WO2023053254A1 - 光接続構造 - Google Patents

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卓磨 相原
慎治 松尾
達郎 開
圭穂 前田
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—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
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths

Definitions

  • the present invention relates to an optical connection structure.
  • Si is an indirect transition type semiconductor, and it is not easy to realize highly efficient semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers with Si.
  • direct bandgap semiconductors have been used as materials for optical components such as semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers. For this reason, attempts have been made to epitaxially grow or directly bond a compound semiconductor on a Si substrate to form a laser or an optical amplifier from this compound semiconductor and monolithically integrate it with an Si optical circuit. Attempts have been made for hybrid integration with optical circuits.
  • Non-Patent Document 1 there are a method of butt-connecting each chip (Si optical circuit and laser) and a method of transfer printing a laser on the Si optical circuit (Non-Patent Document 1).
  • hybrid integration although the assembly cost for integration is high, it has the advantage of being able to integrate after selecting non-defective chips, and being able to apply the optimum manufacturing process individually for manufacturing Si and compound semiconductor devices.
  • transfer printing it is excellent to have the same level of integration as monolithic integration while securing the above-mentioned advantages.
  • the above-mentioned technology requires highly accurate alignment in order to integrate the laser in a form that is optically connected to the fine Si optical circuit. If the alignment accuracy is inferior, the light output from the laser cannot be input to the Si optical circuit. Typically, alignment with an accuracy of several 100 nm or less is desired, but it is not easy with the current technology. Therefore, it is desired to realize an optical connection structure that has a high tolerance to misalignment. If there is an optical connection structure with a high tolerance to misalignment, even if there is some misalignment, a large percentage of the light output from the laser is input to the Si optical circuit (high efficiency). A laser and a Si optical circuit can be optically connected.
  • transfer printing has been proposed as a method for integrating a laser into a Si optical circuit.
  • An optical connection structure comprises a first optical waveguide formed in an optical connection region on a substrate and having a rib-type optical waveguide structure with a rib core and a slab; and a second optical waveguide arranged to overlap with the first optical waveguide in the height direction and extending to one end side of the first optical waveguide, wherein the optical connection region includes the first optical waveguide and Optically connected to the second optical waveguide, the value obtained by dividing the thickness of the rib of the first optical waveguide by the total thickness of the rib of the first optical waveguide and the slab of the first optical waveguide is 0.4 considered to be less than
  • the first optical waveguide arranged to overlap the second optical waveguide in the optical connection area on the substrate has a rib-type optical waveguide structure of a core made of ribs and a slab. Therefore, the optical circuit and the semiconductor optical device can be optically connected with high efficiency even if there is some positional deviation.
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of an optical connection structure according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical connection structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing a partial configuration of the optical connection structure according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 2C is a cross-sectional view showing a partial configuration of the optical connection structure according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 2D is a cross-sectional view showing a partial configuration of the optical connection structure according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 3A is a characteristic diagram showing changes in transmittance with respect to length in the waveguide direction of the first optical waveguide and the second optical waveguide when there is no positional deviation.
  • FIG. 3A is a characteristic diagram showing changes in transmittance with respect to length in the waveguide direction of the first optical waveguide and the second optical waveguide when there is no positional deviation.
  • FIG. 3B is a characteristic diagram showing changes in transmittance with respect to length in the waveguide direction of the first optical waveguide and the second optical waveguide when there is a positional deviation.
  • FIG. 3C is a characteristic diagram showing the relationship between the height t rib of the core 111 serving as the rib of the first optical waveguide 101 and the spread of the mode.
  • FIG. 3D shows the thickness t rib of the core 111 divided by the sum of the thickness t rib of the core 111 and the thickness t slab of the slab 112 (t rib +t slab ) [t rib /(t rib + t slab )] and transmittance.
  • FIG. 3E shows the dependence of the effective refractive index of the second optical waveguide 102 on the width of the Si core 121 (a), and the effective refractive indices (b) and (c) of the optical waveguide (semiconductor optical device 103) by the active layer core 132. It is a characteristic diagram showing .
  • FIG. 3F is a characteristic diagram showing the dependence of the transmission loss from the first optical waveguide 101 to the second optical waveguide 102 on the width of the Si core 121.
  • FIG. FIG. 3G shows the transmission loss from the first optical waveguide 101 to the second optical waveguide 102 when the planar view shape of the slab 112 at one end of the first optical waveguide 101 is tilted from a state perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 4A is a plan view showing the configuration of another optical connection structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing the configuration of another optical connection structure according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to an embodiment of the present invention;
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7A is a plan view showing the configuration of another optical connection structure according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a plan view showing the configuration of another optical connection structure according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a plan view showing the configuration of another optical connection structure according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10B is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical connection structure according to the embodiment of the present invention;
  • FIGS. 1, 2A, 2B, 2C and 2D An optical connection structure according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1, 2A, 2B, 2C and 2D.
  • 2A shows a cross section taken along line AA' in FIG. 1
  • FIG. 2B shows a cross section taken along line BB' in FIG. 1
  • FIG. 2C shows a cross section taken along line CC' in FIG. , shows a section along line DD' of FIG.
  • This optical connection structure comprises a first optical waveguide 101 and a second optical waveguide 102 .
  • the first optical waveguide 101 is a rib-type optical waveguide made up of a core 111 made of ribs and a slab 112 . Also, the first optical waveguide 101 is formed in the optical connection region 150 on the substrate 151 .
  • a second optical waveguide 102 is formed on a substrate 151 .
  • the second optical waveguide 102 has a Si core 121 made of Si.
  • the core 111, slab 112, and Si core 121 are embedded in a clad layer 152 made of, for example, an insulating material.
  • the core material of the second optical waveguide 102 is not limited to Si, but may be SiN, TiO 2 , SiO x or the like.
  • the second optical waveguide 102 is arranged on the substrate 151 so as to overlap the first optical waveguide 101 in the height direction in the optical connection region 150 .
  • the second optical waveguide 102 is formed to extend to one end (the left side of the paper surface of FIG. 1) of the first optical waveguide 101 .
  • the first optical waveguide 101 and the second optical waveguide 102 are optically connected.
  • the thickness t rib of the rib (core 111) of the first optical waveguide 101 is the sum of the thickness t rib of the rib (core 111) and the thickness t slab of the slab 112 of the first optical waveguide 101
  • the value [t rib / (t rib +t slab )] divided by (t rib +t slab ) is less than 0.4.
  • the core 111 of the first optical waveguide 101 has a tapered region 111a whose width in plan view becomes narrower closer to one end of the first optical waveguide 101, thereby forming an optical mode conversion structure.
  • the Si core 121 of the second optical waveguide 102 has a first tapered region 121a whose width in plan view becomes narrower toward the other end (right side of the paper surface of FIG. 1) of the first optical waveguide 101.
  • a second tapered region 121b is provided.
  • an optical waveguide type semiconductor optical device 103 optically connected to the other end of the first optical waveguide 101 is provided.
  • the semiconductor optical device 103 has an active layer core 132 embedded in a compound semiconductor layer 131 such as InP, for example.
  • the semiconductor optical device 103 is arranged at the same height as the first optical waveguide 101 on the substrate 151 .
  • the first optical waveguide 101 is an optical mode conversion mechanism provided in the optical connection region 150 in order to obtain optical connection between the second optical waveguide 102 and the semiconductor optical device 103 .
  • the second optical waveguide 102 is arranged above the substrate 151 and below the first optical waveguide 101 and the semiconductor optical device 103.
  • the present invention is not limited to this.
  • a second optical waveguide 102 can be arranged above the waveguide 101 and the semiconductor optical device 103 .
  • the first optical waveguide 101 is a rib-type optical waveguide, the tolerance to misalignment with the Si core 121 in the optical connection region 150 is improved.
  • the horizontal axis is the length of the taper region (first optical waveguide) (taper length)
  • the vertical axis is the transmittance (optical coupling efficiency from the DD' plane to the BB' plane)
  • each positional deviation is Figure 3 shows the change in transmittance with respect to volume.
  • FIGS. 3A and 3B the solid line indicates the case of using the rib type optical waveguide, and the dotted line indicates the case of not using the rib type optical waveguide. Also, FIG. 3A shows the case where there is no positional displacement, and FIG. 3B shows the case where the positional displacement is 500 nm. It should be noted that the positional deviation represents the relative distance between the Si core 121 and the core 111 in the height (thickness of each layer) direction when viewed from the substrate 151 .
  • a rib-type optical waveguide by using a rib-type optical waveguide, a high transmittance can be obtained with a length of about 1/10 compared to the case without it. Moreover, when compared with the same length, a higher transmittance can be obtained by using a rib-type optical waveguide.
  • the rib-type optical waveguide is used as the first optical waveguide 101 in the optical connection region 150 , so that the spread of light in the lateral direction when viewed in the cross section of the optical waveguide (guiding direction) increases, and the Si core 121 This is because even if there is a positional deviation from the mode of the second optical waveguide 102 composed of , the overlap of the modes becomes relatively large.
  • the horizontal axis represents the rib height t rib and the vertical axis represents the spread of the mode in the horizontal direction (1/e width).
  • the thickness (thisc) of t slab +t rib is 150 nm (black square), 250 nm (black triangle), and 350 nm (black circle).
  • the width of the rib (core 111) is assumed to be 100 nm as a realistic minimum width that can be processed.
  • the alignment (position) deviation is 1 ⁇ m
  • a spread of 1 ⁇ m on one side (2 ⁇ m on both sides) is required as a guideline.
  • the thickness must be reduced to t rib ⁇ 100 nm or less.
  • FIG. 3D shows the result of plotting t rib /(t slab +t rib ) on the horizontal axis and transmissivity on the vertical axis.
  • 1 ⁇ m is assumed as the amount of positional deviation.
  • the transmission loss increases significantly.
  • the ribs are formed thin so that the rib height satisfies 0.4>t rib /(t slab +t rib ), the transmission loss can be significantly suppressed even if the misalignment is 1 ⁇ m. (1.5 dB or less).
  • the total thickness of the first optical waveguide 101 composed of the core 111 made up of the slab 112 and ribs described above is preferably 450 nm. The reason for this will be explained.
  • the first optical waveguide 101 is optically connected to the optical waveguide type semiconductor optical device 103 by the active layer core 132 . If the thickness is different from that of the semiconductor optical device 103 (compound semiconductor layer 131 ), connection loss and reflection will occur at the connection with the first optical waveguide 101 . Therefore, it is desirable that they have the same height (shallowness).
  • the optical waveguide type semiconductor optical device 103 with the active layer core 132 constitutes, for example, a semiconductor laser (described later).
  • a supermode optical waveguide can be formed by arranging a Si core 121 in the lower layer.
  • the width of the Si core 121 can increase or decrease the optical confinement in the active layer core 132 .
  • increasing the width of the Si core 121 reduces the optical confinement of the active layer core 132 .
  • a condition for forming a super mode is that the effective refractive indices of the respective optical waveguides must be matched.
  • FIG. 3E shows the dependence of the effective refractive index of the second optical waveguide 102 on the width of the Si core 121 .
  • (b) and (c) of FIG. 3E show the effective refractive index of the optical waveguide (semiconductor optical device 103) by the active layer core 132.
  • the thickness of the optical waveguide by the active layer core 132 is 200 nm (b) and 500 nm (c).
  • the thickness of the optical waveguide type semiconductor optical device 103 (compound semiconductor layer 131) by the active layer core 132 is 200 nm
  • the effective refraction between the second optical waveguide 102 and the semiconductor optical device 103 by the Si core 121 is rate can be matched.
  • the thickness of the compound semiconductor layer 131 is 500 nm
  • the effective refractive indices of the second optical waveguide 102 and the semiconductor optical device 103 cannot be matched.
  • the thickness of the boundary between them is of the order of 450 nm. Therefore, the thickness of the semiconductor optical device 103 (compound semiconductor layer 131) is set to 450 nm or less, and accordingly the thickness of the first optical waveguide 101 is set to 450 nm or less.
  • the second optical waveguide 102 made of the Si core 121 extends on the substrate 151 side (lower side) of the first optical waveguide 101 .
  • connection with an optical waveguide (from the BB' plane to the AA' plane in FIG. 1) made of the Si core 121 without the slab is required.
  • Fig. 1 shows this connection structure.
  • the Si core 121 has a structure in which the width increases toward the other end of the first optical waveguide 101 along the extending direction.
  • the shape of the slab 112 at one end of the first optical waveguide 101 in plan view is inclined from a state perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 3F shows the dependence of the transmission loss from the first optical waveguide 101 to the second optical waveguide 102 on the width of the Si core 121 in the optical connection structure according to the embodiment.
  • a case where the planar view shape of one end of the slab 112 is oblique (45 degrees) and vertical (90 degrees) are shown.
  • the transmission loss can be suppressed by increasing the width of the Si core 121. This is because when the width of the Si core 121 is widened, the rate of light confinement in the slab portion decreases, and mode discontinuity at the connection portion decreases. Transmission loss can also be suppressed by slanting the shape of one end of the slab 112 . Further, as shown in FIG. 3G, by widening the width of the Si core 121 and slanting one end of the slab 112, an effect of suppressing reflection can be obtained.
  • a first semiconductor layer 137 is formed in a state in which the active layer core 132 is sandwiched in the optical waveguide (semiconductor optical device 103) by the active layer core 132 in a direction perpendicular to the waveguide direction.
  • a second semiconductor layer 138 is made of, for example, a compound semiconductor doped with an n-type impurity.
  • the second semiconductor layer 138 is made of, for example, a compound semiconductor doped with p-type impurities.
  • the semiconductor optical device 103 also includes a diffraction grating 133 formed in a layer above the active layer core 132 .
  • a first electrode 135 and a second electrode 136 are ohmically connected to the first semiconductor layer 137 and the second semiconductor layer 138, respectively.
  • the semiconductor optical device 103 configured in this manner serves as a semiconductor laser having the diffraction grating 133 as a distributed Bragg reflection structure.
  • the semiconductor optical device 103 is not limited to a distributed feedback laser using the diffraction grating 133, and may be an external resonator laser using an external resonator provided in another optical waveguide connected to the semiconductor optical device 103. can.
  • laser oscillation By injecting a current into the active layer core 132 of the semiconductor optical device 103 constituting this semiconductor laser through the first electrode 135 and the second electrode 136, laser oscillation can be obtained.
  • the laser light generated by this laser oscillation can be guided to the second optical waveguide 102 made of the Si core 121 by the optical connection structure according to the embodiment.
  • the depth of the diffraction grating 133 and the thickness of the core 111 due to the ribs are the same.
  • the step of forming the diffraction grating 133 and the step of forming the core 111 can be performed collectively, thereby simplifying the manufacturing process.
  • the depth of the diffraction grating 133 and the thickness of the core 111 can be configured differently.
  • the diffraction grating 133 can obtain a high coupling coefficient by making the depth relatively deep. As a result, it is possible to form a laser having a short cavity length, a low threshold value, and low power consumption.
  • the total thickness of the "In riv-core” and “In slab” in the "Hybrid III-V/Si optical waveguide” described in Non-Patent Document 1 is about 750 nm. , it is possible to match the effective refractive index of the second optical waveguide by the Si core 121 and the semiconductor optical device 103 with a thickness of 450 nm or less.
  • the transmission loss is suppressed to 1.5 dB or less even if there is a misalignment of 1 ⁇ m.
  • the shape of the "In slab” tab in plan view is perpendicular to the waveguide direction, and the width of the Si core is narrow.
  • the planar shape of the slab 112 at one end of the first optical waveguide 101 is inclined from the state perpendicular to the waveguide direction, and the width of the Si core 121 is increased at this point. Therefore, transmission loss and reflection can be suppressed.
  • the core 111 is made thinner and the first optical waveguide 101 and the semiconductor optical device 103 have the same thickness.
  • One tapered region 111a is sufficient.
  • the second optical waveguide 102 can be a rib-type optical waveguide made up of a core 121 ′ made up of ribs and a slab 122 .
  • 6A shows a cross section taken along line AA' of FIG. 5
  • FIG. 6B shows a cross section taken along line BB' of FIG. 5
  • FIG. 6C shows a cross section taken along line CC' of FIG.
  • the optical mode of the second optical waveguide 102 also expands in the lateral direction, and there is an effect of improving the tolerance against a high positional deviation.
  • the slab 112 of the first optical waveguide 101 can be provided with a tapered region 112a that becomes thinner toward one end of the first optical waveguide 101.
  • FIG. 7B shows a cross section taken along line AA' in FIG. 7A. This configuration has the effect of further suppressing coupling loss and reflection.
  • the shape of the slab 112 of the first optical waveguide 101 at one end of the first optical waveguide 101 in plan view is perpendicular to the waveguide direction, and the second optical waveguide at one end of the first optical waveguide 101
  • the waveguide direction of the wave path 102a can be inclined with respect to the waveguide direction of the first optical waveguide 101 in plan view.
  • the core 111' may have the same width in the waveguide direction.
  • 10A shows a cross section taken along line AA' of FIG. 9
  • FIG. 10B shows a cross section taken along line BB' of FIG.
  • the width of the Si core 121 is wide and most of the mode is confined in the Si core 121, the same effect as the above-described embodiment can be obtained, and fine taper processing is not required. has the effect of facilitating
  • the first optical waveguide is arranged to overlap the second optical waveguide.
  • the optical circuit and the semiconductor optical device can be optically connected with high efficiency even if there is some positional deviation.

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Abstract

この光接続構造は、第１光導波路（１０１）と第２光導波路（１０２）とを備える。 第１光導波路（１０１）は、リブによるコア（１１１）とスラブ（１１２）とによるリブ型光導波路とされている。また、第１光導波路（１０１）は、基板（１５１）の上の光接続領域（１５０）に形成されている。第２光導波路（１０２）は、基板（１５１）の上に形成されている。第２光導波路（１０２）は、Ｓｉから構成されたＳｉコア（１２１）を備える。第２光導波路（１０２）は、光接続領域（１５０）において、基板（１５１）の上で第１光導波路（１０１）と高さ方向に重なって配置されている。

Description

光接続構造
　本発明は、光接続構造に関する。
　通信トラフィックの爆発的な増大に伴い、光送受信器の高速・大容量化および小型・低コスト化が求められている。この要求に対して、成熟したＣＭＯＳ製造技術を活用して、大口径のＳｉウェハ上に光回路を形成するシリコンフォトニクス技術が注目されている。現在までに、Ｓｉを用いた小型なパッシブ光部品および高速な光変調器などが実現されている。また、これら光部品を用いた光送受信器がすでに実用化されている。
　一方、Ｓｉは間接遷移型半導体であり、高効率な半導体レーザや半導体光増幅器をＳｉで実現することは容易ではない。従来、これら半導体レーザや半導体光増幅器といった光部品の材料には、直接遷移型半導体が用いられてきた。このため、Ｓｉ基板上に化合物半導体をエピタキシャル成長あるいは直接接合しこの化合物半導体によりレーザあるいは光増幅器を形成し、Ｓｉ光回路とモノリシック集積する試み、あるいはＩｎＰ基板上にレーザを個別に形成しこれをＳｉ光回路とハイブリッド集積する試みがなされている。
　後者のハイブリッド集積においては、各チップ（Ｓｉ光回路とレーザ）を突き合わせ接続させる方法、およびＳｉ光回路上にレーザをトランスファープリンティング（非特許文献１）する方法がある。
　ハイブリッド集積では、集積のためのアセンブリコストが高い一方で、良品チップを選別した後に集積が可能なこと、Ｓｉおよび化合物半導体デバイス製造において個別に最適な製造プロセスを適用できることなどが利点として挙げられる。特に、トランスファープリンティングにおいては、前述の利点を確保しつつモノリシック集積と同等の集積性を有することが優れる点である。
　しかしながら、上述した技術では、レーザを微細なＳｉ光回路と光学的に接続する形で集積するために、高精度な位置合わせを必要とされる。仮に、位置合わせ精度が劣っていたとすると、レーザからの光出力がＳｉ光回路に入力できなくなる。典型的に、数１００ｎｍ以下の精度で位置合わせをすることが望まれるが現状の技術ではそれが容易ではない。このため、位置ずれに対してトレランスが高い、光接続構造の実現が望まれる。位置ずれに対してトレランスが高い光接続構造があれば、多少の位置ずれがあったとしても、レーザの出力に対して、多くの割合の光がＳｉ光回路に入力する状態（高効率）にレーザとＳｉ光回路を光学的に接続することができる。
R. KOU et al., "Inter-layer light transition in hybrid III-V/Si waveguides integrated by μ-transfer printing", Optics Express, vol. 28, no. 13, pp. 19772-19782, 2020.
　前述したように、Ｓｉ光回路にレーザを集積する方法として、トランスファープリンティングが提案されてきたが、Ｓｉ光回路とレーザとの位置ずれが少しでも発生すると、レーザの出力に対して効率よくＳｉ光回路に光を入力させる（光る接続させる）ことができないという問題があった。言い換えると、従来技術では、高精度に位置合わせがされていないと、光回路とレーザなどの半導体光デバイスとを高効率に光接続することができないという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、多少の位置ずれがあっても、光回路と半導体光デバイスとを高効率に光接続できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る光接続構造は、基板の上の光接続領域に形成された、リブによるコアとスラブとによるリブ型光導波路の構造とされた第１光導波路と、光接続領域の基板の上で、第１光導波路と高さ方向に重なって配置され、第１光導波路の一端の側に延在して形成された第２光導波路とを備え、光接続領域で、第１光導波路と第２光導波路とが光学的に接続し、第１光導波路のリブの厚さを第１光導波路のリブと第１光導波路のスラブとの合計の厚さで除した値が、０．４未満とされている。
　以上説明したように、本発明によれば、基板の上の光接続領域で、第２光導波路に重なって配置される第１光導波路をリブによるコアとスラブとによるリブ型光導波路の構造としたので、多少の位置ずれがあっても、光回路と半導体光デバイスとが高効率に光接続できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る光接続構造の構成を示す平面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係る光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態に係る光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図２Ｄは、本発明の実施の形態に係る光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図３Ａは、位置ずれがない場合の第１光導波路と第２光導波路との、導波方向長さに対する透過率の変化を示す特性図である。 図３Ｂは、位置ずれがある場合の第１光導波路と第２光導波路との、導波方向長さに対する透過率の変化を示す特性図である。 図３Ｃは、第１光導波路１０１のリブとされているコア１１１の高さｔribとモードの広がりとの関係を示す特性図である。 図３Ｄは、コア１１１の厚さｔribを、コア１１１の厚さｔribとスラブ１１２の厚さｔslabとの合計の厚さ（ｔrib＋ｔslab）で除した値［ｔrib／（ｔrib＋ｔslab）］と、透過率との関係を示す特性図である。 図３Ｅは、第２光導波路１０２の実効屈折率のＳｉコア１２１の幅に対する依存性（ａ），活性層コア１３２による光導波路（半導体光デバイス１０３）の実効屈折率（ｂ），（ｃ）を示す特性図である。 図３Ｆは、第１光導波路１０１から第２光導波路１０２への透過損失のＳｉコア１２１の幅の依存性を示す特性図である。 図３Ｇは、第１光導波路１０１の一端のスラブ１１２の平面視の形状は、導波方向に垂直な状態から傾斜させた場合の、第１光導波路１０１から第２光導波路１０２への透過損失のＳｉコア１２１の幅の依存性を示す特性図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の構成を示す平面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の構成を示す平面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の構成を示す平面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の構成を示す平面図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の構成を示す平面図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の光接続構造の一部構成を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る光接続構造について図１、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄを参照して説明する。なお、図２Ａは、図１のＡＡ’線の断面を示し、図２Ｂは、図１のＢＢ’線の断面を示し、図２Ｃは、図１のＣＣ’線の断面を示し、図２Ｄは、図１のＤＤ’線の断面を示している。この光接続構造は、第１光導波路１０１と第２光導波路１０２とを備える。
　第１光導波路１０１は、リブによるコア１１１とスラブ１１２とによるリブ型光導波路とされている。また、第１光導波路１０１は、基板１５１の上の光接続領域１５０に形成されている。
　第２光導波路１０２は、基板１５１の上に形成されている。第２光導波路１０２は、Ｓｉから構成されたＳｉコア１２１を備える。コア１１１、スラブ１１２、およびＳｉコア１２１は、例えば、絶縁材料などから構成されたクラッド層１５２に埋め込まれている。なお、第２光導波路１０２は、Ｓｉに限らず、例えば、ＳｉＮやＴｉＯ2、ＳｉＯxなどをコア材料とすることができる。また、第２光導波路１０２は、光接続領域１５０において、基板１５１の上で第１光導波路１０１と高さ方向に重なって配置されている。また第２光導波路１０２は、第１光導波路１０１の一端（図１の紙面の左）の側に延在して形成されている。
　光接続領域１５０において、第１光導波路１０１と第２光導波路１０２とが光学的に接続している。また、第１光導波路１０１のリブ（コア１１１）の厚さｔribを、リブ（コア１１１）の厚さｔribと第１光導波路１０１のスラブ１１２の厚さｔslabとの合計の厚さ（ｔrib＋ｔslab）で除した値［ｔrib／（ｔrib＋ｔslab）］が、０．４未満とされている。
　また、この例では、第１光導波路１０１のコア１１１は、第１光導波路１０１の一端の側に近いほど平面視の幅が狭くなるテーパ領域１１１ａとし、光モード変換構造としている。加えて、この例では、第２光導波路１０２のＳｉコア１２１は、第１光導波路１０１の他端（図１の紙面の右）の側ほど平面視の幅が狭くなる第１テーパ領域１２１ａ、第２テーパ領域１２１ｂを備える。
　また、この例では、第１光導波路１０１の他端に光学的に接続する、光導波路型の半導体光デバイス１０３を備える。半導体光デバイス１０３は、例えば、ＩｎＰなどの化合物半導体層１３１に、活性層となる活性層コア１３２が埋め込まれている。基板１５１の上で、半導体光デバイス１０３は、第１光導波路１０１と同じ高さに配置されている。後述するように、第１光導波路１０１は、第２光導波路１０２と半導体光デバイス１０３との光学的な接続を得るために、光接続領域１５０に設けられた光モード変換機構である。
　ここで、この例では、基板１５１の上で、第１光導波路１０１および半導体光デバイス１０３の下側に、第２光導波路１０２が配置されているが、これに限るものではなく、第１光導波路１０１および半導体光デバイス１０３の上側に、第２光導波路１０２を配置することができる。
　上述したように、第１光導波路１０１をリブ型光導波路としているので、光接続領域１５０おけるＳｉコア１２１との位置ずれに対するトレランスが向上する。図３Ａ、図３Ｂに、横軸をテーパ領域（第１光導波路）の長さ（taper length）、縦軸を透過率（ＤＤ’面からＢＢ’面への光結合効率）とし、各位置ずれ量に対する透過率の変化を示す。
　図３Ａ、図３Ｂにおいて、実線は、リブ型光導波路とした場合を示し、点線は、リブ型光導波路としていない場合を示す。また、図３Ａは、位置ずれがない場合を示し、図３Ｂは、位置ずれが５００ｎｍ発生している場合を示している。なお、位置ずれとは、基板１５１から見て高さ（各層の厚さ）方向に、Ｓｉコア１２１とコア１１１との相対的な距離を表す。
　図３Ａに示すように、位置ずれがない場合は、リブ型光導波路とした場合（実線）と、していない場合（点線）とで、同等の長さで同等の透過率が得られることが分かる。一方、図３Ｂに示すように、位置ずれが５００ｎｍのある場合、リブ型光導波路としていない場合（点線）では、高い透過率を得るために１０００μｍ程度の長さを必要としている。
　これに対し、リブ型光導波路とすることで、しない場合に比較して１／１０程度の長さで高い透過率が得られることが分かる。また、同じ長さで比較した場合においては、リブ型光導波路とすることで、より高い透過率が得られることになる。これは、光接続領域１５０おける第１光導波路１０１をリブ型光導波路とすることで、光導波路（導波方向）断面で見た場合の横方向への光の広がりが大きくなり、Ｓｉコア１２１からなる第２光導波路１０２のモードと位置ずれがあっても、比較的モードの重なりが大きくなるためである。
　また、リブ（コア１１１）の高さは、低いほど良く、特に、０．４＞ｔrib／（ｔslab＋ｔrib）を満たすとき、接続損失が顕著に低減する。以下でその詳細について説明する。
　図３Ｃに、横軸をリブの高さｔrib、縦軸を横方向へのモードの広がり（１／ｅ幅）を示す。ここでｔslab＋ｔribの厚さ（thisc）は、１５０ｎｍ（黒四角），２５０ｎｍ（黒三角），３５０ｎｍ（黒丸）である。なお、リブ（コア１１１）の幅は、加工できる現実的な最小幅として、１００ｎｍを仮定している。
　図３Ｃに示すように、リブ（コア１１１）の高さが小さくなるほど（薄くなるほど）、横方向へのモードの広がりが広くなることが分かる。特に、アライメント（位置）ずれが１μｍある場合には、片側１μｍ（両側２μｍ）の広がりが目安として必要となる。これを満たすためには、例えばｔslab＋ｔrib＝２５０ｎｍの場合には、ｔrib＜１００ｎｍ以下となるように薄くする必要がある。
　具体的に、横軸をｔrib／（ｔslab＋ｔrib）、縦軸を透過率とした結果を図３Ｄに示す。ここで、位置ずれ量として、１μｍを仮定している。図３Ｄに示すように、リブ高さ（コア１１１の厚さ）が、０．５＜ｔrib／（ｔslab＋ｔrib）と高くなると、著しく透過損失が大きくなることが分かる。一方、リブ高さが０．４＞ｔrib／（ｔslab＋ｔrib）を満たすように、リブが薄く形成されていると、位置ずれが1μｍあったとしても著しく透過損失が抑えられることが分かる（１．５ｄＢ以下）。
　従って、リブ（コア１１１）の高さは、０．４＞ｔrib／（ｔslab＋ｔrib）を満たすように低くすることが望ましい。加えて、リブ（コア１１１）を形成する際のエッチング量も少なく済むため、加工が容易になり、またエッチング量に対する誤差にも強くなる利点がある。
　また、上述したスラブ１１２とリブによるコア１１１からなる第１光導波路１０１のトータルの厚さは４５０ｎｍが望ましい。この理由について説明する。第１光導波路１０１は、活性層コア１３２による光導波路型の半導体光デバイス１０３と光学的に接続される。半導体光デバイス１０３（化合物半導体層１３１）と厚さが異なると、第１光導波路１０１との接続部分で、接続損失および反射が生じる。従って、これらは、同じ高（浅）さであることが望ましい。活性層コア１３２による光導波路型の半導体光デバイス１０３は、例えば、半導体レーザを構成する（後述）。
　この半導体レーザの形態の１つとして、下の層にＳｉコア１２１を配置することで、スーパーモード光導波路を形成することができる。スーパーモードを形成することで、Ｓｉコア１２１の幅により活性層コア１３２への光閉じ込めを増減させることができる。例えば、Ｓｉコア１２１の幅を広げると、活性層コア１３２の光閉じ込めが下がる。これにより、高光出力の半導体レーザが実現できる。スーパーモードを形成させるための条件は、それぞれの光導波路の実効屈折率がマッチングしている必要がある。
　図３Ｅの（ａ）は、第２光導波路１０２の実効屈折率のＳｉコア１２１の幅に対する依存性を示している。図３Ｅの（ｂ），（ｃ）に、活性層コア１３２による光導波路（半導体光デバイス１０３）の実効屈折率を示している。ここで、活性層コア１３２による光導波路の厚さは、２００ｎｍ（ｂ），５００ｎｍ（ｃ）である。
　この図より、活性層コア１３２による光導波路型の半導体光デバイス１０３（化合物半導体層１３１）の厚さが２００ｎｍであれば、Ｓｉコア１２１による第２光導波路１０２と半導体光デバイス１０３との実効屈折率がマッチングすることができる。一方、化合物半導体層１３１の厚さが５００ｎｍであれば、第２光導波路１０２と半導体光デバイス１０３との実効屈折率をマッチングさせることができない。これらの間の境界の厚さは、４５０ｎｍ程度である。従って、半導体光デバイス１０３（化合物半導体層１３１）の厚さは、４５０ｎｍ以下とし、これに伴い、第１光導波路１０１の厚さは、４５０ｎｍ以下とする。
　上述した実施の形態に係る光接続構造では、第１光導波路１０１の基板１５１の側（下側）に、Ｓｉコア１２１からなる第２光導波路１０２が延在している。通常のＳｉ光回路では、上の層にスラブは存在しないため、スラブが存在しないＳｉコア１２１からなる光導波路との接続（図１のＢＢ’面からＡＡ’面）が必要となる。
　図１は、この接続構造を示してある。Ｓｉコア１２１は延在方向に沿って、第１光導波路１０１の他端の側に行くほど幅が太くなる構造が形成されている。この太くなったＳｉコア１２１の上側において、第１光導波路１０１の一端のスラブ１１２の平面視の形状は、導波方向に垂直な状態から傾斜している。図３Ｆは、実施の形態に係る光接続構造における第１光導波路１０１から第２光導波路１０２への透過損失のＳｉコア１２１の幅の依存性を示している。また、スラブ１１２の一端における平面視の形状が斜め（４５度）の場合と垂直（９０度）の場合をそれぞれ示している。
　図３Ｆに示すように、Ｓｉコア１２１の幅を広げることで透過損失が抑えられることが分かる。これは、Ｓｉコア１２１の幅を広げるとスラブ部分での光の閉じ込めの割合が下がり、接続部でのモード不連続が低減するためである。また、スラブ１１２の一端の形状を斜めにすることでも透過損失を抑えることができる。また、図３Ｇに示すように、Ｓｉコア１２１の幅を広げスラブ１１２の一端を斜めにすることで、反射を抑える効果も得られる。
　以上では、第１光導波路１０１と第２光導波路１０２との２つの光導波路との接続構造について述べたが、光導波路構造の半導体光デバイス１０３は、半導体レーザを構成する。図４Ａ、図４Ｂに示すように、活性層コア１３２による光導波路（半導体光デバイス１０３）に、導波方向に垂直な方向で活性層コア１３２を挟む状態で形成された、第１半導体層１３７、第２半導体層１３８を備える。第１半導体層１３７は、例えば、ｎ型不純物がドーピングされた化合物半導体から構成されている。また、第２半導体層１３８は、例えば、ｐ形不純物がドーピングされた化合物半導体から構成されている。これらは、化合物半導体層１３１に、対応する不純物をドーピングすることで形成されたものである。また、半導体光デバイス１０３は、活性層コア１３２の上の層に形成された回折格子１３３を備える。また、第１半導体層１３７，第２半導体層１３８には、第１電極１３５，第２電極１３６がオーミック接続している。
　このように構成された半導体光デバイス１０３は、回折格子１３３を分布ブラッグ反射構造とする半導体レーザとなる。なお、半導体光デバイス１０３は、回折格子１３３による分布帰還型のレーザに限らず、半導体光デバイス１０３に接続する他の光導波路に設けられた外部共振器による外部共振器型のレーザとすることができる。
　この半導体レーザを構成する半導体光デバイス１０３の活性層コア１３２に、第１電極１３５，第２電極１３６を介して電流を注入することで、レーザ発振が得られる。このレーザ発振によるレーザ光は、実施の形態に係る光接続構造により、Ｓｉコア１２１からなる第２光導波路１０２に導波させることができる。
　ここで回折格子１３３の深さと、リブによるコア１１１の厚さとは、同じである。これらを同じ状態とすることで、回折格子１３３の形成工程とコア１１１の工程を一括で行うことができ、製造の簡便化が図れる。なお、回折格子１３３の深さとコア１１１の厚さは、異なる構成とすることができる。例えば、回折格子１３３は、深さを相対的に深くすることで、高い結合係数が得られる。これにより共振器長の短い低閾値・低消費電力なレーザが形成できるという効果が得られる。
　ここで、非特許文献１に記載されている「ハイブリッドＩＩＩ－Ｖ／Ｓｉ光導波路」における「In riv-core」と「In slab」との合計の厚さは、７５０ｎｍ程度あるが、実施の形態では、４５０ｎｍ以下と薄く、Ｓｉコア１２１による第２光導波路と半導体光デバイス１０３との実効屈折率をマッチングさせることができる。
　非特許文献１に記載されている「ハイブリッドＩＩＩ－Ｖ／Ｓｉ光導波路」では、「In riv-core」が、０．７６＝ｔrib／（ｔslab＋ｔrib）と厚い（高い）。これに対し、実施の形態では、コア１１１を薄くすることで、位置ずれが１μｍあっても、１．５ｄＢ以下の透過損失に抑えられている。
　非特許文献１に記載されている「ハイブリッドＩＩＩ－Ｖ／Ｓｉ光導波路」では、「In slab」のタブの平面視の形状は、導波方向に対して垂直であり、Ｓｉコアの幅が細い。これに対し、実施の形態では、第１光導波路１０１の一端のスラブ１１２の平面視の形状を、導波方向に垂直な状態から傾斜させ、この箇所におけるＳｉコア１２１の幅を大きくしているので、透過損失および反射を抑えることができる。
　また、非特許文献１の技術に対し、実施の形態では、コア１１１を薄くし、第１光導波路１０１と半導体光デバイス１０３とを同じ厚さとしているので、コア１１１に設けるテーパ形状は、１つのテーパ領域１１１ａで十分である。
　ところで、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示すように、第２光導波路１０２は、リブによるコア１２１’とスラブ１２２とによるリブ型光導波路とすることができる。なお、図６Ａは、図５のＡＡ’線の断面を示し、図６Ｂは、図５のＢＢ’線の断面を示し、図６Ｃは、図５のＣＣ’線の断面を示している。この構成とすることで、第２光導波路１０２の光モードも横方向への広がりが大きくなり、さらに高い位置ずれに対するトレランスが向上する効果がある。
　また、図７Ａ、図７Ｂに示すように、第１光導波路１０１のスラブ１１２に、第１光導波路１０１の一端の側ほど薄くなるテーパ領域１１２ａを設けることができる。なお、図７Ｂは、図７ＡのＡＡ’線の断面を示している。この構成とすることで、さらに結合損失と反射が抑制される効果がある。
　また、図８に示すように、第１光導波路１０１の一端の第１光導波路１０１のスラブ１１２の平面視の形状は、導波方向に垂直とし、第１光導波路１０１の一端における第２光導波路１０２ａの導波方向を、平面視で、第１光導波路１０１の導波方向に対して傾斜させるとができる。この構成とすることで、第２光導波路１０２の導波方向を第１光導波路１０１の導波方向と同一とした状態で、第１光導波路１０１の一端のスラブ１１２の平面視の形状を、導波方向に垂直な状態から傾斜させる構成と効果と同等の効果が得られる。
 また、図９、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、導波方向に同一の幅としたコア１１１’の構成とすることができる。なお、図１０Ａは、図９のＡＡ’線の断面を示し、図１０Ｂは、図９のＢＢ’線の断面を示している。この構成では、Ｓｉコア１２１の幅が広くモードの大半がＳｉコア１２１に閉じ込められていれば、前述した実施の形態と同様の効果が得られ、かつ微細なテーパ加工を必要としないため、製造が容易になるという効果がある。
　以上に説明したように、本発明によれば、基板の上の光接続領域で、第２光導波路に重なって配置される第１光導波路をリブによるコアとスラブとによるリブ型光導波路の構造としたので、多少の位置ずれがあっても、光回路と半導体光デバイスとが高効率に光接続できるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…第１光導波路、１０２…第２光導波路、１０３…半導体光デバイス、１１１…コア、１１１ａ…テーパ領域、１１２…スラブ、１２１…Ｓｉコア、１２１ａ…第１テーパ領域、１２１ｂ…第２テーパ領域、１３１…化合物半導体層、１３２…活性層コア。

Claims (8)

  1. 　基板の上の光接続領域に形成された、リブによるコアとスラブとによるリブ型光導波路の構造とされた第１光導波路と、
    　前記光接続領域の前記基板の上で、前記第１光導波路と高さ方向に重なって配置され、前記第１光導波路の一端の側に延在して形成された第２光導波路と
    　を備え、
    　前記光接続領域で、前記第１光導波路と前記第２光導波路とが光学的に接続し、
    　前記第１光導波路のリブの厚さを前記第１光導波路のリブと前記第１光導波路のスラブとの合計の厚さで除した値が、０．４未満とされていることを特徴とする光接続構造。
  2. 　請求項１記載の光接続構造において、
    　前記第２光導波路のコアは、前記第１光導波路の他端の側ほど平面視の幅が狭くなるテーパ領域を備えることを特徴とする光接続構造。
  3. 　請求項１または２記載の光接続構造において、
    　前記第１光導波路のコアは、前記第１光導波路の一端の側に近いほど平面視の幅が狭くなるテーパ領域を備えることを特徴とする光接続構造。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の光接続構造において、
    　前記第１光導波路の一端の前記第１光導波路のスラブの平面視の形状は、導波方向に垂直な状態から傾斜していることを特徴とする光接続構造。
  5. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の光接続構造において、
    　前記第１光導波路の一端の前記第１光導波路のスラブの平面視の形状は、導波方向に垂直とされ、
    　前記第１光導波路の一端における前記第２光導波路の導波方向は、平面視で、前記第１光導波路の導波方向に対して傾斜していることを特徴とする光接続構造。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の光接続構造において、
    　前記第２光導波路は、リブによるコアとスラブとによるリブ型光導波路とされていることを特徴とする光接続構造。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の光接続構造において、
    　前記第１光導波路のスラブは、前記第１光導波路の一端の側ほど薄くなるテーパ領域を備えることを特徴とする光接続構造。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の光接続構造において、
    　前記第１光導波路の他端に光学的に接続する、導波路型の半導体光デバイスを備えることを特徴とする光接続構造。
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