WO2020162216A1 - インタポーザ回路 - Google Patents

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那須　悠介
小熊　学
山田　貴
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    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G02B6/12009—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides
    • G02B6/12016—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides characterised by the input or output waveguides, e.g. tapered waveguide ends, coupled together pairs of output waveguides

Definitions

  • the present invention relates to a connection structure between a silicon optical circuit and a fiber block having an optical fiber, and more particularly to an interposer circuit for connecting the silicon optical circuit and the fiber block.
  • the communication capacity is increasing due to the development of information and communication technology.
  • research and development of smaller and higher-performance optical modules are being actively pursued.
  • Silicon photonics technology is a promising technology for realizing compact and highly functional optical modules.
  • This is an optical circuit using silicon (Si) as a waveguide core material and silica glass (SiO2) as a cladding material. Since the Si waveguide has a large relative refractive index difference between the core and the cladding, the waveguide cross-sectional area and minimum bending radius are significantly smaller than those of optical circuits made of other materials, and high-density integration is possible.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a Si optical circuit and its optical fiber connection structure.
  • the Si optical circuit 101 is connected to a fiber block 102 in which thin core optical fibers 104 are aligned and fixed on a glass substrate.
  • the optical fiber 104 is connected to the input/output waveguide 103 in the Si optical circuit 101.
  • the optical fiber 104 is arranged so as to be inclined with respect to the interface.
  • the MFD of the Si waveguide that satisfies the single mode is about several hundred nm, and the mode-field diameter (MFD) of the thin core optical fiber is about 4 ⁇ m. If the Si waveguide satisfying the single mode condition and the small-diameter core optical fiber are directly connected, a large connection loss occurs.
  • a spot size converter (SSC) 105 is provided near the input/output end face of the input/output waveguide 103.
  • the small-diameter core optical fiber 104 is connected to the normal single mode fiber (SSMF: Standard Single Mode Fiber) 107 having an MFD of about 10 ⁇ m and the MFD conversion means 106 with low loss.
  • SSMF Standard Single Mode Fiber
  • MFD conversion means 106 include fusion using a core-diffused (Thermally-diffused Expanded Core: TEC) optical fiber.
  • the MFD at the input/output end surface of the input/output waveguide 103 is expanded by the SSC 105, it is as small as about 4 ⁇ m, so highly accurate alignment with the fiber block 102 is required for low loss connection.
  • connection method explained above has the following problems.
  • the fiber block 102 is usually manufactured by arranging a plurality of optical fibers 104 along a V-shaped groove, but there is a positional deviation due to dimensional variation of the V-shaped groove and core eccentricity of the optical fiber itself. Therefore, all the optical fibers cannot be accurately aligned with the input/output waveguide 103, and low-loss connection of all ports cannot be realized.
  • the fiber spacing in the fiber block cannot be made smaller than the outer diameter of the fiber, so that the width occupied by the fiber becomes large in the case of multiple ports, which leads to an increase in the size of the Si optical circuit.
  • the MFD conversion means 106 has a large size, which increases the size of the entire optical module.
  • the fusing sleeve required for TEC fusing has a length of at least about 1 cm.
  • Non-Patent Document 1 an intermediate 0.75% ⁇ PLC is connected between a planar lightwave circuit (Planar Lightwave Circuit: PLC) having a relative refractive index difference ( ⁇ ) of 1.5% and an SSMF (0.3% ⁇ ).
  • PLC Planar Lightwave Circuit
  • SSMF SSMF
  • This interposer circuit can also be applied when connecting SSMF and Si optical circuits, and can solve the above problems.
  • the MFDs can be matched between the optical circuit and the interposer circuit and between the fiber and the interposer circuit to enable low-loss connection, the MFD conversion means becomes unnecessary (the solution of the third problem).
  • the position accuracy of the interposer waveguide is different from the position accuracy of the fiber block 102 and becomes the photolithography accuracy, so that the position variation is suppressed and low connection loss is achieved over a plurality of ports (the first problem is solved). ..
  • the pitch can be converted in the interposer circuit, the waveguide pitch on the Si optical circuit side is not limited to the outer diameter of the fiber, and the compactness of the Si optical circuit can be maintained (the second problem is solved).
  • connection using the interposer circuit the number of connection points is increased to two, so leaked light that has not been coupled at the first connection point (between the optical fiber and the interposer circuit) can be connected to the second connection point (interposer circuit-
  • the problem is that crosstalk between unintended neighboring ports occurs between Si optical circuits).
  • the crosstalk value to be satisfied varies depending on the application, but in general-45dB or less is often required.
  • One method of realizing low crosstalk is to provide a position offset between the input and the output by an S-shaped waveguide like the interposer circuit shown in Non-Patent Document 1.
  • the light leaked at the first connection point goes straight, but the light coupled to the connection waveguide reaches the second connection point by being guided to a position where there is no leak light, so that crosstalk can be avoided.
  • the size of the interposer circuit is increased by the amount of the S-shaped waveguide, so that there is a problem that a small optical module cannot be realized.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve crosstalk between ports while maintaining the smallness of the interposer circuit during fiber connection using the interposer circuit. Especially.
  • an aspect of the present invention is an interposer circuit for connecting between an optical circuit having a plurality of input/output waveguides and a fiber block having a plurality of input/output fibers. And a second surface that is a connection surface with the fiber block and that is parallel to the first surface and that is connected to a plurality of input/output waveguides and a plurality of input/output fibers. A plurality of connected waveguides.
  • the plurality of connection waveguides are linear, and the angles formed by the plurality of connection waveguides and the first surface and the angles formed by the plurality of connection waveguides and the second surface are the same. is there.
  • an axis along the first surface is an x-axis
  • an axis orthogonal to the x-axis is a y-axis
  • a plurality of connection conductors near a connection point with a plurality of input/output waveguides are provided.
  • the angle formed by the waveguide and the y-axis is different from the angle formed by the plurality of connection waveguides and the y-axis near the connection point between the plurality of input/output fibers.
  • 7 is a graph showing the amount of crosstalk in a J-type interposer circuit. It is a figure for explaining optical transmission and reception which is an example of a Si optical circuit. It is a figure for explaining a V type interposer circuit concerning one embodiment of the present invention. 7 is a graph showing the amount of crosstalk in a V-type interposer circuit.
  • the interposer circuit 202 is connected to the Si optical circuit 201, and the fiber block 203 is connected to the interposer circuit 202.
  • the Si optical circuit 201 has input/output waveguides 204-1 to 204-3.
  • the interposer circuit 202 has interposer waveguides 205-1 to 205-3.
  • the optical fibers arranged in the fiber block 203 are SSMF 206-1 to 206-3.
  • the distance between the input/output waveguides 204-1 to 204-3 of the Si optical circuit 201 is d.
  • Interposer waveguides 205-1 to 205-3 are connected to the input/output waveguides 204-1 to 204-3, respectively.
  • SSMFs 206-1 to 206-3 are connected to the interposer waveguides 205-1 to 205-3, respectively.
  • An SSC 207 is arranged in each of the input/output waveguides 204-1 to 204-3 to match the MFD with the interposer waveguide 205 at the connection surface between the Si optical circuit 201 and the interposer circuit 202.
  • an SSC 208 is arranged in each of the interposer waveguides 205-1 to 205-3 to match the MFD with the SSMF 206-1 to 206-3 at the connection surface between the interposer circuit 202 and the fiber block 203.
  • the interposer waveguide 205 includes an SSC 208, an S-shaped waveguide 211, and a stabilizing region 212.
  • the stabilizing region 212 is a linear waveguide and is for suppressing field shape distortion generated in the S-shaped waveguide 211.
  • the bending waveguide is followed by a stabilizing region which is such a straight waveguide.
  • the length of SSC 208 is L_SSC
  • the length of stabilizing region 212 is L_ST.
  • the S-shaped waveguide 211 is composed of two arcs, and has a width s and a bending radius r as shown in FIG. Given s and r, the shape of the S-shaped waveguide 211 is uniquely determined.
  • connection surface between the Si optical circuit 201 and the interposer circuit 202 faces the connection surface between the interposer circuit 202 and the fiber block 203 in parallel.
  • the x axis is taken along the connecting surface between the Si optical circuit 201 and the interposer circuit 202, and the y axis orthogonal to the x axis is taken.
  • the azimuth from the optical circuit 201 to the fiber block 203 is defined as the positive y-axis, and the positive azimuth of the y-axis rotated 90 degrees counterclockwise is defined as the positive x-axis.
  • L be the length of the interposer circuit 202 along the y-axis.
  • the uncoupled (1- ⁇ ) proportion of the light is not confined from that point and the free space is lost. Propagate. However, it is assumed that the light is not confined only in the xy plane and is confined in the direction perpendicular to the paper surface. It suffices to calculate how much this light is coupled to the input/output waveguides 204-1 and 204-3.
  • the beam diameter at the connection point between the input/output waveguide 204 and the interposer waveguide 205 is ⁇ 1 .
  • the beam diameter at the connection point between the interposer waveguide 205 and the SMMF 206 is ⁇ 2 .
  • the beam diameter here means the half value of MFD.
  • the refractive index of the propagation medium is uniformly approximated to 1.45.
  • the crosstalk reference value that should be satisfied is -45 dB.
  • FIG. 3 shows a graph of the crosstalk amount with respect to x when the input/output waveguide 204 is located at the position x. It can be seen that the beam center is shifted to the positive side of x by the S-shaped waveguide 211. As a result, the crosstalk to the input/output waveguide 204-3 reaches -45 dB, while the crosstalk to the input/output waveguide 204-1 is -22.1 dB, which is less than the standard.
  • the interposer circuit according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. According to the present embodiment, it is possible to realize an interposer circuit that is smaller in size than the S-type interposer circuit described above with reference to FIG. 2 and that reduces crosstalk with respect to both positive and negative x ports.
  • the interposer circuit 202 is connected to the Si optical circuit 201 and the fiber block 203 is connected to the interposer circuit 202, as described above with reference to FIG. Configuration of Si optical circuit 201 and fiber block 203, connection relationship between input/output waveguides 204-1 to 204-3 and interposer waveguides 205-1 to 205-3, and interposer waveguides 205-1 to 205-3 and SSMF206
  • connection relationship with -1 to 206-3 is the same as that described above with reference to FIG.
  • the interposer waveguides 205-1 to 205-3 are linear.
  • an interposer circuit having such an I-shaped interposer waveguide will be referred to as an I-type.
  • the I type requires the SSC 208, but does not need the stabilizing region 212 because there is no bending waveguide that constitutes the s-shaped waveguide 211.
  • the shape of the interposer waveguide 205 is uniquely determined, and the positional relationship between the Gaussian beams 209 and 210 is determined, so that crosstalk calculation can be performed.
  • L_max the maximum value of L (referred to as L_max) when the distance d between the input/output waveguides 204-1 to 204-3 is changed is shown. If the distance d between the input/output waveguides 204-1 to 204-3 is narrow, it is necessary to make L shorter, and d and L_max have a substantially linear relationship.
  • L_max may be less than L_SSC, making it impossible to achieve. In this case, type I cannot be used.
  • the interposer circuit 202 is connected to the Si optical circuit 201 and the fiber block 203 is connected to the interposer circuit 202, as described above with reference to FIG. Configuration of Si optical circuit 201 and fiber block 203, connection relationship between input/output waveguides 204-1 to 204-3 and interposer waveguides 205-1 to 205-3, and interposer waveguides 205-1 to 205-3 and SSMF206
  • connection relationship with -1 to 206-3 is the same as that described above with reference to FIG.
  • the interposer waveguides 205-1 to 205-3 include bending waveguides.
  • An interposer circuit having such a J-shaped interposer waveguide will be referred to as a J-type.
  • Interposer waveguide 205 includes SSC 208, bending waveguide 701, and stabilizing region 212.
  • the shape of the bending waveguide 701 is an arc having a bending angle of ⁇ and a radius of r.
  • ⁇ 1 2 ⁇ m
  • ⁇ 2 5 ⁇ m
  • L_SSC 700 ⁇ m
  • L_ST 300 ⁇ m
  • r 1000 ⁇ m
  • FIG. 8 shows a graph of the crosstalk amount with respect to x when the input/output waveguide 204 is located at the position x.
  • the crosstalk for the input/output waveguide 204-3 is -57.7 dB, which meets the standard.
  • L is 1169 ⁇ m, and it can be seen that it can be configured shorter than the S-type interposer circuit.
  • the crosstalk is reduced by using only the positional deviation, but in the J-type interposer circuit of the present embodiment, the angular deviation contributes to the reduction of the coupling rate in addition to the positional deviation.
  • a circuit can be configured.
  • the J type cannot reduce crosstalk on the positive x side, so it may be possible to have a high crosstalk to the input/output waveguide 204-1 or the input/output waveguide 204-1. It is suitable when there is no (the adjacent waveguide exists only on the x negative side).
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of the optical transmission/reception circuit 901, that is, a Si optical circuit that performs optical transmission/reception.
  • the optical transceiver circuit 901 is an example of the Si optical circuit 201.
  • the optical transceiver circuit 901 has three input/output waveguides 902-1 to 902-3, a receiving unit 904, a transmitting unit 905, an input connected to the input/output waveguide 902-2, and two outputs respectively received.
  • the optical branching circuit 903 is connected to the unit 904 and the transmitting unit 905.
  • the arrow in FIG. 9 indicates the traveling direction of light.
  • the input/output waveguide 902-2 is called an LO port, and is a port to which local light (LO light) for coherent reception is input.
  • the LO light is split into two by the optical branch circuit 903, and one of them is input to the receiving unit 904.
  • the receiving unit 904 includes a 90° optical hybrid, a photo detector, and the like.
  • the input/output waveguide 902-3 is called the Rx port, and is the port to which the received modulated signal is input.
  • the received light from the Rx port is sent to the receiving unit 904, and is received using the LO light from the LO port.
  • the input/output waveguide 902-1 is called a Tx port and is a port that sends out a transmission signal.
  • the other light branched by the optical branching circuit 903 is sent to the transmitting unit 905 including a modulator and the like, modulated and sent from the Tx port as a transmission signal.
  • the three I/O waveguides 902-1 to 902-3 are arranged such that the LO port is arranged at the center, that is, Tx port. It is desirable to be placed between the Rx port. In the case of other arrangement, extra waveguide crossing is required, or the length of the waveguide path from the chip end to the transmitting unit 905 or the receiving unit 904 becomes very long, and the loss increases. There is inconvenience.
  • the conditions for the crosstalk to the Rx port are more severe.
  • LO light has a very high intensity because it outputs a transmitted signal with high intensity.
  • the light input to the Rx port is signal light attenuated by transmission, and its intensity is weak. Therefore, even a small amount of crosstalk significantly deteriorates the SN ratio of the received signal.
  • the LO light intensity is +18 dBm and the received light intensity is -20 dBm, it is necessary to suppress the crosstalk to less than -53 dB in order to secure the SN ratio of 15 dB.
  • both the crosstalk of the LO light from the LO port to the Tx port and the crosstalk of the LO light from the LO port to the Rx port are suppressed to a low level, and It is required to more selectively suppress the crosstalk of the LO light from the Rx port.
  • the value to be satisfied for the crosstalk to the Tx port is ⁇ 45 dB or less and the value to be satisfied for the crosstalk to the Rx port is ⁇ 53 dB or less.
  • the S-type interposer circuit and the J-type interposer circuit cannot be used because the crosstalk on one side is high. Even with the I-type interposer circuit, it is not possible to realize a configuration in which the adjacent port on one side has a particularly low crosstalk.
  • the interposer circuit according to the third embodiment of the present invention is suitable for a case where it is necessary to suppress both crosstalk to adjacent ports on both sides to a low level and to more selectively suppress crosstalk to a port on one side. Is.
  • FIG. 10 shows the configuration of the interposer circuit according to this embodiment.
  • the interposer circuit 202 is connected to the Si optical circuit 201 and the fiber block 203 is connected to the interposer circuit 202, as described above with reference to FIG.
  • the connection relationship with -1 to 206-3 is the same as that described above with reference to FIG.
  • each of the interposer waveguides 205-1 to 205-3 is V-shaped.
  • An interposer circuit having such a V-shaped interposer waveguide will be referred to as a V type.
  • Interposer waveguide 205 includes SSC 208, bending waveguide 1001, and stabilizing region 212.
  • the shape of the bending waveguide 1001 is an arc having a bending angle of
  • ⁇ 1 2 ⁇ m
  • ⁇ 2 5 ⁇ m
  • L_SSC 700 ⁇ m
  • L_ST 300 ⁇ m
  • r 1000 ⁇ m
  • ⁇ -1 dB, as before.
  • FIG. 11 shows a graph of the amount of crosstalk with respect to x when the input/output waveguide 204 is located at the position x.
  • ⁇ Crosstalk to the input/output waveguide 204-3 is -98.3 dB, and it has succeeded in significantly lowering the target value of -53 dB. Also, the crosstalk for the input/output waveguide 204-1 has cleared -52.1 dB and -45 dB.
  • L is 1332 ⁇ m, which is slightly larger than the I-type interposer circuit and the J-type interposer circuit, but it can be seen that it can be configured shorter than the S-type interposer circuit.
  • the input/output angle difference is larger than that in the J-type interposer circuit, and the coupling rate is greatly reduced over the entire x-axis, which causes the input/output waveguide 204-3 to reach the peak position of the beam. Even though they are almost the same, the crosstalk standard has been cleared.
  • the maximum value of crosstalk decreases as the input/output angle difference
  • the V-type interposer circuit is smaller than the conventional S-type interposer circuit, and can achieve low crosstalk on both the positive and negative sides of the x-axis. You can
  • the table below compares the sizes and crosstalk calculation results of the interposer circuits of the first to third embodiments (I type, J type, V type) and the conventional technology (S type). ⁇ indicates that -45dB is cleared, ⁇ indicates that -53dB is cleared, and ⁇ indicates neither of them.
  • the bending waveguide 701 included in the J-type interposer circuit and the bending waveguide 1001 included in the V-type interposer circuit described above are described as having an arc shape, but a clothoid curve-shaped waveguide can also be used. .. Light can be propagated with lower loss by using a clothoid curve-shaped waveguide.

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Abstract

インタポーザ回路の小型性を保ちながら、ポート間クロストークを改善する。光回路（２０１）との接続面である第１の面と、ファイバブロック（２０３）との接続面であり第１の接続面と平行に対向する第２の面と、光回路が有する複数の入出力導波路（２０４）およびファイバブロックが有する複数の入出力ファイバ（２０６）と接続される複数の接続導波路（２０５）とを備えたインタポーザ回路において、複数の接続導波路を直線形状とし、複数の接続導波路（２０５）と第１の面のなす角度（θ）及び複数の接続導波路（２０５）と第２の面のなす角度（φ）を同一とした。

Description

インタポーザ回路
　本発明は、シリコン光回路と光ファイバ有するファイバブロックとの接続構造に関し、より詳細には、シリコン光回路とファイバブロックとを接続するためのインタポーザ回路に関する。
　従来、情報通信技術の発達により、通信容量が増大している。装置あたりの通信容量を増大させるため、より小型・高機能な光モジュールの研究開発が盛んに進められている。
　小型・高機能な光モジュールを実現するための有望な技術として、シリコンフォトニクス技術がある。これは導波路コア材料としてシリコン（Si)、クラッド材料として石英ガラス（SiO2)を用いた光回路である。Si導波路はコア－クラッド間の比屈折率差が大きいため、導波路の断面積、最小曲げ半径が他材料による光回路より格段に小さく、高密度集積が可能となる。
　Si光回路を実際にモジュール化して使用可能にするためには、入出力用の光ファイバを接続する必要がある。
　図1は、Si光回路とその光ファイバ接続構造の模式図である。図1に示すように、Si光回路101に、細径コア光ファイバ104をガラス基板上に整列し固定したファイバブロック102が接続される。光ファイバ104はSi光回路101内の入出力導波路103と接続される。Si光回路101とファイバブロック102の界面で反射した光の再結合を防ぎ反射減衰量を大きくするため、光ファイバ104はその界面に対して傾いて配置される。
　シングルモード条件を満たすSi導波路のMFDは数百ｎｍ程度であり、細径コア光ファイバのモードフィールド径（mode-field diameter: MFD)は約4μｍである。シングルモード条件を満たすSi導波路と細径コア光ファイバとを直接接続すると大きな接続損失が発生する。Si導波路側のMFDを拡大して接続損失を下げるため、入出力導波路103の入出力端面近傍にスポットサイズ変換器（Spot Size Converter: SSC）105が設けられる。
　さらに細径コア光ファイバ104は、MFDが約10μｍである通常のシングルモードファイバ（SSMF: Standard Single Mode Fiber）107と、MFD変換手段106によって低損失に接続される。MFD変換手段106の例としてはコア拡散（Thermally-diffused Expanded Core: TEC）光ファイバを用いた融着などがある。
　以上によって、Si光回路101に対し、SSMF107を用いて光入出力ができるようになる。このように2段階のMFD変換を行う理由は、SSC105ではMFDを数百ｎｍから10μｍまで一気に広げることが困難だからである。
　入出力導波路103の入出力端面でのMFDは、SSC105で拡大されているとはいえ、4μｍ程度と小さいため、低損失な接続のためにはファイバブロック102との高精度な位置合わせが求められる。
　以上説明した接続方法には以下のような問題がある。
　第1に、ファイバブロック102は通常、複数本の光ファイバ104をV字型の溝に沿って配列して作製されるが、V字溝の寸法ばらつきや光ファイバ自体のコア偏心による位置ずれがあるために、全ての光ファイバについて入出力導波路103と精度良く位置を合わせることができず、全ポートの低損失接続を実現できない。第2に、ファイバブロックにおけるファイバ間隔はファイバ外径よりも小さくすることができないため、多ポートの場合はファイバが占める幅が広くなり、Si光回路のサイズ増大を招く。第3に、MFD変換手段106はサイズが大きく、光モジュール全体のサイズが増大する。例えばTEC融着の際に必要となる融着スリーブは長さが少なくとも1cm程度である。
　非特許文献１には、比屈折率差（Δ）が1.5%である平面光波回路（Planar Lightwave Circuit: PLC）とSSMF（0.3%Δ）の間に、中間の0.75%ΔPLCを接続用光回路（以下インタポーザ回路という）として挟む構成が開示されている。
　このインタポーザ回路はSSMFとSi光回路を接続する場合にも応用可能であり、上記の問題を解消することができる。
　インタポーザ回路を用いる利点を整理すれば次の通りである。光回路とインタポーザ回路との間及びファイバとインタポーザ回路との間においてMFDを整合させて低損失接続が可能になるため、MFD変換手段が不要になる（第3の問題の解決）。インタポーザ導波路の位置精度が、ファイバブロック102の位置精度とは異なり、フォトリソグラフィー精度となるため、位置のばらつきが抑えられ、複数ポートにわたって低接続損失が達成される（第1の問題の解決）。また、インタポーザ回路内でピッチ変換ができるため、Si光回路側の導波路ピッチがファイバ外径に制限されず、Si光回路の小型性を維持できる（第2の問題の解決）。
M. Ishii et al., "Low-loss fibre-pigtailed 256 channel arrayed-waveguide grating multiplexer using cascaded laterally-tapered waveguides", Electronics Letters, vol. 37, no. 23, pp. 1401 -1402, 2001
　しかしながら、インタポーザ回路を用いた接続では、接続点が2箇所に増えるため、第1の接続点（光ファイバ－インタポーザ回路間）で結合しなかった漏れ光が、第2の接続点（インタポーザ回路－Si光回路間）において、意図しない近傍のポートに結合するクロストークが発生してしまうことが問題となる。
　満たすべきクロストーク値はアプリケーションによって異なるが、一般的には-45dB以下が要求されることが多い。
　低クロストークを実現する一つの方法は、非特許文献１で示されているインタポーザ回路のように、S字導波路によって入力と出力の間に位置オフセットを設けるものである。第1の接続点で漏れた光は直進するが接続導波路に結合した光は漏れ光が無い位置まで導波されて第2の接続点に到達するため、クロストークを回避できる。しかし、後述するようにS字導波路の分だけインタポーザ回路のサイズが増大してしまうため、小型な光モジュールを実現できないという問題がある。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、インタポーザ回路を用いたファイバ接続の際に、インタポーザ回路の小型性を保ちながら、ポート間クロストークを改善することにある。
　このような目的を達成するために、本発明の態様は、複数の入出力導波路を有する光回路と複数の入出力ファイバを有するファイバブロックとの間を接続するインタポーザ回路であって、光回路との接続面である第１の面と、ファイバブロックとの接続面であり、第１の面と平行に対向する第２の面と、複数の入出力導波路および複数の入出力ファイバと接続された複数の接続導波路とを備える。
　一実施形態に係るインタポーザ回路は、複数の接続導波路が直線形状であり、複数の接続導波路と第１の面のなす角度及び複数の接続導波路と第２の面のなす角度が同一である。
　別の実施形態に係るインタポーザ回路は、第１の面に沿った軸をｘ軸とし、ｘ軸に直交する軸をｙ軸とし、複数の入出力導波路との接続点付近における複数の接続導波路とｙ軸のなす角度が、複数の入出力ファイバとの接続点付近における複数の接続導波路とｙ軸のなす角度と異なる。
　以上説明したように、本発明によれば、インタポーザ回路を用いたファイバ接続の際に、インタポーザ回路の小型性を保ちながら、ポート間クロストークを改善することが可能となる。
インタポーザ回路を用いない従来のSi光回路と光ファイバとの接続構造を説明するための図である。 インタポーザ回路を用いた従来のSi光回路と光ファイバとの接続構造を説明するための図である。 S型のインタポーザ回路におけるクロストーク量を示すグラフである。 本願発明の一実施形態に係るI型のインタポーザ回路を説明するための図である。 I型のインタポーザ回路におけるクロストーク量を示すグラフである。 I型のインタポーザ回路でクロストーク量が-45dBとなるdとL_maxの関係を示すグラグである。 本願発明の一実施形態に係るJ型のインタポーザ回路を説明するための図である。 J型のインタポーザ回路におけるクロストーク量を示すグラフである。 Si光回路の一例である光送受信を説明するための図である。 本願発明の一実施形態に係るV型のインタポーザ回路を説明するための図である。 V型のインタポーザ回路におけるクロストーク量を示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明は省略する。以下の説明における数値例や材料名は例示であり、本願発明は、これに限定されるものではなく、他の数値や材料で実施することができる。
　まず、図2を参照して、比較基準としての従来技術であるS字導波路を用いたインタポーザ回路について説明する。以降これをS型と呼ぶ。
　図2に示すように、Si光回路201にインタポーザ回路202が接続され、インタポーザ回路202にファイバブロック203が接続される。Si光回路201は入出力導波路204-1～204-3を有する。インタポーザ回路202はインタポーザ導波路205-1～205-3を有する。ファイバブロック203に配置される光ファイバはSSMF206-1～206-3である。Si光回路201の入出力導波路204-1～204-3の間隔はdである。入出力導波路204-1～204-3にそれぞれインタポーザ導波路205-1～205-3が接続される。さらにインタポーザ導波路205-1～205-3にそれぞれSSMF206-1～206-3が接続される。
　入出力導波路204-1～204-3の各々に、Si光回路201とインタポーザ回路202の接続面においてMFDをインタポーザ導波路205に合わせるために、SSC207が配置される。同様に、インタポーザ導波路205-1～205-3の各々に、インタポーザ回路202とファイバブロック203との接続面においてMFDをSSMF206-1～206-3に合わせるためにSSC208が配置される。
　インタポーザ導波路205は、SSC208、S字導波路211、及び安定化領域212を含む。安定化領域212とは、直線導波路であり、S字導波路211で発生するフィールド形状歪みを抑制するためのものである。一般的に曲げ導波路の後にはこのような直線導波路である安定化領域が設けられる。SSC208の長さをL_SSC、安定化領域212の長さをL_STとする。S字導波路211は2つの円弧からなり、図2に示す通り幅をs、曲げ半径をrとする。sとrが与えられれば、S字導波路211の形状は一意に定まる。
　Si光回路201とインタポーザ回路202との接続面は、インタポーザ回路202とファイバブロック203との接続面と平行に対向している。
　Si光回路201とインタポーザ回路202との接続面に沿ってx軸を取り、x軸と直交するy軸を取る。ｘ軸とｙ軸の交点を、インタポーザ導波路205-2と入出力導波路204-2との接続点にとり、原点（x=0, y=0）とする。光回路201からファイバブロック203への方位をｙ軸の正とし、ｙ軸の正の方位を反時計回りに９０度回転した方位をｘ軸の正とする。インタポーザ回路202の、y軸に沿った長さをLとする。インタポーザ導波路205-1がy=0においてy軸となす角度をθ、y=Lにおいてy軸となす角度をφとする。なお角度は図中で反時計回りを正とし、時計回りを負とする。
　いま、SSMF206-2に右方から光が入力されたとする。この光は理想的にはインタポーザ導波路205-2を介して入出力導波路204-2にのみ伝搬することが望ましいが、実際には入出力導波路204-1や204-3に一部クロストークとして伝搬してしまう。このクロストーク量は次のように計算できる。
　SSMF206-2から入力された光のインタポーザ導波路205-2への結合率をηとすると、結合しなかった（１－η）の割合の光が、その点から光の閉じ込めがなくなって自由空間伝搬する。ただし光の閉じ込めがなくなるのはxy平面内だけであり、紙面垂直方向には閉じ込められたままであるとする。この光が入出力導波路204-1、204-3にどの程度結合するかを計算すればよい。
　SSMF206-2からインタポーザ回路202内に自由空間伝搬する漏れ光をガウシアンビームで近似する（図2において一点破線209で示す）。また、入出力導波路204-1、204-3の受光プロファイルもガウシアンビームであると近似する（図2において二点鎖線210で示す）。
　入出力導波路204とインタポーザ導波路205の接続点におけるビーム径をω1とする。同様に、インタポーザ導波路205とSMMF206の接続点におけるビーム径をω2とする。ここにビーム径とはMFDの半値をいう。
　計算条件として、ω1＝2μｍ、ω2＝5μｍ、θ＝φ＝10°、L_SSC＝700μm、L_ST＝300μm、r＝1000μm、η＝-1dB、d＝100μmを置く。また、簡単のため伝搬媒質の屈折率は一様に1.45と近似する。また、満たすべきクロストーク基準値を-45dBとする。
　位置x＝-d＝-100μmにある入出力導波路204-3へのクロストークが、-45dBとなるようなS字導波路の幅sを計算すると、s＝76.3μmとなる。このとき、インタポーザ回路202の長さLは1531μmとなる。
　図3に、入出力導波路204が位置xに位置するときの、xに対するクロストーク量のグラフを示す。S字導波路211によってビーム中心がxの正側にずれていることが分かる。これによって、入出力導波路204-3へのクロストークは-45dBに到達しているが、他方入出力導波路204-1へのクロストークは-22.1dBであり基準に満たない。
（第1の実施形態）
　次に、図4を参照して本発明の第1の実施形態に係るインタポーザ回路を説明する。
本実施形態によれば、図2を参照して上述したS型のインタポーザ回路に比べ、サイズを小型であり、x正負両側のポートに対してクロストークを低減するインタポーザ回路が実現可能である。
　図4に示すように、本実施形態においても図2を参照して上述したのと同様に、Si光回路201にインタポーザ回路202が接続され、インタポーザ回路202にファイバブロック203が接続される。Si光回路201及びファイバブロック203の構成、入出力導波路204-1～204-3とインタポーザ導波路205-1～205-3の接続関係、並びにインタポーザ導波路205-1～205-3とSSMF206-1～206-3との接続関係は、図2を参照して上述したのと同様である。
　本実施形態のインタポーザ回路202は、インタポーザ導波路205-1～205-3が直線形状である。以降、このようなI字状のインタポーザ導波路を有するインタポーザ回路をI型と称することにする。
　I型では、SSC208は必要であるが、s字導波路211を構成する曲げ導波路が存在しないため安定化領域212は不要である。
　I型では、長さLが与えられれば、インタポーザ導波路205の形状は一意に定まり、ガウシアンビーム209と210の位置関係が定まるので、クロストーク計算をすることができる。
　計算条件として、S型と同じように、ω1＝2μｍ、ω2＝5μｍ、θ＝φ＝10°、L_SSC＝700μｍ、η＝-1dBとする。
　同様に入出力導波路204-3へのクロストークが-45dBとなるようなLを計算すると、L＝906μｍとなる。この値はSSC208の長さL_SSCを上回っているから、SSC208を設けるのに支障はない。
　図5に、L＝906μｍの場合と、比較のためL＝1000μｍの場合の、入出力導波路204が位置xに位置するときの、xに対するクロストーク量のグラフを示す。
　L＝1000μｍではクロストークは-38.9dBであり、-45dBの基準を満たせていないが、L＝906μｍまで短くすれば、-45dBを達成できる。これはすなわち、ビームがx軸に到達したとき、隣接ポートに-45dB以上結合するほどにはビームが広がっていないことを示している。
　また、x＝100μｍにある入出力導波路204-1に対しても-48.8dBと低クロストークを達成できている。これはS型と異なり、ビームのピーク位置をずらすのではなくLを短くすることによってクロストークを下げる原理による。さらに外側にポートがあっても問題ないことは言うまでもない。
　次に、入出力導波路204-1～204-3の間隔dが変わった場合にこのLの最大値（L_maxとする)を簡易的に決定する方法について示す。入出力導波路204-1～204-3の間隔dが狭ければLをより短くする必要があり、dとL_maxとはほぼ線形関係にある。
　図6にクロストーク-45dBを実現するためのdとL_maxの関係を示す。関係式はどちらも単位をμｍとして
　　　L_max＝9.8d-74.4
で近似できることが分かった。この式で表されるL_maxよりLを小さく設計すれば、クロストーク-45dB以下が達成できる。
　また、要求クロストーク値が変われば当然L_maxも変わる。より低いクロストークが要求されるほど、L_maxは小さくなる。クロストーク値が-55dBと-35dBの場合のdとL_maxの関係はそれぞれ
　　　L_max＝13.7d-159.0　（-35dBの場合）
　　　L_max＝8.1d-50.6　（-55dBの場合）
となる。
　このように、I型のインタポーザ回路を用いてLを所定の値より短く設計すれば、S型よりも小型であり、x正負両側に対して低クロストークなインタポーザ回路を構成可能である。
　ただし、dの値、要求クロストーク値によっては、L_maxがL_SSCを下回ってしまい、実現不可能になってしまうケースが考えられる。この場合はI型を用いることができない。
（第2の実施形態）
　次に、図7を参照して本発明の第2の実施形態に係るインタポーザ回路を説明する。
　図7に示すように、本実施形態においても図2を参照して上述したのと同様に、Si光回路201にインタポーザ回路202が接続され、インタポーザ回路202にファイバブロック203が接続される。Si光回路201及びファイバブロック203の構成、入出力導波路204-1～204-3とインタポーザ導波路205-1～205-3の接続関係、並びにインタポーザ導波路205-1～205-3とSSMF206-1～206-3との接続関係は、図2を参照して上述したのと同様である。
　図7に示す本実施形態のインタポーザ回路と図4を参照して上述したI型のインタポーザ回路との違いは、θ＝10°に対してφ＝0°となっている点である。必然的にインタポーザ導波路205-1～205-3は曲げ導波路を含むことになる。このようなJ字状のインタポーザ導波路を有するインタポーザ回路をＪ型と称することにする。
　インタポーザ導波路205は、SSC208、曲げ導波路701、及び安定化領域212を含む。
　曲げ導波路701の形状は、曲げ角はθ、半径はrの円弧となる。
　計算条件として、これまでと同じように、ω1＝2μｍ、ω2＝5μｍ、L_SSC＝700μｍ、L_ST＝300μｍ、r＝1000μｍ、η＝-1dBとする。
　図8に、入出力導波路204が位置xに位置するときの、xに対するクロストーク量のグラフを示す。
　入出力導波路204-3に対するクロストークは-57.7 dBとなっており、基準をクリアしている。この時のLは1169μｍであり、S型のインタポーザ回路よりも短く構成できることが分かる。
　S型のインタポーザ回路では位置ずれのみを用いてクロストークを下げていたが、本実施形態のJ型のインタポーザ回路では位置ずれに加えて角度ずれも結合率の低下に寄与するため、小型のインタポーザ回路を構成可能である。
　このように、J型を用いればS型よりも小型に、低クロストークなインタポーザ回路を構成可能である。
　また、J型はφ＝0°であるため、ファイバブロック203の研磨角度ずれに対してファイバ間隔の誤差が出にくいという利点もある。すなわち、φが10°であるI型の場合、ファイバブロック203の、インタポーザ回路202と接続される面の角度が0.5°だけ加工誤差でずれてしまった場合、ファイバ間隔は約0.16%変わる。しかしφが0°である場合、同じ0.5°の加工ずれに対するファイバ間隔変動は約0.004%にとどまる。
　J型は、S型と同様にx正側についてはクロストークを下げられないことから、入出力導波路204-1へのクロストークが高くてもよい場合か、あるいは入出力導波路204-1がない（x負側にしか隣接導波路がない）場合に好適である。
（第3の実施形態）
　次に、参照して本発明の第3の実施形態について説明する。
　図9は、光送受信回路901、すなわち光送受信を行うSi光回路の模式図を表す。光送受信回路901は、Si光回路201の一例である。光送受信回路901は、3つの入出力導波路902-1～902-3と、受信部904と、送信部905と、入力が入出力導波路902-2と接続され、2つの出力がそれぞれ受信部904及び送信部905に接続された光分岐回路903とを備える。図9における矢印は光の進行方向を示す。
　入出力導波路902-2はLOポートと称し、コヒーレント受信のための局発光（LO光）が入力されるポートである。LO光は光分岐回路903で2分岐され、その一方が受信部904へ入力される。受信部904は90°光ハイブリッド、フォトディテクタ等を含む。
　入出力導波路902-3はRxポートと称し、受信する変調信号が入力されるポートである。Rxポートからの受信光は受信部904へ送られ、LOポートからのLO光を用いて受信される。
　入出力導波路902-1はTxポートと称し、送信信号を送出するポートである。光分岐回路903で分岐したもう一方の光は、変調器等を含む送信部905へ送られ、変調されて送信信号としてTxポートから送出される。
　LO光を分岐して送信部905と受信部904へ入力する構造上、3つの入出力導波路902-1～902-3の並びは、LOポートが、中央に配置される、すなわちTxポートとRxポートとの間に配置されるのが望ましい。そうでない配置の場合は、余計な導波路交差が必要となるか、チップ端から送信部905または受信部904へ至る導波路パスの長さが非常に長くなってしまい、損失が増大してしまう不都合がある。
　したがって、LOポート（入出力導波路902-2）へ光を入力する際の、Txポート（入出力導波路902-1）へのクロストーク及びRxポート(入出力導波路902-3）へのクロストークの双方を考慮した設計が必要となる。
　Txポートへのクロストーク及びRxポートへのクロスポートを比較すると、Rxポートへのクロストークの方がより条件が厳しい。LO光は、送信信号を高強度で出力するために、強度が非常に高い。一方、Rxポートに入力される光は伝送によって減衰した信号光であり、強度が弱い。したがって、わずかなクロストークであっても受信信号のSN比を著しく劣化させてしまうからである。典型例を挙げれば、LO光の強度を+18dBm、受信光の強度を-20dBmとすると、SN比を15dB確保するためにはクロストークを-53dB未満に抑えることが必要になる。
　以上説明したように、光送受信回路901においては、LOポートからのLO光のTxポートへのクロストーク及びLOポートからのLO光のRxポートへのクロストークの双方を低く抑え、かつLOポートからのLO光のRxポートへのクロストークをより選択的に抑えることが求められる。ここでは、Txポートへのクロストークに対して満たすべき値を-45dB以下、Rxポートへのクロストークに対して満たすべき値を-53dB以下と仮定する。
　このような場合には、S型のインタポーザ回路及びJ型のインタポーザ回路は片側のクロストークが高いため用いることがでない。また、I型のインタポーザ回路でも片側の隣接ポートを特に低クロストークにする構成は実現できない。本発明第3の実施形態に係るインタポーザ回路は、両側の隣接ポートへのクロストークの双方を低く抑え、かつ片側のポートへのクロストークをより選択的に抑える必要がある場合に好適なインタポーザ回路である。
　図10に、本実施形態に係るインタポーザ回路の構成を示す。図7に示すように、本実施形態においても図2を参照して上述したのと同様に、Si光回路201にインタポーザ回路202が接続され、インタポーザ回路202にファイバブロック203が接続される。Si光回路201及びファイバブロック203の構成、入出力導波路204-1～204-3とインタポーザ導波路205-1～205-3の接続関係、並びにインタポーザ導波路205-1～205-3とSSMF206-1～206-3との接続関係は、図2を参照して上述したのと同様である。
　本実施形態においてはθ＝10°に対してφ＝-10°となっている。インタポーザ導波路205-1～205-3はそれぞれV字状になっている。このようなV字状のインタポーザ導波路を有するインタポーザ回路をV型と称することにする。
　インタポーザ導波路205は、SSC208、曲げ導波路1001、及び安定化領域212を含む。
　曲げ導波路1001の形状は、曲げ角は|θ-φ|、半径はrの円弧となる。
　計算条件として、これまでと同じように、ω1＝2μｍ、ω2＝5μｍ、L_SSC＝700μｍ、L_ST＝300μｍ、r＝1000μｍ、η＝-1dBとする。
　図11に、入出力導波路204が位置xに位置するときの、xに対するクロストーク量のグラフを示す。
　入出力導波路204-3に対するクロストークは-98.3dBとなっており、目標値-53dBを大きく下回ることに成功している。また入出力導波路204-1に対するクロストークも、-52.1dBと-45dBをクリアしている。
　この時Lは1332μｍであり、I型のインタポーザ回路やJ型のインタポーザ回路よりやや大きいものの、S型のインタポーザ回路よりも短く構成できることが分かる。
　V型のインタポーザ回路では、入出力の角度差がJ型のインタポーザ回路よりも大きくなり、結合率がx軸全域で大幅に下がったことによって、入出力導波路204-3がビームのピーク位置にほぼ一致しているにもかかわらずクロストーク基準をクリアできている。
　クロストークの最大値は入出力の角度差|θ-φ|が大きいほど小さくなる。クロストークの最大値が-45dBとなる角度差は約17.8°である。つまりθ=8.9°、φ=－8.9°でもx軸全域でクロストーク<-45dBは満たされることになる。
　このように、V型のインタポーザ回路は、従来のS型のインタポーザ回路より小型であり、x軸正負両側に対して低クロストークが達成でき、特に片側を選択的に超低クロストークにすることができる。
　以上、第1～第3の実施形態（I型、J型、V型）のインタポーザ回路と従来技術（S型）のインタポーザ回路のサイズとクロストークの計算結果を比較した表を以下に示す。○は-45dBをクリアしている、◎は-53dBをクリアしている、×はそのどちらでもないことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　また、以上説明したJ型のインタポーザ回路が有する曲げ導波路701およびV型のインタポーザ回路が有する曲げ導波路1001について、円弧形状であるとして説明したが、クロソイドカーブ形状の導波路を用いることもできる。クロソイドカーブ形状の導波路を用いるとより低損失に光を伝搬させることができる。
　101, 201　シリコン光回路
　102, 203　フィアバブロック
　103, 204　入出力導波路
　104　細径コア光ファイバ
　105, 207, 208　スポットサイズ変換器
　106　モードフィールド径変換手段
　107, 206　シングルモードファイバ
　202　インタポーザ回路
　205　インタポーザ導波路
　209, 210　ガウシアンビーム
　211　Ｓ字導波路
　212　安定化領域
　701, 1001　曲げ導波路
　901　光送受信回路
　902　入出力導波路
　903　光分岐回路
　904　受信部
　905　送信部

Claims (7)

  1. 　複数の入出力導波路を有する光回路と複数の入出力ファイバを有するファイバブロックとの間を接続するインタポーザ回路であって、
    　前記光回路との接続面である第１の面と、
    　前記ファイバブロックとの接続面であり、前記第１の面と平行に対向する第２の面と、
    　前記複数の入出力導波路および前記複数の入出力ファイバと接続された複数の接続導波路と
    を備え、
    　前記複数の接続導波路が直線形状であり、前記複数の接続導波路と前記第１の面のなす角度及び前記複数の接続導波路と前記第２の面のなす角度が同一である、インタポーザ回路。
  2. 　前記第１の面に沿った軸をｘ軸とし、前記ｘ軸に直交する軸をｙ軸とし、前記入出力導波路の前記ｘ軸に沿った間隔をｄ［μｍ］としたとき、
    　前記インタポーザ回路の前記第１の面と前記第２の面との間の前記ｙ軸に沿った長さが、９．８ｄ－７４．４[μｍ]以下である、請求項１に記載のインタポーザ回路。
  3. 　複数の入出力導波路を有する光回路と複数の入出力ファイバを有するファイバブロックとの間を接続するインタポーザ回路であって、
    　前記光回路との接続面である第１の面と、
    　前記ファイバブロックとの接続面であり、前記第１の面と平行に対向する第２の面と、
    　前記複数の入出力導波路および前記複数の入出力ファイバと接続された複数の接続導波路と
    を備え、
    　前記第１の面に沿った軸をｘ軸とし、前記ｘ軸に直交する軸をｙ軸とし、前記複数の入出力導波路との接続点付近における前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度が、前記複数の入出力ファイバとの接続点付近における前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度と異なる、インタポーザ回路。
  4. 　前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度は０度でなく、前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度は０度である、請求項３記載のインタポーザ回路。
  5. 　前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度と前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度との差の大きさが１７．８度より大きい、請求項３に記載のインタポーザ回路。
  6. 　前記光回路から前記ファイバブロックへの方位を前記ｙ軸の正とし、前記ｙ軸の正の方位を反時計回りに９０度回転した方位を前記ｘ軸の正としたとき、
    　前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度の符号が、前記複数の接続導波路と前記ｙ軸のなす角度の符号が異なり、
    　前記複数の接続導波路のうち前記光回路に光を入力する前記接続導波路のうち少なくとも１つは、両隣に前記複数の接続導波路のうち他の接続導波路が少なくとも１本配置されている、請求項３に記載のインタポーザ回路。
  7. 　前記光回路は、送信信号を出力する第１のポート、外部光源の光が入力される第２のポート、及び受信信号が入力される第３のポートがこの順に配列されている、請求項５または６に記載のインタポーザ回路。
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