(57)【要約】      （修正有）【課題】高密度な光配線が可能な多層光導波路の層間を、より高い効率で光結合できる光結合構造を提供する。【解決手段】第１光結合領域１３１を、他の領域の第１コア層１０３より細く形成する。また、第１光結合領域１３１の上部に、層間クラッド層を介して重なって平行に配置された第２光結合領域１５１も、他の領域の第２コア層１０５より細く形成する。また、層間クラッド層は、第１光結合領域１３１と第２光結合領域１５１との間は光結合が可能とされ、第１光結合領域１３１と第２光結合領域１５１との間以外の第１コア層１０３と第２コア層１０５との間では光結合が起きない厚さとされている。【選択図】図２
2015194584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されて第１光結合領域を備える第１コア層と、
前記第１コア層の上に形成された層間クラッド層と、
前記層間クラッド層の上に形成されて、前記第１光結合領域の上部に重なって平行に配置された第２光結合領域を備える第２コア層と、
前記第２コア層の上に形成された上部クラッド層と
を備え、
前記第１光結合領域は、他の領域の前記第１コア層より細く形成され、
前記第２光結合領域は、他の領域の前記第２コア層より細く形成され、
前記層間クラッド層は、前記第１光結合領域と前記第２光結合領域との間は光結合が可能とされ、前記第１光結合領域と前記第２光結合領域との間以外の前記第１コア層と前記第２コア層との間は光結合が起きない厚さとされ
ていることを特徴とする光結合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層光導波路の層間を光結合する光結合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子回路の処理能力の向上や消費電力の低減にむけて、電気配線に代えて光配線を電子回路チップ上に構築する技術の開発が進められている。これらの技術においては、電気配線と同様に光配線にも多層配線が求められ、この要求に応えるために、アモルファスシリコンや窒化シリコンを用いた多層光導波路システムが提案されている。通常、光導波路は、平面内に回路を構築するが、上述した多層光導波路システムにおいては、各光導波路層間の光信号の交換、即ち多層光導波路層間の光結合が必要である。
【０００３】
このような多層光導波路層間の光結合構造としては、現在、図７の（ａ）に示すような、グレーティングカップラを用いた構造が提案されている（非特許文献１）。また、図７の（ｂ）に示す方向性結合器を用いた構造（非特許文献２）、および図７の（ｃ）に示す対向逆テーパーを用いた構造（非特許文献３）なども提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J-H. Kang, Y. Nishikawa, Y. Atsumi, M. Oda, T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai, "Amorphous Silicon Grating-Type Layer-to-Layer Couplers for Intra-Chip Connection," 2012 IEEE Optical Interconnects Conference, Santa Fe, TuD3, pp.52-53,2012.
【非特許文献２】D.D. John, M.J.R. Heck, J. F. Bauters, R. Moreira, J.S. Barton, J.E. Bowers, and D.J. Blumenthal, "Multilayer Platform for Ultra-Low-Loss Waveguide Applications", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.24, no.11, pp.876-878, 2012.
【非特許文献３】R. Takei, E. Omoda, M. Suzuki, S. Manako, T. Kamei, M. Mori, and Y. Sakakibara, "Low-Loss Optical Interlayer Transfer for Three-Dimensional Optical Interconnect," Proc. 10th International conference on Group IV Photonics, Seoul, ThC6, pp.91-92, 2013.
【非特許文献４】D. Gallagher, "Photonic CAD Matures", IEEE LEOS Newsletter, vol.22, no.1, pp.8-14, 2008.
【非特許文献５】D. Lockwood, L. Pavesi (Eds.), "Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications" in "SiliconPhotonics II," Springer, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した多層光導波路層間の光結合構造は、いずれも通信用の１５５０ｎｍ近傍波長帯域で実現されているが、実用上大きな問題をかかえている。まず、グレーティングカップラを用いた光結合構造は、回折を利用するので一般に結合効率が低く、非特許文献１によれば結合効率は２０％程度と非常に低い。また、グレーティングカップラを用いた光結合構造は、波長帯域も狭く波長１５５０ｎｍ帯の赤外光における９０％動作帯域は計算上でも１０ｎｍ程度である。
【０００６】
次に、方向性結合器を用いた光結合構造は、そもそも隣接層の光導波路が結合できるよう近づけた層間距離になっているため、隣接層の光導波路は、チップ面内の同じ位置に重ねて並走配置することができない。この問題を避けるため、非特許文献２では、隣接層の光導波路は、光導波路進行方向に対して垂直方向にずらした位置に配置し、曲線光導波路を用いて光結合部だけを重ねる構造となっている。しかしながら、このような構造では光導波路の水平面内の配列間隔を広くせざるを得ず、高密度な光配線が困難となる。
【０００７】
次に、対向逆テーパーを用いた光結合構造は、まず入力側光導波路は途中で消失してしまうため、任意の分岐比での層間結合が不可能であり、光スイッチなどの干渉計を構成することができない。また、非特許文献２の技術と同様に、層間距離が近いため、高密度な光配線は困難である。さらに、非特許文献２の参考文献５にあるように、この種の逆テーパーデバイスでは層間結合に必要な距離は一般に数百μｍと非常に長くなり、やはり高密度な光配線が困難となる。
【０００８】
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、高密度な光配線が可能な多層光導波路の層間を、より高い効率で光結合できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光結合構造は、基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成されて、第１光結合領域を備える第１コア層と、第１コア層の上に形成された層間クラッド層と、層間クラッド層の上に形成されて、第１光結合領域の上部に重なって平行に配置された第２光結合領域を備える第２コア層と、第２コア層の上に形成された上部クラッド層とを備え、第１光結合領域は、他の領域の第１コア層より細く形成され、第２光結合領域は、他の領域の第２コア層より細く形成され、層間クラッド層は、第１光結合領域と第２光結合領域との間は光結合が可能とされ、第１光結合領域と第２光結合領域との間以外の第１コア層と第２コア層との間は光結合が起きない厚さとされている。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したことにより、本発明によれば、高密度な光配線が可能な多層光導波路の層間が、より高い効率で光結合できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光結合構造の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における光結合構造の一部構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における光結合構造の一部構成を示す平面図である。
【図４】図４は、実施の形態における光結合構造の、上側の第２光導波路の入力コア部１５２による光導波路に光を入射した場合の、下側の第１光導波路への光透過率の層間結合部の長さ依存性の計算結果を示す特性図である。
【図５】図５は、実施の形態における光結合構造の、長さを３１μｍとした層間結合部における結合度の波長依存を示す特性図である。
【図６】図６は、層間結合部の長さを３１μｍとした本発明の光結合構造における、側方から見た波長１５５０ｎｍの光の伝搬状態を示す説明図である。
【図７】図７は、従来よりある多層光導波路層間の光結合構造を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光結合構造の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態における光結合構造の一部構成を示す斜視図である。また、図３は、本発明の実施の形態における光結合構造の一部構成を示す平面図である。
【００１３】
基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された第１コア層１０３と、第１コア層１０３の上に形成された層間クラッド層１０４と、層間クラッド層１０４の上に形成された第２コア層１０５と、第２コア層１０５の上に形成された上部クラッド層１０６とを備える。第１コア層１０３とこの上下のクラッド層とにより第１光導波路が構成され、第２コア層１０５とこの上下のクラッド層とにより第２光導波路が構成されている。
【００１４】
また、第１コア層１０３は、第１光結合領域１３１を備え、第２コア層１０５は、第２光結合領域１５１を備える。また、第２光結合領域１５１は、第１光結合領域１３１の上部に重なって平行に配置されている。加えて、第１光結合領域１３１は、他の領域の第１コア層１０３より平面視で細いコア幅とされている。同様に、第２光結合領域１５１は、他の領域の第２コア層１０５より平面視で細いコア幅とされている。なお、第１光結合領域１３１と第２光結合領域１５１とは、光導波方向に完全に同じ長さに形成する必要はないが、これらを同じ長さとした方がよりよい。
【００１５】
また、層間クラッド層１０４は、第１光結合領域１３１と第２光結合領域１５１との間は光結合が可能とされ、第１光結合領域１３１と第２光結合領域１５１との間以外の第１コア層１０３と第２コア層１０５との間では光結合が起きない厚さとされている。なお、層間クラッド層１０４は、全域において実質的に均一な厚さに形成されている。
【００１６】
なお、第１コア層１０３は、第１光結合領域１３１を挾んで配置された入力コア部１３２，出力コア部１３３を備える。入力コア部１３２は、テーパーコア部１３４により第１光結合領域１３１の一端に接続し、出力コア部１３３は、テーパーコア部１３５により第１光結合領域１３１の他端に接続する。入力コア部１３２および出力コア部１３３による光導波路は、第１光導波路を構成する図示しない光配線部に接続している。
【００１７】
同様に、第２コア層１０５は、第２光結合領域１５１を挾んで配置された入力コア部１５２，出力コア部１５３を備える。入力コア部１５２は、テーパーコア部１５４により第２光結合領域１５１の一端に接続し、出力コア部１５３は、テーパーコア部１５５により第２光結合領域１５１の他端に接続する。入力コア部１５２および出力コア部１５３による光導波路は、第２光導波路を構成する図示しない光配線部に接続している。
【００１８】
各テーパーコア部は、各光結合領域にかけて徐々に平面視の幅が狭くなるテーパー形状とされている。このようなテーパー形状のテーパーコア部により接続することで、接続損失の低減が図れる。なお、各入力コア部および各出力コア部は、各光結合領域に直接接続してもよい。
【００１９】
例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化層を下部クラッド層１０２とすればよい。また、ＳＯＩ基板の表面シリコン層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第１コア層１０３を形成すればよい。また、第１コア層１０３を形成した後、よく知られた化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉＯ2を堆積し、堆積したＳｉＯ2膜の表面を公知の平坦化技術により平坦化することで、層間クラッド層１０４を形成すればよい。
【００２０】
次に、層間クラッド層１０４を形成した後、化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉを堆積し、堆積したＳｉ膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第２コア層１０５を形成すればよい。また、第２コア層１０５を形成した後、よく知られた化学的気相成長法やスパッタ法などの堆積法によりＳｉＯ2を堆積し、上部クラッド層１０６を形成すればよい。
【００２１】
上述した実施の形態によれば、入力コア部１３２と入力コア部１５２との間、および出力コア部１３３と出力コア部１５３との間では、上述した厚さの層間クラッド層１０４により、積層されている層間（上下）方向の光結合はなく、これらによる光導波路においては、各々独立に光が伝搬する。これに対し、第１光結合領域１３１および第２光結合領域１５１は、コア幅が細くなっているため、コアへの光の閉じ込めが不十分になり、コアから光のモードフィールドがはみ出し、層間方向への光結合が可能となる。この層間方向への光結合の結合度は、第１光結合領域１３１および第２光結合領域１５１の重なっている領域（層間結合部）の長さ（光導波路長）で調整が可能である。
【００２２】
以下に、波長１５５０ｎｍ近傍の赤外線において、コアにシリコン（屈折率３．４７８）、クラッドに酸化シリコン（屈折率１．４４４）に適用して、上述した実施の形態の光結合構造を形成した場合の例を示す。シリコンコアの断面形状は、光配線部，入力コア部および出力コア部に、通常の単一モード光導波路を想定し、概ね４００×２００ｎｍ程度とした（非特許文献５）。光伝搬シミュレーションによれば、光配線部や入力コア部および出力コア部における層間結合は、層間クラッド層の層厚が１．２μｍ以上であれば抑制されることが見いだされており、ここでは１．２μｍとする。なお、層間結合については、層間クラッド層を介して上下に各コアが重なっている領域を対象としている。
【００２３】
第１光結合領域および第２光結合領域による層間結合部の光導波路のシリコンコアの断面形状は、幅を光配線部や入出力部の半分とし２００×２００ｎｍとする。また、テーパーコア部は、導波方向の長さを５μｍのテーパー構造としている。また、入射偏波はＴＥモードとする。
【００２４】
以上の構造に対して上側の第２光導波路の入力コア部１５２による光導波路に光を入射した場合の、下側の第１光導波路への光透過率の層間結合部の長さ依存性の計算結果を図４に示す。計算方法は、実施の形態における光結合構造の各部分の垂直断面における伝搬固有モードを有限差分法（ＦＤＭ法）により求め、入力コア部の伝搬モードを層間結合部の固有モードに展開して固有モード毎に伝搬させ、伝搬後の各固有モードを出力コア部の伝搬モードに展開し、入力から出力への強度比を求めた（固有モード伝搬法、非特許文献４参照）。
【００２５】
図４に示すように、本発明の光結合構造によれば、上下の光導波路は結合が可能となることがわかる。結合度は層間結合部の長さに応じて変化し、層間結合部の長さが３１μｍの時に完全に光は相手側の光導波路に移動する。本発明の光結合構造により、層間結合部の長さは非特許文献３の構造に比べ非常に短くすることが可能である。また、結合効率はほぼ１００％であり、非特許文献１のグレーティングカップラの５倍の高効率である。また、下側の第１光導波路に結合しなかった光は、上側の第２光導波路に伝搬しているので、層間結合部の長さを調整することにより、任意の結合度が実現でき、上下に２分岐させる構成にも適用可能である。
【００２６】
ところで、層間結合部のコア幅を他の領域と同一にした構成についても、上述同様の計算を実施したが、この場合は、層間結合は発生せず、上下の光導波路は独立に伝搬可能であることが判明している。従って、本発明における光結合構造において、層間結合部以外の上下の光配線部の光導波路は自由に配置でき、上下に隣り合う光導波路を、同じ位置に重ねて並走配置することが可能であり、非特許文献２の課題が解決される。
【００２７】
次に、層間結合部の長さを３１μｍとした場合の、波長依存性について、図５を用いて説明する。図５は、長さを３１μｍとした層間結合部における結合度の波長依存を示す特性図である。図５に示すように、９０％動作帯域が、少なくとも１５０ｎｍ（１．４５〜１．６μｍ）と非常に広い。
【００２８】
次に、層間結合部の長さを３１μｍとした場合の、光の伝搬状態について図６を用いて説明する。図６は、層間結合部の長さを３１μｍとした本発明の光結合構造における、側方から見た波長１５５０ｎｍの光の伝搬状態を示す説明図である。図６に示すように、上側の第２コア層１０５による第２光導波路から、下側の第１コア層１０３による第１光導波路に、光パワーが移行している。
【００２９】
以上に説明したように、本発明によれば、第１光結合領域を、他の領域の第１コア層より細く形成し、第１光結合領域の上部に重なって平行に配置された第２光結合領域も、他の領域の第２コア層より細く形成したので、多層光導波路の層間を、より高い効率で光結合できるようになる。また、光配線の層間結合が起きないようにできるため、光配線を自由にレイアウトすることができ、高密度に配線することができる。
【００３０】
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。例えば、上述した説明では、シリコンコアおよび酸化シリコンクラッドを用いた場合について例示したが、これに限るものではなく、本発明は様々な材料系に適用可能である。
【００３１】
例えば、コアは、シリコン，窒化シリコン，酸窒化シリコン，インジウム燐系半導体，ガリウムヒ素系半導体などから構成してもよい。また、クラッドは、酸化シリコン，酸窒化シリコン，酸化アルミニウム，アルミニウムとインジウム燐系あるいはガリウムヒ素系半導体との化合物，エポキシ系ポリマー，ポリイミド系ポリマー，アクリル系ポリマーなどから構成してもよい。これらの材料では屈折率はそれぞれ異なるが、本発明の各部分の寸法は材料の屈折率を考慮して任意に設計が可能であることは、本発明の基本原理からして明らかである。
【符号の説明】
【００３２】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…第１コア層、１０４…層間クラッド層、１０５…第２コア層、１０６…上部クラッド層、１３１…第１光結合領域、１３２…入力コア部、１３３…出力コア部、１３４…テーパーコア部、１３５…テーパーコア部、１５１…第２光結合領域、１５２…入力コア部、１５３…出力コア部、１５４…テーパーコア部、１５５…テーパーコア部。
【図１】
2015194584.tif 000003
【図２】
2015194584.tif 000004
【図３】
2015194584.tif 000005
【図４】
2015194584.tif 000006
【図５】
2015194584.tif 000007
【図６】
2015194584.tif 000008
【図７】
2015194584.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年5月14日(2015.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されて第１光結合領域を備える第１コア層と、
前記第１コア層の上に形成された層間クラッド層と、
前記層間クラッド層の上に形成されて、前記第１光結合領域の上部に重なって平行に配置された第２光結合領域を備える第２コア層と、
前記第２コア層の上に形成された上部クラッド層と
を備え、
前記第１光結合領域は、前記基板を平面視したときに、他の領域の前記第１コア層より細く形成され、
前記第２光結合領域は、前記基板を平面視したときに、他の領域の前記第２コア層より細く形成され、
前記層間クラッド層は、前記第１光結合領域と前記第２光結合領域との間は光結合が可能とされ、前記第１光結合領域と前記第２光結合領域との間以外の前記第１コア層と前記第２コア層との間は光結合が起きない厚さとされ、
前記第１コア層、前記第２コア層、前記層間クラッド層は、いずれも、全域において厚さが一定とされ
ていることを特徴とする光結合構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明に係る光結合構造は、基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成されて、第１光結合領域を備える第１コア層と、第１コア層の上に形成された層間クラッド層と、層間クラッド層の上に形成されて、第１光結合領域の上部に重なって平行に配置された第２光結合領域を備える第２コア層と、第２コア層の上に形成された上部クラッド層とを備え、第１光結合領域は、基板を平面視したときに、他の領域の第１コア層より細く形成され、第２光結合領域は、基板を平面視したときに、他の領域の第２コア層より細く形成され、層間クラッド層は、第１光結合領域と第２光結合領域との間は光結合が可能とされ、第１光結合領域と第２光結合領域との間以外の第１コア層と第２コア層との間は光結合が起きない厚さとされ、前記第１コア層、前記第２コア層、前記層間クラッド層は、いずれも、全域において厚さが一定とされている。