WO2015011845A1 - 層間光波結合デバイス - Google Patents

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亮平 武井
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Definitions

  • the present invention relates to interlayer lightwave coupling devices.
  • the three-dimensional optical interconnection technology has not only an increase in bandwidth but also has the advantage of being able to realize optical waveguide crossing with low loss and less leakage. This is because two intersecting optical waveguides can be spatially separated.
  • the importance of high performance, superior optical waveguide crossing is dramatically increasing with the increasing density and complexity of optical interconnects.
  • To realize a three-dimensional optical interconnection low loss optical coupling between two different optical interconnection layers is essential, but this realization is not easy. The reason is that light is different from the case of electricity, and a large light loss is generated due to a sharp bend of a transmission path or a discontinuity of refractive index. Therefore, the following techniques have been proposed for exchanging light waves between layers.
  • FIG. 7 by combining a plurality of spot size converters having a tapered structure mainly used for connection of optical signals between a chip and an optical fiber, light is generated between optical waveguides respectively disposed in different layers. Methods have been proposed to couple signals together.
  • (a) is a perspective view of the interlayer optical wave coupling device
  • (b) is a schematic plan view thereof
  • (c) is a schematic central cross-sectional view thereof. Because the optical waveguides arranged in the upper and lower layers have a tapered structure, even if there is a structural or material difference in refractive index between the optical waveguides, the optical waveguide may be located anywhere on the tapered structure.
  • the mode shape of the light wave can be widely expanded to the outside of the optical waveguide, so that the light waves are coupled in principle even if the interlayer distance is sufficiently separated
  • the light wave is easily dissipated from the optical waveguide due to a slight perturbation of the optical waveguide structure which is generated unintentionally, which causes loss. That is, although this method has high efficiency, there is a problem that it is difficult to sufficiently separate the layers.
  • Non-Patent Document 4 There is also a method of changing the direction of light propagation by placing a mirror in the optical waveguide, directing the light to different layers, and guiding the light to the optical waveguide of the different layer by using a similar mirror. .
  • the formation of a mirror surface having a high reflectance is very difficult, and in particular, since silicon has a high refractive index, mirror surface formation is more difficult.
  • the alignment tolerance of the mirror surface between the upper and lower layers is small, and high manufacturing accuracy is required. (See Non-Patent Document 4)
  • Non-Patent Document 1 The prior art described in Non-Patent Document 1 is not sufficient in the following points. (1) Do not separate the interlayer distance sufficiently. Moreover, the prior arts described in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 2 and 3 are not sufficient in the following points. (2) In principle, the coupling efficiency is low. (3) There is very large wavelength dependence and polarization dependence in coupling efficiency. (4) The grating couplers in the upper and lower layers must be arranged with high alignment accuracy. Furthermore, the prior art described in Non-Patent Document 4 is not sufficient in the following points. (5) It is difficult to form a mirror surface of a mirror and to realize highly efficient light wave coupling. (6) The mirror surfaces of the upper and lower layers must be arranged with high alignment accuracy.
  • the present invention has been proposed in view of the above points (1) to (6), and light waves propagating in the light wave circuit between different light wave circuit layers are polarized in both the pseudo TE mode and the pseudo TM mode. It is an object of the present invention to provide an interlayer lightwave coupling device capable of efficiently coupling and capable of sufficiently suppressing deterioration of coupling efficiency due to structural and material variations caused by manufacturing and the like.
  • At least two cores having a pointed structure on a substrate are spatially separated via another core having a smaller refractive index than the two cores, and the pointed structures of the two cores are: An interlayer lightwave coupling device characterized in that it is arranged so as to have no overlap in plan view.
  • An interlayer lightwave coupling device wherein the structure and the second sharp structure are arranged so as not to have an overlap in plan view.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing a basic structure of an interlayer lightwave coupling device according to the present invention. It is a center cross-sectional schematic diagram which shows the basic structure of the interlayer optical coupling device which concerns on this invention.
  • FIG. 2 is a left side schematic view showing the basic structure of the interlayer lightwave coupling device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a right side schematic view showing a basic structure of an interlayer lightwave coupling device according to the present invention.
  • 1 is a perspective view of an embodiment of an interlayer lightwave coupling device according to the present invention.
  • 1 is a central cross-sectional schematic view of an embodiment of the interlayer lightwave coupling device according to the present invention. It is a schematic diagram which shows the structure of the conventional interlayer lightwave coupled device.
  • FIG. 1 to 4 are schematic views showing the basic structure of the interlayer lightwave coupling device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic plan view thereof
  • FIG. 2 is a schematic central cross-sectional view thereof.
  • FIG. 3 is the left side schematic diagram
  • FIG. 4 is the right side schematic diagram.
  • FIGS. 1 to 4 The basic structure of the interlayer lightwave coupling device according to the present invention shown in FIGS. 1 to 4 is as follows.
  • a first optical waveguide formed on a substrate such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate and a third optical waveguide in the upper layer are light-wave coupled via a second optical waveguide.
  • the longitudinal directions of the first and second sharpened structures are schematically shown in a reduced size than in actuality.
  • the basic structure of the above-described interlayer lightwave coupling device is such that the substrate, the first core of the first optical waveguide having the first pointed structure disposed on the substrate, and the first core are spatially separated.
  • the third core of the third optical waveguide having the second sharpened structure is interposed between the first core and the third core and has a smaller refractive index than the first and third cores. It consists of the 2nd core used as a 2nd optical waveguide.
  • the first sharpening structure and the second sharpening structure are spatially separated and arranged so as to have no overlap in plan view. .
  • the light waves propagating in the first optical waveguide or the third optical waveguide are coupled to the second optical waveguide by passing through the respective pointed portions. After that, the lightwave propagating in the second optical waveguide is coupled to the third optical waveguide or the first optical waveguide disposed in different lightwave circuit layers by passing through the location of the pointed structure.
  • the coupling efficiency of the lightwave to the second optical waveguide does not depend on the size of the core of the second optical waveguide, as long as using an appropriate sharp structure. Since the height of the core of the second optical waveguide corresponds to the distance between the layers, the distance between the layers can be increased by increasing the core size of the second optical waveguide. In addition, since a continuous structure is used, the light wave coupling efficiency between the layers is extremely high in principle and the wavelength dependency is extremely small in principle when an appropriately long pointed structure is used.
  • the core structure at the tip of the optical waveguide forms an acute angle as a sharp structure.
  • a structure in which the tip of the core forms an acute-angled isosceles triangle in plan view is a representative example.
  • the inventors of the present invention have proposed a method capable of producing a sharp structure of an optical waveguide equivalently by an electron beam exposure technique or an immersion excimer stepper technique even with a stepper with a low resolution such as an i-line stepper.
  • a method capable of producing a sharp structure of an optical waveguide equivalently by an electron beam exposure technique or an immersion excimer stepper technique even with a stepper with a low resolution such as an i-line stepper See Patent Document 2
  • an acute-angled isosceles triangle in which each side of the tip of the core is removed equally and diagonally as an acute-angled structure, or one in which only one side of the tip of the core is removed obliquely to obtain an acute triangle It can be made.
  • the present inventors have proposed a sharpened structure in which inclined side walls are formed on the side of the tip of the core, a sharpened structure having a thickness reduced toward the tip, and a method of manufacturing the same. .
  • Patent Document 3 and Non-Patent Documents 5 and 6 According to this, the following modified example can be mentioned as a further sharp structure.
  • the inclination angle of the side wall is preferably 60 degrees or more and 85 degrees or less. Furthermore, 75 degrees or more and 80 degrees or less are more preferable.
  • the angle of inclination of each side does not have to be the same.
  • a pointed structure in which the cross-sectional shape in the vicinity of the tip is a triangle like a knife edge.
  • the sharp structure of the above (1) to (4) has the double patterning technique disclosed in Patent Document 2 and the inclination of the core in which the lower part is expanded compared to the upper part of the side wall disclosed in Patent Documents 3 and Non-patent Documents 5 to 6.
  • This can be realized by appropriately combining dry etching techniques capable of forming a structure.
  • the need for a width of 100 nm or less is pointed out for the pseudo TE mode in order to realize low loss light wave coupling, and for the pseudo TM mode, A tip having a width of 50 nm or less is desired.
  • the polarization dependence of the lightwave coupling efficiency between the layers can be reduced by using the sharpened structure in which the tip of the core is narrowed.
  • the sharp structure of the above (1) to (4) can maintain the width of 50 nm or less without breaking its tip in its cross-sectional structure, so that only the pseudo TE mode of the light wave coupling efficiency between layers
  • the polarization dependence can be significantly reduced also for the pseudo TM mode.
  • all the first pointed structures included in at least the first optical waveguide are contained in the second optical waveguide, and the third optical waveguide includes the third. All of the bottom surfaces of the two pointed structures may be in contact with the top surface of the second optical waveguide. Therefore, by increasing the width and length of the second optical waveguide, it is not necessary to make the two sharp structures face each other under extremely strict conditions, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the structural feature that the thickness (height) of the sharp structure is reduced has the physical-optical advantage of the light mode as well as the structural mechanical advantage. That is, as the thickness decreases, penetration of light intensity in the quasi-TM mode near the tip into the second waveguide core from the silicon optical waveguide becomes more effective, and as a result, the quasi-TM mode Mode conversion loss can be effectively reduced. Because of this, it is possible to reduce the polarization dependence of the mode conversion loss.
  • the sidewall inclination etching process for producing the sharp structure of the above (1) to (4) is widely used in the back end process (BEOL) for forming the metal wiring of LSI formed on an optical integrated circuit substrate or the like. It is potentially highly compatible with BEOL, as it can be done by the i-line exposure method used. Therefore, cost reduction of an optical integrated circuit having an optical wiring network based on hydrogenated amorphous silicon which has high transparency and can be grown at low temperature and is stacked on a metal wiring layer of LSI can be expected.
  • BEOL back end process
  • FIG. 5 shows a perspective view of an embodiment of the interlayer lightwave coupling device according to the present invention.
  • a first optical waveguide having a sharp edge structure also referred to as a knife edge structure
  • a first core is formed.
  • the third core of the third optical waveguide also has the same shape as the first core, and is spatially separated from the first core and disposed so as to have no overlap in plan view .
  • a second core of a second optical waveguide having a smaller refractive index than the first core and the third core is interposed between the first core and the third core.
  • the material of the first core and the third core is preferably silicon in view of the refractive index and the like.
  • the silicon material is not limited to crystalline silicon, and may be polysilicon or amorphous silicon. In the case of amorphous silicon, in order to reduce the absorption loss of the material, hydrogenated amorphous silicon is preferable, but a material in which carbon, germanium or the like is added in addition to the silicon element may be used.
  • the material of the second core is preferably SiON, SiO x , SiN, SiC, GaAs, or InP. Furthermore, an upper clad made of epoxy resin or SiO 2 is formed to cover the second core and the third core.
  • an SOI (Silicon On Insulator) substrate, an optical integrated circuit substrate or the like is used as a substrate for the lightwave coupling device in FIG. 5.
  • the center cross section schematic diagram is shown in FIG.
  • the cross-sectional shapes and positional relationships of the first to third cores of the first to third optical waveguides and the first and second pointed structures are as illustrated.
  • the first core of the first optical waveguide and the third core of the third optical waveguide are spatially separated in FIG. 6 through the second core of the second optical waveguide having a thickness of 1.0 ⁇ m. It is done.
  • the thickness of the second optical waveguide may be any thickness as long as it is thicker than the thickness of the first optical waveguide.
  • the first pointed structure of the first core and the second pointed structure of the third core are spatially separated by about 100 ⁇ m.
  • an upper cladding is formed to cover the second core of the second optical waveguide and the third core of the third optical waveguide.
  • interlayer lightwave coupling device of the present invention has been described with reference to the basic structure and the embodiment illustrated in FIGS. 1 to 6, these are for the purpose of facilitating the understanding of the interlayer lightwave coupling device of the present invention. It is a thing. Therefore, modifications and other embodiments based on the technical idea of the present invention described in the claims are naturally included in the interlayer light wave coupling device of the present invention.
  • each side of the sharp structure of the first core and the third core in the basic structure and the embodiment illustrated in FIGS. 1 to 6 has a linear shape in plan view, but has a concave shape or a convex shape.
  • at least one of the first core, the second core, and the third core may be a graded index waveguide or a step index waveguide. In this case, it is necessary that the effective refractive index when the first optical waveguide and the third optical waveguide exist alone is larger than that of the second optical waveguide.

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Abstract

　本発明は、異なる光波回路層間で、光波回路中を伝搬する光波を擬ＴＥモードと擬ＴＭモードとの両偏波に対して効率よく結合させかつ、製造等によって生じる構造的、並びに材料的な変動による結合効率の劣化を十分抑制できる層間光波結合デバイスを提供することを課題とする。　基板と、基板上に配置され先鋭構造を有する第一のコアと、第一のコアとは空間的に離隔して配置され先鋭構造を有する第三のコアと、第一のコアと第三のコアとの間に介在し第一のコア及び第三のコアよりも屈折率が小さい第二のコアとを備えるとともに、第一のコア及び第三のコアの先鋭構造は、平面視して重なりを持たないように配置されていることを特徴とする層間光波結合デバイス。

Description

層間光波結合デバイス
　本発明は、層間光波結合デバイスに関するものである。
　将来の高性能コンピューティングシステムは、プロセッサーのグローバル配線に対して、十分な通信帯域幅を持つことや、通信遅延が小さいこと及び消費電力が低いことなどが必要とされる。しかしながら既存の金属配線技術には、配線断面積の縮小や駆動周波数の上昇などの理由により、今後の性能向上が十分に期待できない。そこで、シリコンフォトニクスに基づいたオンチップ光配線技術が有望であるが、配線に求められる通信帯域幅は急激な速度で増大し続けているため、いかに光配線技術を導入したとしても単層の光配線では帯域幅が不足する。そこで、配線密度を劇的に増加させることのできる、光配線層を多層に積層した三次元光配線技術に高い期待が寄せられている。
　三次元光配線技術は帯域幅を拡大させるだけにとどまらず、低損失かつ漏洩の少ない光導波路交差を実現できるという長所も併せ持つ。これは、二つの交差する光導波路を空間的に分離することができるためである。高性能な優れた光導波路交差の重要性は、光配線の高密度化及び複雑化に伴い劇的に増大している。
　三次元光配線を実現するためには、異なる二つの光配線層間での低損失な光結合が不可欠であるが、この実現は容易ではない。なぜならば、光は電気の場合と異なり、急激な伝送路の屈曲や屈折率の不連続によって大きな光損失が発生してしまうためである。そのため、層間で光波をやり取りする際には、以下のような技術が提案されている。
　図７に示すように、チップと光ファイバの間の光信号の接続に主に用いられるテーパ構造を有するスポットサイズ変換器を複数組み合わせることにより、異なる層にそれぞれ配置されている光導波路間で光信号を相互に結合する方法が提案されている。（非特許文献１参照）
　図７において、（ａ）は層間光波結合デバイスの斜視図、（ｂ）はその平面模式図、（ｃ）はその中央横断面模式図である。
　上下層に配置されている光導波路が互いにテーパ構造を有しているために、互いの光導波路に構造的あるいは材料的な屈折率の差異が存在したとしても、テーパ構造のどこかで、上下層の光導波路がそれぞれ単独で存在した場合の実効屈折率が上下層で一致する箇所が存在する。そのため、構造的あるいは材料的な屈折率の変動に対して鈍感な光波結合を実現できる。加えて、光波結合を利用しているために原理的に低損失であり、しかも光波の上下層間の結合箇所は一箇所のみであるため、一度光波が移行した後は再び元の光導波路へ光波が戻ることはほとんどない。
　この方法では層間の距離を十分に離すことは難しい。すなわち、テーパ構造の先端幅を十分に細くすることで、光波のモード形状を光導波路の外側へ広く拡大させることができるために、層間距離を十分に離しても原理的には光波を結合させることはできるが、その場合、意図せず発生するわずかな光導波路構造の摂動により容易に光波は光導波路から散逸してしまい、損失の原因となる。
　すなわち、この方法は、効率は高いものの、層間の間隔を十分に離すことが困難であるといった問題がある。
　次に、光導波路の側面に回折格子を設けることにより光導波路の側面に光を導き出すことができるグレーティング結合器を用いた方法がある。（特許文献１、非特許文献２、３参照）
　しかしながらこの方法では、原理的に低い効率、大きな波長依存性、大きな偏波面依存性、上下層に配置されるミラー面を高い位置合わせ精度を持って配置しなければならないなどの問題がある。
　また、光導波路中にミラーを置くことにより光の伝搬の向きを変え、異なる層に向かわせた上で、同様なミラーを用いることにより異なる層の光導波路に光を導こうとする方法がある。
　しかし、高い反射率を有する鏡面の形成は非常に困難であり、特にシリコンは屈折率が高いために、鏡面形成がより一段と困難である。
　さらに、上下層間のミラー面の位置合わせトレランスが小さく、高い製造精度を必要とする。(非特許文献４参照)
米国特許第７０６５２７１号公報 特開２０１１－１８０１６６号公報 特願２０１３－００６４４５号
R. Sun et al.,"Impedance matching vertical optical waveguide couplers for dense high index contrast circuits," Opt. Express 16, pp. 11683-11690, 2008 J. Yao et al., "Grating-coupler based low-loss optical interlayer coupling," Proc. 8th Int. Conf. Group IV Photonics, pp. 383-385, 2011 J. Kang et al., "Layer-to-Layer Grating Coupler Based on Hydrogenated Amorphous Silicon for Three-Dimensional Optical Circuits," J. Jpn. Appl. Phys., Vol 51, 120203, 2012 D. C. Lee et al., "Monolithic Chip-to-chip WDM Optical Proximity Coupler Utilizing Echelle Grating Multiplexer/Demultiplexer Integrated with Micro Mirrors Built on SOI Platform," IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series, pp. 215-216, 2010 「ｉ線露光法を用いた超低損失シリコン導波路スポットサイズ変換器」、２０１２年秋季第７３回応用物理学会学術講演会「講演予稿集」 Ryohei Takei et al., "Ultra-Low-Loss Silicon Based Spot-Size Converter Fabricated by CMOS Compatible Process," IEEE THE 9TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON GROUP IV PHOTONICS(GFP)　29-31 August 2012 WB4　P36-38
　非特許文献１に記載の先行技術は、次のような点で十分ではなかった。
（１）層間距離を十分離せないこと。
　また、特許文献１並びに非特許文献２、３に記載の先行技術は、次の点で十分でなかった。
（２）原理的に結合効率が低いこと。
（３）結合効率に非常に大きな波長依存性並びに偏波依存性が存在すること。
（４）上下層のグレーティング結合器を高い位置合わせ精度で配置しなければならないこと。
　さらに、非特許文献４に記載の先行技術は、次の点で十分でなかった。
（５）ミラーの鏡面形成が困難であり、高効率な光波結合の実現が困難であること。
（６）上下層のミラー面を高い位置合わせ精度で配置しなければならないこと。
　本発明は、上記（１）～（６）の点に鑑み提案されたものであり、異なる光波回路層間で、光波回路中を伝搬する光波を、擬ＴＥモードと擬ＴＭモードとの両偏波に対して効率よく結合させかつ、製造等によって生じる構造的、並びに材料的な変動による結合効率の劣化を十分抑制できる層間光波結合デバイスを提供することを課題とする。
　上記課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）基板上に先鋭構造を有する少なくとも二個のコアが該二個のコアよりも屈折率が小さい他のコアを介して空間的に離隔するとともに、該二個のコアの先鋭構造は、平面視して重なりを持たないように配置されていることを特徴とする層間光波結合デバイス。
（２）基板と、該基板上に配置され第一の先鋭構造を有する第一のコアと、該第一のコアとは空間的に離隔して配置され第二の先鋭構造を有する第三のコアと、該第一のコアと該第三のコアとの間に介在し該第一のコア及び第三のコアよりも屈折率が小さい第二のコアとを備えるとともに、該第一の先鋭構造及び該第二の先鋭構造は、平面視して重なりを持たないように配置されていることを特徴とする層間光波結合デバイス。
（３）上記第一のコア、上記第二のコア及び上記第三のコアがステップ屈折率導波路あるいはグレーデッド屈折率導波路であることを特徴とする（２）に記載の層間光波結合デバイス。
（４）上記基板上に、上記第二のコア及び上記第三のコアを覆うクラッドをさらに備えたことを特徴とする（２）又は（３）に記載の層間光波結合デバイス。
（５）上記第一のコア及び第三のコアは、シリコンからなることを特徴とする（２）ないし（４）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
（６）上記第二のコアは、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＸ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ及びＩｎＰのいずれかからなることを特徴とする（２）ないし（５）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
（７）上記クラッドは、エポキシ樹脂又はＳｉＯ２のいずれかからなることを特徴とする（４）ないし（６）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
（８）上記先鋭構造は、少なくとも一辺に傾斜した側壁を有することを特徴とする（１）ないし（７）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
（９）上記先鋭構造を構成する一辺及び他の一辺の双方が、傾斜した側壁を有することを特徴とする（１）ないし（８）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
（１０）上記先鋭構造は、先端に向かって厚みが減少していることを特徴とする（１）ないし（９）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
（１１）上記先鋭構造の先端付近の断面形状が三角形であることを特徴とする（１０）に記載の層間光波結合デバイス。
（１２）上記基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする（１）ないし（１１）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
（１３）上記基板は、光集積回路基板であることを特徴とする（１）ないし（１１）のいずれかに記載の層間光波結合デバイス。
　本発明によれば、低損失でかつ、波長依存性と偏波依存性の低い光波回路層間の光波結合構造を実現することが可能となる。
本発明に係る層間光波結合デバイスの基本構造を示す平面模式図である。 本発明に係る層間光波結合デバイスの基本構造を示す中央横断面模式図である。 本発明に係る層間光波結合デバイスの基本構造を示す左側面模式図である。 本発明に係る層間光波結合デバイスの基本構造を示す右側面模式図である。 本発明に係る層間光波結合デバイスの一実施形態の斜視図である。 本発明に係る層間光波結合デバイスの一実施形態の中央横断面模式図である。 従来の層間光波結合デバイスの構造を示す模式図である。
（本発明に係る層間光波結合デバイス）
　図１ないし図４は、本発明に係る層間光波結合デバイスの基本構造を示す模式図である。
　図１は、その平面模式図であり、図２は、その中央横断面模式図である。また、図３は、その左側面模式図であり、図４は、その右側面模式図である。
　図１ないし図４に示す本発明に係る層間光波結合デバイスの基本構造は、次のとおりである。
　ＳＯＩ（Ｓilicon　Ｏn　Ｉnsulator）基板等の基板上に形成された第一の光導波路と上層の第三の光導波路とは、第二の光導波路を介して光波結合される。
　なお、図１ないし図２において、第一及び第二の先鋭構造の長さ方向は、実際より縮小して模式的に図示している。
　上記の層間光波結合デバイスの基本構造は、基板と、基板上に配置され第一の先鋭構造を有する第一の光導波路の第一のコアと、第一のコアとは空間的に離隔して配置され第二の先鋭構造を有する第三の光導波路の第三のコアと、第一のコアと第三のコアとの間に介在し、第一及び第三のコアよりも屈折率が小さい第二の光導波路となる第二のコアとからなる。
　さらに、図１ないし図４から分かるように、第一の先鋭構造及び第二の先鋭構造は、空間的に離隔して配置されるとともに、平面視して重なりを持たないように配置されている。
（本発明に係る層間光波結合デバイスの動作）
　第一の光導波路又は第三の光導波路中を伝搬している光波は、それぞれの先鋭構造の箇所を通過することで、第二の光導波路へと結合する。その後、第二の光導波路中を伝搬している光波は、異なる光波回路層に配置されている第三の光導波路あるいは第一の光導波路へ、先鋭構造の箇所を通過することで結合する。
　このような構造の場合、第二の光導波路への光波の結合効率は、適切な先鋭構造を用いてさえいれば、第二の光導波路のコアの大きさに依存しない。第二の光導波路のコアの高さは層間の距離に一致するため、第二の光導波路のコアサイズを大きくすることによって、層間の距離を大きくとることができる。
　また、連続的な構造を用いていることから、適切な横長の先鋭構造を用いた場合、原理的に層間での光波結合効率は非常に高く、波長依存性はきわめて小さい。
（本発明に係る層間光波結合デバイスの先鋭構造）
　本発明では、光導波路の先端部のコアの構造が鋭角を構成するものを先鋭構造とする。図１から分かるように、コアの先端が平面視して鋭角の二等辺三角形を構成する構造が代表例である。
　本発明者らは、光導波路の先鋭構造をｉ線ステッパ等解像度が低いステッパを用いても電子ビーム露光技術あるいは液浸エキシマーステッパ技術によると同等に作製することができる方法を提案している。（特許文献２参照）
　この方法によれば、先鋭構造として、コアの先端の各辺を均等に斜めに除去した鋭角の二等辺三角形やコアの先端の一辺のみを斜めに除去して鋭角の三角形としたものを精度良く作製することができる。
　さらに、本発明者らは、上記の技術を改良した、コアの先端の辺に傾斜した側壁を形成した先鋭構造及び先端に向かって厚みを低減させた先鋭構造とその作製方法を提案している。（特許文献３、非特許文献５、６参照）
　これによれば、さらに先鋭構造として次のような変形例があげられる。
（１）一辺に傾斜した側壁を有する先鋭構造。
　側壁の傾斜角度は、６０度以上８５度以下が好ましい。さらに、７５度以上８０度以下がより好ましい。
（２）一辺及び他の一辺の双方が、傾斜した側壁を有する先鋭構造。
　側壁の傾斜角度は、上記（１）に準ずる。各辺の傾斜角度は必ずしも同一である必要はない。
（３）先端に向かって厚み（高さ）が減少している先鋭構造。
（４）上記（２）及び（３）の構造を組み合わせることにより、ナイフエッジのように先端付近の断面形状を三角形とした先鋭構造。
　なお、上記（１）ないし（４）の先鋭構造は、特許文献２に開示したダブルパターニング技術と特許文献３及び非特許文献５ないし６に開示した側壁の上部に比べて下部が広がるコアの傾斜構造を形成できるドライエッチング技術を適宜組み合わせることにより実現可能である。
　例えば、先鋭構造における側壁の傾斜構造は、シリコンにアンダーカットの入るガス、ＳＦ６と、側壁の保護膜を堆積させることのできるガス、例えばＣ４Ｆ８との混合ガス雰囲気中で誘導結合型反応性イオンエッチング行い、その混合比Ｒ（＝ＳＦ６／Ｃ４Ｆ８）を調整することで適宜傾斜角度を制御することにより実現することができる。
　シリコンコアの高さが２２０ｎｍとした場合には、低損失な光波結合を実現するために擬ＴＥモードに対しては、１００ｎｍ以下の幅の必要性が指摘されており、擬ＴＭモードに対しては、先端が５０ｎｍ以下の幅のものが望まれている。
　本発明に係る層間光波結合デバイスでは、コアの先端が細くなった先鋭構造を用いることによって、層間での光波結合効率の偏波依存性を減少させることができる。
　特に上記（１）ないし（４）の先鋭構造は、その断面構造上その先端が壊れることがなく５０ｎｍ以下の幅を維持することができるため、層間での光波結合効率の、擬ＴＥモードのみならず擬ＴＭモードに対しても偏波依存性を顕著に減少させることができる。
　次に、高効率な光波結合を維持するためには、少なくとも第一の光導波路が備える第一の先鋭構造が全て第二の光導波路の中に入っており、第三の光導波路が備える第二の先鋭構造の底面の全てが第二の光導波路の上面に接していればよい。
　したがって、第二の光導波路の幅及び長さを大きくとることにより、二つの先鋭構造を構造的にきわめて厳しい条件で対向させる必要がなくなり、製造コストを下げることができる。
　二つの先鋭構造の間で光波を移行させる際に、低い屈折率の第二の光導波路を介在させることにより、光波の散逸は制限され、第二の光導波路内に沿う形で光波は進行するため、光波の広がる範囲を任意に制限することが可能となる。
　これにより二つの先鋭構造の配置の範囲があらゆる方向に関して広がる。これは設計の自由度を上げるのみならず、製造精度を低くし製造コストを下げる効果がある。
　さらに、先鋭構造の厚み（高さ）が減少するという構造的特徴は、構造力学的利点以外にも、光モードの物理光学的利点をも有する。
　すなわち、厚みが減少することで、先端付近での擬ＴＭモードにおける光強度のシリコン光導波路中から第二導波路コア中への浸み出しがより効果的になり、その結果として、擬ＴＭモードに対するモード変換損失を効率的に減少させることができる。このために、モード変換損失の偏波依存性を減少させることができる。
　また、上記（１）ないし（４）の先鋭構造を作製するための側壁傾斜エッチング工程は、光集積回路基板等に形成されたＬＳＩの金属配線を形成するためのバックエンド工程（ＢＥＯＬ）で広く用いられているi線露光法により行うことができるため、ＢＥＯＬと潜在的に高い互換性を持っている。
　このため、ＬＳＩの金属配線層上に積層される、高い透過性を有し低温成長可能な水素化アモルファスシリコンに基づいた光配線ネットワークを有する光集積回路の低コスト化が期待できる。
（層間光波結合デバイスの一実施形態）
　図５に、本発明に係る層間光波結合デバイスの一実施形態の斜視図を示す。図５から分かるように、基板上に形成された下クラッド上に、傾斜した側壁を備え、先端付近の断面形状を三角形とした先鋭構造（ナイフエッジ構造ともいう）を有する第一の光導波路の第一のコアが形成されている。
　第三の光導波路の第三のコアも第一のコアと同様の形状を有し、第一のコアとは空間的に離隔するとともに、平面視して重なりを持たないように配置されている。
　第一のコアと第三のコアとの間には、第一のコア及び第三のコアよりも屈折率が小さい第二の光導波路の第二のコアが介在している。
　第一のコア及び第三のコアの材料は、屈折率等の関係からシリコンが好ましい。
　シリコン材料としては、結晶シリコンに限らずポリシリコンやアモルファスシリコンでもよい。アモルファスシリコンの場合、材料の吸収損失を低減化するために、水素化アモルファスシリコンが好ましいが、シリコン元素以外に炭素、ゲルマニウム等を添加した材料であってもよい。
　また、第二のコアの材料は、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＸ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰが好ましい。
　さらに、第二のコア及び第三のコアを覆うようにエポキシ樹脂又はＳｉＯ２からなる上クラッドが形成される。
　なお、図５における光波結合デバイスのための基板としては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、光集積回路基板等が使用される。
　図６に、その中央横断面模式図を示す。
　第一ないし第三の光導波路の第一ないし第三のコアと第一及び第二の先鋭構造の断面形状並びに位置関係は、図示のとおりである。
　第一の光導波路の第一のコアと第三の光導波路の第三のコアとは、図６では厚さ１．０μｍの第二の光導波路の第二のコアを介して空間的に離隔されている。
　第二の光導波路の厚みは、第一の光導波路の厚みよりも厚ければいくらでもよい。
　第一のコアの第一の先鋭構造と第三のコアの第二の先鋭構造とは、１００μｍ程度空間的に離隔している。
　なお、第一のコアの第一の先鋭構造と第三のコアの第二の先鋭構造は、平面視して重なりを持たないように配置されていることが肝要である。
　さらに、第二の光導波路の第二のコア及び第三の光導波路の第三のコアを覆うように、上クラッドが形成されている。
　以上、図１ないし図６に図示した基本構造及び実施形態を参照して、本発明の層間光波結合デバイスを説明したが、これらはあくまでも本発明の層間光波結合デバイスの理解を容易にするためのものである。
　したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術思想に基づく変形、他の実施形態は、当然本発明の層間光波結合デバイスに包含されるものである。
　例えば、図１ないし図６に図示した基本構造及び実施形態における第一のコア及び第三のコアの先鋭構造の各辺は、平面視して直線形状であるが、凹形状又は凸形状であってもよい。
　また、第一のコア、第二のコア及び第三のコアの内の少なくとも一つをグレーデッド屈折率導波路あるいはステップ屈折率導波路とすることもできる。この場合、第一の光導波路及び第三の光導波路が単独で存在した時の実効屈折率が第二の光導波路のそれよりも大きい必要がある。

Claims (13)

  1. 　基板上に先鋭構造を有する少なくとも二個のコアが該二個のコアよりも屈折率が小さい他のコアを介して空間的に離隔するとともに、該二個のコアの先鋭構造は、平面視して重なりを持たないように配置されていることを特徴とする層間光波結合デバイス。
  2. 　基板と、該基板上に配置され第一の先鋭構造を有する第一のコアと、該第一のコアとは空間的に離隔して配置され第二の先鋭構造を有する第三のコアと、該第一のコアと該第三のコアとの間に介在し該第一のコア及び第三のコアよりも屈折率が小さい第二のコアとを備えるとともに、該第一の先鋭構造及び該第二の先鋭構造は、平面視して重なりを持たないように配置されていることを特徴とする層間光波結合デバイス。
  3. 　上記第一のコア、上記第二のコア及び上記第三のコアの内の少なくとも一つがステップ屈折率導波路あるいはグレーデッド屈折率導波路であることを特徴とする請求項２に記載の層間光波結合デバイス。
  4. 　上記基板上に、上記第二のコア及び上記第三のコアを覆うクラッドをさらに備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の層間光波結合デバイス。
  5. 　上記第一のコア及び第三のコアは、シリコンからなることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
  6. 　上記第二のコアは、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＸ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ及びＩｎＰのいずれかからなることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
  7. 　上記クラッドは、エポキシ樹脂又はＳｉＯ２のいずれかからなることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
  8. 　上記先鋭構造は、少なくとも一辺に傾斜した側壁を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
  9. 　上記先鋭構造を構成する一辺及び他の一辺の双方が、傾斜した側壁を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
  10. 　上記先鋭構造は、先端に向かって厚みが減少していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
  11. 　上記先鋭構造の先端付近の断面形状が三角形であることを特徴とする請求項１０に記載の層間光波結合デバイス。
  12. 　上記基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
  13. 　上記基板は、光集積回路基板であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の層間光波結合デバイス。
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