くなっている。
第2テーパ12,22は、第1テーパ11,21が反射を許容することで下げた実効屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する。実効屈折率とは、実効的に光のモード全体がどの屈折率を感じているかを示す指標である。実効屈折率が低ければ低い程、結合長を短くできる。結合長は、ある%で結合効率をとるために必要な長さである。通常、70〜80%の結合効率をとる場合のテーパ長の長さで表される。95%と80%の結合効率の場合における結合長を計算し、第1導波路10および第2導波路10を作製した。
第1導波路10および第2導波路20は、第2テーパ12,22同士が逆方向に向かい合って重なるように配置し、第1導波路10の第2テーパ12から遷移した光分布を第2導波路20の第2テーパ22に結合させて層間を結合する。
第1導波路10の第1テーパ11のテーパ形状と第2導波路20の第1テーパ11のテーパ形状とは、図1に示すように対称形(同一形状)でもよく、後記する図3に示すように非対称形でもよい。
光の反射について述べる。
本明細書では、光の反射とは、「光の電磁界」が「屈折率分布の不連続点、および急激な変化点(すなわち、テーパ形状に切り替わる箇所および、テーパ箇所)」で干渉し、後方へ進むことをいう。ちなみに、テーパ形状による屈折率分布の変化により、他にも、光が外へ逃げたり(放射)、モード変換(導波路形状によって固有の安定な電磁界分布(モード)が複数あった場合、それらの間を遷移する現象)がある。
上記反射、放射、モード変換の効果のうち、本テーパ形状では、反射による効果が支配的である。すなわち、第1テーパ11,21のような傾斜の強いテーパ形状の場合、放射よりも反射の方が強く出る。さらに、c-Si/a-Si:Hの導波路の場合、安定な電磁界分布(光分布)も一つしかない。このため、第1テーパ11,21を律速することは「反射」のみとなる。
ただし、c-Si/a-Si:H以外の導波路を用いた場合、反射/放射/モード変換は、3つとも律速要因となり得る。したがって、これら3つの反射/放射/モード変換を無視できる、という意味の「断熱的変化」という言葉を用いた。第1テーパ11,21を定義づける表現としては、「電磁界分布を所望の大きさ(第2テーパ12,22の起点の大きさ)まで断熱的に拡大する範囲で最短のもの」と定義することができる。
以上のことから、第1テーパ11,21の役割は、「電磁界分布を所望の大きさ(第2テーパ12,22の起点の大きさ)まで、最短距離で、拡大すること」である。第1テーパ11,21は、電磁界分布を、第2テーパ12,22の起点の大きさまで反射、放射、モード変換を閾値(閾値は信号強度の相対的な差異(パワー比)で示され、例えば、それぞれ−30dB)以下で拡大する。
本構造の利点は、結合に寄与しない部分を第1テーパ11,21でできるだけ短縮していることである。その意味で「最短距離で」と記述している。テーパ長を短くすると上記の反射(放射も)が増えることから、この場合の最短とは、上記の反射(放射も)が許容できる範囲での最短という意味である。
層間結合器では、一層の導波路の場合と異なり、対向する導波路との間で、光のフィールドの重なりがある程度必要である。テーパのスロープの角度をかなり緩くする必要がある。
第1テーパ11,21の高屈折率について述べる。
高屈折率は、概ね屈折率が導波路コア−クラッド間で1.5〜2程度離れていることをいう。高屈折率は、材料由来であり限度がある。高屈折率の上限は、現実的なところでは、Geの4程度であると考えられる。
テーパ長の長さについて述べる。
本層間結合器100でいう結合長は、第2テーパ12,22のことである。なぜなら、第1テーパ11,21は結合に寄与しないからである。したがって、層間結合器100の素子長は、下記となる。
素子長=第1テーパ+第2テーパ=第1テーパ+結合長
なお、後記比較例の層間結合器では、素子全体が結合に寄与するので、結合長=素子長となる。
図3は、c-Si導波路(第1導波路)/InP導波路(第2導波路)の層間結合器の構成を示す図であり、図3(a)は、上記層間結合器の上面図、図3(b)は、上記層間結合器の側面図である。
図3に示すように、層間結合器100Aは、図1および図2のa-Si:H導波路20(第2導波路)に代えてInP導波路30(第2導波路)を用いている。ここでは、第2導波路の材質に、III-V族化合物半導体InPを用いているが、他の化合物半導体であってもよい。
第1導波路10は、先端10aに向かって幅が狭くなる第1テーパ(1sttaper)11と、第1テーパ11の端部11aから先端10aに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパ(2ndtaper)12と、を備える。
c-Siからなる第1導波路10の幅は、450nm(図3(a)参照)、第1導波路10の厚さは、220nm(図3(b)参照)である。第2テーパ12の起点における第1導波路10の幅(第1テーパ11の端部11aの幅)Wtip2は250nm、第2テーパ12の終点における第1導波路10の幅(第1導波路10の先端10aの幅)Wtip1は150nmである。
InPからなる第2導波路30の幅は、3000nm(図3(a)参照)、第2導波路30の厚さは、270nm(図3(b)参照)である。第2テーパ32の起点における第2導波路30の幅(第1テーパ31の端部31aの幅)Wtip2は250nm、第2テーパ12の終点における第2導波路30の幅(第2導波路30の先端30aの幅)Wtip1は150nmである。
なお、表1に示すように、層間結合器100Aのデバイス長は、200μm、導波路幅依存性は±50μmであることを確認した。
以下、上述のように構成された層間結合器100の作用について説明する。
本発明の基本的な考え方について説明する。
先端に向かって幅が狭くなる先細のテーパを有する上下層の導波路を、当該テーパ同士が向かい合って重なるように平行に配置する。このようなテーパを有する層間結合器では、第1導波路中を導波してきた信号光は、テーパ部分において、徐々に光閉じ込めを弱くされるために、屈折率の大きい第1導波路中を伝播できなくなり、第1導波路から第2導波路へ光分布(電磁界分布)が徐々に移行する。第1導波路と第2導波路とは、先端が逆方向に配置され、テーパ同士が互いに向かい合って重なるように配置するので、第1導波路から遷移した光分布は、徐々に光閉じ込め効果が大きくなってくる第2導波路のテーパ部分において吸い込まれ、高屈折率の第2導波路に部分結合される。このように、テーパによって第1導波路を細くしていくと、光が閉じ込めきれなくなって光分布として拡がっていく。光分布が拡がっていく状態で、対向する場所にテーパを有する第2導波路が設けられているので、拡がっていく光が第2導波路に吸い込まれていく。テーパは、光分布を広げなければならない場所で、反射なく広げるために設けられている。ちなみに、後記比較例で述べるように、光分布を広げなければならない場所で、反射なく広げるためには、上記テーパは非常に緩やかにせざるを得ず、実用に適さない程の長い素子長が必要となっていた。
図4および図5は、従来構造の層間結合器を比較例として示す図である。図4は、比較例の層間結合器の構成を示す斜視図、図5(a)は、上記比較例の層間結合器の上面図、図5(b)は、上記比較例の層間結合器の側面図である。なお、図4は、本実施形態の図1に対応し、図5(a)(b)は、本実施形態の図2(a)(b)に対応している。
図4および図5(b)に示すように、従来構造の層間結合器2は、基板1上に形成された第1導波路3と、第1導波路3と平行に層間距離D離隔して配置された第2導波路5と、を備える。第1導波路3は、例えばc-Siからなるc-Si導波路、第2導波路5は、例えばa-Si:Hからなるa-Si:H導波路である。
第1導波路3は、先端3aに向かって先細るテーパ4を備え、第2導波路5は、先端5aに向かって先細るテーパ6を備える。
第1導波路3と第2導波路5とは、同一構造を採る。第1導波路3と第2導波路5とは、層間距離D離隔して平行に対向配置される。層間距離Dは、例えば1μmである。
第1導波路3のテーパ4の起点から第2導波路5のテーパ6の起点までの区間のテーパ長をLとする。また、c-Siからなる第1導波路3の幅は、450nm、厚さは220nmである。a-Si:Hからなる第2導波路5の幅は、450nm、厚さは220nmである。
図6は、本実施形態の層間結合器100と従来構造の層間結合器2の実効屈折率(Effective Index)の分布を示す図であり、図6(a)は比較例の層間結合器2の平面図、図6(b)は実効屈折率の分布、図6(c)は本実施形態100の平面図を示す。
図6(b)の細破線(第1導波路3)および太破線(第2導波路5)は、上記比較例の実効屈折率を示している。上記比較例では、実効屈折率は約「1.4-2.4」の大きなレンジで変化する。これに伴い、実効屈折率の近接値は約「2」と高い(図6(b)の符号b参照)。さらに、実効屈折率が約「1.4-2.4」の大きなレンジで変化するので、近接箇所も小さい(図6の符号c参照)。
光が隣の層に伝播するためには、2つの層の実効屈折率が近いところが続いていると速く遷移する。比較例では、2つの層の実効屈折率が近いところ(領域)を続けようとすると、非常に長い素子長が必要となる。2つの層の屈折率が近いところが少ないと、少ししか遷移しない。
(1)図6(b)の符号bに示すように、本実施形態では、比較例に比べ、実効屈折率の近接値が低い。一般的にこの値が低ければ低いほど、結合長は短くなる。
(2)図6(b)の符号cに示すように、緩やかなテーパ形状の第2テーパ12,22を用いることで近接箇所を大きくし、結合可能領域が長くなる。
このように、本実施形態では、実効屈折率の近接値を低くした上で、2つの層の屈折率が近いところが続く近接箇所を大きくする。
図7に示すように、比較例(図7の符号□参照)の層間結合器の素子長Lは、層間距離Dに対して指数関数的に大きくなり、1μmの層間距離Dに対しては5cm程度が必要である。これに対して、本実施形態(図7の符号◇参照)の層間結合器は、約200μmで実現できる。
図3のc-Si導波路/InP導波路の層間結合器100Aにおいて、下記の設計で試作した。
図3において、L1=10μm,L2=150μm,L3=40μmとした場合、95%程度の結合効率を得た。この場合は、両者の屈折率が0.4程度異なる。このため、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路30の第2テーパ32とは、非対称であり、L1≠L3となっている。
図8は、変形例の層間結合器の構成を示す図である。
図8(a)に示すように、変形例の層間結合器100Bは、第1導波路10Bの第1テーパ11Bおよび第2導波路20Bの第1テーパ21Bが、外方向に凸の湾曲したテーパ形状に形成されている。なお、内方向に凸の湾曲したテーパ形状に形成することも可能である。
また、素子長が1μm程度であれば、CAD設計で行えるので、回折格子(グレーティングカプラなど)を用いる光導波路結合構造よりも格段に作製が容易である。
本実施形態では、第1導波路10(図1および図2参照)および第2導波路20,30が、いずれも第1テーパ11,21と第2テーパ12,22,32とを有する例について説明したが、第1導波路10または第2導波路20,30のうち一方のみ(例えば第1導波路10のみ)が第1テーパおよび第2テーパを有する構造でもよい。この場合の第2導波路には、例えば上記比較例の第2導波路5のテーパ6(図4および図5参照)のようなテーパであってもよい。
また、第1導波路10の第1テーパ11および第2テーパ12のテーパ形状と、第2導波路20の第1テーパ21および第2テーパ22のテーパ形状と、は異なるものでもよい。異なるテーパ形状とは、各テーパのスロープの角度(プロファイル)が異なることのほか、一方の導波路に図8(a)に示す曲面(曲線)テーパ形状、図8(b)に示す複数のテーパ(テーパ要素)を用いることが挙げられる。
また、本実施形態では、第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路20,30の第2テーパ22,32とが、上方から見て、逆方向に向かい合って上下が重なるように配置しているが、上下が重なるように配置されていればよく、例えば第1導波路10の第2テーパ12と第2導波路20,30の第2テーパ22,32とが、所定の角度(180°以外)で重なる構造でもよい。このような構造を採ると、本発明の層間結合器において、導波路の方向を変えることができる。
また、上記実施の形態では、層間結合器という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、名称は方向性結合器等であってもよい。
10 第1導波路
11,11A,11B,11C,21,21A,21B,21C 第1テーパ(1sttaper)
12,22,32 第2テーパ(2ndtaper)
20,30 第2導波路
100,100A,100B,100C 層間結合器
111,112,121,122 第1テーパの複数のテーパ形状
D 層間距離(層間厚)
L 素子長(テーパ長)
Claims (9)
- 第1導波路と、前記第1導波路と所定層間距離離隔して配置された第2導波路と、を備え、前記第1導波路から遷移した光分布を前記第2導波路に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、
前記第1導波路及び前記第2導波路の双方が、
導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパと、
前記第1テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパと、を備え、
前記第1導波路および前記第2導波路は、
前記第2テーパ同士が互いに逆方向に向かい合って重なるように配置し、前記第1導波路の前記第2テーパから遷移した光分布を前記第2導波路の前記第2テーパに結合させて層間を結合し、
前記第2テーパ同士は、重なり具合を均等にするようにテーパ形状が等しい
ことを特徴とする層間結合器。 - 第1導波路と、前記第1導波路と所定層間距離離隔して配置された第2導波路と、を備え、前記第1導波路から遷移した光分布を前記第2導波路に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、
前記第1導波路及び前記第2導波路の双方が、
導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパと、
前記第1テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパと、を備え、
前記第1導波路および前記第2導波路は、
前記第2テーパ同士が互いに逆方向に向かい合って重なるように配置するとともに、向かい合って重なる2つの層の実効屈折率が近い近接箇所を所定範囲以上大きくするテーパ形状を有し、前記第1導波路の前記第2テーパから遷移した光分布を前記第2導波路の前記第2テーパに結合させて層間を結合する
ことを特徴とする層間結合器。 - 第1導波路と、前記第1導波路と所定層間距離離隔して配置された第2導波路と、を備え、前記第1導波路から遷移した光分布を前記第2導波路に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、
前記第1導波路及び前記第2導波路の双方が、
導波路から先端に向かって幅が狭くなる第1テーパと、
前記第1テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第2テーパと、を備え、
前記第1テーパは、前記第2テーパの導波路側に形成され、強い実効屈折率差によって発生する光の反射を許容する高実効屈折率のテーパ形状を有し、
前記第2テーパは、前記第1テーパに続いて形成され、緩やかに実効屈折率を変化させて、断熱的にモードを変える、前記第1テーパより緩やかなテーパ形状を有する
ことを特徴とする層間結合器。 - 前記第1テーパは、光が隣の層に伝播する2つの層の実効屈折率の近接値を下げ、
前記第2テーパは、前記第1テーパが下げた実効屈折率の近接値を基に、結合に寄与する2つの層の実効屈折率が近い近接箇所を大きくして、結合可能領域を長くする
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の層間結合器。 - 前記第1テーパは、前記光分布を、前記第2テーパの起点の大きさまで、反射、放射、モード変換を閾値以下の範囲で拡大する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の層間結合器。 - 前記層間距離は、0.5μmから1.5μmの範囲である
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の層間結合器。 - 前記第1テーパは、単数または複数のテーパ形状からなる
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の層間結合器。 - 前記第1テーパは、直線または曲線のテーパ形状を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の層間結合器。 - 前記第2テーパ同士は、重なり具合を均等にするようにテーパ形状が等しい
ことを特徴とする請求項2に記載の層間結合器。
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