JP7019220B2

JP7019220B2 - 光集積回路及び集積回路

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Publication number: JP7019220B2
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Authority: JP
Inventors: 正彦近藤; 正人森藤; 雄次宮本
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Description

本開示は、フォトニック結晶構造体に囲まれた共振器を有する光ダイオードを備える光集積回路に関する。

フォトニック結晶構造体に囲まれた共振器を有する光集積回路について、特許文献１及び特許文献２に記載されている。例えば、特許文献１及び特許文献２に記載の光集積回路では、光導波路の側方に複数の共振器が形成され、複数の共振器で生成された光信号が、光導波路に出力される。

特開２００７－１９４３０１号公報特開２００９－２３９２６０号公報

このような、光集積回路では、共振器から出力された光信号を、光導波路の一方向に伝送できる、又は、光導波路の一方向から伝送された光信号を電気信号に変換できることが好ましい。

そこで、本開示は、光導波路の一方向に出力される光信号の割合、又は共振器に入力される一方向から伝送される光信号の割合を増加できる光集積回路又は集積回路を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る光集積回路は、光導波路と、前記光導波路の側方に形成されており、電気信号を光信号に変換し、当該光信号を前記光導波路に出力する、又は、前記光導波路を伝送される光信号を電気信号に変換する光ダイオードとを備え、前記光ダイオードは、フォトニック結晶構造体に囲まれた円形の主共振器と、前記主共振器の近傍に形成され、フォトニック結晶構造体に全周囲を囲まれた副共振器とを有し、前記主共振器から前記光導波路の一方向に出力される光信号は、前記主共振器から前記光導波路の他方向に出力される光信号より強い、又は、前記主共振器に入力される前記光導波路の一方向から伝送される光信号は、前記主共振器に入力される前記光導波路の他方向から伝送される光信号より強い。

本開示は、光導波路の一方向に出力される光信号の割合、又は共振器に入力される一方向から伝送される光信号の割合を増加できる光集積回路又は集積回路を提供できる。

図１は、実施の形態に係る集積回路の構成を示す図である。図２は、実施の形態に係る光集積回路の斜視図である。図３は、実施の形態に係る光集積回路と光導波路との接続の様子を示す図である。図４は、実施の形態に係る光集積回路と光ファイバーとの接続の様子を示す図である。図５は、実施の形態に係るレーザダイオード及び光導波路の平面図である。図６は、実施の形態に係るレーザダイオード及び光導波路の平面図である。図７は、実施の形態に係る副共振器の位置を変更するシミュレーション条件を示す図である。図８は、実施の形態に係る副共振器の位置に対する左右比を示す図である。図９は、実施の形態に係る副共振器の幅を示す図である。図１０は、実施の形態に係る光導波路の周辺の拡大図である。図１１は、実施の形態に係る光導波路の側方の空孔のシフト量に対する結合効率を示す図である。図１２は、実施の形態の変形例に係るレーザダイオード及び光導波路の平面図である。図１３は、実施の形態の変形例に係る光導波路の側方の空孔のシフト量に対する結合効率を示す図である。

（本開示の基礎となった知見）
近年の情報化社会の発達は、目覚しいものがある。これは主にソフトウェアの発達によるところが大きい。他方、ハードウェアの発達は、既に物理的限界に近いところまで到達しており、伸びしろが少ない状態にある。例えば、情報処理の中核である半導体ＣＰＵチップのクロック速度は、この１０年で殆ど変わっていない。チップ内の情報伝送は、金属配線で行われており、配線の微細化により信号遅延が発生する。クロック速度を高めると、チップ自体が発熱し、消費電力が大きく増大する。現状、３ＧＨｚ程度のクロック速度が妥協点となっている。これに対して、ＣＰＵチップの高性能化のために、情報処理を行うコアと呼ばれる部分を複数設け、複数のコアで並列処理することが行われている。

ＣＰＵチップのサイズは数ｃｍ角であり、この中に１００億個程度のトランジスタが形成されている。これらを同一のクロック速度で動かすと発熱と消費電力の問題が発生する。この解決策として、サイズが小さい複数のコアで情報方処理を行う方法がある。

複数のコアで並列処理を行うためには、コア間での情報伝送が重要になる。現在のＣＰＵチップ内部では、情報伝送は全て金属配線で行われているので、この金属配線における発熱と消費電力の問題が発生する。

本開示のＣＰＵチップでは、コア間での情報伝送に光配線を用いる。従来の光伝送技術は、比較的長距離の情報伝送に用いられており、光伝送モジュールのサイズが大きい。よって、このような技術をチップ内に組み込むことは困難である。本開示では、それを可能にする微小な光モジュールについて説明する。

また、特許文献１及び特許文献２に記載の光モジュールでは、以下の課題がある。これらの光モジュールでは、光導波路の側方に共振器を有する光ダイオードが形成される。光ダイオードで生成された光信号は、光導波路に出力される。ここで、光導波路に出力された光信号は、光導波路のいずれか一方の方向に伝送される必要がある。しかしながら、従来技術では、光信号は両方向に伝送される。例えば、光信号を左方向に伝送する際には、右方向に伝送された光信号は、光導波路の端部にある位相調整領域で反射され、この反射波が左方向に伝送される。よって、共振器から左方向に出力された光信号の位相と、この反射波の位相とが同位相になるように調整することで、光信号が減衰することを抑制できる。しかしながら、一つの光導波路の側方に、波長が異なる複数の共振器を設ける場合には、これらの複数の共振器の全ての光信号の位相を調整することが困難であるという課題がある。これにより、光伝送でエラーが生じる可能性がある。

本開示の一態様に係る光集積回路は、光導波路と、前記光導波路の側方に形成されており、電気信号を光信号に変換し、当該光信号を前記光導波路に出力する、又は、前記光導波路を伝送される光信号を電気信号に変換する光ダイオードとを備え、前記光ダイオードは、フォトニック結晶構造体に囲まれた円形の主共振器と、前記主共振器の近傍に形成され、フォトニック結晶構造体に囲まれた副共振器とを有する。

これによれば、副共振器を設けることで、光導波路の一方向に出力される光信号の割合、又は共振器に入力される一方向から伝送される光信号の割合を増加できる。

例えば、前記副共振器は、前記主共振器における右回りと左回りの光信号に対して非対称に形成されていてもよい。

例えば、前記副共振器は、前記主共振器における右回りの光信号と左回りの光信号とに与える影響が異なってもよい。

例えば、前記副共振器は、前記主共振器と前記光導波路との間以外に形成されていてもよい。

これによれば、副共振器が主共振器と光導波路との光結合を阻害することを抑制できる。

例えば、前記主共振器と前記副共振器とは隣接していてもよい。

これによれば、光導波路の一方向に出力される光信号の割合、又は共振器に入力される一方向から伝送される光信号の割合をさらに増加できる。

例えば、前記副共振器は、１以上かつ３以下のフォトニック結晶構造の空孔が除去されることで形成されていてもよい。

例えば、前記光導波路は、両側方をフォトニック結晶構造体で囲まれており、前記光導波路の両側方のフォトニック結晶構造体の間隔は、前記光導波路の両側方以外のフォトニック結晶構造体の間隔より広くてもよい。

これによれば、主共振器と光導波路との結合効率を向上できる。

例えば、前記光集積回路は、前記光ダイオードを含む複数の光ダイオードを備え、前記複数の光ダイオードは、前記光導波路の側方に形成されており、（１）電気信号を、互いに波長の異なる光信号に変換し、前記光信号を前記光導波路に出力する、又は、（２）前記光導波路を伝送される互いに波長の異なる光信号を電気信号に変換し、前記光導波路は、信号伝送方向に沿って形成された溝を有してもよい。

これによれば、光導波路に溝を設けることで、波長の異なる複数の光ダイオードと、光導波路との結合効率を向上できる。

本開示の一態様に係る集積回路は、電気及び光を介して信号を伝送する集積回路であって、前記光集積回路を備える。

本開示の一態様に係る集積回路は、複数のコアと、前記複数のコア間の信号の伝送を行う前記光集積回路とを備える。

これによれば、複数のコアを有する集積回路の高性能化を実現できる。

例えば、前記集積回路は、各々が複数の前記コアを含む複数のブロックを含み、前記光集積回路は、前記複数のブロック間の信号の伝送を行ってもよい。

これによれば、ブロック内では電気配線を用い、ブロック間では光配線を用いることで、光配線の増加を抑制できるとともに、集積回路の高性能化を実現できる。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、又は集積回路で実現されてもよく、システム、方法及び集積回路の任意な組み合わせで実現されてもよい。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
現在市販のＣＰＵのコア数は１０以下であるが、近い将来に１桁近く増加させたいという需要がある。具体的には、９×９＝８１個のコアを有するＣＰＵを作製する。８１個のコアを全て光導波路で接続するためには１万本近い光導波路が必要になる。光導波路は損失がほぼ無く、ＣＰＵチップのサイズ内で用いられる場合には信号遅延も発生しないので、コア間の距離を設計で考慮する必要がない。しかし、光導波路は電気配線に比べてサイズが大きい。また、光導波路を立体交差させるとなると、その作製は容易ではなく高コストとなる。実用的な構成としては、電気配線と光配線とのハイブリッドとなる。

図１は、本実施の形態に係る集積回路１００の構成を示す図である。なお、図１は模式図であり、各構成要素のサイズの比率は実際のものとは必ずしも一致しない。集積回路１００は、電気及び光を介して信号を伝送する。図１に示すように集積回路１００は、例えば、半導体チップであり、ＣＰＵとして機能する。この集積回路１００は、３×３の９個のブロック１０１を含む。各ブロック１０１は、３×３の９個のコア１０２（プロセッサコア）を含む。つまり、集積回路１００は、９×９の８１個のコア１０２を含む。なお、コア１０２は、プロセッサコアでなくてもよく、任意の処理回路であってもよい。

１つのブロック１０１に含まれる複数のコア１０２の間の情報伝送は、電気配線により行われる。複数のブロック１０１の間の情報伝送、及び、集積回路１００と外部との間の情報伝送は、光配線が用いられる。

具体的には、各ブロック１０１は、１つのポート１０３を含む。ポート１０３は、コア１０２の一部と、４つ光集積回路１０４（光モジュール）とを含む。ポート１０３は、光導波路１０５を介したブロック１０１間の信号の伝達、又は光ファイバー１０６を介したブロック１０１と外部との間の信号の伝達を行う。例えば、１つのブロック１０１に含まれる９個のコア１０２のうち、中央のコア１０２は、通信専用のコアとして機能し、他の８個のコア１０２とポート１０３との間の電気信号の伝達を行う。例えば、ブロック１０１は１ｃｍ角程度であり、コア１０２は３ｍｍ角程度である。また、ポート１０３は１ｍｍ角程度である。つまり、例えば、ポート１０３のサイズは、コア１０２のサイズより小さい。なお、ポート１０３のサイズはコア１０２のサイズより大きくてもよい。また、中央のコア１０２の一部がポート１０３として機能してもよいし、通信専用のコアを設けず、９個のコア１０２の各々の一部がポート１０３として機能してもよい。

光集積回路１０４は、複数のポート１０３間の信号の伝送を行う。具体的には、光集積回路１０４は、複数のブロック１０１間の信号の伝送を行う。

より詳細には、４つの光集積回路１０４は、４方に隣接する他のブロック１０１又は外部との光信号の伝達を行う。具体的には、ブロック１０１間の光信号の伝達には光導波路１０５が用いられ、ブロック１０１と外部との光信号の伝達には光ファイバー１０６が用いられる。

なお、ブロック１０１及びコア１０２の数及びサイズは、一例であり、任意の数又はサイズのブロック１０１及びコア１０２が用いられてもよい。

また、図１に示す構成により、ＣＰＵ内にネットワ－クを構築できる。これにより、いずれかの光集積回路１０４が故障した場合でも、迂回するルートを介して情報を伝達できる。よって、光集積回路１０４が故障した場合のＣＰＵの性能の低下を抑制できる。

図２は、光集積回路１０４の構成を示す斜視図である。図２に示す光集積回路１０４は、複数の波長の光信号が含まれる光信号と電気信号とを相互に変換する半導体集積回路であり、半導体基板２０５に形成された複数のフォトダイオード（ＰＤ）２０１ａ～２０１ｃと、複数のレーザダイオード（ＬＤ）２０２ａ～２０２ｃと、入力用の光導波路２０３と、出力用の光導波路２０４とを備える。なお、複数のフォトダイオード２０１ａ～２０１ｃを特に区別しない場合は、フォトダイオード２０１と表し、複数のレーザダイオード２０２ａ～２０２ｃを特に区別しない場合は、レーザダイオード２０２と表す。

入力用の光導波路２０３は、外部より入力される入力光信号２０８を伝送する光導波路である。出力用の光導波路２０４は、外部に出力する出力光信号２０９を伝送する光導波路である。

複数のフォトダイオード２０１は、光導波路２０３の側方に形成され、光導波路２０３と光学的に接続される。複数のフォトダイオード２０１は、光導波路２０３が伝送した入力光信号２０８を電気信号に変換する光ダイオードである。各フォトダイオード２０１は、電極２０６を備える。各フォトダイオード２０１は、入力光信号２０８に含まれる、異なる波長の光をそれぞれ電気信号に変換する。例えば、フォトダイオード２０１ａが電気信号に変換する光信号の波長は１２９０ｎｍであり、フォトダイオード２０１ｂが電気信号に変換する光信号の波長は１３００ｎｍであり、フォトダイオード２０１ｃが電気信号に変換する光信号の波長は１３１０ｎｍである。

複数のレーザダイオード２０２は、光導波路２０４の側方に形成され、光導波路２０４と光学的に接続される。複数のレーザダイオード２０２は、電気信号を出力光信号２０９に変換し、光導波路２０４に出力する光ダイオードである。各レーザダイオード２０２は、電極２０６を備える。各レーザダイオード２０２は、電気信号をそれぞれ異なる波長の光信号に変換する。例えば、レーザダイオード２０２ａが出力する光信号の波長は１２９０ｎｍであり、レーザダイオード２０２ｂが出力する光信号の波長は１３００ｎｍであり、レーザダイオード２０２ｃが出力する光信号の波長は１３１０ｎｍである。

図３は、光集積回路１０４と光導波路１０５との接続の様子を模式的に示す図である。図３に示すように基板３０１上に、ＩＣ３０２、電極３０３と、配線３０４とが形成されている。基板３０１は、例えば、Ｓｉ基板である。

ＩＣ３０２は、光集積回路１０４のフォトダイオード２０１が出力する電気信号の増幅及び処理と、光集積回路１０４のレーザダイオード２０２に電気信号の供給とを行うＩＣである。ここで、光集積回路１０４、ＩＣ３０２、電極３０３及び配線３０４は、図１に示すポート１０３に含まれる。ＩＣ３０２は、例えば、コア１０２の一部である。

図２に示す光集積回路１０４の上下を反転させ、電極３０３と、光集積回路１０４の各フォトダイオード２０１及び各レーザダイオード２０２の電極２０６とをハンダバンプを用いてフリップチップ接合する。また、電極３０３とＩＣ３０２とは、配線３０４を介し接続される。これにより、光集積回路１０４とＩＣ３０２とが接続される。また、光導波路１０５と、光集積回路１０４の光導波路２０３及び２０４とが接続される。

図４は、光集積回路１０４と光ファイバー１０６との接続の様子を模式的に示す図である。基板３０１と光集積回路１０４との接続関係は、図３と同様である。

光ファイバー１０６は、基板３０１に形成されたＶ型の溝に収められる。光ファイバー１０６と、光集積回路１０４の光導波路２０３及び２０４とが接続される。

本実施の形態における光集積回路１０４は、単純な平面構造であるので、図３及び図４に示すように容易に集積化することができる。また、同一の光集積回路１０４を使用して、同一の方法で、ブロック１０１間及びチップ外部との光配線を作製することが可能である。これにより、コストの削減、及びチップの寿命の向上を実現できる。

図５は、図２に示すレーザダイオード２０２及び光導波路２０４の上面図である。図５に示すように、レーザダイオード２０２は、主共振器４０１と、副共振器４０２と、電極２０６とを備える。

主共振器４０１、副共振器４０２及び光導波路２０４は、二次元フォトニック結晶構造体内に形成される。つまり、主共振器４０１、副共振器４０２及び光導波路２０４は、二次元フォトニック結晶構造体に囲まれている。フォトニック結晶構造体は、所定の周期で配列することにより形成された屈折率周期構造を有し、具体的には、半導体に空孔が二次元の三角格子状に配列されたものである。例えば、フォトニック結晶構造体の格子定数（格子間隔）ａは３４０ｎｍであり、空孔の半径ｒは０．３ａである。なお、これらの値は一例であり、これに限定されるものではない。また、以下で述べる値も全て一例であり、それらに限定されるものではない。

二次元フォトニック結晶構造体の領域では光が存在できず、配列を乱した欠陥と呼ばれる部分のみに光が存在できる。よって、二次元フォトニック結晶構造体に線状欠陥を作製すると、この部分に光が侵入することが可能になり、光導波路として機能する。この光導波路の近傍に特定の波長の光を共鳴する欠陥を配置すると、共振器として機能する。また、共振器の形状及び大きさに応じて、共鳴する光の波長が決まる。これにより、波長の異なる光信号を共通の光導波路より出射することができる。

主共振器４０１は、円形であり、光導波路２０４と光学的に接続されている。なお、レーザダイオード２０２の断面構造及び材料等については、例えば、特許文献１又は特許文献２と同様の構造を用いることができる。また、本明細書では、空孔が形成されていない領域と、その領域を囲む１周分の空孔とを含むものを主共振器４０１と定義する。同様に、空孔が形成されていない領域と、その領域を囲む１周分の空孔とを含むものを副共振器４０２と定義する。

主共振器４０１の上方には、レーザダイオード２０２の電極２０６が形成されている。この電極２０６に印加された電気信号に応じて光信号が生成され、光導波路２０４に出力される。なお、電極２０６の形状は、上面視した際に、主共振器４０１の全体を覆う形状であればよく、主共振器４０１と同一の形状である必要はない。例えば、電極２０６のサイズは、ＩＣ３０２に接続される電極３０３との位置あわせを行うために、主共振器４０１のサイズより大きい。例えば、主共振器４０１の半径Ｒは１μｍ程度であり、電極２０６の一辺の長さは５μｍ～１０μｍ程度である。

また、上述したように電極２０６は、電極３０３とハンダバンプを用いてフリップチップ接合される。このとき、主共振器４０１の上部においてハンダバンプを用いた接合が行われると、主共振器４０１の特性が悪化する可能性がある。よって、電極２０６は、主共振器４０１の上部以外の領域においてハンダバンプを用いた接合が行える形状及びサイズを有することが好ましい。

副共振器４０２は、主共振器４０１より小さく、主共振器４０１の近傍に形成される。例えば、図５に示すように、副共振器４０２の上部に電極２０６が形成されている。ここで、主共振器４０１と電極２０６とは電気的に接続されるが、副共振器４０２と電極２０６とは電気的に接続されない。具体的には、主共振器４０１のコア層は、その上方に形成された導電性のクラッド層を介して電極２０６と電気的に接続される。一方、副共振器４０２のコア層の上方には非導電性のクラッド層が形成される。これにより、副共振器４０２のコア層と電極２０６とは電気的に接続されない。なお、副共振器４０２の上部に電極２０６が形成されていなくてもよい。

なお、フォトダイオード２０１の構成については、詳しい説明を省略するが、例えば、特許文献１又は特許文献２と同様の構造を用いることができる。または、フォトダイオード２０１及び光導波路２０３として、レーザダイオード２０２の主共振器４０１及び光導波路２０４と同様の構成を用いてもよい。つまり、フォトダイオード２０１も、副共振器４０２を備えることが好ましい。

以下において、まず、副共振器４０２が無い場合の主共振器４０１の動作について説明する。円形の主共振器４０１内に発生した光は直進したい性質を持っている。空孔が二次元的に配列されたフォトニック結晶構造体内に光は侵入することができないため、光は主共振器４０１の最外周を周回する。主共振器４０１は１８個の空孔で囲まれているので、９波長の波のみが定在波として安定に存在する。この定在波は、時計回り（右回り）と反時計回り（左回り）の周回波が重なったものでもある。時計回りの周回波は、図５において主共振器４０１の上部にある光導波路２０４へ光結合して、同図において光導波路２０４の右方向へ出射される。他方、反時計回りの周回波は、光導波路２０４の左方向へ出射される。時計回りと反時計回りの光の経路は全く同一なので、レーザの利得も同じであり、光導波路２０４において左右で同じ強度の光が出射される。

ここで、光信号は、光導波路２０４の左方向へ出射されればよく、右方向に出射される必要はない。なお、右方向に伝送された光信号は、図２に示す光導波路２０４の右端部にある位相調整領域で反射され、この反射波が左方向に伝送される。よって、共振器から左方向に出力された光信号の位相と、この反射波の位相とが同位相になるように、位相調整領域の位置を調整することで、光信号が減衰することを抑制できる。図２に示すように、一つの光導波路２０４の側方に、波長が異なる複数のレーザダイオード２０２を設ける場合には、これらの複数のレーザダイオード２０２の全ての光信号の位相を調整することが困難であるという課題がある。

本実施の形態では、副共振器４０２を設けることで、この右方向に出射される光信号を低減する。以下、この原理について説明する。

反時計回りの光は主共振器４０１の外周を、１１時、１０時、９時、８時、７時、６時、５時と進み、副共振器４０２の影響を受けず、副共振器４０２が無い場合と同じ利得を得てレーザ発振する。他方、時計回りの光は主共振器４０１の外周を、１時、２時、３時、４時、５時と進み、６時に位置で、直進性質のある光は、その一部が副共振器４０２に進入する。副共振器４０２に進入した光は、副共振器４０２内で反射されて、主共振器４０１に再び戻る。その反射光は反時計回りに進むので、時計回りの周回波に影響を及ぼし、時計回りのレーザ光は著しく弱くなる。

なお、副共振器４０２の長さ（図５では左右方向の大きさを）を変えても時計回りの光が低減される度合いに殆ど影響がなかった。つまり、時計回りの光が弱くなる理由は、進行波と反射波の位相が逆位相となって打ち消し合うためではなく、反射波と進行波の位相が異なるためにレーザ発振の利得が低下するためだと想定される。

また、図５では、空孔を２つ作製しないことで副共振器４０２を形成しているが、空孔が１つでも副共振器４０２として機能する。また、時計回りの光を副共振器４０２に多く進入させるために、副共振器４０２の右端の空孔を三角格子の本来の位置から少し主共振器４０１に近い位置にシフトさせている。同様に、副共振器４０２の幅（図５では上下方向の大きさを）をやや狭めている。

図５に示す副共振器４０２付きの円形の主共振器４０１では、反時計回りのレーザ光が主として発生しているので、光導波路２０４では左に進行する光が主となる。なお、主共振器４０１と光導波路２０４の光結合効率を３０％前後とするために、主共振器４０１と光導波路２０４の位置関係を、図５に示すように設計している。

図６は、２つの共振器を光導波路２０４の両側に配置した場合の例を示す図である。図６に示すように、光導波路２０４の下側に主共振器４０１ａ及び副共振器４０２ａが形成され、光導波路２０４の上側に主共振器４０１ｂ及び副共振器４０２ｂが形成される。

また、図６では、副共振器４０２ａは、空孔を１つ作製しないことで形成している。また、副共振器４０２ａは、図５に示す副共振器４０２に対して、６０度右回転させた位置にある。この場合も、図５の場合と同様に、半時計回りレーザ光が主となり、レーザ光は光導波路２０４の左側から出射される。

また、主共振器４０１ｂの半径Ｒ２は、主共振器４０１ａの半径Ｒ１と比べて少し大きい。ここで、定在波が存在する円周の長さは半径Ｒに比例する。また、主共振器４０１ｂにおいても、主共振器４０１ａと同様に９波長の定在波のみが安定に存在する。よって、主共振器４０１ｂの波長は、主共振器４０１ａの波長より少し長くなる。このように、主共振器４０１ａと主共振器４０１ｂの出力波長は異なる。

また、主共振器４０１ａ及び副共振器４０２ａと、主共振器４０１ｂ及び副共振器４０２ｂとの基本設計は、光導波路２０４を軸として上下対称となっている。つまり、主共振器４０１ｂでは、時計回りのレーザ光が主となり、光信号は光導波路２０４の左側から出射される。

図６の構造を繰り返すことにより、図２に示すような波長多重光モジュールを作製することができる。ここで、主共振器４０１のサイズは、例えば２μｍと極微小なので、光集積回路１０４のサイズも１００μｍ角程度と非常に小さくなる。その結果、ポート１０３を１ｍｍ角程度で実現できる。これにより、３ｃｍ角程度であるＣＰＵチップにおいて、サイズの増加を抑制しつつ、光配線を用いた集積回路１００を実現できる。

なお、ここでは、レーザダイオード２０２の構成を主に説明したが、フォトダイオード２０１に対しても同様の構成を用いることで、共振器に入力される一方向から伝送される光信号の割合を増加できるという効果を実現できる。

以上のように、光配線をＣＰＵチップ内に導入し、コア間での情報伝送に用いることができる。これにより、ＣＰＵの性能が１から２桁向上する。情報化社会において、本開示の影響は非常に大きい。

また、光モジュール（光集積回路１０４）のサイズが小さいことは、光モジュールの低価格化に直結する。モジュールサイズが小さい程、１枚のウエハから多くのモジュールを作製できるので、光モジュールの単価は下がる。また、図３及び図４に示すフリップチップボンディングは、赤外線カメラを用いることで自動化が可能である。よって、チップの価格上昇を抑制しつつ、チップ内の光配線を実現できる。

また、本実施の形態のように光の波長多重通信を行うためには、各光ダイオードの波長が設計値の許容範囲に入っていなければならない。一般に光ダイオードの波長は環境温度に影響されるので、光モジュールの温度を、熱電素子等を用いて一定（例えば、５０°Ｃ）に保つ必要がある。本実施の形態に係る光モジュール１０４は非常に小型なので、熱電素子の消費電力も微小であり、環境温度の変化に対する応答性にも優れる。この温度制御機構は、ポート１０３に必要な機能の一部である。

以下、副共振器４０２の詳細について説明する。上述したように、副共振器４０２は、主共振器４０１の時計回りの光と反時計回りの光との一方と光結合し、かつ、他方と光結合しないように配置される。言い換えると、副共振器４０２は、主共振器４０１の時計回りの光と反時計回りの光との一方と光結合が、他方と光結合より強く（又は弱く）なるように配置される。つまり、副共振器４０２は、主共振器４０１における右回りと左回りの光信号に対して非対称に形成されている。また、副共振器４０２は、主共振器４０１における右回りの光信号と左回りの光信号とに与える影響が異なる。

また、副共振器４０２は、主共振器４０１の光導波路２０４とは反対側に形成されていることが好ましい。例えば、図５において、副共振器４０２の中心（又は上端部）は、主共振器４０１の中心を通り、かつ、光導波路２０４と平行な線よりも下側に配置される。つまり、副共振器４０２は、主共振器４０１と光導波路４０４との間には形成されない。言い換えると、副共振器４０２は、主共振器４０１と光導波路４０４との間以外に形成される。これにより、副共振器４０２が、主共振器４０１と光導波路２０４との光結合を阻害することを抑制できる。

また、主共振器４０１と副共振器４０２とは隣接していてもよい。以下、副共振器４０２と主共振器４０１との距離を変えた場合のシミュレーション結果について説明する。図７は、シミュレーションの条件を示す図である。図８は、図７に示すように副共振器４０２の欠陥の位置ｘを変えた場合のシミュレーション結果を示す図である。なお、欠陥の長さは１空孔としている。図８に示すグラフの縦軸は、右方向と左方向とに出力される光信号のエネルギーの比率（以下、左右比と呼ぶ）を示し、値が高いほど、所望の方向の光信号のエネルギーが高い（不要な方向の光信号のエネルギーが低い）ことを示す。

図８に示すように、主共振器４０１と副共振器４０２とが隣接している場合（ｘ＝１）において、左右比が最も高くなる。また、ｘ＝０では、左右比が低下している。これは、副共振器４０２が、右回りと左回りの両方の光に影響を与えているためと考えられる。

また、図９に示すように、副共振器４０２の欠陥の長さｄ（除去する空孔の数）を変更した場合、除去する空孔の数が１～３では、左右比が高くなり、かつ、この間では、左右比の変化はなかった。一方、除去する空孔の数が４以上になると左右比が低くなることが分かった。よって、副共振器４０２は、１以上かつ３以下のフォトニック結晶構造の空孔が除去されることで形成されることが好ましい。

また、本実施の形態では、光導波路２０４の両側方の空孔の間隔を、他の空孔の間隔ａよりも広くしている。これにより、主共振器４０１と光導波路２０４との光結合の結合効率（以下、単に「結合効率」とも呼ぶ）を改善できる。

図１０は、図５の領域４０３の拡大図である。図１０において破線の空孔は、他の空孔と同様に間隔ａで配置された空孔を示している。図１０に示すように、光導波路２０４の両側方の空孔は、光導波路２０４側に－Δｓだけシフトされている。つまり、光導波路２０４の両側方の空孔の間隔は、他の空孔の間隔ａよりも広くなっている。なお、Δｓは光導波路２０４から離れる方向を正としている。

図１１は、Δｓ／ａに対する結合効率のシミュレーション結果を示す図である。図１１に示すように、適切にΔｓを設定することで結合効率を向上できる。

また、図１１に示すように、主共振器４０１の半径Ｒを変更すること、つまり、波長を変更することで、適切なΔｓの値が変化する。これにより、一つの光導波路２０４に対して波長の異なる複数のレーザダイオード２０２を設ける場合には、複数のレーザダイオード２０２の全てに対して結合効率を上げることが困難である。

これに対して、光導波路２０４に溝５０１を形成することで、最適なΔｓの波長依存性を低減できる。図１２は、この場合の光導波路２０４及びレーザダイオード２０２の上面図である。図１２に示すように、光導波路２０４は、信号伝送方向に沿って形成された溝５０１を有する。例えば、溝５０１の幅は０．６ａである。また、溝５０１の深さは、例えば、空孔と同程度、又は、空孔よりも深い。

図１３は、この場合のΔｓ／ａに対する結合効率のシミュレーション結果を示す図である。図１３に示すように、溝５０１を形成することで、最適なΔｓの波長依存性を低減できる。これにより、波長の異なる複数のレーザダイオード２０２に対して最適なΔｓを設定できる。

なお、Δｓだけ空孔をシフトさせる手法及び溝５０１を設ける手法については、フォトダイオード２０１に接続される光導波路２０３に対しても適用できる。

以上、本発明の実施の形態に係る光集積回路及び集積回路について説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記説明では、レーザダイオード２０２及びフォトダイオード２０１が共に副共振器４０２を備える例を説明したが、いずれか一方のみが副共振器４０２を備えてもよい。同様に、上記で説明した本開示の特徴的な構成を、レーザダイオード２０２及びフォトダイオード２０１の一方のみに適用してもよい。

また、上記説明では、複数のレーザダイオード２０２及び複数のフォトダイオード２０１が、光導波路２０４又は２０３の上下に交互に配置されている例を述べたが、複数のレーザダイオード２０２及び複数のフォトダイオード２０１の配置はこれに限らない。例えば、複数のレーザダイオード２０２及び複数のフォトダイオード２０１は、光導波路２０４又は２０３の同一方向に配置されてもよい。

また、上記で用いた数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。

以上、一つまたは複数の態様に係る光集積回路及び集積回路について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

本開示は、光集積回路及び光モジュールに適用でき、特に、光通信における波長多重伝送用の光集積回路及び光モジュールに適用できる。

１００集積回路
１０１ブロック
１０２コア
１０３ポート
１０４光集積回路
１０５、２０３、２０４光導波路
１０６光ファイバー
２０１、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃフォトダイオード
２０２、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃレーザダイオード
２０５半導体基板
２０６、３０３電極
２０８入力光信号
２０９出力光信号
３０１基板
３０２ＩＣ
３０４配線
４０１、４０１ａ、４０１ｂ主共振器
４０２、４０２ａ、４０２ｂ副共振器
４０３領域
５０１溝

Claims

光導波路と、
前記光導波路の側方に形成されており、電気信号を光信号に変換し、当該光信号を前記光導波路に出力する、又は、前記光導波路を伝送される光信号を電気信号に変換する光ダイオードとを備え、
前記光ダイオードは、
フォトニック結晶構造体に囲まれた円形の主共振器と、
前記主共振器の近傍に形成され、フォトニック結晶構造体に全周囲を囲まれた副共振器とを有し、
前記主共振器から前記光導波路の一方向に出力される光信号は、前記主共振器から前記光導波路の他方向に出力される光信号より強い、又は、前記主共振器に入力される前記光導波路の一方向から伝送される光信号は、前記主共振器に入力される前記光導波路の他方向から伝送される光信号より強い
光集積回路。
前記副共振器は、前記主共振器における右回りと左回りの光信号に対して非対称に形成されている
請求項１記載の光集積回路。
前記副共振器は、前記主共振器における右回りの光信号と左回りの光信号とに与える影響が異なる
請求項１又は２記載の光集積回路。
前記副共振器は、前記主共振器と前記光導波路との間以外に形成されている
請求項１～３のいずれか１項に記載の光集積回路。
前記主共振器と前記副共振器とは隣接している
請求項１～４のいずれか１項に記載の光集積回路。
前記副共振器は、１以上かつ３以下のフォトニック結晶構造の空孔が除去されることで形成されている
請求項１～５のいずれか１項に記載の光集積回路。
前記光導波路は、両側方をフォトニック結晶構造体で囲まれており、
前記光導波路の両側方のフォトニック結晶構造体の間隔は、前記光導波路の両側方以外のフォトニック結晶構造体の間隔より広い
請求項１～６のいずれか１項に記載の光集積回路。
前記光集積回路は、前記光ダイオードを含む複数の光ダイオードを備え、
前記複数の光ダイオードは、前記光導波路の側方に形成されており、（１）電気信号を、互いに波長の異なる光信号に変換し、前記光信号を前記光導波路に出力する、又は、（２）前記光導波路を伝送される互いに波長の異なる光信号を電気信号に変換し、
前記光導波路は、信号伝送方向に沿って形成された溝を有する
請求項１～７のいずれか１項に記載の光集積回路。
電気及び光を介して信号を伝送する集積回路であって、
請求項１～８のいずれか１項に記載の光集積回路を備える
集積回路。
複数のコアと、
前記複数のコア間の信号の伝送を行う請求項１～８のいずれか１項に記載の光集積回路とを備える
集積回路。
前記集積回路は、各々が複数の前記コアを含む複数のブロックを含み、
前記光集積回路は、前記複数のブロック間の信号の伝送を行う
請求項１０記載の集積回路。