JP5366210B2 - Optical waveguide - Google Patents

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Abstract

The bulk average refractive index of at least a region of an upper clad (24) overlapping with an optical waveguide core (23) is set larger than the bulk average refractive index of at least a region of a lower clad (22) between the optical waveguide core (23) and the substrate (21).

Description

本発明は、微小な光回路内における光導波路の構造に関する。特に、本発明は、基板上に形成された細線光導波路の構造に関する。   The present invention relates to a structure of an optical waveguide in a minute optical circuit. In particular, the present invention relates to a structure of a thin optical waveguide formed on a substrate.

ＬＳＩ内光配線技術は、Ｓｉフォトニクスによって低コストと高い量産性を実現するとともに大容量伝送及び高機能化を実現する手段として、検討が進められている。屈折率差が大きな材料を用いた光導波路を利用した光デバイスを実現すれば、従来型よりも微小かつ低消費電力の光通信デバイスを実現できる。   Intra-LSI optical wiring technology is being studied as a means for realizing high-capacity transmission and high functionality while realizing low cost and high mass productivity by Si photonics. If an optical device using an optical waveguide using a material having a large refractive index difference is realized, an optical communication device having a smaller size and lower power consumption than the conventional type can be realized.

高屈折率差の材料を用いた光導波路としては、Ｓｉ基板上のＳｉを光導波路コアとして利用する構造（L. Pavesi and D. J. Lockwood編「SiliconPhotonics」Springer,2003年、pp．269-271.（文献１） 参照）が知られている。代表的な光導波路としては、リッジ導波路、リブ導波路、細線導波路、フォトニック結晶線欠陥導波路が知られている。また、ＧａＡｓなどの化合物半導体が用いられた光導波路に関する技術もたくさん提案されている（S. Noda and T. Baba編「Roadmap onPhotonic Crystals」, Kluwer Academic Publishers, 2003年, pp.45-49. （文献２）参照）。   As an optical waveguide using a material with a high refractive index difference, a structure using Si on an Si substrate as an optical waveguide core (L. Pavesi and DJ Lockwood, "Silicon Photonics" Springer, 2003, pp.269-271. ( Reference 1)) is known. As typical optical waveguides, ridge waveguides, rib waveguides, thin wire waveguides, and photonic crystal line defect waveguides are known. Many technologies related to optical waveguides using compound semiconductors such as GaAs have also been proposed (S. Noda and T. Baba, “Roadmap on Photonic Crystals”, Kluwer Academic Publishers, 2003, pp. 45-49. ( Reference 2)).

このような光導波路は、デバイスとして導波路そのものが機能を有する場合や、微小光回路上に集積化された様々な機能素子（発光素子、受光素子、光分岐素子、光結合素子、光分波素子、光合波素子、光変調素子、光スイッチング素子、光メモリ素子、光バッファ素子など）の間をつなぐ光配線素子として使われる場合も多い。そのような観点から考えると、これら各種の機能素子を接続する光導波路や、導波路そのものが機能デバイスとして働く導波路デバイスにおいて、光導波路を伝搬する電磁場モードがスムーズに伝播して、光導波路そのものが低伝搬損失であることは、光導波路を有するあらゆる光デバイスにおいて極めて重要である。   Such an optical waveguide is used when the waveguide itself has a function as a device or various functional elements (light emitting element, light receiving element, optical branching element, optical coupling element, optical demultiplexing element) integrated on a micro optical circuit. In many cases, it is used as an optical wiring element that connects between an element, an optical multiplexing element, an optical modulation element, an optical switching element, an optical memory element, an optical buffer element, and the like. From such a viewpoint, in an optical waveguide connecting these various functional elements, or in a waveguide device in which the waveguide itself functions as a functional device, the electromagnetic field mode propagating through the optical waveguide propagates smoothly, and the optical waveguide itself The low propagation loss is extremely important in any optical device having an optical waveguide.

そのような観点からこれまでは、様々な材料系の導波路において、材料そのものの吸収によって伝搬損失を低減する技術（G.-L. Bona, R. Germann and B. J.Offrein, “SiON high-refractive-index waveguide and planar lightwavecircuits”, IBM J. Res. & Dev. 47 (28) 239-249 (2003).（文献３）、 Chung-Yen Chao and L. JayGuo,”Thermal-flow technique for reducing surface roughness and controllinggap size in polymer microring resonators”, Applied Physics Letters, 84,2479 (2004).（文献４）、 特開平０９−０３３７４２号公報、特開２００４−１４４９３５号公報、特開２００５−０６２５３８号公報参照）、導波路の製造過程で含有されてしまう構造揺らぎを低減する技術（Kevin K. Lee, Desmond R. Lim,Lionel C. Kimerling, Jangho Shin, and Franco Cerrina, “Fabrication ofultralow-loss Si/SiO2 waveguides by roughness reduction”,Optics Letters, 26, 1888 (2001).（文献５）、 Jun-ichi Takahashi, TaiTsuchizawa, Toshifumi Watanabe, and Sei-ichi Itabashi, “Oxidation-inducedimprovement in the sidewall morphology and cross-sectional profile of siliconwire waveguides”, Journal of Vacuum Science & TechnologyB,22,2522 (2004).（文献６）、 特開２００５−１４０８１５号公報参照）などが提案されている。   From this point of view, the technology to reduce propagation loss by absorbing the material itself in waveguides of various materials (G.-L. Bona, R. Germann and BJOffrein, “SiON high-refractive- index waveguide and planar lightwavecircuits ”, IBM J. Res. & Dev. 47 (28) 239-249 (2003). (Ref. 3), Chung-Yen Chao and L. JayGuo,“ Thermal-flow technique for reducing surface roughness and controllinggap size in polymer microring resonators ", Applied Physics Letters, 84, 2479 (2004). (Reference 4), JP 09-033742 A, JP 2004-144935 A, JP 2005-062538 A), Technology to reduce structural fluctuations contained in the waveguide manufacturing process (Kevin K. Lee, Desmond R. Lim, Lionel C. Kimerling, Jangho Shin, and Franco Cerrina, “Fabrication ofultralow-loss Si / SiO2 waveguides by roughnes s reduction ”, Optics Letters, 26, 1888 (2001). (Reference 5), Jun-ichi Takahashi, TaiTsuchizawa, Toshifumi Watanabe, and Sei-ichi Itabashi,“ Oxidation-inducedimprovement in the sidewall morphology and cross-sectional profile of siliconwire waveguides ”, Journal of Vacuum Science & Technology B, 22, 2522 (2004). (Reference 6), JP 2005-140815 A) and the like have been proposed.

ところが、上述した文献３〜６や特開平０９−０３３７４２号公報、特開２００４−１４４９３５号公報、特開２００５−０６２５３８号公報、特開２００５−１４０８１５号公報に記載されている、低損失光導波路を実現する技術は、光導波路が通常作製される基板による影響がない場合だけを扱っている。そのため、基板に光導波路の電磁場モードが影響を受けて大きな伝搬損失を生むような場合には、その伝搬損失の増大を防ぐために利用することができない。   However, the low-loss optical waveguides described in the above-mentioned documents 3 to 6, JP-A 09-033742, JP-A 2004-144935, JP-A 2005-062538, and JP-A 2005-140815. The technology for realizing the above only deals with the case where the optical waveguide is not affected by the substrate on which it is normally manufactured. Therefore, when the electromagnetic field mode of the optical waveguide is affected on the substrate and a large propagation loss occurs, it cannot be used to prevent an increase in the propagation loss.

一方、ＬＳＩ回路と光導波路とを集積化することを考慮したとき、ＬＳＩ回路に関して埋め込み絶縁膜の薄膜化を図った場合、基板の材料の吸収の影響や、基板の屈折率がクラッドと異なることなどによる影響を無視できなくなる可能性がある。   On the other hand, considering the integration of the LSI circuit and the optical waveguide, if the embedded insulating film is thinned for the LSI circuit, the influence of the absorption of the substrate material and the refractive index of the substrate are different from the cladding. There is a possibility that the influence of such as cannot be ignored.

本発明の目的は、このような課題を解決し、基板と光導波路コアとの間に位置するクラッドの厚さが薄くされた場合であっても、基板の影響による伝搬損失を低減することができる光導波路を提供することである。   The object of the present invention is to solve such a problem and to reduce the propagation loss due to the influence of the substrate even when the thickness of the clad located between the substrate and the optical waveguide core is thinned. It is to provide an optical waveguide that can be used.

本発明の光導波路は、基板上に第一のクラッド（下部クラッド）、光導波路コア及び第二のクラッド（上部クラッド）がこの順に積層されており、第二のクラッドの少なくとも光導波路コアと重なり合う領域が、第一のクラッドの少なくとも光導波路コアと基板との間の領域の体積平均屈折率よりも体積平均屈折率が大きい材料によって形成されている。   In the optical waveguide of the present invention, a first clad (lower clad), an optical waveguide core, and a second clad (upper clad) are laminated in this order on a substrate, and at least the second clad overlaps with the optical waveguide core. The region is formed of a material having a volume average refractive index larger than that of at least the region between the optical waveguide core and the substrate of the first cladding.

なお、本明細書において「上」又は「上部」とは、基板を最下層として水平に配置した場合に、基板から離れる方向を指している。また、「下」又は「下部」とは、基板に近づく方向を指している。   In this specification, “upper” or “upper” refers to a direction away from the substrate when the substrate is horizontally disposed as a lowermost layer. “Lower” or “lower” refers to a direction approaching the substrate.

光導波路コアは第一のクラッドの表面上に形成され、第二のクラッドは、体積平均屈折率が第一のクラッドの体積平均屈折率よりも大きい材料を用いて、光導波路コアの側面及び表面を覆って形成されることが望ましい。   The optical waveguide core is formed on the surface of the first cladding, and the second cladding is made of a material whose volume average refractive index is larger than the volume average refractive index of the first cladding. It is desirable to be formed over.

光導波路コア及び第二のクラッドをそれぞれ構成する材料の組成がＳｉＯxＮy、（ｘ、ｙ＝０〜１）であり、第一のクラッドを構成する材料がＳｉＯ2であることが望ましい。   It is desirable that the composition of the material constituting the optical waveguide core and the second cladding is SiOxNy, (x, y = 0 to 1), and the material constituting the first cladding is SiO2.

また、第一のクラッドの体積平均屈折率に対する第二のクラッドの体積平均屈折率の値が１．５倍以上であることが望ましい。   Further, it is desirable that the value of the volume average refractive index of the second clad with respect to the volume average refractive index of the first clad is 1.5 times or more.

光導波路コアは、基板の面に平行で光導波方向を横切る方向の長さ（幅）が、基板の面に垂直な方向の長さ（高さ）の１．５倍以上、２．５倍以下に形成されることが望ましい。   The optical waveguide core has a length (width) in a direction parallel to the surface of the substrate and crossing the optical waveguide direction, which is 1.5 times or more and 2.5 times a length (height) in the direction perpendicular to the surface of the substrate. It is desirable to be formed as follows.

光導波路コアの屈折率をｎC、第一のクラッドの屈折率をｎL、第二のクラッドの屈折率をｎU、光導波路コアと第一のクラッドとの屈折率差をΔｎL＝（ｎC2−ｎL2）／（２×ｎC2）、光導波路コアと第二のクラッドとの屈折率差をΔｎU＝（ｎC2−ｎU2）／（２×ｎC2）としたとき、光導波路コアと第二のクラッドとの屈折率差ΔｎUと、光導波路コアと第一のクラッドとの屈折率差ΔｎLとの比ΔｎU／ΔｎL×１００が、４０％以上、６０％以下であることが望ましい。   The refractive index of the optical waveguide core is nC, the refractive index of the first cladding is nL, the refractive index of the second cladding is nU, and the refractive index difference between the optical waveguide core and the first cladding is ΔnL = (nC2−nL2). / (2 × nC2), where the refractive index difference between the optical waveguide core and the second cladding is ΔnU = (nC2−nU2) / (2 × nC2), the refractive index between the optical waveguide core and the second cladding. The ratio ΔnU / ΔnL × 100 between the difference ΔnU and the refractive index difference ΔnL between the optical waveguide core and the first cladding is preferably 40% or more and 60% or less.

本発明の光導波路は、ＬＳＩチップ間が光回路を介して接続されるＬＳＩチップ間の光インターコネクション用の光通信デバイスにおける光回路の少なくとも一部に用いることができる。また、１つのＬＳＩチップ内に電子回路及び光回路が集積された、ＬＳＩオンチップの光インターコネクション用の光通信デバイスにおける光回路の少なくとも一部に用いることができる。   The optical waveguide of the present invention can be used in at least a part of an optical circuit in an optical communication device for optical interconnection between LSI chips in which LSI chips are connected via an optical circuit. Further, it can be used for at least a part of an optical circuit in an optical communication device for LSI on-chip optical interconnection in which an electronic circuit and an optical circuit are integrated in one LSI chip.

本発明によれば、本発明に関連する技術において基板の材料の吸収の影響や基板の屈折率がクラッドと異なることなどの基板の影響によって、光導波路を伝搬する電磁場モードの伝搬損失が増大し、あるいは基板の影響によって漏洩モードになってしまう程度に、基板と光導波路コアとの間に位置する下部クラッドの厚さが薄くされた場合であっても、光導波路コアの反対側に位置する上部クラッドの屈折率を大きく設定することで、伝搬損失を十分に低減することができる。   According to the present invention, in the technology related to the present invention, the propagation loss of the electromagnetic field mode propagating through the optical waveguide increases due to the influence of the substrate such as the influence of the absorption of the material of the substrate and the refractive index of the substrate being different from the cladding. Even if the thickness of the lower clad located between the substrate and the optical waveguide core is reduced to such an extent that the leakage mode is caused by the influence of the substrate, it is positioned on the opposite side of the optical waveguide core. Propagation loss can be sufficiently reduced by setting the refractive index of the upper cladding large.

本発明の光導波路は、伝搬損失を低減し、必要とする光源出力を低減することができるので、ＬＳＩチップ間及びＬＳＩオンチップにおける光インターコネクションに要する消費電力を低減することができる。また、所望の伝搬損失の仕様を実現しようとする場合に、基板と光導波路コアとの間に位置する下部クラッドの厚さをより一層薄くすることができる。このことは、ＬＳＩ回路と光導波路の集積化において、ＬＳＩに関する埋め込み絶縁膜の薄膜化を実現できることを意味している。   Since the optical waveguide of the present invention can reduce propagation loss and reduce the required light source output, the power consumption required for optical interconnection between LSI chips and between LSI on-chip can be reduced. Further, when it is intended to realize a desired propagation loss specification, the thickness of the lower clad positioned between the substrate and the optical waveguide core can be further reduced. This means that in the integration of the LSI circuit and the optical waveguide, it is possible to reduce the thickness of the embedded insulating film related to the LSI.

光導波路を作製するために用いるＳｉウェハの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of Si wafer used in order to produce an optical waveguide. 光導波路の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of an optical waveguide. 光導波路の分散関係を示す図である。It is a figure which shows the dispersion | distribution relationship of an optical waveguide. 下部クラッドと上部クラッドの屈折率が等しい場合における、基板に垂直方向に対する導波モードの光パワー密度分布を示す図である。It is a figure which shows optical power density distribution of the waveguide mode with respect to a perpendicular | vertical direction to a board | substrate when the refractive index of a lower clad and an upper clad is equal. 下部クラッドと上部クラッドとの間に屈折率差が存在する場合における、基板に垂直方向に対する導波モードの光パワー密度分布を示す図である。It is a figure which shows the optical power density distribution of the waveguide mode with respect to the orthogonal | vertical direction to a board | substrate in case a refractive index difference exists between a lower clad and an upper clad. 伝搬損失に関する基板−導波路コア間の距離依存性（ＴＥ−ｌｉｋｅモード）を示す図である。It is a figure which shows the distance dependence (TE-like mode) between the board | substrate-waveguide core regarding a propagation loss. 伝搬損失に関する基板−導波路コア間の距離依存性（ＴＭ−ｌｉｋｅモード）を示す図である。It is a figure which shows the distance dependence (TM-like mode) between the board | substrate-waveguide core regarding a propagation loss. 伝搬損失に関する導波路コア−クラッド間の屈折率差依存性（ＴＥ−ｌｉｋｅモード）を示す図である。It is a figure which shows the refractive index difference dependence (TE-like mode) between the waveguide core-cladding regarding a propagation loss. 伝搬損失に関する導波路コア−クラッド間の屈折率差依存性（ＴＭ−ｌｉｋｅモード）を示す図である。It is a figure which shows the refractive index difference dependence (TM-like mode) between the waveguide core-cladding regarding a propagation loss. 材料組成と材料屈折率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between material composition and material refractive index. ＬＳＩチップ間の光インターコネクション用の光通信デバイスの構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the optical communication device for the optical interconnection between LSI chips. ＬＳＩオンチップの光インターコネクション用の光通信デバイスの構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the optical communication device for LSI on-chip optical interconnection.

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は光導波路を作製するために用いられるＳｉウェハの一例を示す断面図である。このＳｉウェハは、Ｓｉ基板１１の上に、酸化絶縁膜のＳｉＯ2層１２を挟み込むような配置でＳｉ層１３が形成された構成である。Ｓｉ層１３の表面は、空気層１４になっている。このようなＳｉウェハは、半導体のスケーリングによる性能の向上を維持するとともにスケーリングに頼らずに性能の向上を実現できるテクノロジーブースタとして知られている。この構成は、膜厚や組成分布に関して高品質であり、比較的大面積な基板を得ることが可能であるので、Ｓｉフォトニクスにおいて各種の光導波路デバイスを作製するための基礎構造体として最もよく用いられている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a Si wafer used for producing an optical waveguide. This Si wafer has a configuration in which an Si layer 13 is formed on an Si substrate 11 in such an arrangement as to sandwich an SiO 2 layer 12 of an oxide insulating film. The surface of the Si layer 13 is an air layer 14. Such a Si wafer is known as a technology booster capable of maintaining the performance improvement due to semiconductor scaling and realizing the performance improvement without depending on the scaling. This configuration is of high quality with respect to film thickness and composition distribution, and it is possible to obtain a relatively large substrate, so it is most often used as a basic structure for manufacturing various optical waveguide devices in Si photonics. It has been.

図２は基板上に形成された光導波路の構造を示す断面図である。図１に示したＳｉウェハのＳｉ基板１１及びＳｉＯ2層１２をそのまま基板２１及び下部クラッド（第１のクラッド）２２として用いて、Ｓｉ層１３を加工して光導波路コア２３を形成し、上部クラッド（第２のクラッド）２４を有限の厚さの積層膜として形成することによって、光導波路が作製される。すなわち、この光導波路は、光導波路コア２３が下部クラッド２２の表面上に形成されており、上部クラッド２４が光導波路コア２３の側面及び表面を覆って形成された構造となる。ここで、光導波路コア２３の幅、すなわち基板２１の面に平行で光導波方向を横切る方向の長さをｗcore、光導波路コア２３の高さ、すなわち基板２１の面に垂直な方向の長さをｈcore、下部クラッド２２の高さ、すなわち基板２１と光導波路コア２３との間隔をｈをする。上部クラッド２４の材料としては、体積平均屈折率が下部クラッド２２の体積平均屈折率よりも大きい材料が用いられる。   FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the optical waveguide formed on the substrate. Using the Si substrate 11 and the SiO2 layer 12 of the Si wafer shown in FIG. 1 as the substrate 21 and the lower cladding (first cladding) 22 as they are, the Si layer 13 is processed to form the optical waveguide core 23, and the upper cladding By forming the (second cladding) 24 as a laminated film having a finite thickness, an optical waveguide is manufactured. That is, the optical waveguide has a structure in which the optical waveguide core 23 is formed on the surface of the lower cladding 22 and the upper cladding 24 is formed so as to cover the side surface and the surface of the optical waveguide core 23. Here, the width of the optical waveguide core 23, that is, the length in the direction parallel to the surface of the substrate 21 and crossing the optical waveguide direction is wcore, and the height of the optical waveguide core 23, that is, the length in the direction perpendicular to the surface of the substrate 21. Hcore, and the height of the lower cladding 22, that is, the distance between the substrate 21 and the optical waveguide core 23 is h. As the material of the upper clad 24, a material having a volume average refractive index larger than that of the lower clad 22 is used.

図３に、光導波路の分散関係を示す。縦軸は規格化導波路屈折率を示し、横軸は波長を示している。ここでは、図２に示した光導波路構造において、光導波路コア２３の幅ｗcore、＝２．２μｍ、高さｈcore＝１．１μｍ、光導波路コア２３と上下クラッド２２、２４との屈折率差Δｎを２．７％に設定した。下部クラッド２２及び上部クラッド２４の膜厚は十分に大きくした（上下左右対称な導波路構造）。長波長側から０次モード、１次モード、２次モード・・と名前をつけたときに、０次〜２次モードまでをＴＥ−ｌｉｋｅモードとＴＭ−ｌｉｋｅモードの両方について示す。なお、ＴＥ−ｌｉｋｅモードとは、基板に垂直方向に法線を有する鏡映面に関する対称操作において、偶のパリティをもつモードを指している。また、ＴＭ−ｌｉｋｅモードとは、奇のパリティをもつモードをいう。さらに０次から２次のモードに関してのみ言えば、基板に平行な方向の電場成分及び基板に垂直な方向の磁場成分が大きい電磁場モードがＴＥ−ｌｉｋｅモードである。また、基板に垂直な方向の電場成分及び基板に平行な方向の磁場成分が大きい電磁場モードがＴＭ−ｌｉｋｅモードである。ＴＥ−ｌｉｋｅモードとＴＭ−ｌｉｋｅモードはほとんど差がなく、分散関係が重なって示されている。   FIG. 3 shows the dispersion relationship of the optical waveguide. The vertical axis represents the normalized waveguide refractive index, and the horizontal axis represents the wavelength. Here, in the optical waveguide structure shown in FIG. 2, the width wcore of the optical waveguide core 23 = 2.2 μm, the height hcore = 1.1 μm, the refractive index difference Δn between the optical waveguide core 23 and the upper and lower claddings 22 and 24. Was set to 2.7%. The film thickness of the lower clad 22 and the upper clad 24 was made sufficiently large (a waveguide structure that is vertically and horizontally symmetrical). When the 0th order mode, the first order mode, the second order mode,... Are assigned from the long wavelength side, the 0th order to the second order mode are shown for both the TE-like mode and the TM-like mode. Note that the TE-like mode refers to a mode having even parity in a symmetric operation related to a mirror surface having a normal line in a direction perpendicular to the substrate. The TM-like mode is a mode having an odd parity. Further, regarding only the 0th to 2nd modes, the TE-like mode is an electromagnetic field mode in which an electric field component in a direction parallel to the substrate and a magnetic field component in a direction perpendicular to the substrate are large. An electromagnetic field mode having a large electric field component in a direction perpendicular to the substrate and a magnetic field component in a direction parallel to the substrate is the TM-like mode. There is almost no difference between the TE-like mode and the TM-like mode, and the dispersion relations are overlapped.

図４は、下部クラッド２２と上部クラッド２４の屈折率が等しい場合について、基板２１に垂直な方向における導波モードの光パワー密度分布を示す図である。波長は８５０ｎｍとし、ＴＥ−ｌｉｋｅモードとＴＭ−ｌｉｋｅモードの両方の０次モードについて示す。図４における横軸は光導波路の高さ方向（基板２１に垂直な方向）における位置を示し、「ゼロ」の位置は、光導波路コア２３の中心を示す。導波モードの光パワー密度分布は、光導波路の上下クラッドの領域において対称であり、指数関数的な減衰を示すことがわかる。   FIG. 4 is a diagram showing the optical power density distribution of the waveguide mode in the direction perpendicular to the substrate 21 when the lower cladding 22 and the upper cladding 24 have the same refractive index. The wavelength is 850 nm, and the 0th-order mode of both the TE-like mode and the TM-like mode is shown. The horizontal axis in FIG. 4 indicates the position in the height direction of the optical waveguide (direction perpendicular to the substrate 21), and the position of “zero” indicates the center of the optical waveguide core 23. It can be seen that the optical power density distribution in the waveguide mode is symmetrical in the upper and lower cladding regions of the optical waveguide and exhibits exponential attenuation.

図５は、上部クラッド２４の体積平均屈折率が下部クラッド２２の体積平均屈折率よりも大きい場合について、図４と同様の光パワー密度分布を示す図である。ここで、光導波路コア２３の屈折率をｎC、下部のクラッド２２の屈折率をｎL、上部クラッド２４の屈折率をｎU、光導波路コア２３と下部クラッド２２との屈折率差をΔｎL＝（ｎC2−ｎL2）／（２×ｎC2）、光導波路コア２３と上部クラッド２４との屈折率差をΔｎU＝（ｎC2−ｎU2）／（２×ｎC2）とし、光導波路コア２３と上部クラッド２４との屈折率差ΔｎUと、光導波路コア２３と下部のクラッド２２との屈折率差ΔｎLとの比ΔｎU／ΔｎL×１００が３７％である例を実線で示す。また、ΔｎU／ΔｎL×１００が１００％である場合における分布、すなわち図４と同じ分布を比較のために破線で示す。   FIG. 5 is a diagram showing an optical power density distribution similar to that in FIG. 4 when the volume average refractive index of the upper cladding 24 is larger than the volume average refractive index of the lower cladding 22. Here, the refractive index of the optical waveguide core 23 is nC, the refractive index of the lower cladding 22 is nL, the refractive index of the upper cladding 24 is nU, and the refractive index difference between the optical waveguide core 23 and the lower cladding 22 is ΔnL = (nC2 −nL2) / (2 × nC2), the refractive index difference between the optical waveguide core 23 and the upper cladding 24 is ΔnU = (nC2−nU2) / (2 × nC2), and the refraction between the optical waveguide core 23 and the upper cladding 24 is performed. An example in which the ratio ΔnU / ΔnL × 100 between the rate difference ΔnU and the refractive index difference ΔnL between the optical waveguide core 23 and the lower cladding 22 is 37% is indicated by a solid line. Further, the distribution in the case where ΔnU / ΔnL × 100 is 100%, that is, the same distribution as that in FIG.

図６は伝搬損失に関する基板−光導波路コア間の距離依存性を示す図であり、図２における下部クラッド２２の高さｈを変化させたときの、図２に示した光導波路構造におけるＴＥ−ｌｉｋｅモードの０次の導波モードの伝搬損失を示す。ここでは、光導波路コア２３と上部クラッド２４との屈折率差ΔｎUと、光導波路コア２３と下部のクラッド２２との屈折率差ΔｎLとの比ΔｎU／ΔｎL×１００が、１００％、７５％及び５０％である場合をそれぞれ示している。波長は８５０ｎｍである。   FIG. 6 is a diagram showing the dependence of propagation loss on the distance between the substrate and the optical waveguide core. When the height h of the lower cladding 22 in FIG. 2 is changed, the TE- in the optical waveguide structure shown in FIG. The propagation loss of the 0th-order guided mode of the like mode is shown. Here, the ratio ΔnU / ΔnL × 100 between the refractive index difference ΔnU between the optical waveguide core 23 and the upper cladding 24 and the refractive index difference ΔnL between the optical waveguide core 23 and the lower cladding 22 is 100%, 75%, and Each case is 50%. The wavelength is 850 nm.

波長が８５０ｎｍの場合には、基板２１を形成するＳｉが電磁場を吸収し、Ｓｉの屈折率が下部クラッド２２の屈折率よりも大きいので、基板２１と光導波路コア２３の底面までの距離（＝下部クラッド２２の高さｈ）が小さくなったときに、伝搬損失が急激に増大する。一方、上部クラッド２４の屈折率を増大させたとき、ΔｎU／ΔｎLが小さくなり、同じ値のｈに対してΔｎU／ΔｎLが小さくなるのに従って、伝搬損失が小さくなっている。   When the wavelength is 850 nm, Si forming the substrate 21 absorbs the electromagnetic field, and the refractive index of Si is larger than the refractive index of the lower cladding 22, so the distance between the substrate 21 and the bottom surface of the optical waveguide core 23 (= When the height h) of the lower cladding 22 decreases, the propagation loss increases rapidly. On the other hand, when the refractive index of the upper clad 24 is increased, ΔnU / ΔnL decreases, and the propagation loss decreases as ΔnU / ΔnL decreases for the same value of h.

このように、上部クラッド２４の屈折率を、下部クラッド２２の屈折率よりも大きくすることで、基板２１による損失が軽減されて、更に低導波路損失の光導波路を実現できる。   Thus, by making the refractive index of the upper clad 24 larger than the refractive index of the lower clad 22, the loss due to the substrate 21 is reduced, and an optical waveguide with a lower waveguide loss can be realized.

図７は、下部クラッドの高さｈに対する伝搬損失の変化を示す図である。図７は、図２における下部クラッド２２の高さｈを変化させたときに、図２に示した光導波路構造において、ＴＭ−ｌｉｋｅモードにおける０次の導波モードの伝搬損失を示す。ここでも図６と同様に、屈折率差ΔｎU、ΔｎLの比ΔｎU／ΔｎL×１００が、１００％、７５％及び５０％である場合をそれぞれ示す。波長は８５０ｎｍである。   FIG. 7 is a diagram showing a change in propagation loss with respect to the height h of the lower cladding. FIG. 7 shows the propagation loss of the 0th-order waveguide mode in the TM-like mode in the optical waveguide structure shown in FIG. 2 when the height h of the lower cladding 22 in FIG. 2 is changed. Here, similarly to FIG. 6, the case where the ratio ΔnU / ΔnL × 100 of the refractive index differences ΔnU and ΔnL is 100%, 75% and 50%, respectively, is shown. The wavelength is 850 nm.

ＴＭ−ｌｉｋｅモードにおいてもＴＥ−ｌｉｋｅモードと同様に、基板２１のＳｉが電磁場を吸収し、下部クラッド２２の高さｈが小さくなったときに、伝搬損失が急激に増大する。一方、上部クラッド２４の屈折率を増大させたとき、ΔｎU／ΔｎLが小さくなり、同じ値のｈに対してΔｎU／ΔｎLが小さくなるのに従って伝搬損失が小さくなっている。   Also in the TM-like mode, similarly to the TE-like mode, when the Si of the substrate 21 absorbs the electromagnetic field and the height h of the lower cladding 22 is reduced, the propagation loss increases rapidly. On the other hand, when the refractive index of the upper clad 24 is increased, ΔnU / ΔnL decreases, and the propagation loss decreases as ΔnU / ΔnL decreases for the same value of h.

このように、上部クラッド２４の屈折率を下部クラッド２２の屈折率よりも大きくすることで、基板２１による損失が軽減されて、更に低導波路損失の光導波路を実現できる。   Thus, by making the refractive index of the upper clad 24 larger than the refractive index of the lower clad 22, the loss due to the substrate 21 is reduced, and an optical waveguide with a lower waveguide loss can be realized.

図８はΔｎU／ΔｎLに対する伝搬損失の変化を示す図であり、下部クラッド２２の高さｈ＝２μｍにされ、図２で示した光導波路構造においてＴＥ−ｌｉｋｅモードにおける０次の導波モードの伝搬損失を示す。ここで、図２に示した上部クラッド２４の厚さは、導波路コア２２の直上において３．５μｍにされ、波長は８５０ｎｍに設定した。   FIG. 8 is a graph showing a change in propagation loss with respect to ΔnU / ΔnL. The height of the lower cladding 22 is set to h = 2 μm, and the optical waveguide structure shown in FIG. 2 has a zero-order waveguide mode in the TE-like mode. Indicates propagation loss. Here, the thickness of the upper clad 24 shown in FIG. 2 was set to 3.5 μm immediately above the waveguide core 22 and the wavelength was set to 850 nm.

上部クラッド２４の屈折率を増大させたときにΔｎU／ΔｎLが小さくなり、ΔｎU／ΔｎLが５０％以上、１００％以下の領域ではΔｎU／ΔｎLが小さくなるに従って伝搬損失が減少しており、本発明の効果がみてとれる。ΔｎU／ΔｎLを更に小さくした領域では、図５に示したように、上部クラッド２４への電磁場モードの光パワー密度分布が大きくなるので、上部クラッド２４の影響が顕著に現れて、図８中のデータ点に示すエラー・バー（伝搬損失の揺らぎの幅）が大きくなるとともに、伝搬損失が増大に転じてしまう。このことから、ΔｎU／ΔｎLには最適値が存在しており、ΔｎU／ΔｎL×１００＝４０％以上、６０％以下が最適であると考えられる。   When the refractive index of the upper clad 24 is increased, ΔnU / ΔnL decreases, and in a region where ΔnU / ΔnL is 50% or more and 100% or less, propagation loss decreases as ΔnU / ΔnL decreases. You can see the effect. In the region where ΔnU / ΔnL is further reduced, as shown in FIG. 5, the optical power density distribution of the electromagnetic field mode to the upper clad 24 becomes larger, so the influence of the upper clad 24 appears remarkably. As the error bar (width of fluctuation of propagation loss) shown at the data point increases, the propagation loss starts to increase. Therefore, there is an optimum value for ΔnU / ΔnL, and it is considered that ΔnU / ΔnL × 100 = 40% or more and 60% or less is optimal.

このように、上部クラッド２４の屈折率を下部クラッド２２の屈折率よりも高くし、かつ、その値を最適値（ΔｎU／ΔｎL×１００＝４０％以上、６０％以下）とすることによって、基板による損失が軽減されて、更に低導波路損失の光導波路を実現できる。   Thus, by making the refractive index of the upper clad 24 higher than that of the lower clad 22 and making the value an optimum value (ΔnU / ΔnL × 100 = 40% or more, 60% or less), the substrate Therefore, an optical waveguide having a lower waveguide loss can be realized.

図９はΔｎU／ΔｎLに対する伝搬損失の変化を示す図であり、下部クラッド２２の高さｈ＝２μｍとし、図２で示した光導波路構造におけるＴＭ−ｌｉｋｅモードの０次の導波モードの伝搬損失を示す。ここで、図２における上部クラッド２３の厚さは、導波路コア２２の直上において４μｍにされ、波長は８５０ｎｍに設定した。   FIG. 9 is a diagram showing a change in propagation loss with respect to ΔnU / ΔnL, where the height of the lower cladding 22 is h = 2 μm, and propagation of the 0th-order waveguide mode of the TM-like mode in the optical waveguide structure shown in FIG. Indicates loss. Here, the thickness of the upper clad 23 in FIG. 2 was set to 4 μm immediately above the waveguide core 22 and the wavelength was set to 850 nm.

上部クラッド２４の屈折率を増大させたときにΔｎU／ΔｎLが小さくなり、ΔｎU／ΔｎLが５０％以上、１００％以下の領域ではΔｎU／ΔｎLが小さくなるに従って伝搬損失が減少しており、本発明の効果がみてとれる。ΔｎU／ΔｎLを更に小さくした領域では、図５に示したように上部クラッド２４への電磁場モードの光パワー密度分布が大きくなるので、上部クラッド２４の影響が顕著に現れて、図９中のデータ点に示すエラー・バー（伝搬損失の揺らぎの幅）が大きくなってしまう。このことから、ΔｎU／ΔｎLには最適値が存在しており、ΔｎU／ΔｎL×１００＝４０％以下、６０％以下の範囲が最適であると考えられる。   When the refractive index of the upper clad 24 is increased, ΔnU / ΔnL decreases, and in a region where ΔnU / ΔnL is 50% or more and 100% or less, propagation loss decreases as ΔnU / ΔnL decreases. You can see the effect. In a region where ΔnU / ΔnL is further reduced, the optical power density distribution of the electromagnetic field mode to the upper clad 24 becomes larger as shown in FIG. 5, so that the influence of the upper clad 24 appears remarkably, and the data in FIG. The error bar (width of fluctuation of propagation loss) indicated by the dot becomes large. Therefore, there is an optimum value for ΔnU / ΔnL, and it is considered that ΔnU / ΔnL × 100 = 40% or less and 60% or less are optimal.

このように、上部クラッド２４の屈折率を下部クラッド２２の屈折率よりも高くし、かつ、その値を最適値（ΔｎU／ΔｎL×１００＝４０％以上、６０％以下）とすることによって、基板による損失が軽減されて、更に低導波路損失の光導波路を実現できる。   Thus, by making the refractive index of the upper clad 24 higher than that of the lower clad 22 and making the value an optimum value (ΔnU / ΔnL × 100 = 40% or more, 60% or less), the substrate Therefore, an optical waveguide having a lower waveguide loss can be realized.

図１０は、材料組成と材料屈折率との関係を示す図（H.Baumann and R.E.Sah, Journal ofVacuum Science & Technology A, vol.23, no.3, pp.545-550 (2005), Fig.8 （文献７）参照）である。図１０は、屈折率の変化が、材料の組成の変化によって実現できることを示している。つまり、ＳｉＯＮ膜のＳｉ、Ｏ、Ｈ、Ｎの組成の変化に応じて、屈折率を変化させることができる。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between material composition and material refractive index (H. Baumann and RESah, Journal of Vacuum Science & Technology A, vol. 23, no. 3, pp. 545-550 (2005), FIG. 8 (Ref. 7)). FIG. 10 shows that the change in refractive index can be realized by changing the composition of the material. That is, the refractive index can be changed in accordance with changes in the composition of Si, O, H, and N of the SiON film.

なお、光導波路コア２３及び上部クラッド２４をそれぞれ構成する材料の組成はＳｉＯxＮy、（ｘ、ｙ＝０〜１）であり、下部クラッド２２を構成する材料がＳｉＯ2であることが望ましい。   The composition of the material constituting the optical waveguide core 23 and the upper cladding 24 is preferably SiOxNy, (x, y = 0 to 1), and the material constituting the lower cladding 22 is preferably SiO2.

図１１は、本発明の光導波路を利用したＬＳＩチップ間の光インターコネクション用の光通信デバイスの構成例を示す断面図である。この光通信デバイスは、ＬＳＩチップ間が光回路を介して接続される構成であり、ＬＳＩ搭載ボード１１０１と、フォトダイオード／光源搭載ボード１１０２とを備えている。ＬＳＩ搭載ボード１１０１には、フォトダイオード／光源搭載ボード１１０２との間で光信号の入出力を行うために、凹面鏡１１０３、光信号出力光導波路１１０４及び光信号入力光導波路１１０５を備えている。フォトダイオード／光源搭載ボード１１０２には、モノリシックに形成された光源用電気配線層１１０６、フォトダイオード用電気配線層１１０７、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）光源１１０８及びフォトダイオード１１０９を備えている。ＶＣＳＥＬ光源１１０８及びフォトダイオード１１０９に供給される電力は、ＬＳＩパッケージ１１１０内の回路から電気配線ビア１１１１、１１１２を介して供給される。光信号出力光導波路１１０４及び光信号入力光導波路１１０５の少なくとも一部に、本発明の光導波路が用いられる。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration example of an optical communication device for optical interconnection between LSI chips using the optical waveguide of the present invention. This optical communication device has a configuration in which LSI chips are connected via an optical circuit, and includes an LSI mounting board 1101 and a photodiode / light source mounting board 1102. The LSI mounting board 1101 includes a concave mirror 1103, an optical signal output optical waveguide 1104, and an optical signal input optical waveguide 1105 in order to input / output optical signals to / from the photodiode / light source mounting board 1102. The photodiode / light source mounting board 1102 includes a light source electrical wiring layer 1106, a photodiode electrical wiring layer 1107, a VCSEL (surface emitting laser) light source 1108, and a photodiode 1109 that are monolithically formed. The power supplied to the VCSEL light source 1108 and the photodiode 1109 is supplied from the circuit in the LSI package 1110 through the electrical wiring vias 1111 and 1112. The optical waveguide of the present invention is used for at least a part of the optical signal output optical waveguide 1104 and the optical signal input optical waveguide 1105.

光導波路部分に本発明を適用することにより、必要とする光源出力が小さくなるので、ＬＳＩ搭載ボード上におけるチップ間の光インターコネクションに要する消費電力が低減される。   By applying the present invention to the optical waveguide portion, the required light source output is reduced, so that the power consumption required for the optical interconnection between chips on the LSI mounting board is reduced.

図１２は本発明の光導波路を利用したＬＳＩオンチップの光インターコネクション用の光通信デバイスの構成例を示す断面図である。この光通信デバイスは、図２に示した構造における光導波路の一部に光検出器が設けられて構成された光配線層１２０１を、充填層１２０２を介してＬＳＩチップ（ＬＳＩ層１２０３）に貼り合せて構成されている。ここでは、光検出器として、光導波路コア２３の一部に沿って半導体吸収層１２０４及び電極１２０５が設けられた構造のＭＳＭ（金属／半導体／金属）型光検出器を示す。電極１２０５は、下部クラッド２２と上部クラッド２４との間に設けられた電極パッド１２０６、及び上部クラッド２４に設けられた電気接続ビア１２０７を介して、上部クラッド２４の表面に設けられた電気接続パッド１２０８に電気的に接続されている。ＬＳＩ層１２０３は、Ｓｉ基板１２１１上に、トランジスター１２１２、Ｃｕビア配線１２１３及びＬＳＩ電極パッド１２１４を備えている。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration example of an optical communication device for LSI on-chip optical interconnection using the optical waveguide of the present invention. In this optical communication device, an optical wiring layer 1201 configured by providing a photodetector in a part of an optical waveguide in the structure shown in FIG. 2 is attached to an LSI chip (LSI layer 1203) via a filling layer 1202. It is configured together. Here, an MSM (metal / semiconductor / metal) photodetector having a structure in which a semiconductor absorption layer 1204 and an electrode 1205 are provided along a part of the optical waveguide core 23 is shown as the photodetector. The electrode 1205 is an electrical connection pad provided on the surface of the upper clad 24 via an electrode pad 1206 provided between the lower clad 22 and the upper clad 24 and an electrical connection via 1207 provided in the upper clad 24. 1208 is electrically connected. The LSI layer 1203 includes a transistor 1212, a Cu via wiring 1213, and an LSI electrode pad 1214 on a Si substrate 1211.

この構造において、光導波路コア２３を伝搬する光信号は、半導体吸収層１２０４に吸収されて電気信号に変換され、電極１２０５、電極パッド１２０６、電気接続ビア１２０７、ＬＳＩ電極パッド１２１４及びＣｕビア配線１２１３を介して、トランジスター１２１２に入力される。   In this structure, an optical signal propagating through the optical waveguide core 23 is absorbed by the semiconductor absorption layer 1204 and converted into an electrical signal. The electrode 1205, the electrode pad 1206, the electrical connection via 1207, the LSI electrode pad 1214, and the Cu via wiring 1213. Is input to the transistor 1212.

多層配線を含むＬＳＩチップ上の配線が、ＬＳＩ電極パッド、電気接続パッド、電気接続ビアを介して、光配線層の電極パッドと相互に接続されている。   Wirings on the LSI chip including the multilayer wiring are mutually connected to the electrode pads of the optical wiring layer via LSI electrode pads, electrical connection pads, and electrical connection vias.

光配線層１２０１の光導波路部分に本発明を適用することによって、必要とする光源出力が小さくなるので、ＬＳＩチップ内のインターコネクションに要する消費電力が低減される。   By applying the present invention to the optical waveguide portion of the optical wiring layer 1201, the required light source output is reduced, so that the power consumption required for the interconnection in the LSI chip is reduced.

以上の各実施例では、単純に説明するために、光導波路コアの側面及び上面が上部クラッドで覆われ、この上部クラッドに屈折率分布が存在しない構成について説明した。本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、上部クラッドにおける少なくとも光導波路コアと重なり合う領域の体積平均屈折率が、下部クラッドにおける少なくとも光導波路コアと基板との間の領域の体積平均屈折率よりも大きくされる構成であれば、どのような構造に対しても同様に適用することができる。   In each of the above embodiments, for the sake of simplicity, the configuration in which the side surface and the upper surface of the optical waveguide core are covered with the upper clad and the refractive index distribution does not exist in the upper clad has been described. The present invention is not limited to such an embodiment, and the volume average refractive index of at least the region overlapping the optical waveguide core in the upper cladding is such that the volume average refractive index of at least the region between the optical waveguide core and the substrate in the lower cladding. The present invention can be similarly applied to any structure as long as it is configured to be larger than the refractive index.

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.

この出願は、２００７年１１月１６日に出願された日本出願願番２００７−２９７６５０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。   This application claims the priority on the basis of Japanese application No. 2007-297650 for which it applied on November 16, 2007, and takes in those the indications of all here.

Claims (3)

基板上に第一のクラッド、光導波路コア及び第二のクラッドがこの順に積層され、
前記光導波路コアは、前記第一のクラッドの表面上に形成されると共に、前記基板の面に平行で光導波方向を横切る方向の長さが、前記基板の面に垂直な方向の長さの１．５倍以上、２．５倍以下に形成され、
前記第二のクラッドは、体積平均屈折率が前記第一のクラッドの体積平均屈折率よりも１．５倍以上大きい材料によって、前記光導波路コアの側面及び表面を覆って形成され、
前記光導波路コアの屈折率をｎC、前記第一のクラッドの屈折率をｎL、前記第二のクラッドの屈折率をｎU、前記光導波路コアと前記第一のクラッドとの屈折率差をΔｎL＝（ｎC 2 −ｎL 2 ）／（２×ｎC 2 ）、前記光導波路コアと前記第二のクラッドとの屈折率差をΔｎU＝（ｎC 2 −ｎU 2 ）／（２×ｎC 2 ）としたとき、前記光導波路コアと前記第二のクラッドとの屈折率差ΔｎUと、前記光導波路コアと前記第一のクラッドとの屈折率差ΔｎLとの比率ΔｎU／ΔｎL×１００が４０％以上、６０％以下である、光導波路。 The first clad, the optical waveguide core and the second clad are laminated in this order on the substrate,
The optical waveguide core is formed on the surface of the first clad, and has a length in a direction parallel to the surface of the substrate and across the optical waveguide direction in a direction perpendicular to the surface of the substrate. 1.5 times or more and 2.5 times or less,
The second clad is formed by covering a side surface and a surface of the optical waveguide core with a material whose volume average refractive index is 1.5 times or more larger than the volume average refractive index of the first clad,
The refractive index of the optical waveguide core is nC, the refractive index of the first cladding is nL, the refractive index of the second cladding is nU, and the refractive index difference between the optical waveguide core and the first cladding is ΔnL = ( NC 2 −nL 2 ) / (2 × nC 2 ), when the refractive index difference between the optical waveguide core and the second cladding is ΔnU = (nC 2 −nU 2 ) / (2 × nC 2 ) The ratio ΔnU / ΔnL × 100 between the refractive index difference ΔnU between the optical waveguide core and the second cladding and the refractive index difference ΔnL between the optical waveguide core and the first cladding is 40% or more and 60%. The following is an optical waveguide. ＬＳＩチップ間が光回路を介して接続される、ＬＳＩチップ間の光インターコネクション用の光通信デバイスであって、前記光回路の少なくとも一部に請求項１に記載の光導波路が用いられた、ＬＳＩチップ間の光インターコネクション用の光通信デバイス。 An optical communication device for optical interconnection between LSI chips, in which LSI chips are connected via an optical circuit, wherein the optical waveguide according to claim 1 is used in at least a part of the optical circuit. optical communication devices for optical interconnection between LSI chips. １つのＬＳＩチップ内に電子回路及び光回路が集積された、ＬＳＩオンチップの光インターコネクション用の光通信デバイスであって、前記光回路の少なくとも一部に請求項１に記載の光導波路が用いられた、ＬＳＩオンチップの光インターコネクション用の光通信デバイス。 An optical communication device for LSI on-chip optical interconnection in which an electronic circuit and an optical circuit are integrated in one LSI chip, wherein the optical waveguide according to claim 1 is used for at least a part of the optical circuit. was, optical communication devices for optical interconnection of the LSI chip.
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