(57)【要約】【課題】単純な構造で作製が容易で実用的な長さで実現できる層間結合器を提供する。【解決手段】層間結合器１００は、第１導波路１０から遷移した光分布を第２導波路２０に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、第１導波路１０および第２導波路２０は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第１テーパ１１と、第１テーパ１１の端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパ１２と、を備え、第１テーパ１１は、高屈折率のテーパ形状を有し、第２テーパ１２は、第１テーパ１１が下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導波路と、前記第１導波路と所定層間距離離隔して配置された第２導波路と、を備え、前記第１導波路から遷移した光分布を前記第２導波路に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、
前記第１導波路または前記第２導波路のうち少なくとも一方は、
導波路から先端に向かって幅が狭くなる第１テーパと、
前記第１テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパと、を備える
ことを特徴とする記載の層間結合器。
【請求項２】
前記第１テーパは、高屈折率のテーパ形状を有し、
前記第２テーパは、前記第１テーパが下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の層間結合器。
【請求項３】
前記第１導波路および前記第２導波路は、
前記第２テーパ同士が互いに逆方向に向かい合って重なるように配置し、前記第１導波路の前記第２テーパから遷移した光分布を前記第２導波路の前記第２テーパに結合させて層間を結合する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の層間結合器。
【請求項４】
前記第１テーパは、前記光分布を、前記第２テーパの起点の大きさまで、反射、放射、モード変換を閾値以下の範囲で拡大する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の層間結合器。
【請求項５】
前記層間距離は、０．５μｍから１．５μｍの範囲である
ことを特徴とする請求項１に記載の層間結合器。
【請求項６】
前記第１テーパは、単数または複数のテーパ形状からなる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の層間結合器。
【請求項７】
前記第１テーパは、直線または曲線のテーパ形状を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の層間結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光配線を組み込んだ光回路チップ中の層を跨いで配線を結ぶ層間結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンのＬＳＩにおける成熟したプロセス技術が利用できるシリコン・フォトニクスの研究の進展により、極めて微細で急な曲がりにおいても低損失な光導波路（以下、導波路という）の実現が可能となっている。そのため、光通信用の送受信モジュールおよびシステムの小型化、低消費電力化や、シリコンＬＳＩへの光配線の導入および融合化が可能となりつつある。こうした導波路の候補としては、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板上に比較的簡単な手法で形成できるシリコン（Ｓｉ）細線導波路が有力である。シリコン細線やシリコンリブ構造は、光通信に用いられる波長１．３〜１．５μｍの光に対して、低損失の導波路として機能することが知られている。
増大する信号量や通信速度の要求に応えつつ、コストを抑えるには、光導波回路の集積度を向上させることが重要である。そのために、導波路を平行に配列するだけではなく、導波路が互いに交差する箇所を設ける必要がある。
【０００３】
特許文献１には、基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された第１の光導波路と、前記第１の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の一方に、先端を前記第１の光導波路の側面に向けて形成され、該先端部がテーパ状に絞られた第２の光導波路と、前記第１の光導波路によって区切られた前記下部クラッド層の他方に、先端を前記第２の光導波路の先端部に対向して形成され、該先端部がテーパ状に絞られた第３の光導波路と、を備える光導波回路が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０４７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光導波路同士を光学的に結合するために、チップ垂直方向に光を取り出す回折格子（メタルミラーを備えるグレーティングカプラなど）を用いる光導波路結合構造では、構造が複雑であり、作製は容易ではなく、高コスト化は避けられない。
一方、多層光回路では、層を超えた意図せぬ信号漏話を無視するため、上下層の導波路の間隔は層間距離（層間厚）１μｍ以上とするのが望ましい。
例えば、導波路形状を先端部分だけ先細りのテーパ型にすることによって、電磁界分布を広範に広げ、上下層の導波路を結合させる層間結合器が提案されている（後記比較例参照）。テーパ型の導波路で実現できるので、簡便な構造であるものの、層間距離１μｍ以上に対し、５ｃｍ程度の非常に長い素子長が必要となるという重大な欠点がある。このような非常に長い素子長が必要となるので、上記層間結合器を備える多層光回路は実用化されていない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単純な構造で作製が容易で短い長さで実現できる層間結合器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した課題を解決するため、本発明に係る層間結合器は、第１導波路と、前記第１導波路と所定層間距離離隔して配置された第２導波路と、を備え、前記第１導波路から遷移した光分布を前記第２導波路に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、前記第１導波路または前記第２導波路のうち少なくとも一方は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第１テーパと、前記第１テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単純な構造で作製が容易で短い長さで実現できる層間結合器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る層間結合器の構成を示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る層間結合器の構成を示す図であり、（ａ）は、その上面図、（ｂ）は、その側面図である。
【図３】本実施形態に係る層間結合器のｃ-Ｓｉ導波路（第１導波路）／ＩｎＰ導波路（第２導波路）の層間結合器の構成を示す図であり、（ａ）は、その上面図、（ｂ）は、その側面図である。
【図４】本実施形態に係る層間結合器の比較例の層間結合器の構成を示す斜視図である。
【図５】本実施形態に係る層間結合器の比較例の層間結合器を示す図であり、（ａ）は、その上面図、(ｂ）は、上記比較例の層間結合器の側面図である。
【図６】本実施形態の層間結合器と従来構造の層間結合器の実行屈折率の分布を示す図であり、（ａ）は比較例の層間結合器の平面図、（ｂ）は実行屈折率の分布、（ｃ）は本実施形態の平面図である。
【図７】本実施形態の層間結合器と比較例の層間結合器を入射器に適用した場合の９５％程度の結合効率を得たるための素子長Ｌと層間距離Ｄとの関係を示す図である。
【図８】本実施形態に係る層間結合器の変形例の層間結合器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る層間結合器の構成を示す斜視図である。図２（ａ）は、層間結合器の上面図、図２（ｂ）は、層間結合器の側面図である。
［構成］
図１および図２に示すように、層間結合器１００は、基板１上に形成された第１導波路１０と、第１導波路１０と層間距離（層間厚）Ｄ離隔して平行に配置された第２導波路２０と、を備える。
層間結合器１００は、第１導波路１０から遷移した光分布（電磁界分布）を第２導波路２０に伝播させて層間を結合する。層間結合器１００は、機能性部品同士を結ぶ導波路を交差させたい場合、一方の導波路を別の層まで繋ぐときに用いる方向性結合器である。
第１導波路１０は、例えばｃ-Ｓｉ(Crystal silicon)からなるｃ-Ｓｉ導波路であり、第２導波路２０は、例えばａ-Ｓｉ(amorphous silicon):Ｈからなるａ-Ｓｉ:Ｈ導波路である。ここで、第２導波路２０の材料として、ａ-Ｓｉ:Ｈを用いると、ａ-Ｓｉ:Ｈは低温で積層できるので第２導波路２０に繋がる光機能素子回路や電子回路にダメージを与えないので好ましい。第１導波路１０は、かかる熱的な制約はないので導波路の材料としてｃ-Ｓｉを用いている。第１導波路１０および第２導波路２０のいずれの材料にもａ-Ｓｉ:Ｈを用いてもよい。
第１導波路１０および第２導波路２０の材質は、シリコン（Ｓｉ）には限定されず、どのような材質でもよい。後記するように、一方または双方の導波路の材質が化合物半導体（例えば、ＩｎＰ）であってもよい。
基板１は、例えばＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板である。なお、基板１は、どのような材質の基板でもよい。
【００１１】
第１導波路１０は、先端１０ａに向かって幅が狭くなる第１テーパ（１ｓｔｔａｐｅｒ）１１と、第１テーパ１１の端部１１ａから先端１０ａに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパ（２ｎｄｔａｐｅｒ）１２と、を備える。
第２導波路２０は、先端２０ａに向かって幅が狭くなる第１テーパ（１ｓｔｔａｐｅｒ）２１と、第２テーパ２１の端部２１ａから先端２０ａに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパ（２ｎｄｔａｐｅｒ）２２と、を備える。
図１の例では、第１導波路１０と第２導波路２０とは、同一構造を採る。第１導波路１０と第２導波路２０とは、平行に層間距離Ｄ離隔して対向配置される。図１および図２（ａ）に示すように、第１導波路１０は、先端１０ａを図１のｚ軸の＋方向に配置した場合、第２導波路２０の先端２０ａは、図１のｚ軸の−方向に配置される。図１および図２（ｂ）に示すように、下側の第１導波路１０と上側の第２導波路２０とは、層間距離Ｄ離隔している。層間距離Ｄは、例えば１μｍである。ここで、素子長を鑑みると、使用される層間距離Ｄは、Ｄ＝５００ｎｍ〜１．５μｍと考えられる。そのためＤ＝１μｍに限定されるものではない。
【００１２】
図１および図２（ａ）に示すように、第１導波路１０と第２導波路２０とは、第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路２０の第２テーパ２２とが、上方から見て、逆方向に向かい合って上下が重なるように配置している。すなわち、第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路２０の第２テーパ２２のみが、上方から見て、上下が重なるように配置している。第１導波路１０と第２導波路２０とは、第２テーパ１２と第２テーパ２２とが、上方から見て、上下が重なるように交差しているものの、空間的には層間距離Ｄ離隔している。第１導波路１０と第２導波路２０とは、図１のｙ軸方向に離隔しているので、例えば基板１上に他の導波路を形成することができる。ここで、第２導波路２０の他方の先端を、図１と同様の構造とし、かつ、第１導波路１０と同様の構造で層間結合させることで、第２導波路２０が、ＬＳＩチップ内への光配線を組み込んだ光回路チップ中の層を跨いで配線を結ぶ層間結合器を実現することができる。なお、第１導波路１０または第２導波路２０の他方の先端は、図示しないその他のデバイス（光回路等）に接続されるものでもよい。
【００１３】
図１および図２に示すように、第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路２０の第２テーパ２２とは、上方から見て、上下方向（ｙ軸方向）に重なるように配置される。第１導波路１０の第１テーパ１１の起点から第２導波路２０の第１テーパ２１の起点までの区間のテーパ長をＬとする。
また、ｃ-Ｓｉからなる第１導波路１０の幅は、４５０ｎｍ、厚さは２２０ｎｍである。a-Ｓｉ:Ｈからなる第２導波路２０の幅は、４５０ｎｍ、厚さは２２０ｎｍである。
【００１４】
<第１テーパ>
第１テーパ１１，２１は、光の反射を許容する高屈折率のテーパ形状を有する。光の反射および高屈折率については、後記する。また、第１導波路１０の第１テーパ１１の起点と第２導波路２０の第１テーパ１１の起点間の素子長は２００μｍ近傍である。
【００１５】
<第２テーパ>
第２テーパ１２，２２は、第１テーパ１１，２１の端部１１ａ，２１ａから先端１０ａ，２０ａに向かって、より緩やかなテーパ形状で先が細くなっている。
第２テーパ１２，２２は、第１テーパ１１，２１が反射を許容することで下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する。実行屈折率とは、実効的に光のモード全体がどの屈折率を感じているかを示す指標である。実行屈折率が低ければ低い程、結合長を短くできる。結合長は、ある％で結合効率をとるために必要な長さである。通常、７０〜８０％の結合効率をとる場合のテーパ長の長さで表される。９５％と８０％の結合効率の場合における結合長を計算し、第１導波路１０および第２導波路１０を作製した。
第１導波路１０および第２導波路２０は、第２テーパ１２，２２同士が逆方向に向かい合って重なるように配置し、第１導波路１０の第２テーパ１２から遷移した光分布を第２導波路２０の第２テーパ２２に結合させて層間を結合する。
第１導波路１０の第１テーパ１１のテーパ形状と第２導波路２０の第１テーパ１１のテーパ形状とは、図１に示すように対称形（同一形状）でもよく、後記する図３に示すように非対称形でもよい。
【００１６】
このように、層間結合器１００は、第１導波路１０および第２導波路２０が、第１テーパ１１，２１および第２テーパ１２，２２を備えるダブルテーパ型層間結合器の構造を採る。
【００１７】
<光の反射>
光の反射について述べる。
本明細書では、光の反射とは、「光の電磁界」が「屈折率分布の不連続点、および急激な変化点（すなわち、テーパ形状に切り替わる箇所および、テーパ箇所）」で干渉し、後方へ進むことをいう。ちなみに、テーパ形状による屈折率分布の変化により、他にも、光が外へ逃げたり（放射）、モード変換（導波路形状によって固有の安定な電磁界分布（モード）が複数あった場合、それらの間を遷移する現象）がある。
上記反射、放射、モード変換の効果のうち、本テーパ形状では、反射による効果が支配的である。すなわち、第１テーパ１１，２１のような傾斜の強いテーパ形状の場合、放射よりも反射の方が強く出る。さらに、c-Si/a-Si:Hの導波路の場合、安定な電磁界分布（光分布）も一つしかない。このため、第１テーパ１１，２１を律速することは「反射」のみとなる。
ただし、c-Si/a-Si:H以外の導波路を用いた場合、反射／放射／モード変換は、３つとも律速要因となり得る。したがって、これら３つの反射／放射／モード変換を無視できる、という意味の「断熱的変化」という言葉を用いた。第１テーパ１１，２１を定義づける表現としては、「電磁界分布を所望の大きさ（第２テーパ１２，２２の起点の大きさ）まで断熱的に拡大する範囲で最短のもの」と定義することができる。
以上のことから、第１テーパ１１，２１の役割は、「電磁界分布を所望の大きさ（第２テーパ１２，２２の起点の大きさ）まで、最短距離で、拡大すること」である。第１テーパ１１，２１は、電磁界分布を、第２テーパ１２，２２の起点の大きさまで反射、放射、モード変換を閾値（閾値は信号強度の相対的な差異(パワー比)で示され、例えば、それぞれ−３０ｄＢ）以下で拡大する。
本構造の利点は、結合に寄与しない部分を第１テーパ１１，２１でできるだけ短縮していることである。その意味で「最短距離で」と記述している。テーパ長を短くすると上記の反射（放射も）が増えることから、この場合の最短とは、上記の反射（放射も）が許容できる範囲での最短という意味である。
【００１８】
導波路では、光が良好に閉じ込められているが、導波路に強い屈折率差があると必ず反射が発生する。そこで、導波路にテーパを形成し、このテーパにより緩やかに屈折率を変化させることで、断熱的にモードが変わっていく。テーパは、反射をなくした状態で光のモードを変えるものであり、テーパのスロープの角度（プロファイル）がかなり緩くないと断熱的にモードが変わらない。
層間結合器では、一層の導波路の場合と異なり、対向する導波路との間で、光のフィールドの重なりがある程度必要である。テーパのスロープの角度をかなり緩くする必要がある。
【００１９】
<第１テーパの高屈折率>
第１テーパ１１，２１の高屈折率について述べる。
高屈折率は、概ね屈折率が導波路コア−クラッド間で１．５〜２程度離れていることをいう。高屈折率は、材料由来であり限度がある。高屈折率の上限は、現実的なところでは、Ｇｅの４程度であると考えられる。
【００２０】
<テーパ長の長さ>
テーパ長の長さについて述べる。
本層間結合器１００でいう結合長は、第２テーパ１２，２２のことである。なぜなら、第１テーパ１１，２１は結合に寄与しないからである。したがって、層間結合器１００の素子長は、下記となる。
素子長＝第１テーパ＋第２テーパ＝第１テーパ＋結合長
なお、後記比較例の層間結合器では、素子全体が結合に寄与するので、結合長＝素子長となる。
【００２１】
［構成：導波路非対称形］
図３は、ｃ-Ｓｉ導波路（第１導波路）／ＩｎＰ導波路（第２導波路）の層間結合器の構成を示す図であり、図３（ａ）は、上記層間結合器の上面図、図３（ｂ）は、上記層間結合器の側面図である。
図３に示すように、層間結合器１００Ａは、図１および図２のa-Ｓｉ:Ｈ導波路２０（第２導波路）に代えてＩｎＰ導波路３０（第２導波路）を用いている。ここでは、第２導波路の材質に、III-V族化合物半導体ＩｎＰを用いているが、他の化合物半導体であってもよい。
第１導波路１０は、先端１０ａに向かって幅が狭くなる第１テーパ（１ｓｔｔａｐｅｒ）１１と、第１テーパ１１の端部１１ａから先端１０ａに向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパ（２ｎｄｔａｐｅｒ）１２と、を備える。
ｃ-Ｓｉからなる第１導波路１０の幅は、４５０ｎｍ（図３（ａ）参照）、第１導波路１０の厚さは、２２０ｎｍ（図３（ｂ）参照）である。第２テーパ１２の起点における第１導波路１０の幅（第１テーパ１１の端部１１ａの幅）Ｗtip２は２５０ｎｍ、第２テーパ１２の終点における第１導波路１０の幅（第１導波路１０の先端１０ａの幅）Ｗtip１は１５０ｎｍである。
【００２２】
第２導波路３０は、先端３０ａに向かって幅が狭くなる第１テーパ（１ｓｔｔａｐｅｒ）３１と、第２テーパ２１の端部３１ａから先端３０ａに向かって、より緩やかなテーパ形状で先が細くなる第２テーパ（２ｎｄｔａｐｅｒ）３２と、を備える。
ＩｎＰからなる第２導波路３０の幅は、３０００ｎｍ（図３（ａ）参照）、第２導波路３０の厚さは、２７０ｎｍ（図３（ｂ）参照）である。第２テーパ３２の起点における第２導波路３０の幅（第１テーパ３１の端部３１ａの幅）Ｗtip２は２５０ｎｍ、第２テーパ１２の終点における第２導波路３０の幅（第２導波路３０の先端３０ａの幅）Ｗtip１は１５０ｎｍである。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、第１導波路１０と第２導波路３０とは、層間距離Ｄ離隔して平行に対向配置される。層間距離Ｄは、例えば１μｍである。図３に示すように、第１導波路１０は、先端１０ａを図１のｚ軸方向に配置した場合、第２導波路３０の先端３０ａは、図３のｚ軸の−方向に配置される。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、第１導波路１０と第２導波路３０とは、第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路３０の第２テーパ３２とが、上方から見て、上下が重なるように配置している。すなわち、第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路３０の第２テーパ３２のみが、上方から見て、上下が重なるように配置している。第１導波路１０と第２導波路３０とは、第２テーパ１２と第２テーパ３２とが、上方から見て、上下が重なるように配置しているものの、空間的には層間距離Ｄ離隔している。第１導波路１０と第２導波路３０とは、図３のｙ軸方向に離隔しているので、ＬＳＩチップ内への光配線を組み込んだ光回路チップ中の層を跨いで配線を結ぶ層間結合器を実現することができる。
【００２５】
第１導波路１０の第１テーパ１１の起点から第２導波路３０の第１テーパ３１の起点までの区間のテーパ長をＬとする。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１および図３（ａ）に示すように、ｃ-Ｓｉからなる第１導波路１０の第１テーパ１１のテーパ長Ｌ１は１０μｍ、第２テーパ１２のテーパ長Ｌ２は１５０μｍである。ａ-Ｓｉ:Ｈからなる第２導波路３０の第１テーパ３１のテーパ長Ｌ３は４０μｍ、第２テーパ３２のテーパ長Ｌ２は１５０μｍである。このように、導波路の材質によって、第１テーパ１１のテーパ長Ｌ１と第１テーパ３１のテーパ長Ｌ３は、異なる。第１テーパ１１，３１の高屈折率機能を有効に発揮させるためである。これに対して、第２テーパ１２，３２のテーパ長Ｌ２は、両者で等しい。換言すれば、第２テーパ１２，３２のテーパ形状を等しくする（両者のＷtip１とＷtip２とを等しくする）ことで、第２テーパ１２と第２テーパ３２との上下方向の重なり具合を均等にする。第２テーパ１２，３２の光伝播を均一にするためである。
なお、表１に示すように、層間結合器１００Ａのデバイス長は、２００μｍ、導波路幅依存性は±５０μｍであることを確認した。
【００２８】
［作用］
以下、上述のように構成された層間結合器１００の作用について説明する。
本発明の基本的な考え方について説明する。
先端に向かって幅が狭くなる先細のテーパを有する上下層の導波路を、当該テーパ同士が向かい合って重なるように平行に配置する。このようなテーパを有する層間結合器では、第１導波路中を導波してきた信号光は、テーパ部分において、徐々に光閉じ込めを弱くされるために、屈折率の大きい第１導波路中を伝播できなくなり、第１導波路から第２導波路へ光分布（電磁界分布）が徐々に移行する。第１導波路と第２導波路とは、先端が逆方向に配置され、テーパ同士が互いに向かい合って重なるように配置するので、第１導波路から遷移した光分布は、徐々に光閉じ込め効果が大きくなってくる第２導波路のテーパ部分において吸い込まれ、高屈折率の第２導波路に部分結合される。このように、テーパによって第１導波路を細くしていくと、光が閉じ込めきれなくなって光分布として拡がっていく。光分布が拡がっていく状態で、対向する場所にテーパを有する第２導波路が設けられているので、拡がっていく光が第２導波路に吸い込まれていく。テーパは、光分布を広げなければならない場所で、反射なく広げるために設けられている。ちなみに、後記比較例で述べるように、光分布を広げなければならない場所で、反射なく広げるためには、上記テーパは非常に緩やかにせざるを得ず、実用に適さない程の長い素子長が必要となっていた。
【００２９】
本発明者らは、テーパを有する導波路を備える層間結合器において、光が隣の層に伝播（遷移）するためには、２つの層の屈折率が近いところが続いていると速く遷移することに着目した。すなわち、後記比較例では、テーパの機能について、反射なく広げる観点からのみ設定していた。これに対し、本発明者らは、光が隣の層に伝播（遷移）することが元々ないような２つの層の屈折率が離れた場所においては、ある程度の実行屈折率の低下を許容する。一方で、上記実行屈折率の低下を許容することで、実際に結合に寄与する２つの層の屈折率が近いところが続くようにする。
【００３０】
本発明は、導波路は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第１テーパと、第１テーパの端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパと、を備え、第１テーパは、高屈折率のテーパ形状を有し、第２テーパは、第１テーパが下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する構造を採る。
【００３１】
次に、比較例について述べる。
図４および図５は、従来構造の層間結合器を比較例として示す図である。図４は、比較例の層間結合器の構成を示す斜視図、図５（ａ）は、上記比較例の層間結合器の上面図、図５（ｂ）は、上記比較例の層間結合器の側面図である。なお、図４は、本実施形態の図１に対応し、図５（ａ）（ｂ）は、本実施形態の図２（ａ）（ｂ）に対応している。
図４および図５（ｂ）に示すように、従来構造の層間結合器２は、基板１上に形成された第１導波路３と、第１導波路３と平行に層間距離Ｄ離隔して配置された第２導波路５と、を備える。第１導波路３は、例えばｃ-Ｓｉからなるｃ-Ｓｉ導波路、第２導波路５は、例えばａ-Ｓｉ:Ｈからなるａ-Ｓｉ:Ｈ導波路である。
第１導波路３は、先端３ａに向かって先細るテーパ４を備え、第２導波路５は、先端５ａに向かって先細るテーパ６を備える。
第１導波路３と第２導波路５とは、同一構造を採る。第１導波路３と第２導波路５とは、層間距離Ｄ離隔して平行に対向配置される。層間距離Ｄは、例えば１μｍである。
【００３２】
図４および図５（ａ）に示すように、第１導波路３と第２導波路５とは、第１導波路３のテーパ４と第２導波路５のテーパ６とが、上方から見て、上下が重なるように配置している。第１導波路３と第２導波路５とは、図４のｙ軸方向に離隔しているので、例えば基板１上に他の導波路を形成することができる。
第１導波路３のテーパ４の起点から第２導波路５のテーパ６の起点までの区間のテーパ長をＬとする。また、ｃ-Ｓｉからなる第１導波路３の幅は、４５０ｎｍ、厚さは２２０ｎｍである。ａ-Ｓｉ:Ｈからなる第２導波路５の幅は、４５０ｎｍ、厚さは２２０ｎｍである。
【００３３】
次に、本実施形態を比較例と対比して説明する。
図６は、本実施形態の層間結合器１００と従来構造の層間結合器２の実行屈折率（Effective Index）の分布を示す図であり、図６（ａ）は比較例の層間結合器２の平面図、図６（ｂ）は実行屈折率の分布、図６（ｃ）は本実施形態１００の平面図を示す。
図６（ｂ）の細破線（第１導波路３）および太破線（第２導波路５）は、上記比較例の実行屈折率を示している。上記比較例では、実行屈折率は約「1.4-2.4」の大きなレンジで変化する。これに伴い、実行屈折率の近接値は約「２」と高い（図６（ｂ）の符号ｂ参照）。さらに、実行屈折率が約「1.4-2.4」の大きなレンジで変化するので、近接箇所も小さい（図６の符号ｃ参照）。
【００３４】
図６（ｂ）の細実線（第１導波路１０）および太実線（第２導波路２０）は、本実施形態の実行屈折率を示している。
光が隣の層に伝播するためには、２つの層の実行屈折率が近いところが続いていると速く遷移する。比較例では、２つの層の実行屈折率が近いところ（領域）を続けようとすると、非常に長い素子長が必要となる。２つの層の屈折率が近いところが少ないと、少ししか遷移しない。
【００３５】
本実施形態では、第１導波路１０および第２導波路２０は、第２テーパ１２，２２の導波路側に、光の反射を許容する高屈折率のテーパ形状を有する第１テーパ１１，１２を形成する。第１テーパ１１，１２は、単位長さ当たりの移動する量が多くなるところ、すなわち、結合を殆どしないところは、テーパで緩やかに屈折率を変化させることを留保し、ある程度の反射を許容する高屈折率のテーパ形状とする。このため、図６（ｂ）の符号ａ１，ａ２に示す第１テーパ１１，１２の領域では、強い屈折率差によって反射が発生し、実行屈折率は大幅に低下する。しかしながら、第１テーパ１１，１２に続く第２テーパ１２，１２において、緩やかに屈折率を変化させることで、断熱的にモードが変わっていく。本実施形態の第２テーパ１２，２２と比較例の導波路３，５のテーパ４，６（図４および図５参照）とは、テーパで緩やかに屈折率を変化させ、遷移した光分布に結合させる点では同じであるが、本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、第２テーパ１２，２２は、第１テーパ１１，１２が反射を許容することで下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させる。すなわち、本実施形態では、殆ど結合しないところは第１テーパ１１，１２の高屈折率のテーパ形状によって無視し、その分、第２テーパ１２，２２で一気に結合させる。
【００３６】
以上のように、比較例では、実行屈折率の高い状態で徐々に、テーパで結合させているので、単位長さ当たりの、隣の層に移る結合効率は、低くなる。これに対して、本実施形態は、元々、第２テーパ１２，２２における実行屈折率は低い状態であるので、単位長さ当たりの、隣の層に移る結合効率は高い。隣の層に移る結合効率は高いので、トータルの長さは短くなる。
【００３７】
本実施形態は、下記２点(1)(2)の優位性がある。
(1)図６（ｂ）の符号ｂに示すように、本実施形態では、比較例に比べ、実行屈折率の近接値が低い。一般的にこの値が低ければ低いほど、結合長は短くなる。
(2)図６（ｂ）の符号ｃに示すように、緩やかなテーパ形状の第２テーパ１２，２２を用いることで近接箇所を大きくし、結合可能領域が長くなる。
このように、本実施形態では、実行屈折率の近接値を低くした上で、２つの層の屈折率が近いところが続く近接箇所を大きくする。
【００３８】
図７は、本実施形態の層間結合器と比較例の層間結合器を入射器（図６の出射器に対応する）に適用した場合の９５％程度の結合効率を得たるための素子長Ｌと層間距離Ｄとの関係を示す図である。図７は、本実施形態の層間結合器と比較例の層間結合器において、それぞれ層間距離Ｄに対して必要となる素子長Ｌを示す。
図７に示すように、比較例（図７の符号□参照）の層間結合器の素子長Ｌは、層間距離Ｄに対して指数関数的に大きくなり、１μｍの層間距離Ｄに対しては５ｃｍ程度が必要である。これに対して、本実施形態（図７の符号◇参照）の層間結合器は、約２００μｍで実現できる。
【００３９】
[実施例]
図３のｃ-Ｓｉ導波路／ＩｎＰ導波路の層間結合器１００Ａにおいて、下記の設計で試作した。
図３において、Ｌ１＝１０μｍ，Ｌ２＝１５０μｍ，Ｌ３＝４０μｍとした場合、９５％程度の結合効率を得た。この場合は、両者の屈折率が０．４程度異なる。このため、第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路３０の第２テーパ３２とは、非対称であり、Ｌ１≠Ｌ３となっている。
【００４０】
図１および図２の層間結合器１００において、層間距離Ｄに対する一段目テーパ長Ｌ１は、９５％程度の結合効率を得るためには、層間距離Ｄ＝０．２−２μｍの範囲で、Ｌ１＝１μｍ〜２０μｍ程度であることを確認した。本構成では、理論的には結合効率９５％以上が可能である。
【００４１】
[変形例]
図８は、変形例の層間結合器の構成を示す図である。
図８（ａ）に示すように、変形例の層間結合器１００Ｂは、第１導波路１０Ｂの第１テーパ１１Ｂおよび第２導波路２０Ｂの第１テーパ２１Ｂが、外方向に凸の湾曲したテーパ形状に形成されている。なお、内方向に凸の湾曲したテーパ形状に形成することも可能である。
【００４２】
図８（ｂ）に示すように、他の変形例の層間結合器１００Ｃは、第１導波路１０Ｃの第１テーパ１１Ｃが、テーパ１１１と、テーパ１１２とからなる。第２導波路２０Ｃの第１テーパ２１Ｃが、テーパ１２１と、テーパ１２２とからなる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る層間結合器１００は、第１導波路１０から遷移した光分布を第２導波路２０に伝播させて層間を結合する層間結合器であって、第１導波路１０および第２導波路２０は、導波路から先端に向かって幅が狭くなる第１テーパ１１と、第１テーパ１１の端部から先端に向かって、より緩やかなテーパ形状で先細る第２テーパ１２と、を備え、第１テーパ１１は、導波する光の反射を許容する高屈折率のテーパ形状を有し、第２テーパ１２は、第１テーパ１１が反射を許容することで下げた実行屈折率を基に、緩やかに屈折率を変化させるテーパ形状を有する。
【００４４】
これにより、殆ど結合しないところは第１テーパ１１，１２の高屈折率のテーパ形状によって無視し、その分、第２テーパ１２，２２では、実行屈折率の近接部分を広い範囲で実現する。その結果、２００μｍ程度（従来比１／２５０程度）の短い素子長で１μｍの層間伝送が可能となる。層間結合器１００は、単純な構造ながら厚膜間の伝送が可能なため、作製容易な多層光回路用層間伝送デバイスとしての実用が期待される。
また、素子長が１μｍ程度であれば、ＣＡＤ設計で行えるので、回折格子（グレーティングカプラなど）を用いる光導波路結合構造よりも格段に作製が容易である。
【００４５】
本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
本実施形態では、第１導波路１０（図１および図２参照）および第２導波路２０，３０が、いずれも第１テーパ１１，２１と第２テーパ１２，２２，３２とを有する例について説明したが、第１導波路１０または第２導波路２０，３０のうち一方のみ（例えば第１導波路１０のみ）が第１テーパおよび第２テーパを有する構造でもよい。この場合の第２導波路には、例えば上記比較例の第２導波路５のテーパ６（図４および図５参照）のようなテーパであってもよい。
また、第１導波路１０の第１テーパ１１および第２テーパ１２のテーパ形状と、第２導波路２０の第１テーパ２１および第２テーパ２２のテーパ形状と、は異なるものでもよい。異なるテーパ形状とは、各テーパのスロープの角度（プロファイル）が異なることのほか、一方の導波路に図８（ａ）に示す曲面（曲線）テーパ形状、図８（ｂ）に示す複数のテーパ（テーパ要素）を用いることが挙げられる。
また、本実施形態では、第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路２０，３０の第２テーパ２２，３２とが、上方から見て、逆方向に向かい合って上下が重なるように配置しているが、上下が重なるように配置されていればよく、例えば第１導波路１０の第２テーパ１２と第２導波路２０，３０の第２テーパ２２，３２とが、所定の角度（１８０°以外）で重なる構造でもよい。このような構造を採ると、本発明の層間結合器において、導波路の方向を変えることができる。
【００４６】
また、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記実施の形態では、層間結合器という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、名称は方向性結合器等であってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１    基板
１０  第１導波路
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ  第１テーパ（１ｓｔｔａｐｅｒ）
１２，２２，３２  第２テーパ（２ｎｄｔａｐｅｒ）
２０，３０  第２導波路
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  層間結合器
１１１，１１２，１２１，１２２  第１テーパの複数のテーパ形状
Ｄ  層間距離（層間厚）
Ｌ  素子長（テーパ長）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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