專利名稱：光波導電路和使用該光波導電路的多芯中央處理單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電路結構中的交叉部分的光波導結構，在該電路結構 的 一部分中光波導基本上彼此交叉。
背景技術：
隨著對可以使用硅LSI的成熟工藝技術的硅光子學的研究的t艮，近 年來，有可能實現(xiàn)非常精細的、且甚至在銳彎處產生低損耗的光波導。因 此，使得發(fā)射/接收模塊和用于光通信的系統(tǒng)的小型化和低功耗、以及將光 互連引入和集成到硅LSI成為可能。這種光波導的潛在的候選物是硅(Si) 窄線波導，該硅窄線波導可以通過相對比較簡單的技術形成在絕緣體上硅 (SOI)襯底上。為了在滿足對信號量和通信速度的日益要求的同時抑制成本，重要的 是，提高光波導電路的集成度。因此，要求波導不僅平行地布置而且彼此 交叉。然而，在以Si窄線波導為代表的光波導中，已知的是，分別傳播通 過彼此交叉的兩個或更多個波導的信號光被散射和反射，并且在交叉部分 中相互干涉，從而引起高損耗或串擾。設計必須形成很多交叉部分的光波 導電路是困難的。在常規(guī)交叉光波導電路中，例如，兩個Si窄線波導彼此交叉，并且， 信號光傳播越過交叉部分。此時，在交叉部分出現(xiàn)光的散射、反射、干涉 和串擾，所以，在信號光之一的傳播特性方面可能會出現(xiàn)約1.5dB的損耗5和-9.2dB的串擾。由于該部分具有點對稱結構，所以在這兩個交叉波導中的傳播光信號中自然產生這種高的損耗和串擾。
另一方面，也已知有一種技術，其中，例如，在交叉部分中的波導形成為卵形，從而降低損耗和串擾的水平(例如，參見非專利文獻1)。在此結構中，交叉部分中的光散射被抑制，并且，能實現(xiàn)優(yōu)異的傳播，其中，在卵形波導中傳播的信號光中出現(xiàn)約0.1 dB的損耗和-25 dB的串擾。
然而，在此結構中，與常規(guī)結構相比而言，沒有形成為卵形的光波導的傳播特性被削弱，從而導致?lián)p耗和串擾高。而且，該非專利文獻描述了，當試圖將卵形結構應用到這兩個交叉波導以降低波導中的信號光的損耗時，損耗為1.2 dB或者在1.5dB附近的水平，在沒有采用對策的情況下得到1.5dB的損耗。
但是，在該結構中，考慮到這兩個交叉光波導的傳播特性幾乎不能都得到改善，也就是說，只有一個交叉光波導的傳播特性可以得到改善。通過具有這樣特性的交叉光波導幾乎不能實現(xiàn)要求很多交叉部分的光互連的高密度集成。
在光波導彼此交叉的部分中，不僅使得在一個波導中傳播的信號光難以以低損耗、低串擾傳播，而且使得在這些波導中傳播的所有的信號光都難以以低損耗、低串擾傳播。當在這些波導中傳播的所有的信號光都不能以低損耗、低串擾傳播時，在電路設計中幾乎不能包含交叉部分，從而降低了電路設計的自由度，并阻止光互連的高密度集成。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種光波導電路，該光波導電路包括形成在襯底上的下包層；第一光波導，其形成在下包層上以將下包層分隔成第一部分和第二部分；形成在第一部分上的第二光波導，該第二光波導包括指向第一光波導的側面的梢端部分，該梢端部分以漸縮的方式變窄；以及形成在第二部分上的第三光波導，該第三光波導包括指向第二光波導的梢端部分的梢端部分，該第三光波導的梢端部分以漸縮的方式變窄。


可以參照附圖詳細地描述實施例，在附圖中
圖l是示出本發(fā)明中的交叉光波導結構的視圖2是示出第一實施例中的交叉光波導結構的透視圖3是示出第一實施例中的交叉光波導結構的截面圖4A-4C是示出在第一實施例的交叉光波導中光傳播的方式的視以及
圖5是示意性地示出第二實施例中的光波導電路的配置的視圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖詳細地描述本發(fā)明。首先，將參照附圖描述本發(fā)明的光波導的波導原理。在本發(fā)明中，如圖1所示，下包層13形成在襯底(未示出)上，光波導7， 8形成在下包層13的一部分中。光波導7， 8形成交叉部分，并且沒有直接相互接觸，因為光波導7在交叉部分中中斷了，在該交叉部分中所述波導相互交叉。光波導7在中斷部分中的梢端^J己置為漸縮結構9，10，該漸縮結構9, 10分別朝向交叉部分變窄。分別在漸縮結構9, 10上形成上包層14，該上包層14的折射率比下包層13的折射率高。才艮據(jù)本發(fā)明，利用這樣配置的交叉波導結構使得在光波導7中傳播的信號光ll不能在具有較高折射率的光波導7中傳播，因為在漸縮結構9中光約束功能逐漸變弱，從而該信號光部分地耦合到具有較低折射率的下包層13。其后，該信號光11在下包層13中傳播，但是被引導為與光波導7平行地傳播而沒有被漫射，因為在該下包層13上沿著光要傳播的方向形成了其折射率比下包層13的折射率高的上包層14。在下包層13中傳播的信號光11經(jīng)過漸縮結構10中的交叉部分之后，該信號光部分地耦合到波導7，在該漸縮結構10中，光約束效應逐漸增加，該波導7是具有較高折射率的芯層。以這樣的方式，該信號光11可以再次在波導7中傳4番越過波導交叉部分，而沒有直接與光波導8接觸。因為信號光如上所述的那樣被一次地傳輸?shù)搅硪粚樱?，本發(fā)明成
功地防止在交叉部分中出現(xiàn)這樣的狀態(tài)其中，兩種信號光直接重疊，從而彼此干涉。因此，光波導8甚至在交叉部分中也可以具有與通常的線性波導結構嚴格相同的結構，從而在波導8中傳播的信號光12在交叉部分中基本上不產生損耗和串擾。
另一方面，就在中斷的光波導7中傳播的信號光ll而言，由于該信號光在交叉部分中的散射和反射所引起的損耗可以被大大地降低，而且由于信號光的干涉和交叉所引起的串擾也可以被急劇地降低。然而，此時，由于信號光11在交叉部分中的層間運動所引起的損耗作為一種在傳統(tǒng)技術中沒有產生的新?lián)p耗產生。由于經(jīng)過交叉部分的層間運動引起的損耗為約1,5至2dB，基本上等于傳統(tǒng)技術中的值或1.5 dB。當將針對光波導7中的信號光11而言的交叉部分的傳播特性與傳統(tǒng)技術中的進行比較時，產生了基本上等于傳統(tǒng)技術的損耗，并且，可以將串擾基本上降低到零。
在本發(fā)明的交叉光波導結構中，如上所述，信號光之一的損耗和串擾可以基本上降低到零，并且另一個信號光可以在使串擾基本上為零的同時傳播。因此，本發(fā)明可以提供遠優(yōu)于傳統(tǒng)結構的結構。
在下文中，通過對特定實施例進行舉例來參照附圖詳細地描述本發(fā)明。(第一實施例)
圖2是示意性地示出本發(fā)明第一實施例中的交叉光波導結構的透視圖，圖3是該結構的截面圖。
由Si02膜構成的下包層16形成在Si襯底15上，由Si制成的光波導17,18形成在下包層16的一部分中。信號光22， 23分別在這些波導中傳播。下包層16的厚度為3 iam，光波導17， 18具有250 nm的厚度和450 nm的寬度。光波導17, 18形成交叉部分，并且沒有直接相互接觸，因為光波導17在交叉部分中中斷了，在該交叉部分中光波導17,18相互交叉。光波導17在中斷部分中的梢端凈皮配置為漸縮結構19,20，該漸縮結構19，20分別朝交叉部分變窄。漸縮結構19，20具有200 pm的長度，變窄的、漸縮的梢端部分具有80 nm的寬度。漸縮結構19， 20的梢端部分被放置成與光波導18的相應側壁形成50 pm的間隙。在圖2中，為了容易理解，示例性 地示出了，光波導17， 18的交叉角為90度。然而，該角度不必一定為90 度。在本發(fā)明的交叉光波導結構中，不會出現(xiàn)在常規(guī)結構中觀察到的信號 光在交叉部分中的反射和串擾。因此，不會發(fā)生損耗和串擾取決于交叉角 之差的增加和減少，并且，可以自由地設置交叉角。然而，當交叉角過度 陡峭并且光波導在除了交叉部分以外的部分中也相互交叉時，可能會產生 不期望的損耗和串擾。根據(jù)上述內容，光波導17, 18的交叉角優(yōu)選地為5 至90度。在漸縮結構19,20上形成上包層21，該上包層21的折射率比下 包層16的折射率高。優(yōu)選，上包層的折射率和厚度具有下述關系 d2誠A/ni (1)
其中，Ih是上包層的折射率，山是上包層的厚度，d2是光波導的厚度，入 U射光的波長。此時，光沒有在上包層中傳播，并且該光耦合到光波導。
在實施例中，具有1.53的折射率的聚酰亞胺用作材料。在上包層21中， 厚度為600 nm，寬度為3 pm,長度被設置為300 (am，以便包括漸縮結構 部分。在與光波導相似的方式，上包層21的在交叉部分一側上的梢端部分 可以具有漸縮結構(未示出)。圖2僅僅示出光波導的交叉部分。在與波 導連接的其它部分中形成光發(fā)射和接收裝置、其它各種裝置、布線等。
該結構可以通過使用絕緣體上硅(SOI)襯底來實現(xiàn)。也就是說，下 包層16是嵌入在SOI襯底中的絕緣膜(Si02膜)，并且，光波導17， 18 是通過將SOI襯底的Si層加工成窄線的形式而形成的。
如上所述，利用這樣配置的交叉光波導結構^f吏得光波導18在交叉部分 中也具有與線性波導結構基本上相同的結構，從而在光波導18中傳播的信 號光21在交叉部分中幾乎不能產生損耗和串擾，并且可以將該損耗和串擾 基本上降低到零。
與此不同的是，由于在具有較高折射率的光波導17中的光約束功能通 過漸縮結構而變弱，所以在光波導17中傳播的信號光22通過分配耦合而 被一次地傳輸?shù)较掳鼘?6，然后在下包層16中傳播，從而經(jīng)過交叉部分。 優(yōu)選，下包層的厚度do具有下述關系
9d0 A/no ( 2 )
其中，人是在光波導17中傳播的光的波長，no是下包層16的折射率。
如上所述，其折射率比下包層的折射率高的上包層21形成在光波導17之上，并且與光波導17平行地形成。因此，在下包層中傳播的信號光22的行進方向被引導為與光波導17平行的方向。上包層21的折射率必須被提高到這樣的程度，使得入射在下包層16上的光被充分強烈地吸引到上包層21。在實施例中，中斷的光波導17的漸縮部分的梢端被放置成與另一個光波導18相隔50 )im的距離。該距離可以是30至200 pm。當該距離短于30 nm時，在信號光22與下包層的分配耦合完成之前，該信號光到達了另一個交叉波導18，從而增加傳播損耗。當該距離長于200 pm時，信號光22在下包層16中傳播的長度延長，并且在下包層16中被^L射的分量增加，從而使損耗大。當該距離為50pm時，該損耗最小。因此，該值是優(yōu)選的。
在上包層21的在交叉部分一側上的梢端部分具有漸縮結構的情況下，
有可能抑制由于信號光22被漫射到下包層以及在交叉部分中散射所引起
的傳播損耗。此時，優(yōu)選，上包層的漸縮部分的長度為約200 pm，因為當
漸縮部分的長度過長時，對在波導中傳播的信號光的光約束作用變弱，從
而降低傳播效率。經(jīng)過交叉部分的信號光22通過漸縮部分被再次耦合到光
波導17。此時，當信號的行進方向被設置為z方向時，在圖2中中斷的漸
縮結構19, 20的梢端部分位于z軸的同軸線上。然而，實際上，信號光在
下包層中傳播，從而不需要梢端部分嚴格地設置在彼此之前。甚至在與前
方偏離約300 pm時，也不會增加損耗等。大于該值的偏離不是優(yōu)選的，
因為這樣增加了損耗。同樣地，上包層的折射率被增加到這樣的程度，使
得在下包層16中傳播的信號光22被充分強烈地吸引到上包層21和光波導
17的漸縮部分。在這種情況下，上包層21的部分不會約束光，但M到
這樣的作用將在下包層16中傳播的信號光22朝上包層21吸引，幫助漸縮結構部分中的耦合光進行模式匹配。
圖4A-4C示出信號光22在交叉光波導結構中的傳播方式。圖4A是示
10出當從側面觀看實施例中的光耦合裝置時相對于厚度方向(Y方向)的光 分配、以及在光行進方向(Z方向)上的光耦合效率的視圖。圖4B是示出 當從上面觀看光耦合裝置時相對于寬度方向(X方向)的光分配的視圖， 圖4C示出在光行進方向(Z方向)上的光耦合效率。隨著圖中的一部分 越白，該部分中的光強度越高。這些圖清楚地說明了，在光波導17中傳播 的信號光22在緊接交叉部分之前被一次地傳輸?shù)较掳鼘?6中，然后在下 包層16中傳播，同時通過上包層21被引導為與光波導17平行，并且，在 經(jīng)過交叉部分之后，返回到波導17。在交叉部分中的損耗為約2dB，并且 基本上等于常規(guī)技術中的值。被漫射到下包層16中且在交叉部M射的分 量占據(jù)其中損耗的大部分。
此時，可以通過以與中斷的光波導17的兩側平行的方式挖掘下包層 16來形成溝槽區(qū)域(未示出)，從而抑制信號光22在下包層16中的漫射， 以降低損耗。在這種情況下，溝槽區(qū)域位于上包層21的寬度之外。在實施 例中，上包層21的寬度為3|iim，從而溝槽區(qū)域與中斷的波導17的漸縮部 分相隔1.5nm或更大。然而，隨著溝槽區(qū)域進一步間隔開，抑制漫射的作 用越小。因此，溝槽區(qū)域優(yōu)選地間隔1.5至2.5 |im，更優(yōu)選的情況是，溝 槽區(qū)域間隔1，5 Kim。在這種情況下，可以將信號光22在交叉部分中的傳 播損耗降低到約1.5 dB。
此時，信號光22在交叉部分中的串擾為-60dB或更小，或者基本上為零。
如上所述，在本發(fā)明的交叉光波導結構中，可以將在一個波導中傳播 的信號光的損耗和串擾基本上降低到零，而且，可以將在另一個中斷波導 中傳播的信號光的串擾基本上降低到零。 (第二實施例)
將描述應用本發(fā)明的光波導交叉部分的光波導電路的實施例。圖5是 多芯中央處理單元的^L圖，在該多芯中央處理單元中，六個算術芯通過光 波導電路相互連接。在該圖中，省略了電極和與本發(fā)明無關的部件，例如， 與外部連接的信號發(fā)射/接收端口 。這樣的多芯結構的算術元件已經(jīng)^實際使用，在該多芯結構中，芯之間的通信提供電布線來執(zhí)行。
^使用SOI襯底來形成多芯芯片，Si02層用作下包層，并且，通過加工 上Si層來形成Si窄線波導，從而配置光波導。算術芯1至6上的光信號 發(fā)射/接收端口 24通過光波導25連接到所有的其它的光信號發(fā)射/接收端 口，從而能夠在所有的多芯之間進行通信。在實施例中，此時，形成九個 光波導交叉部分27。當集中注意從算術芯1到算術芯6的光波導以及從算 術芯3到算術芯4的光波導時，在每一個波導中形成四個光波導交叉部分。 在常規(guī)技術的情況中，如上所述，對于兩個信號光中的每一個而言，在光 波導交叉部分中出現(xiàn)1.5dB的損耗和-9.2dB的串擾。因此，在從算術芯l 傳播到算術芯6、以及從算術芯3傳播到算術芯4且經(jīng)過四個交叉部分的 信號光中產生非常高的損耗和串擾，從而幾乎不能執(zhí)行正確的通信。因此， 使用應用常規(guī)結構的光學互連的多芯芯片還沒有投入實際使用。與此不同 的是，在本發(fā)明的交叉結構應用到光波導交叉部分的情況中，如圖所示， 可以將串擾降低到-60dB或更小，并且，可以將總損耗抑制到常規(guī)結構的 一半或更小。
本發(fā)明不局限于上述實施例。盡管SOI襯底用于實施例中，但是不必 始終使用SOI襯底，只要在下包層的一部分中形成光波導并且在其上設置 上包層即可。此外，上包層、下包層和光波導的材料不局限于實施例中的 那些材料，而且，可以根據(jù)說明書適當?shù)剡M行改變，只要滿足下述關系
n2 << n0 (3) 其中，m是上包層的折射率，n2是下包層的折射率，nQ是光波導的折射率。
此外，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下可以根據(jù)說明書對下述條件進 行適當?shù)母淖兒透鞣N變形例如，上包層的長度、厚度和寬度；下包層的 厚度；光波導的厚度和寬度；漸縮結構部分的長度和厚度；梢端部分的寬 度；以及波導的交叉角。
權利要求
1. 一種光波導電路，包括形成在襯底上的下包層；第一光波導，其形成在所述下包層上以將下包層分隔成第一部分和第二部分；形成在所述第一部分上的第二光波導，該第二光波導包括指向所述第一光波導的側面的梢端部分，該梢端部分以漸縮的方式變窄；以及形成在所述第二部分上的第三光波導，該第三光波導包括指向所述第二光波導的梢端部分的梢端部分，該第三光波導的梢端部分以漸縮的方式變窄。
2. 根據(jù)權利要求l所述的光波導電路，還包括第一上包層，其形成在所述下包層和第二光波導的梢端部分上，該第 一上包層配置為具有比所述下包層的折射率高的折射率；以及第二上包層，其形成在所述下包層和第三光波導的梢端部分上，該第 二上包層配置為具有比所述下包層的折射率高的折射率。
3. 根據(jù)權利要求2所述的光波導電路，其中，所述下包層的厚度do 具有下述關系do A/iio其中，X是在所述第一至第三光波導中引導的光的波長，no是下包層的折 射率。
4. 根據(jù)權利要求2所述的光波導電路，其中，所述第一和第二上包 層中的至少一個的厚度^具有下述關系d2 s(h A/im其中，d2是第一至第三光波導中的至少一個的厚度，m是第一和第二上包 層中的至少一個的折射率。
5. 根據(jù)權利要求2所述的光波導電路，其中，所述第二和第三光波 導的梢端中的至少一個與第一光波導的側面相距30至200 pm的距離。
6. 根據(jù)權利要求2所述的光波導電路，其中，所述第 一上包層和第二上包層中的至少 一個包括具有以漸縮的 方式變窄的漸縮部分的梢端，該梢端與第一光波導的側面相對；并且 所述漸縮部分的長度短于100 nm。
7. 根據(jù)權利要求6所述的光波導電路，還包括通過除去所述下包 層的部分而形成的凹槽區(qū)域，該凹槽區(qū)域位于所述笫一或第二上包層的兩 側上。
8. 根據(jù)權利要求l所述的光波導電路， 其中，所述襯底包括絕緣體上硅襯底。
9. 根據(jù)權利要求8所述的光波導電路， 其中，所述第一至第三光波導包含硅；并且 所述下包層包含硅氧化物。
10. —種多芯中央處理單元，包括 襯底；形成在襯底上的下包層；第一光波導，其形成在所述下包層上以將下包層分隔成第一部分和第 二部分；形成在所述第一部分上的第二光波導，該第二光波導包括指向第一光 波導的側面的梢端部分，該梢端部分以漸縮的方式變窄；以及形成在所述第二部分上的第三光波導，該第三光波導包括指向第二光 波導的梢端部分的梢端部分，該第三光波導的梢端部分以漸縮的方式變窄。
11. 根據(jù)權利要求10所述的多芯中央處理單元，還包括 第一上包層，其形成在所述下包層和第二光波導的梢端部分上，該第一上包層配置為具有比下包層的折射率高的折射率；以及第二上包層，其形成在所述下包層和第三光波導的梢端部分上，該第 二上包層配置為具有比所述下包層的折射率高的折射率。
12. 根據(jù)權利要求11所述的多芯中央處理單元，其中，所述下包層 的厚度do具有下述關系d0 ^A7n0其中，X是在所述第一至第三光波導中引導的光的波長，no是下包層的折 射率。
13. 才艮據(jù)權利要求11所述的多芯中央處理單元，其中，所述第一和 笫二上包層中的至少一個的厚度A具有下述關系d2 ^X/ih其中，d2是第一至第三光波導中的至少一個的厚度，Ih是第一和第二上包 層中的至少一個的折射率。
14. 根據(jù)權利要求11所述的多芯中央處理單元，其中，所述第二和 第三光波導的梢端中的至少一個與第一光波導的側面相距30至200 |Lim的 距離。
15. 根據(jù)權利要求11所述的多芯中央處理單元，其中，所述第一上包層和第二上包層中的至少一個包括具有以漸縮的 方式變窄的漸縮部分的梢端，該梢端與第一光波導的側面相對；并且 所述漸縮部分的長度短于100 nm。
16. 根據(jù)權利要求15所述的多芯中央處理單元，還包括通過除去 所述下包層的部分而形成的凹槽區(qū)域，該凹槽區(qū)域位于第一或第二上包層 的兩側上。
17. 根據(jù)權利要求10所述的多芯中央處理單元， 其中，所述襯底包括絕緣體上硅襯底。
18. 根據(jù)權利要求17所述的多芯中央處理單元， 其中，所述第一至第三光波導包含硅；并且 所述下包層包含硅氧化物。
全文摘要
一種光波導電路，包括形成在襯底上的下包層；形成在下包層上以將下包層分隔成第一部分和第二部分的第一光波導；形成在第一部分上的第二光波導，該第二光波導包括指向第一光波導的側面的梢端部分，該梢端部分以漸縮的方式變窄；以及形成在第二部分上的第三光波導，該第三光波導包括指向第二光波導的梢端部分的梢端部分，該第三光波導的梢端部分以漸縮的方式變窄。
文檔編號G02B6/122GK101520527SQ20091000739
公開日2009年9月2日 申請日期2009年2月23日 優(yōu)先權日2008年2月26日
發(fā)明者吉田春彥, 橋本玲, 江崎瑞仙 申請人:株式會社東芝