JP2012047855A - 多層光配線用光入出力構造 - Google Patents

Abstract

【課題】各層に対応した光結合構造を個別に設けたり、１つの光結合構造から各層へ光を分岐する光回路を別途設けたりする必要がなく、しかも、各層の回折格子において、それぞれ位相の揃った光を照射・回折させることで、効率の良い光結合を実現する多層光配線用光入出力構造を提供すること。
【解決手段】基板に垂直方向Ｘ１から入射する光ビーム１０を基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器１−１、１−２が、基板の厚み方向Ｘ１に対して多段に積層されており、複数の回折格子結合器１−１、１−２によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路を備え、隣り合う層の光回路における回折格子結合器の光路長１−１、１−２が、ｎ_１λ_１／２（λ_１は、前記隣り合う層の内、上層の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_１は、自然数）に相当する多層光配線用光入出力構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な光導波路を有する平面光回路と、光ファイバなどの外部光学系との間での光入出力を実現する光入出力インターフェース構造に関し、特に多層の光回路にも対応可能な、面型の多層光配線用光入出力構造に関する。

ＬＳＩなどの半導体チップの内部或いはチップ間でのデータ通信を光で行う光配線が検討されている。
そのようなチップ内或いはチップ間光通信においては、チップの内外での光信号の受け渡しが必要となる。
このようなチップ内の光回路では微細な光導波路が使用されるため、チップ外の光ファイバなどとの光結合には通常高精度の位置合わせが必要となる。
そのため、比較的位置合わせ精度を緩和できる回折格子を用いた面型の光結合構造が提案されている（特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、及び、図６を参照）。

これらの構造のものは、図６に示すように、光結合効率を向上させるために入射光２６の入射側と反対側に反射器２３を設け、回折格子２１を透過した光を反射させて、この反射光を回折格子２１と再結合させている。

なお、図６は、非特許文献１に開示される回折格子を用いた光結合構造を示しており、図６の符号２２は、光ファイバを示し、図６の符号２４は、光導波路を示し、図６の符号２５は、集積回路を示している。

しかしながら、チップの高性能化や高速化に伴い、回路はより複雑化・高密度化してきており、光配線層も電気配線と同様に多層化の道を辿るものと考えられるが、そのような多層化された光配線層を構成する各層の光導波路に効果的に光を導く方法は未だ提案されていない。

ＵＳ２００４／０１５６５８９

F. V. Laere et al., IEEE J. lightwave Technol. 25, 151 (2007) B. Analui et al., IEEE J. Solid-State Circuits 41, 2945 (2006)

微細な光導波路を有する光回路へ、外部の光ファイバなどから光信号の入出力を行う回折格子結合型光入出力構造を用いて、多層化された光回路の各層の光導波路に光の入出力を行うためには、各層に対応した光入出力構造を個別に設けたり、また、１つの光入出力構造から、各層へ光を分配する光分波回路を別途設けたりする必要があるなどの課題があった。

そこで本発明においては、多層化された回折格子結合型光入出力構造により、同時に複数層の光導波路への光入出力を行える光入出力構造を提案しているが、各層の光回路間の距離を何ら制御することなく、単に複数の回折格子結合器を積層した場合には、上方より入射する光の位相と、下方の回折格子結合器で反射され、下方から入射する反射光の位相がランダムとなり、場合によっては逆位相で互いに打ち消しあい、導波路に導かれる光の強度が弱まるという課題があった。

また、多層化された回折格子結合器の下方には、光結合効率を高めるために反射器が設けられているが、回折格子結合器と反射器との距離を何らの制御することなく、単に複数の回折格子結合器を積層した場合、一の回折格子の上方より入射する光の位相と、下方の反射器により反射され下方から入射する反射光の位相がランダムとなり、場合によっては逆位相で互いに打ち消しあい、導波路に導かれる光の強度が弱まるという課題があった。

さらにまた、各層の回折格子結合器のライン部とスペース部の位置関係に何ら工夫を施すことなく、単に複数の回折格子結合器を積層した場合、複数層の回折格子結合器を入射光が通過していく間に波面が乱れて、下層の回折格子結合器においては理想的な動作が得られずに、回折によって効果的に光信号を導波路に導くことが難しくなる。
また最下部の反射器に入射光が到達する頃には、波面が完全に乱れてしまい、効果的な反射光が得られず、各層回折格子結合器はの下方からの反射光を殆ど利用することができず、高い結合効率が得られないという課題があった。

そこで本発明は、それら従来の問題を解決するものであって、すなわち本発明の目的は、各層の光回路に対応した光入出力構造を個別に設けたり、１つの光入出力構造から各層の光回路へ光を分配する光分波器を別途設けたりする必要がなく、しかも、各層の光回路に結合する光の強度を、各層の光回路間の距離を制御することにより、また、各層の回折格子結合器と反射器との距離を制御することにより、更には層の回折格子結合器のライン部とスペース部の位置関係を制御することによって下層に向かう入射光の波面の乱れを抑制することで、各層の回折格子結合器において効果的に入射光を光回路に導くことができ、それぞれの層の光導波路に効率良く光を分配して導くことができる多層光配線構造を提供することである。

さらにまた、単純に同じ回折格子結合器を多層積層するだけの多層光配線用光入出力構造においては、入射光は回折格子結合器を上層から下層へと通過するたびに光結合によって光出力が減少していくため、下層の回折格子結合器によって取り出される光出力は小さくなっていく。

そこで本発明では、各層の光回路に分配する光量を、光回路の位置の上層下層に関わらずに自由に設定できるような構造も提供することにある。

さらにまた、単純に同じ周期の回折格子結合器を多層積層するだけの多層光配線用光入出力構造においては、回折される光の波長はどの層においても同じであるから、層ごとに別々の光信号をやり取りすることはできない。

そこで本発明では、各層の光回路に分配する光信号を、層ごとに異なる信号をやり取りできるような構造も提供することにある。

本発明の多層光配線用光入出力構造は、基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路を備え、隣り合う層の光回路における回折格子結合器の光路長が、ｎ_１λ_１／２（λ_１は、前記隣り合う層の内、上層の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_１は、自然数）に相当することにより、前述した課題を解決したものである。

本発明の多層光配線用光入出力構造は、基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路と、前記複数の回折格子結合器の最下部に配置され、前記複数の回折格子結合器を透過した入射光を反射し、前記複数の回折格子結合器の内の少なくとも１つに入射光を再結合させる反射器を備え、前記反射器と前記再結合させる回折格子結合器との間の光路長が、（ｎ_２＋１／２）λ_２／２（λ_２は、前記再結合させる回折格子の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_２は、自然数）に相当することにより、前述した課題を解決したものである。

本発明の多層光配線用光入出力構造は、基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路を備え、前記複数の回折格子結合器の内、回折格子の周期が同じ回折格子結合器が少なくとも２つ以上あり、前記同一周期の複数の回折格子のライン部の位置とスペース部の位置関係が、上下の層間でずれていることにより、前述した課題を解決したものである。

本発明の多層光配線用光入出力構造は、前記同一周期の複数の回折格子のライン部の位置とスペース部の位置関係が、上下の層間で、前記光の入射方向から見て互いに重ならないように少しずつずらして配置されていることにより、前述した課題を解決したものである。

本発明の多層光配線用光入出力構造は、前記同一周期の複数の回折格子結合器のライン部とスペース部の幅を、回折周期を一定に保ちながら各層間で変化を持たせることにより、各層の光導波路に結合する光の量を制御することにより、前述した課題を解決したものである。

本発明の多層光配線用光入出力構造は、前記同一周期の各回折格子結合器における回折格子のライン幅は、より上層の回折格子のライン幅の方が、より下層の回折格子のライン幅より狭いことにより、前述した課題を解決したものである。

本発明の多層光配線用光入出力構造は、基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路を備え、前記複数の回折格子結合器の回折格子の周期を各層間で異ならせることにより、異なる波長の光を用いて、回折格子の周期に対応する波長帯の光のみを回折させることによって、各層の光回路の間で独立に光信号の入出力を行うことができることにより、前述した課題を解決したものである。

本発明の多層光配線用光入出力構造によれば、上層の回折格子結合器の下に、下層の回折格子結合器を配置することで、上層の回折格子結合器を透過した光を下層の回折格子結合器で受けることができるので、１つの光ファイバからの光を上下に配置された多層の光回路に同時に入出射させることができる。

また、隣り合う層の光回路における回折格子結合器の光路長を、ｎ_１λ_１／２（λ_１は、前記隣り合う層の内、上層の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_１は、自然数）に相当するように設定することにより、一の回折格子結合器の上方より入射する光の位相と、下方の回折格子結合器により反射され下方から入射する光との位相を合わせることにより、高効率で光入出射が可能となる。

また、反射器と再結合させる回折格子結合器との間の光路長を、（ｎ_２＋１／２）λ_２／２（λ_２は、前記再結合させる回折格子の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_２は、自然数）に相当するように設定することにより、回折格子結合器の上方より入射する光の位相と、下方の反射器により反射され下方から入射する光との位相を合わせることにより、高効率で光入出射が可能となる。

また、複数の回折格子結合器のライン部のスペース部の位置関係をずらして設定することにより、下層に届く入射光の波面の乱れを抑制することができ、下層の回折格子結合器においても十分な回折効率を得ることができる。

また、複数の回折格子のライン部の位置をピッチ方向に調整することで、一の回折格子結合器により回折された回折光の位相と、他の回折格子結合器により回折された回折光との間で位相の調整を図ることができる。

また、同一周期の複数の回折格子結合器のライン部とスペース部の幅を、回折周期を一定に保ちながら各層間で変化を持たせることにより、各層の光導波路に結合する光の量を制御することができる。

また、より上層の回折格子のライン幅の方がより下層の回折格子のライン幅より狭くなるように設定することにより、上層の回折格子結合器の回折効率を下げるとともに、上層の回折格子結合器の回折効率を上げることが可能であるため、上層の回折光と下層の回折光の強さを均等にすることができ、垂直方向から入射された光を上層の光回路と下層の光回路とに均等に分配することができる。

また、複数の回折格子結合器の回折格子の周期を各層間で異なるものとすることにより、異なる波長を含む入射光に対して、各層の回折格子結合器の周期に対応する波長の光のみを回折させることによって、各層の光回路の間で独立に光信号の入出力を行うことができる。
従って、波長多重化された入射光を用いれば、各層の光回路間で独立に光信号のやり取りができる。

本発明の第１実施例としての多層光配線用光入出力構造の概略図である。 本発明の第２実施例としての多層光配線用光入出力構造の概略図である。 上層と下層の回折格子結合器の結合光量を異ならせた第２実施例の変形例を示す概略図である。 本発明の第３実施例としての多層光配線用光入出力構造の概略図である。 異なる波長の光を用いて、回折格子の周期に対応する波長帯の光のみを回折させる本発明の変形例を示す概略図である。 従来の光結合構造を示す概略図である。

以下に、本発明の多層光配線用光入出力構造について、図面に基づいて好適な実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例としての多層光配線用光入出力構造の概略図である。

本発明の第１実施例である多層光配線用光入出力構造は、二層の光配線用の光入出力構造であり、図１に示すように、光回路面に対して垂直方向（入射方向）Ｘ１から照射された入射光（光ビーム）１０を回折する回折格子結合器１−１、及び、回折格子結合器１−１で回折した回折光１１−１を導くコア２−１からなる上層の光回路と、回折格子結合器１−１の下部に配置されて回折格子結合器１−１を透過した入射光１０を回折する回折格子結合器１−２、及び、回折格子結合器１−２で回折した回折光１１−２を導くコア２−２からなる下層の光回路と、回折格子結合器１−１、１−２及びコア２−１、２−２の周囲を覆うクラッド３と、回折格子結合器１−１及び１−２を透過した入射光１０を反射する反射器４とを備えている。

ベースとなる光導波路としては、コア２−１、２−２及びクラッド３共に、ＳｉＯ２からなるシリカ系光導波路であってもよく、コア２−１、２−２がＳｉ、クラッド３がＳｉＯ２からなるシリコン系光導波路であっても構わない。
当然シリコン系光導波路の場合は、動作波長はＳｉによる光の吸収の無い波長１μｍ以上に限られる。

各回折格子結合器１−１、１−２は、図１に示すように、所定ピッチＰで並列する複数のライン部１−１ａ、１−２ａと、ライン部１−１ａ、１−２ａ間に位置する複数のスペース部１−１ｂ、１−２ｂとから構成されている。
一般に、回折格子結合器１−１、１−２のライン部１−１ａ、１−２ａは、光導波路のコア２−１、２−２と同じ屈折率の高い材料で形成され、回折格子結合器１−１、１−２のスペース部１−１ｂ、１−２ｂは、光導波路のクラッド３と同じ屈折率の低い材料で形成されている。

なお、本発明で言うところのピッチ（格子ピッチ）Ｐとは、図１等に示すように、回折格子結合器１−１、１−２のライン部１−１ａ、１−２ａのピッチ方向Ｘ２における中央位置から、当該ライン部１−１ａ、１−２ａにピッチ方向Ｘ２に隣接するライン部１−１ａ、１−２ａのピッチ方向Ｘ２における中央位置までの寸法を意味している。

また、回折格子結合器１−１、１−２に入射する光の一部は、回折格子結合器１−１、１−２と結合せずに透過して出てくるが、屈折率の高いライン部１−１ａ、１−２ａよりも、屈折率の低いスペース部１−１ｂ、１−２ｂのほうがスリットのように通過しやすいため、スペース部１−１ｂ、１−２ｂからより多くの光量が透過して出てくる。

また、スペース部１−１ｂ、１−２ｂを透過した光と、ライン部１−１ａ、１−２ａを透過した光では、屈折率の違いにより位相差を生じ、波面が乱れることがある。

本実施例では、図１に示すように、回折格子結合器１−１の複数のライン部１−１ａ間におけるピッチＰと、回折格子結合器１−２の複数のライン部１−２ａ間におけるピッチＰとは、同じ寸法で設定されている。
また、回折格子結合器１−１のライン部１−１ａのピッチ方向Ｘ２におけるライン幅Ｗ１と、回折格子結合器１−２のライン部１−２ａのピッチ方向Ｘ２におけるライン幅Ｗ２とは、同じ寸法で設定されている。
また、ライン幅Ｗ１及びライン幅Ｗ２は、ピッチＰの半分の寸法で設定されている。
そして、回折格子結合器１−１のライン部１−１ａのピッチ方向（光導波路の長手方向）Ｘ２における位置と、回折格子結合器１−２のライン部１−２ａのピッチ方向Ｘ２における位置とは、図１に示すように、ピッチ方向Ｘ２にピッチＰの半分の長さ分だけ互いにずらして配置され、すなわち、回折格子結合器１−１のライン部１−１ａと回折格子結合器１−２のライン部１−２ａとは、入射方向Ｘ１に互いに重ならないように配置されている。

そのため、回折格子結合器１−１のスペース部１−１ｂを透過した入射光１０は、回折格子結合器１−２のライン部１−２ａで強く結合できるので、光を効率的に利用することができる。

また、図１に示すように、回折格子結合器１−１のライン部１−１ａを透過した光は、回折格子結合器１−２ではスペース部１−２ｂを通り、回折格子結合器１−１のスペース部１−１ｂを透過した光は、回折格子結合器１−２ではライン部１−２ａを通る。

そのため、回折格子結合器１−１と回折格子結合器１−２を透過した光は、屈折率の違いにより生じる位相差を打消し合い、波面が揃うため、反射器４により反射されて回折格子結合器１−２に再度結合する際には、波面が揃うことになる。

また、回折格子結合器１−１を透過した入射光１０の一部は、回折格子結合器１−２で反射されて回折格子結合器１−１に戻るが、同様に、屈折率の違いにより生じる位相差を打消し合い、波面が揃うため、回折格子結合器１−１に再結合する際には、波面が揃うことになる。

ここで、回折格子結合器１−１と回折格子結合器１−２との光路長Ｌ１を、ｎ_１λ_１／２（λ_１は、隣り合う層の内、上層の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_１は、自然数）に相当するように設定することで、入射光１０の一部が、回折格子結合器１−１を透過し、回折格子結合器１−２で反射されて回折格子結合器１−１に再結合する際には、波面が揃うだけでなく、入射光１０と同相となるので、入射光１０が最初に回折格子結合器１−１で回折された回折光と、回折格子結合器１−１に再結合した回折光とは強め合う。

また、ここで、回折格子結合器１−２と反射器４との光路長Ｌ２を、（ｎ_２＋１／２）λ_２／２（λ_２は、再結合させる回折格子の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_２は、自然数）に相当するように設定することで、入射光１０の一部が、回折格子結合器１−１及び回折格子結合器１−２を透過し、反射器４で反射され回折格子結合器１−２で再結合する際には、波面が揃うだけでなく、入射光１０の一部が回折格子結合器１−２に最初に入射する際と同相となるので、入射光１０の一部が最初に回折格子結合器１−２で回折された回折光と、回折格子結合器１−２に再結合した回折光とは強め合う。

また、上記例では、回折格子結合器１−１、１−２のスペース部１−１ｂ、１−２ｂは、完全にコア２−１、２−２の材質がない状態としたが、ライン部１−１ａ、１−２ａより厚みの薄い状態としても良く、その場合も、同様に光学的距離で考えればよいことは明らかである。

以上の構成により、上層の回折格子結合器１−１と下層の回折格子結合器１−２のライン部１−１ａ、１−２ａの幅が回折格子周期の半分で、また、互いのライン部１−１ａ、１−２ａの位置関係が、回折格子周期の半分だけずれて配置されている場合には、垂直方向Ｘ１から入射された光を上層の光回路と下層の光回路とで、効果的に利用できるような光入出力構造を提供できる。

また、上層の回折格子結合器１−１を透過し下層の回折格子結合器１−２で反射された光や、上層の回折格子結合器１−１及び下層の回折格子結合器１−２を透過し反射器４で反射された光の波面が揃うだけでなく、また、回折格子結合器１−１、１−２と再結合する際の回折光と、最初の回折光とが同相となり、出力を強めることができるので、効率的な光入出力構造を提供できる。

尚、上層の回折格子結合器１−１のライン部１−１ａとスペース部１−１ｂの位置と、下層にある回折格子結合器１−２のライン部１−２ａとスペース部１−２ｂの位置により、各々の層の光導波路に導く光波の位相関係が決まるため、互いの位置関係を任意にずらすことにより、各々の層の光導波路に導く光波の位相関係を任意に調整することができる。

従って、ある入射光１０に対して、上層にある回折格子結合器１−１によって回折されて光導波路に導かれた光と、下層にある回折格子結合器１−２によって回折されて光導波路に導かれた光との位相関係を、同相にすることも、逆相にすることも、或いはπ／２だけずらすことも、各層間での回折格子結合器１−１、１−２のライン部１−１ａ、１−２ａとスペース部１−１ｂ、１−２ｂの位置関係によって自由に制御できる。

従って、各層の光を最終的に合波して１本の光導波路に導くような場合は、同相になるようにずらせばよい。

また、１つの場所で上下の光回路に光を供給できるので、小さな光入出力構造を提供でき、コネクタなども安価にできる。

また、上記説明では、入力側の光入出力構造として説明したが、出力側の光入出力構造として使用してもなんら問題はなく、同様に効率的な出力を得ることができる。

つぎに、本発明の第２実施例である多層光配線用光入出力構造について、図２に基づいて説明する。
ここで、本発明の第２実施例である多層光配線用光入出力構造の回折格子結合器の具体的設計や回折格子結合器間の配置関係など以外の構成は、前述した第１実施例の多層光配線用光入出力構造と全く同じであるため、第１実施例の多層光配線用光入出力構造との間の相違点のみを説明する。

第２実施例の多層光配線用光入出力構造は、図２に示すように、図１に示す第１実施例の多層光配線用光入出力構造とほぼ同様の構成であるが、上層の回折格子結合器１−１のライン幅Ｗ１に比べて、下層の回折格子結合器１−２のライン幅Ｗ２を広くしている。

この場合も、ライン幅Ｗ１とライン幅Ｗ２の和を図１の例と同様に回折格子結合器１−１、１−２のピッチＰと等しくしているため、上層の回折格子結合器１−１のライン部１−１ａのピッチ方向Ｘ２における中央位置と、下層の回折格子結合器１−２のライン部１−２ａのピッチ方向Ｘ２における中央位置とを、ピッチＰの半分の寸法だけピッチ方向Ｘ２にずらすことで、上層の回折格子結合器１−１のライン部１−１ａと下層の回折格子結合器１−２のライン部１−２ａの位置が、入射方向Ｘ１に重ならないようになっている。

下層の回折格子結合器１−２では、上層の回折格子結合器１−１で回折しきれずに透過した光を利用しているため、上層の回折格子結合器１−１の回折効率と下層の回折格子結合器１−２の回折効率を同じにすると、上層での回折光１１−１のほうが、下層の回折光１１−２に比べ大きくなる。

そこで、上層の回折格子結合器１−１のライン幅Ｗ１と下層の回折格子結合器１−２のライン幅Ｗ２を調節して、それぞれの回折格子結合器の回折効率を変えることにより、図２に示すように、上層と下層の回折格子結合器１−１、１−２の結合光量を等しくすることもできるし、図３に示すように、敢えて異なるようにする、すなわち、下層の回折格子結合器１−２の結合光量を上層の回折格子結合器１−１の結合光量より大きくすることもできる。

例えば、図２に示すように、上層の回折格子結合器１−１のライン幅Ｗ１を狭くして回折効率を下げ、反対に下層の回折格子結合器１−２のライン幅Ｗ２を広くして回折効率を高くすることで、上層の回折光１１−１と下層の回折光１１−２の強さを均等にすることもできるので、多層光配線の利用がしやすくなる。

以上の構成により、上層の回折格子結合器１−１のライン幅Ｗ１と下層の回折格子結合器１−２のライン幅Ｗ２を調節して、上層の回折格子結合器１−１と下層の回折格子結合器１−２の結合光量を等しくすることもできるし、敢えて異なるようにすることもできる。

例えば、上層の回折格子結合器１−１のライン幅Ｗ１に比べ、下層の回折格子結合器１−２のライン幅Ｗ２を広くして回折効率を高めることができるので、図１に示す第１実施例の多層光配線用光入出力構造の効果に加えて、垂直方向Ｘ１から入射された光を上層の光回路と下層の光回路とに均等に分配することができる多層光配線用光入出力構造を提供できる。

つぎに、本発明の第３実施例である多層光配線用光入出力構造について、図４に基づいて説明する。
ここで、本発明の第３実施例である多層光配線用光入出力構造の回折格子結合器の設置数や回折格子結合器の具体的設計や回折格子結合器間の配置関係など以外の構成は、前述した第１実施例の多層光配線用光入出力構造と全く同じであるため、第１実施例の多層光配線用光入出力構造との間の相違点のみを説明する。

図４に示す第３実施例の多層光配線用光入出力構造は、三層の光配線用の光結合構造であり、上層の光回路、中層の光回路、下層の光回路に光を導く３つの回折格子結合器１−１、１−２、１−３を有し、これら回折格子結合器１−１、１−２、１−３のライン部１−１ａ、１−２ａ、１−３ａの各ライン幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の合計は、図１及び図２に示す実施例と同様に、回折格子結合器１−１、１−２、１−３のピッチＰと同等である。

また、各層の回折格子結合器１−１、１−２、１−３のライン幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を上層から下層に向かって順次広くすると共に、各ライン部１−１ａ、１−２ａ、１−３ａのピッチ方向Ｘ２の位置を、ピッチ方向Ｘ２にずらすことにより、上層、中層、下層の各ライン部１−１ａ、１−２ａ、１−３ａの位置が入射方向Ｘ１に重ならないようになっている。

したがって、入射光１０を、各回折格子結合器１−１、１−２、１−３によって、それぞれのコア２−１、２−２、２−３に、均等の強さの回折光１１−１、１１−２、１１−３として効率的に分配することができる。

上記の第３実施例では、三層の光配線としたが、各ライン幅の関係と各ラインのピッチ方向の位置を同様に設定すれば、更なる多層の光配線にも適用が可能となる。

以上の構成により、上層の回折格子結合器１−１（１−２）のライン幅Ｗ１（Ｗ２）に比べ、より下層の回折格子結合器１−２（１−３）のライン幅Ｗ２（Ｗ３）を順次広くしていくと共に、各ライン部１−１ａ、１−２ａ、１−３ａのピッチ方向Ｘ２の位置が入射方向Ｘ１に重ならないように順次ずらしているので、垂直方向Ｘ１から入射された入射光１０を各光配線層に効率的に、また、均等の光量を分配することができる多層光配線用光入出力構造を提供できる。

なお、上述した図１乃至図４に示す実施例の説明に於いて、光は単一波長として説明したが、図５に示すように、複数の波長を用いて、それぞれの波長に対応した回折格子周期を有する複数の回折格子結合器１−１、１−２、１−３を組み合わせることにより、異なる波長１０−１、１０−２、１０−３を含み波長多重化された入射光１０を、その波長に対応する異なる層の光回路に、異なる波長の回折光１１−１、１１−２、１１−３として導くような多層光配線用光入出力構造も実現できる。

また、複数の波長の回折格子結合器を用いる場合には、互いのライン部やスペース部の影響を極力抑えるために、回折格子結合器の向きを変えて、回折方向を変えることは有効な手段である。

特に、２つの波長を用いる場合には、互いの回折格子結合器の向きを直交させて回折方向を９０度異なる方向にするのは、有効な手段である。

特に、２つの波長の差が少ない場合には、互いの回折格子結合器の向きを直交させて回折方向を９０度異なる方向にすることは、必須の条件ともなる。

１−１、１−２、１−３ ・・・ 回折格子結合器
１−１ａ、１−２ａ、１−３ａ ・・・ ライン部
１−１ｂ、１−２ｂ、１−３ｂ ・・・ スペース部
２−１、２−２、２−３ ・・・ コア
３ ・・・ クラッド
４ ・・・ 反射器
１０ ・・・ 入射光
１１−１、１１−２、１１−３ ・・・ 回折光
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ ・・・ ライン幅
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ ・・・ 光路長
Ｘ１ ・・・ 入射方向（垂直方向、基板の厚み方向）
Ｘ２ ・・・ ピッチ方向（光導波路の長手方向）

Claims (7)

1. 基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路を備え、
   隣り合う層の光回路における回折格子結合器の光路長が、ｎ_１λ_１／２（λ_１は、前記隣り合う層の内、上層の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_１は、自然数）に相当することを特徴とする多層光配線用光入出力構造。
2. 基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路と、前記複数の回折格子結合器の最下部に配置され、前記複数の回折格子結合器を透過した入射光を反射し、前記複数の回折格子結合器の内の少なくとも１つに入射光を再結合させる反射器を備え、
   前記反射器と前記再結合させる回折格子結合器との間の光路長が、（ｎ_２＋１／２）λ_２／２（λ_２は、前記再結合させる回折格子の光回路に導く光の真空中の波長、ｎ_２は、自然数）に相当することを特徴とする多層光配線用光入出力構造。
3. 基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路を備え、
   前記複数の回折格子結合器の内、回折格子の周期が同じ回折格子結合器が少なくとも２つ以上あり、前記同一周期の複数の回折格子のライン部の位置とスペース部の位置関係が、上下の層間でずれていることを特徴とする多層光配線用光入出力構造。
4. 前記同一周期の複数の回折格子のライン部の位置とスペース部の位置関係が、上下の層間で、前記光の入射方向から見て互いに重ならないように少しずつずらして配置されていることを特徴とする請求項３に記載の多層光配線用光入出力構造。
5. 前記同一周期の複数の回折格子結合器のライン部とスペース部の幅を、回折周期を一定に保ちながら各層間で変化を持たせることにより、各層の光導波路に結合する光の量を制御することを特徴とする請求項３に記載の多層光配線用光入出力構造。
6. 前記同一周期の各回折格子結合器における回折格子のライン幅は、より上層の回折格子のライン幅の方が、より下層の回折格子のライン幅より狭いことを特徴とする講求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の多層光配線用光入出力構造。
7. 基板に垂直方向から入射する光ビームを基板面内方向に回折させる複数の回折格子結合器が、基板の厚み方向に対して多段に積層されており、前記複数の回折格子結合器によって回折された光を、各々の層光回路へと導く複数の光導波路を備え、前記複数の回折格子結合器の回折格子の周期を各層間で異ならせることにより、異なる波長の光を用いて、回折格子の周期に対応する波長帯の光のみを回折させることによって、各層の光回路の間で独立に光信号の入出力を行うことができることを特徴とする多層光配線用光入出力構造。

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