JP2003315577A - 面外伝送のための光信号の共振結合 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】光信号を再配向するための光共振システム(101)を
提供すること。 【解決手段】典型的な光共振システム(101)は、平面内に第1
の構造体(1100)を含む。第1の構造体(1100)は、その平
面にほぼ直交する第1の方向に光放射線を反射する。光
共振システム(101)は、第1の構造体(1100)と重なり合う第2
の構造体(1101)を更に含む。第2の構造体(1101)は第1の
構造体と光学的に通じており、平面にほぼ平行に光放射
線を反射する。第1と第2の構造体(1100、1101)は、第1と
第2の構造体(1100、1101)の共振特性によって共振空洞(5
00)で共振信号(102)を励起することにより、前記平面に
ほぼ平行に伝搬する第1の光信号(100)の少なくとも一部
を捕捉する働きをする。第1と第2の構造体(1100、1101)
は、更に前記平面にほぼ直交する第2の方向に前記共振
信号(102)を放出する働きをする。
提供すること。 【解決手段】典型的な光共振システム(101)は、平面内に第1
の構造体(1100)を含む。第1の構造体(1100)は、その平
面にほぼ直交する第1の方向に光放射線を反射する。光
共振システム(101)は、第1の構造体(1100)と重なり合う第2
の構造体(1101)を更に含む。第2の構造体(1101)は第1の
構造体と光学的に通じており、平面にほぼ平行に光放射
線を反射する。第1と第2の構造体(1100、1101)は、第1と
第2の構造体(1100、1101)の共振特性によって共振空洞(5
00)で共振信号(102)を励起することにより、前記平面に
ほぼ平行に伝搬する第1の光信号(100)の少なくとも一部
を捕捉する働きをする。第1と第2の構造体(1100、1101)
は、更に前記平面にほぼ直交する第2の方向に前記共振
信号(102)を放出する働きをする。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して光学装置に
関し、とりわけ、光信号を再配向するためのシステム及
び方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】集積光学デバイスは、以前は純粋に電子
領域に制限されていた信号発生及び処理機能を急速に達
成している。一般に平面であるこれらのデバイスには、
通常、基板によって支持された、光を基板に閉じ込める
プレーナ型導波路が含まれる。しかしながら、自由空間
伝送のためのプレーナ型導波路外への光信号の結合、ま
たはより一般的には、光ファイバへの結合という問題が
存在する。これらの問題は、効率的に解決することが困
難であり、これまで技術者達は、さまざまな解決法を用
いてきており、成功の度合いもさまざまであった。これ
らの解決法は、一般に、２つのカテゴリ、すなわち、エ
ンドファイヤ発光及び制御面発光に分類され得る。 【０００３】エンドファイヤ発光は、プレーナ型導波路
から光を抽出するための単純化した方法である。エンド
ファイヤ発光の場合、導波路によって、光が基板のエッ
ジまたは「端部」まで伝送される。次に、導波路のエッ
ジから光が放射する。一般に、エンドファイヤ発光の解
決法がうまくいくのは、クリーンなエッジの基板が得ら
れる場合に限られるが、そうではない場合が多い。さら
に、電子装置が小さくなればなるほど、光ファイバへ
の、又は光ファイバからの光を集束及び／または整合さ
せるために用いられる光学系の占めるスペースが極めて
大きくなる。 【０００４】一方、制御面発光は、エンドファイヤ発光
に関連した問題の少なくとも一部に対する解決法として
広く認められている。現在のところ、２つの一般的な面
発光技術が存在する、すなわち、プリズムベースの技術
と、回折格子ベースの技術である。プリズムベースの技
術には、導波路の上にプリズムを配置して、導波路から
放出された光を屈折させることが含まれる。しかしなが
ら、プリズムベースの方法を利用するのは、非現実的で
ある。これは、プリズムベースの技術では、導波路の上
に光学バルクコンポーネントを比較的精密に配置するこ
とが必要になるためである。回折格子ベースの技術で
は、導波路の表面に回折格子、すなわち、複数の切り目
をエッチングすることが必要になる。この回折格子によ
って、導波路を伝搬する光の一部が基板表面から漏出す
る。しかしながら、回折格子は、多数の方向に回折され
る拡散光を発生する。さらに、これらの制御面発光技術
は、それらの両方が本質的に分配され、取り出された光
モードの空間的歪み及び拡大を招く可能性があるという
観点から難しくなる傾向がある。そのようなことから、
これらの出力は、光ファイバーにマッチングしにくい可
能性がある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】従って、従来技術に関
するこれらの、及び／または他の認知された欠点に対処
するシステム及び方法が必要とされている。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は、光信号を再配
向する（方向を向け直す）ためのシステム及び方法を提
供する。特に、本発明には、光入力信号の伝搬面に対し
て垂直にすることが可能な方向に、光入力信号を再配向
することを可能にする共振構造の利用が含まれる。これ
に関して、本発明の光共振システムには、実質的に平面
内に存在する第１の構造体が含まれる。第１の構造体
は、その平面に対して実質的に直交する第１の方向に光
放射線を反射する。この光共振システムには、第１の構
造体と重なり合い、光学的に通じている第２の構造体も
含まれる。第２の構造体は、前記平面に対して実質的に
平行な方向に光放射線を反射する。第１及び第２の構造
体は、第１及び第２の構造体の共振特性によって、共振
空洞内で共振信号を励起することにより、前記平面に対
して実質的に平行に伝搬する第１の光信号の少なくとも
一部を捕捉する働きをする。第１及び第２の構造体は、
さらに、前記平面に対して実質的に直交する第２の方向
に伝搬する共振信号を放出する働きをする。 【０００７】本発明は、特に、光学基板内に存在する集
積光学デバイスとして有用である。とりわけ、こうした
集積光学デバイスは、例えば、基板内を進行する光波を
伝送用の光ファイバに結合するか、または別の基板上に
位置する別の集積光学デバイスに結合するために利用さ
れ得る。 【０００８】光共振システムの別の実施形態は、共振空
洞を含む。光共振システムの共振空洞は、方向成分を示
す第１の光信号を受信する。共振空洞は、第１の光信号
に応答して共振し、共振信号を励起して放出する、共振
特性を含む。放出される共振信号は、第１の光信号の方
向成分とは異なる方向成分を有する。 【０００９】光共振システムを作成するための方法は、
実質的に平面内に存在する第１の構造体を、第１の構造
体と光学的に通じる働きをする第２の構造体に重ね合わ
せるステップと、第１の光信号から光エネルギを捕捉す
るために光共振空洞を画定するステップとを含み、光共
振空洞は、第１及び第２の構造体によって少なくとも部
分的に包囲される。 【００１０】光放射線を再配向するための方法は、方向
成分を示し、少なくとも１つの波長を含む第１の光信号
を受信するステップと、前記少なくとも１つの波長の第
１の光信号で共振信号を励起するステップと、第１の光
信号の方向成分とは異なる方向成分を示す共振信号を放
出するステップとを含む。 【００１１】本発明の他のシステム、方法、特徴、及び
利点は、当業者であれば明らかであるか、または添付図
面及び以下の詳細な説明を検討することによって明らか
になるであろう。こうした追加のシステム、方法、特
徴、及び利点は、全て本開示に含まれ、本発明の範囲内
であり、特許請求の範囲によって保護されることが意図
される。 【００１２】本発明は、図面に関連して一層よく理解さ
れ得る。図面の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではな
く、代わりに本発明の原理を明確に例示することに重点
が置かれている。さらに、図面において、同じ参照番号
は、幾つかの図面を通して対応する部品を示す。 【００１３】 【発明の実施の形態】次に、添付図面に関連して、本発
明をさらに詳述する。しかしながら、本発明は、多種多
様な形態で具現化されることが可能であり、本明細書に
記載の実施形態に制限されるものとみなされるべきでは
なく、むしろ、これらの実施形態は、当業者に本発明の
範囲を伝えることが意図されている。さらに、本明細書
に示される全ての「例」は、限定されないことが意図さ
れている。 【００１４】次に図１を参照すると、本発明のある実施
形態を例示したブロック図が示される。図１において、
光入力信号１００が、光共振システム１０１に供給され
る。光共振システム１０１が、光共振システム１０１の
共振特性によって、光入力信号１００のエネルギを捕捉
する。次に、光共振システム１０１が、光出力信号１０
２を放出する。例えば、光出力信号は、光入力信号１０
０に対して直交するように放出され得る。 【００１５】異なる実施形態における光入力信号１００
は、光ファイバ導波路、誘電体導波路、自由空間等を含
む、多数の異なる媒体内を伝わる可能性がある。放出さ
れる光出力信号１０２は、減衰させることができるが、
一般には、光入力信号１００に符号化されてもよい「情
報の内容」を保持する。とりわけ、ある実施形態におけ
る光出力信号１０２は、出力信号を光ファイバまたは別
の集積光学デバイスに結合するのに理想的な軸対称放射
パターンを有する。 【００１６】次に図２を参照すると、本発明の代替の実
施形態のブロック図が示される。この実施形態の場合、
光入力信号２００が、光共振システム２０２に近い基板
領域２０１に進入する。光共振システム２０２は、信号
の一部を捕捉して、光出力信号２０４を発生する。例え
ば、光出力信号は、光入力信号２００に直交する方向に
放出され得る。 【００１７】光共振システムは、光共振システム２０２
において光入力信号２００と関連したエバネッセント場
２０３を捕捉することによって機能する。エバネッセン
ト場は、信号が導波路内を伝搬する際に生じる。光入力
信号は、その電磁特性のため、本質的に導波路の周囲に
エバネッセント場を生じる。光入力信号２００によって
光共振システムに近接して生じたエバネッセント場２０
３は、光共振システム２０２の少なくとも１つのモード
と共振し、光エネルギが光共振システム２０２に伝達さ
れるようにする。次に、光共振システム２０２は、優先
的に所望の方向に光エネルギを放出して、光出力信号２
０４を生じさせる。光共振システム２０２によって生じ
る光出力信号２０４は、減衰させることが可能である
が、一般に、入力信号２００に符号化されてもよい「情
報の内容」を保持する。とりわけ、ある実施形態におけ
る光出力信号２０４は、光出力信号を光ファイバまたは
別の集積光学デバイスに結合するのに理想的な軸対称放
射パターンを有する。 【００１８】次に図３を参照すると、図２の光共振シス
テムを利用する方法の実施形態が示される。ブロック３
００では、光共振システムが光信号を受信する。ブロッ
ク３０１では、共振特性を利用して、第２の光信号を生
成する。次に、ブロック３０２では、第２の光信号が放
出される。 【００１９】一例として、光共振システムは、一般に、
導波路を介して光信号を受信する。この導波路は、光共
振システムで終端させることができ、または代案とし
て、光共振システムを貫いて延びることができる。どち
らにしても、導波路外に延びるエバネッセント場によっ
て、光共振システムに光信号を結合することが可能にな
る。光共振システムの非対称閉じ込めプロファイルによ
って、光共振システムは、第２の光信号を優先的に放出
することが可能になる。そして、放出された光信号は、
別の集積光学デバイスに結合されることもできるし、ま
たは単純に、放出された光信号を別の場所に伝送するた
めの光ファイバに結合され得る。 【００２０】次に図４を参照すると、光共振システムの
実施形態に関する概略図が示される。自由空間に示され
た光共振システムの本実施形態は、誘電体構造体４００
を含む。誘電体構造体４００には、誘電体平行プレート
４０１ａ〜４０１ｆからなる第１の構造体と、誘電体同
心円筒４０２ａ〜４０２ｃからなる第２の構造体が含ま
れる。光共振システムの第１の構造体は、光共振システ
ムの第２の構造体と重なり合い、光学的に通じていて、
光入力信号の少なくとも一部を捕捉する。次に、第１及
び第２の構造体は、出力信号を放出する働きをする。例
えば、光出力信号は、光入力信号に対して直交する方向
に放出され得る。 【００２１】次に図５を参照すると、とりわけ、本発明
の光共振システムの実施形態の１つに関する断面図が示
される。光共振システム４００には、互いに交差して、
共振特性を備えた中央空洞５００を形成する、複数のプ
レート４０１ａ〜４０１ｆ及び複数の円筒４０２ａ〜４
０２ｃが含まれる。プレート４０１ａ〜４０１ｆのそれ
ぞれは、ｘ−ｙ平面内にあり、ｘ−ｙ平面に直交するｚ
軸に沿って光エネルギを部分的に反射する。円筒４０２
ａ〜４０２ｃのそれぞれは、ｘ−ｙ平面に対して平行な
半径方向に光を部分的に反射する。一般に、プレート４
０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃは、同じ
誘電体材料または類似の誘電体材料から形成される。例
えば、利用可能なこうした誘電体材料の１つは、二酸化
珪素である。周囲の材料すなわち光学基板５０１は、一
般に、プレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ〜
４０２ｃを形成する材料に比べて誘電率の低い誘電体材
料から形成される。典型的な実施形態の場合、プレート
及び円筒の典型的な誘電率は、約１１とすることでき、
周囲の材料の典型的な誘電率は、約２とすることができ
る。しかしながら、当業者には明らかなように、多種多
様な対をなす誘電率が、光共振システムを形成する働き
をすることができ、本発明は開示の誘電率だけに制限さ
れない。プレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ
〜４０２ｃが、図５のように組み合わせられる場合、プ
レート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃ
は、特定の波長の光を捕捉する働きをする。こうした波
長の光は、さらに詳細に後述するように、光共振システ
ム４００の寸法と材料に従って捕捉される。 【００２２】図示のように光基板５０１に形成された光
共振システム４００は、一般に、光信号を再配向するた
めに用いられる面外カプラとして、すなわち、３次元分
布ブラッグ反射器として説明され得る。概して言えば、
光共振システム４００は、システムの共振特性によって
光を捕捉する。光共振システムの特性は、システムの寸
法、及びシステムを構成する誘電体材料の屈折特性に従
って規定される。 【００２３】図５に示す実施形態の場合、光共振システ
ム４００は、対称放射パターンを有しており、補足した
光エネルギをほぼ全方向に放射する。この放射パターン
は、光共振システム４００の構造を修正することによっ
て変更可能である。この光共振構造の修正は、光共振シ
ステム４００の製作を修正するか、または製作後に、光
共振システム４００を修正することによって実現可能で
ある。まず、１方向に優先的に放射できる非対称構造を
説明し、次に２方向に優先的に放射できる対称構造を説
明する。 【００２４】製作者は、光共振システム４００の非対称
性によって光エネルギを優先的に放射する非対称構造を
形成することによって、光共振システム４００の放射パ
ターンを変更することができる。こうした非対称構造
は、非対称構造を備えた光共振システム４００を構築す
ることにより実現可能である。換言すれば、光共振シス
テム４００の製作中に、プレート４０１ａ〜４０１ｆ又
は円筒４０２ａ〜４０２ｃの少なくとも１つ、またはそ
れらの一部を省くことによって、光共振システム４００
に優先的に放射させることができる。当業者には明らか
なように、こうした非対称構造は、製作後、光共振シス
テムから、１つのプレート４０１または円筒４０２、あ
るいはプレート４０１または円筒４０２の一部を取り除
くことによって実現されることも可能である。 【００２５】本発明の光共振システム４００は、例え
ば、図５に例示したように、光共振システムを軸対称共
振構造として構成して、光共振システム４００を集積光
学デバイスに組み込むことによって、面外カプラとして
も利用され得る。実施形態の１つでは、光学基板に形成
された光共振システム４００に、基板表面外に放射線を
放出させることは、光共振システム４００における円筒
数に比べて少ないプレート対を用いることによって実現
される。光共振システム４００は、比較的Ｑ（Ｑ−fact
or）が高く、近接したプレーナ型導波路のコア外に延び
る複数のエバネッセント場に結合する。光共振システム
４００は、さらに、近接したプレーナ型導波路に直交す
る方向に光を放出するように構成される。近接したプレ
ーナ型導波路と中央空洞との間の共振結合は、詳細に後
述するように、２つのコンポーネントの適切な設計及び
相対的位置によって整合され得る。あらゆる寸法におけ
る光共振システムのリフレクタ（プレート４０１ａ〜４
０１ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃ）の周期数は、近接
したプレーナ型導波路と光共振システム４００との間の
十分な結合を実現するように選択される。光共振システ
ムのリフレクタの周期数は、さらに、面外放射が光共振
システム４００にとって主要なエネルギ損失メカニズム
になるようにも選択され得る。 【００２６】プレーナ型導波路からエネルギを抽出する
ために、閉じ込め特性が非対称性である構造を使用する
ことは、単一共振モードから、その共振モードの放射対
称を反映した軸対称放射パターンで、面外信号を放出す
るという利点を有する。 【００２７】次に図６を参照すると、図５の光共振シス
テムの第１の機能を例示した概略図が示される。光共振
システム４００の基本的動作を理解するのに役立つ物理
的プロセスは、光入力信号６００が光学基板６０２のす
ぐ近くの導波路６０１から光共振システムに結合される
メカニズムである。図６及び図７には、導波路モードを
進行波、または定在波とすることが可能な、典型的な構
成が示される。 【００２８】図６は、光入力信号６００が、導波路６０
１を取り囲むエバネッセント場によって、光共振システ
ム４００に結合される実施形態を示す。これらのエバネ
ッセント場は、光共振システム４００の共振空洞のモー
ドを励起し、導波路６０１から光共振システム４００内
に光エネルギを伝達する。次に、光共振システム４００
は、基板表面から光エネルギを放射して、第２の信号を
形成する。 【００２９】図７は、光入力信号６００が、基板７０１
の導波路７００を取り囲むエバネッセント場を介して、
光共振システム４００にエネルギを結合する、定在波を
形成する実施形態を例示する。光共振システム４００
は、システムの共振特性によって、光入力信号６００の
光エネルギを捕捉し、光エネルギを利用して、光出力信
号を生成する。次に、光共振システム４００は、基板表
面を通じて第２の光信号を放出する。これらの構成のそ
れぞれについて、導波路モードは空間的に正規化可能で
あり、それらのエネルギの大部分が、コア外の予測可能
なエバネッセント場によって、導波路６０１及び７００
のコアに閉じ込められたものと想定されている。 【００３０】次に図８を参照すると、光共振システム４
００の受動的性質に適用可能な相反原理により、光共振
システムを用いて、基板表面上方の光源から集積光学デ
バイスの導波路にエネルギを結合することも可能であ
る。この場合、光入力信号８００は、光共振システム４
００に導かれる。次に、光共振システム４００は、光入
力信号からエネルギを捕捉し、光出力信号８０１を発生
して、基板８０３に形成された導波路８０２に送り込
む。この実施形態の光共振システムは、導波路８０２内
に実質的に放射する非対称閉じ込め特性を備えることが
できる。当業者には明らかなように、これは、半径方向
に非対称構造を備えた光共振システム４００を形成する
ことによって実現可能である。 【００３１】次に図９を参照すると、図５の光共振シス
テムを作成するための方法を例示するフローチャートが
示される。第１のステップ９００では、基板が準備され
る。基板が準備された後、次のステップ９０１におい
て、共振空洞が形成される。ステップ９０１は、このプ
ロセスにおいて要約されているが、一般には、当業者に
知られているように、中間フォトリソグラフィステップ
を特徴とする、一連の充填及び埋め戻しステップが含ま
れる。光共振システム４００を製作するために、ユーザ
は、本方法のステップ９０１において導波路を製作し
て、光共振システム４００を作成することも可能であ
る。 【００３２】これらのエッチング及び埋め戻しステップ
は、一般に、層毎のアプローチを利用して、光共振シス
テムを製作するステップを含むことができる。上述した
層毎のアプローチに対する最初のステップとして、製作
者は、二酸化珪素のような第１の材料から形成された光
学基板に少なくとも１つのリングをエッチングすること
ができる。次に、製作者は、珪素のような第２の材料
で、リングを充填し、プレートを堆積させることができ
る。次に、製作者は、プレート上に第１の材料を堆積さ
せ、所望の数の円筒及びプレートが製作されるまで、こ
のプロセスを繰り返すことができる。 【００３３】代案として、製作者は、最初に、基板上に
第２の材料による層を堆積させることができる。次に、
製作者は、第２の材料層をエッチングして、基板に少な
くとも１つのリングを形成することができる。次に、製
作者は、基板の第１の材料からなる層を堆積させて、リ
ング層のギャップを充填することができる。そして、製
作者は、第２の材料のプレート層を堆積させ、プレート
をエッチングし、プレート層のギャップを充填すること
ができる。そして、製作者は、所望の数の円筒及びプレ
ートが形成されるまで、これらのステップをそれぞれ反
復することができる。これらの製作方法は利用可能な製
作方法の単なる例でしかなく、当業者には明らかなよう
に、任意の構造を製作するために、多種多様な方法が存
在する。 【００３４】さらに、当業者には明らかなように、プレ
ート及び円筒の数によって、光共振システムの閉じ込め
強度が決まる。閉じ込め強度によって、共振信号の捕捉
後、光共振システム内に共振信号を閉じ込めた状態に保
持する光共振システム４００の能力が決まる。この閉じ
込め強度は、後述するように、光共振システムに含まれ
るプレートまたは円筒の数に応じて増減できる。従っ
て、プレートまたは円筒の数を調整して、各用途の特定
の設計考慮事項を補償することができる。さらに、当業
者には明らかなように、製作者は、共振空洞から放射さ
れる光パワーを調整するために、完成した光共振システ
ム４００をエッチングすることができる。 【００３５】次に図１０を参照すると、図５の光共振シ
ステムを作成するための代替の方法を例示するフローチ
ャートが示される。最初のステップは、図９に示された
先の実施形態と同じである。しかしながら、第２のステ
ップ１０００は異なる。ステップ１０００では、ユーザ
が非対称構造を備えた光共振システムを形成することが
可能である。完全に対称な構造を形成する代わりに、製
作中に、１つまたは複数の外側プレートまたは円筒の少
なくとも一部が省かれる。こうして、構造の非対称性部
分に向かって優先的に放射する、非対称光共振システム
が形成される。 【００３６】次に図１１を参照すると、図５の光共振シ
ステムの動作を説明する図が示される。第１の構造体１
１００には、複数の平行プレート４０１ａ〜４０１ｆが
含まれる。これらのプレート４０１ａ〜４０１ｆは、ｘ
−ｙ平面内に位置しており、ｘ−ｙ平面に直交するｚ軸
方向に光エネルギを部分的に反射する。従って、第１の
構造体は、１次元（１−Ｄ）リフレクタと呼ぶことがで
きる。第２の構造体１１０１には、複数の同心円筒４０
２ａ〜４０２ｃが含まれる。円筒４０２ａ〜４０２ｃ
は、円筒４０２ａ〜４０２ｃから半径方向に光放射線を
部分的に反射する。従って、第２の構造体は、２次元
（２−Ｄ）リフレクタと呼ぶことができる。 【００３７】第１及び第２の構造体１１００、１１０１
は、互いのコヒーレントな挙動に乱れることなく、協働
することができる。これは、組み合わせ構造のＴＥモー
ドに関する方位電界を説明する波動方程式が下記のよう
に書かれると、最もよく明らかになる。 ▽２Ｅφ（ρ，ｚ）＋ｋ０ ２ε⊥（ρ，ｚ）Ｅφ（ρ，ｚ）＝０ （１） ここで、ｋ０は、指定の周波数に関する自由空間ｋベク
トルであり、ρは、半径方向距離であり（ｘ−ｙ平面に
おける）、ｚは、半径方向軸に直交する軸に沿った距離
であり、Ｅφ（ρ，ｚ）は、極座標における電界であ
り、ε⊥（ρ，ｚ）は、同じであると仮定される、第１
と第２の構造体１１００、１１０１の材料の比誘電率で
ある。比誘電率ε⊥（ρ，ｚ）は、次のように示される ε⊥（ρ，ｚ）＝１＋（ε⊥′−１）（ｆ１（ρ）＋ｆ２（ｚ）−ｆ１（ρ） ｆ２（ｚ）） （２） ここで、 【数１】 ε⊥′は、第１と第２の構造体１１００、１１０１の誘
電率の定数値である。方程式（１）は、組み合わせられ
た第１と第２の構造体の誘電率について記述した方程式
（２）の最後の項を除くと、完全に分離可能であるとい
う点に留意されたい。ｆ１（ρ）ｆ２（ｚ）に比例した
この項は、誘電率値が、プレート４０１ａ〜４０１ｆ及
び円筒４０２ａ〜４０２ｃの交差領域において二重計算
されないように必要とされる。方程式（１）がρとｚの
寸法間において分離可能でない場合、１−Ｄリフレクタ
を構成するプレート４０１ａ〜４０１ｆのセット及び２
−Ｄリフレクタを構成する円筒４０２ａ〜４０２ｃのセ
ットは、独立して作動しない。従って、ただ単に１−Ｄ
及び２−Ｄリフレクタを組み合わせるだけで、３−Ｄ閉
じ込め構造を形成することはできない。 【００３８】適切なモード選択のために、分離可能性を
極めて高レベルの精度にまで回復することが可能であ
る。このモード選択は、光共振システム４００の一貫し
た設計規則に従うと、全てのプレート４０１ａ〜４０１
ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃの内部表面において電界
がヌルになる、ＴＥ０共振モードである。電界値が、光
共振システム４００のプレート４０１ａ〜４０１ｆと円
筒４０２ａ〜４０２ｃとの間の分離不能交差領域で「二
重のヌル」（ρ及びｚ寸法から）になると、分離可能性
が回復される。従って、分離不能項を方程式から削除す
ることができる。この近似に関連した数値エラーは、摂
動技術を用いてきわめて小さくなるように示され得る。 【００３９】しかしながら、上記方程式は、図４のよう
に、自由空間における光共振システムについて計算す
る。図５の光共振システム４００の関連共振モードを計
算するために、ＴＥ０共振モードに制限して、マクスウ
ェルの方程式から磁界「ベクトルＢ」に関する方程式を
導き出す。 【数２】 ここで、ｃは、光の自由空間速度であり、ｉは、負の１
（−１）の平方根であり、他の項は、前に定義した通り
である。方程式（４）の右側の非同次項は、異なる誘電
率領域間の界面において電磁界に適した境界条件を確保
するために存在する。均質領域間の各界面にわたって境
界条件が整合される限り、この非同次項は無視される。
ＴＥ０モードの場合、減衰はＢｚに関する方程式 ▽２Ｂｚ（ρ，ｚ）＋ｋ０ ２ε⊥（ρ，ｚ）Ｂｚ（ρ，ｚ）＝０ （５） に制限され、他の電磁界は、マクスウェルの方程式を用
いて、この磁界から求められる。前述のように、方程式
（２）によって与えられるε⊥に関する式の分離不能項
を無視すると、方程式（５）は、完全に分離可能にな
り、Ｂｚは次のように書き直すことができる。 Ｂｚ（ρ，ｚ）→Ｒ（ρ）Ｚ（ｚ） （６） この偏微分方程式は、２つの常微分方程式として書くこ
とができる。 （１／ρ・ｄ／ｄρ（ρ・ｄ／ｄρ）＋ｋ０ ２（ε１＋（ε２−ε１）ｆ１（ ρ））−Λ）Ｒ（ρ）＝０ （７） （ｄ２／ｄｚ２＋ｋ０ ２（ε２−ε１）ｆ２（ｚ）＋Λ）Ｚ（ｚ）＝０（８） ここで、ε２（ε１）は、構造４００の高（低）誘電率
であり、Λは、分離定数である。分離定数は、単一偏微
分方程式が分離可能であるために、両方の常微分方程式
に含まれていなければならない定数に関する数学項であ
る。各均質領域の解は、下記の形になる Ｒ（ρ）＝ＣＪ０（γρρ）＋ＤＹ０（γρρ） （９） Ｚ（ｚ）＝Ａｃｏｓ（γｚｚ）＋Ｂｓｉｎ（γｚｚ） （１０） γρ及びγｚは、それぞれ、中央空洞内におけるρ及び
ｚ方向の伝搬ベクトルとして一般に説明されるが、この
場合 γρ＝（ｋ０ ２（ε１＋（ε２−ε１）ｆ１（ρ））−Λ）１／２ （１１） γｚ＝（ｋ０ ２（ε２−ε１）ｆ２（ｚ）＋Λ）１／２ （１２） ＴＥ０モードの場合、マクスウェルの回転方程式によっ
て与えられる非ゼロ電磁界は、次の通りである Ｂｚ（ρ，ｚ）＝Ｒ（ρ）Ｚ（ｚ） （１３） Ｅφ（ρ，ｚ）＝−ｉｃｋ０／γｐ ２・Ｒ′（ρ）Ｚ（ｚ） （１４） Ｂρ（ρ，ｘ）＝１／γρ ２・Ｒ′（ρ）Ｚ′（ｚ） （１５） ここで、プライム記号は、適合する引数に関する微分を
表わしている。 【００４０】与えられた構造及び周波数に関する完全な
解を求めるために、光共振システム４００の各均質領域
に関する定数Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤが求められ、分離定数
Λが計算される。これは、各界面における境界条件を整
合させ、境界のない半径方向領域の漸近条件を利用する
ことにより実施される。関数Ｚ（ｚ）について明確に解
くため、図１３に示す光共振システムの高屈折率／低屈
折率プレート領域の各界面毎に、Ｅφ、Ｂｚ、及びＢρ
の連続性が課せられ、各分離領域の係数を連結する２×
２行列方程式が得られる 【数３】 最低共振（空間的に均一な）解に制限し、電界が光共振
システムの上面においてゼロであるという事実を課す
と、分離関数Λに関する超越方程式が導き出される 【数４】 ここで、Ｈは光共振システム４００の高さである。分離
定数Λは、方程式（１２）及び（１７）から数値的に求
められ、引き続き、係数Ａｉ及びＢｉの全てが、行列の
連結によって求められる。 【００４１】電磁界の連続性が、図１４に示す各誘電体
領域界面において強制され、各領域の係数が、２×２行
列の連結によって他の領域の係数と連結されるので、関
数Ｒ（ρ）の明白な解が同様に計算される。これらの領
域について解くために、いくつかの物理的境界条件を課
さなければならない。課せられる物理的境界条件は、構
造体に入射する入射円筒形進行波、及び構造体から出て
行く出射円筒形進行波が存在するということである。エ
ネルギ保存の法則によって、入射波と出射波は等しい大
きさであることが要求されるけれども、移相δによって
異なる場合があるので、 ［Ｃ２Ｎ＋１Ｊ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）＋Ｄ２Ｎ＋１Ｙ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）］ （１８） が、 １／２［（Ｊ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）＋ｉＹ０（γρ ２Ｎ＋１ρ））＋ｅｉδ（ Ｊ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）−ｉＹ０（γρ ２Ｎ＋１ρ））］ （１９） に置き換えられる。この移相を求める方程式は、電磁界
が原点ρ＝０において有限のままであることが要求され
る結果である。中央空洞５００の電磁界は、下記のよう
に界面において整合する電磁界から求められる２×２伝
達行列を利用して、外部領域の電磁界と連結され得る。 【数５】電磁界が原点において有限であるためには、Ｙ関数がゼ
ロ引数に関して特異なので、Ｄ１がゼロである。従っ
て、移相に関する方程式は、下記のようになる δ＝−２ａｒｃｔａｎ（Ｍ２１／Ｍ２２） （２１） 行列連結によって、完全な解及び全ての係数が計算され
る。 【００４２】要約すると、上述の技術を用いることによ
って、光共振システム４００から放射される入射円筒形
波に関する完全な解が求められる。本発明が動作するよ
うに設計された動作周波数が指定され、次に、分離定数
及びγｚが求められ、γρが与えられる。これから、移
相δが求められ、全領域における全ての展開係数が指定
され得る。 【００４３】次に、図１５を参照すると、光共振システ
ム４００の共振モードが、ある周波数範囲の散乱解を計
算し、 Ｑ＝ω・蓄積エネルギ／入射パワー （２２） によって定義される、各周波数に関するモードのＱを計
算することによって求められるが、ここで、ωは放射線
の角振動数であり、蓄積エネルギ及び入射パワーは、通
常の態様で計算された電磁界の分布から計算される。Ｑ
対ωのグラフによって、エネルギが構造内に優先的に蓄
積されたいくつかの広いピーク、すなわち、弱い共振
と、全てのプレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２
ａ〜４０２ｃが、一貫して効率的に光放射線を閉じ込め
る働きをする、ＴＥ０モードに相当する極めてＱの高い
単一ピークが示される。図１５には、４つの円筒領域、
４つのプレート対領域を含む典型的な光共振システムの
図が示されており、光共振システム及びバックグラウン
ド領域の誘電率は、それぞれ、１１．５６及び２．２５
である。本明細書で説明される設計規則を用いて生成さ
れた光共振システムの効率を示している、ＴＥ０モード
の極めての高いＱに留意されたい。 【００４４】導波路構造６０１（図６）と光共振システ
ム４００の結合を決定するために用いられる分析技術
は、一種の結合モード理論である。第１のステップは、
マクスウェルの方程式から導き出される電磁界に関する
動的方程式を書き留めることである 【数６】 ここで、電磁界の上の「ドット」は、時間導関数であ
り、ε０は、自由空間誘電率であり、εｒは、測定され
る媒体の比誘電率である。前述のように、上記波動方程
式の非同次項は、誘電率の異なる領域間における適正な
境界条件を確保することだけを目的とした項である。 【００４５】分離された光共振システム４００の非摂動
電磁界が分っており、電界が「ベクトルＥＤ」によって
指定されるものと仮定する。同様に、分離された導波路
６０１の非摂動電磁界も分っており、電界が「ベクトル
ＥＷ」によって指定されるものと仮定する。分離された
導波路６０１の比誘電率は、以下の式によって与えられ
る。 【数７】 同様に、分離された光共振システム４００の比誘電率
は、以下の式により与えられる。 【数８】従って、これらの電磁界は、下記を満足する。 【数９】 分離された光共振システム４００と分離された導波路６
０１の両方を含む複合システムに対する近似結合モード
解が、非摂動電磁界に関して次のように定義される。 【数１０】 ここで、Ａ（ｔ）及びＢ（ｔ）は、エネルギが時間の関
数として２つの構造間でいかに共有されるかを指定する
時間依存係数である。非摂動電磁界方程式を利用して、
動的方程式（２３）に方程式（２７）の解を代入する
と、摂動処理において 【数１１】 及び非同次項が無視されるべき近似によって、次のよう
になる。 【数１２】 時間依存展開係数に関するスカラ微分方程式を得るため
に、方程式（２８）に、非摂動電磁界の１つを掛け、全
空間に関して積分することが可能である。しかしなが
ら、このプロセスを単純化するために、表記法 【数１３】 を最初に導入して、重なり積分の大きさの階層を次のよ
うに列挙することができる。 【数１４】 ここで、ηは、エバネッセント場と摂動構造との間の重
なりの大きさの特性を明らかにする小パラメータであ
る。この表記法を用いて、ηにおける最下位項だけを保
持すると、方程式（２８）と「ベクトルＥＷ」の掛け
算、及び全空間に関する積分によって、下記のようにな
る。 【数１５】 ここで、 【数１６】同様に、方程式（２８）と「ベクトルＥＤ」の掛け算及
び全空間に関する積分によって、下記のようになる。 【数１７】 ここで、 【数１８】 方程式（３３）及び（３５）に対する解は、次の形にな
る。Ａ（ｔ）〜ｅ±ｉΓｔ 及び Ｂ（ｔ）〜ｅ
±ｉΓｔ （３７）ここで、 【数１９】 「結合率」Γは、前述のように、光共振システム４００
及び導波路６０１の非摂動電磁界に関する式から簡単に
計算可能である。明らかに、導波路と光共振システムと
の間におけるエネルギの伝達率は、導波路６０１と光共
振システム４００が近づくほど、及びエバネッセント場
の重なりが大きくなるほど増大する。 【００４６】方程式（３３）及び（３５）は、可能性の
ある２つの追加物理プロセスを含むように一般化され得
る。すなわち、方程式（３５）には、下記のように、光
共振システム４００から放射されるエネルギの効果を含
めることができる。 【数２０】 ここで、γＤ＝ω／（２Ｑ）であり、Ｑは、放射のＱで
ある。さらに、方程式（３３）は、下記のように一般化
され、導波路モードに作用する利得項の効果を含めるこ
とができる。 【数２１】 ここで、γｗは、一般に、活性利得媒体に関連した指数
関数的利得係数である。これらの方程式の解は、前述の
ように、一般的結果 【数２２】 によって完成するが、ここで、 【数２３】 この結果の有用性が最もよく理解されるように、実際の
例について分析する。この例では、導波路６０１に一定
量のエネルギが存在し、光共振システム４００によって
光エネルギとして漏洩するものと仮定する。さらに、導
波路の利得がなく（γｗ＝０）、導波路６０１からのエ
ネルギ損失の唯一の手段が、光共振システム４００との
結合によるものと仮定する。この場合、方程式（４２）
に与えられる結合定数項は、次のようになる 【数２４】 導波路６０１及び光共振システム４００の係数に関する
境界条件は、それぞれ、Ａ（ｔ＝０）＝１及びＢ（ｔ＝
０）＝０の形になる。簡単な代数計算によって、特定解
が得られる。 【数２５】 これらの解の物理的内容は、それらを２つの異なる物理
的限界で調べることによって最も明瞭に例証される。導
波路と高いＱが組み込まれたＤＢＲ共振器との間におけ
る結合が極めて強い第１の限界において、Γ＞＞γＤの
場合、Ａ（ｔ）〜Ｂ（ｔ）〜ｅ−γＤｔ／２
（４６）になり、全ての電磁界が、予想
どおり、光共振システム４００の放射のＱによって制御
されるレートで減衰する。導波路６０１と光共振システ
ム４００との間における結合が極めて弱い第２の限界に
おいて、γＤ＞＞Γの場合、 【数２６】 になり、全ての電磁界が、結合強度によって制御された
レートで減衰する。 【００４７】これらの単純な式の場合、任意の組をなす
非摂動電磁界に関して、光共振システム４００と光導波
路６０１との間における全ての結合態様を計算すること
ができる。典型的な設計要件の場合、これで十分のはず
である。 【００４８】光共振システム４００の構造は、基板表面
から光エネルギを抽出することが望ましい任意の用途に
使用可能である。光エネルギは、エバネッセント場によ
って、事実上あらゆる集積光学デバイスから光共振シス
テム４００に結合可能であり、最終的には、光エネルギ
の形で基板表面から送り出される。これらの集積光学デ
バイスの構造は、導波路から共振構造までの範囲にわた
る可能性があり、光共振システムとの結合は、上述した
ような計算できる態様で正確に制御することができる。
基板表面から放射される光エネルギは、自由空間伝送に
よって、他の光学デバイスまたは検出器に送ることもで
きるし、あるいは光ファイバによって効率的に集めるこ
ともできる。出力ビームが円形対称性を有し、そのビー
ム直径がほぼ出力波長と同じであるので、放射される光
エネルギは、光ファイバに結合するのに理想的に適して
いる。さらに、単一集積光学デバイス上に、複数の光共
振システム４００を製作することもできる。これらの光
共振システム４００の特有の波長特性のため、カプラの
全てを同じ波長または一連の波長で動作させることが可
能である。これらの応用例の全てにおいて、光共振シス
テム４００の製作に必要とされる製作ステップは、典型
的な集積光学デバイスの標準的な成長工程に適合する。
２材料構造は、関連集積光学デバイスの製作中における
選択的エッチング及び埋め戻しのプロセスによって成長
され得る。 【００４９】次に、本発明の設計規則について述べるこ
とにする。光共振システム４００の実際の設計規則は、
必要とされるほんの限られた入力として、所望の共振周
波数ω、及び光共振空洞５００のｚ高さＬの指定から始
まる（２つの誘電率ε１及びε２が、検討される材料系
の制約条件として与えられるものと仮定すると）。所望
の周波数は、通常、用途の要件によって設定されるが、
光共振空洞５００の高さは、光共振空洞５００の寸法に
とって所望の縦横比が与えられるように調整可能であ
る。所望の縦横比の達成には、一般に、光共振空洞５０
０の半径に対して光共振空洞５００の高さを短縮するこ
とが含まれる。この短縮によって、光共振空洞５００か
ら光共振システムのｚ軸に沿って漏洩する放射線が増大
することになる。 【００５０】定義すべき第１の中間パラメータは、ε１
及びε２によって指定される異なる誘電体領域に関する
共振モードのｋベクトル成分ｋｚｉ及びｋρｉである。
光共振空洞５００のｚ高さがＬである場合、共振条件
は、あるモードが、ｚ軸に沿った往復に関して２πの整
数倍の移相を被る、すなわち、２Ｌｋｚ１＝２ｎπとい
うことであり、ここで、ｎは、光共振システムのモード
の次数である。最低次モードの場合、次の通りである ｋｚ１＝π／Ｌ （４８） 他のｋベクトル成分は、波動方程式εｋ０ ２＝ｋｚｉ ２
＋ｋρｉ ２からの定義関係を利用して、次のように求め
られる、 ｋρ１＝（ε１ｋ０ ２−（π／Ｌ）２）１／２ （４９） ｋｚ２＝（（ε２−ε１）ｋ０ ２−（π／Ｌ）２）１／２ （５０） ｋρ２＝（ε２ｋ０ ２−（π／Ｌ）２）１／２ （５１） 第１の設計規則は、プレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円
筒領域４０２ａ〜４０２ｃ（図５）の厚さが、所望の入
力信号の四分の一波長に等しいということである。これ
によって、プレート領域及び円筒領域の反射率が最大に
なり、ひいては必要とされるセクション数が最小限に抑
えられる。四分の一波長の厚さによって、反射波の移相
がゼロになることが、さらなる設計の利点である。従っ
て、各プレート領域４０１ａ〜４０１ｆの厚さは、 Ｔｚ＝（π／２）／ｋｚ２ （５２） によって与えられ、円筒領域４０２ａ〜４０２ｃの厚さ
は、 Ｔρ＝（π／２）／ｋρ２ （５３） によって与えられる。 【００５１】次のステップは、内側円筒領域４０２ａに
よって決まる光共振空洞５００の半径を求めることであ
る。これは、ρ＝０の原点と光共振空洞５００を画定す
る内側円筒領域の第１の界面との間の往復について、共
振モードが２πの整数倍の移相を受けることを要求す
る、上述の共振条件を再適用することにより計算され
る。光共振空洞５００における波動方程式の半径方向に
伝搬する電界の解は、Ｈ１ （１）（ｘ）＝Ｊ１（ｘ）＋
ｉＹ１（ｘ）によって定義される第１種のハンケル関数
である。共振条件は、ｘ１１で表わされるベッセル関数
Ｊ１の第１のゼロに対応する位相距離について満足され
る。この条件から、光共振空洞５００を画定する第１の
円筒領域４０２ａの内側半径が次のように求められる。 ρ１＝ｘ１１／ｋρ１ （５４） 【００５２】光共振空洞５００を画定するプレート領域
及び円筒領域の位置及び厚さが決定されると、引数を拡
張して、組み込みＤＢＲ共振構造４００を構成する追加
のプレート領域４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒領域４０２
ａ〜４０２ｃの位置を計算するのは簡単である。留意す
べきは、中央空洞５００を画定する反射表面は、誘電率
ε１の材料で均一に充填された単純な空洞の電界がヌル
になるところに配置されたという点である。 【００５３】追加のプレート領域位置は、光共振空洞５
００の調和解をｚ軸に沿って拡張して、各追加プレート
領域リフレクタの内側表面を順次電界ヌル位置に配置す
ることによって決定される。調和解の移相は、現在位置
の内側のプレート領域にわたる追加の位相の低下に関し
て補正される。この補正は、各プレートによって、次の
電界ヌルが生じると予測される位置にわずかな移動が生
じるために実施される。従って、第２のプレート対４０
１ｂ及び４０１ｅを配置する場合には、第１のプレート
対４０１ｃ及び４０１ｄによる第２の電界ヌル位置のわ
ずかな変位を考慮しなければならない。さらに、第３の
プレート対４０１ａ及び４０１ｆを配置する場合には、
それぞれ、第１及び第２のプレート対４０１ｃ及び４０
１ｄ、並びに４０１ｂ及び４０１ｅによる第３の電界ヌ
ル位置のわずかな変位を考慮しなければならない。 【００５４】同様に、光共振空洞５００の半径方向のベ
ッセル関数解を拡張して、各追加の円筒領域リフレクタ
の内側表面を電界ヌル位置に配置し、再び現在位置の内
側の円筒領域によって生じるさらなる移相を補正するこ
とによって、追加の円筒領域位置が決定される。 【００５５】この設計アルゴリズムは、前述のコヒーレ
ント反射要件を維持し、単純かつ物理的に動機付けされ
ている。これらの規則の精度は、上述の詳細な計算によ
って検証された。 【００５６】とりわけ、ある実施形態における前述の設
計規則に従って形成された光共振システムの例は、３つ
の円筒及び６つのプレートを含むことが可能であり、プ
レート及び円筒は、珪素（ｋ＝１１．５６）から作成さ
れるが、光基板は、二酸化珪素（ｋ＝２．２５）から作
成される。１．５５μｍの波長を有する光信号を捕捉す
るために、第１の円筒４０２ａの内側半径は１．１４０
μｍになり、外側半径は１．２６５μｍになる。第２の
円筒４０２ｂの内側半径は１．７３７μｍになり、外側
半径は１．８６０μｍになる。最後に、第３の円筒の内
側半径は２．３２９μｍになり、外側半径は２．４５２
μｍになる。プレートのそれぞれは、中央空洞と接する
プレートを除いて、０．１１７５μｍの厚みを有し、各
プレート間の間隔が０．３１０μｍになる。中央空洞と
接するプレート４０１ｃ、４０１ｄは、それらの間にお
いて０．６２０μｍの間隔を有する。従って、とりわ
け、ある実施形態では、光共振空洞は、１．５５μｍの
波長を有する光信号を捕捉するために、０．６２０μｍ
の高さと、１．１４０μｍの半径を有することができ
る。 【００５７】次に、図１０及び図１１に関連して説明さ
れる、図１５を参照すると、非対称光共振空洞が示され
る。光共振システム４００が、基板表面１５００から優
先的に光を放射できるようにするために、光共振システ
ムは、プレート４０１ａ〜４０１ｅが偶数でない光共振
システムを形成することによって、非対称に形成され
る。こうして、非対称光共振システム１５０１に関する
主放射メカニズムは、もはや、基板５０１への半径方向
にはなく、図１５の放射線１５０２によって示されるよ
うに面外にある。 【００５８】非対称光共振システム１５０１の光放射線
の計算は、いくつかの理由から困難である。上面の閉じ
込め境界条件が取り除かれることによって、放射共振モ
ードに関する分析解が除外される。また、放射共振モー
ドが正規化不能であり、適切なモード整合手順が実行不
可能になる。結果として、図１５の構造の放射特性を近
似計算する最適手段に混乱が生じることになる。 【００５９】光の放射を計算するために、非対称光共振
システム１５０１の上面における共振モードの電磁界
は、光共振システムが対称性であった場合に存在するも
のと同じであると仮定する。共振器のＱが、光の放射の
影響を考慮しても、依然として比較的高いままである場
合、これは、おそらく妥当な近似である。有限平面であ
ると想定されるものについて、これらの共振モード電磁
界を仮定すると（印加される電磁界は、非対称光共振シ
ステムのアパーチャから離れると、ゼロになると仮定す
る）、グリーンの第二恒等式を適用して、基板表面１５
００上の半空間の任意の点における電磁界を見つけるこ
とができる。基板表面１５００から遠い電磁界に関する
式は、次の形をとる。 【数２７】 方程式（５５）及び（５６）の積分を完了するのに必要
な表面Ｓにおける共振器の電磁界は、これまでの計算か
ら既知である。非対称光共振システムのモード解は、方
程式（９、１０、及び１３−１５）に示されるベッセル
関数及び三角関数の積として与えられる。この単純な解
の形によって、方程式（２３）及び（２４）の積分を分
析的に行い、放射電磁界に関する閉じた形の式を得るこ
とが可能になる。 【００６０】典型的な例として、それぞれ、光共振シス
テム１５０１及びバックグラウンド領域５０１に関する
誘電率が１１．５６及び２．２５である、１０個の円筒
領域及び３つのプレート対領域を含む構造が、設計規則
を利用して指定される。面外放射を高めるための非対称
構造がない、完全な光共振システム４００の場合、材料
の損失を考慮しなければ、共振器の算定Ｑは、１．０×
１０８になる。この算定Ｑは、基板５０１への半径方向
における放射損失によるものでしかない。測定Ｑは、も
ちろん、材料損失のためにはるかに低くなる。光共振シ
ステム４００が、誘電率の高い上部プレート領域をなく
して、非対称に構築される場合、基板からの放射は、２
×１０６のＱを発生するものと計算される。換言すれ
ば、非対称光共振システム１５０１の共振モードの場
合、非対称光共振システム１５０１の上面から漏れるエ
ネルギが、基板５０１内に漏出するエネルギの約５０倍
になる可能性がある。光共振システム１５０１が、２つ
の誘電率の高い上部プレート領域をなくして、非対称に
構築される場合、基板からの放射は、５．７×１０４の
Ｑを発生するものと計算される。この構成の場合、非対
称光共振システム１５０１は、基板からの放射が極めて
強く、基板から放射されるエネルギが、基板内に入るエ
ネルギの約２０００倍になることが分る。この例から明
らかなように、基板からの放射電磁界に対する非対称光
共振システムの共振モードの結合は、極めて広い範囲に
わたって調整可能である。 【００６１】要するに、効率的な面外カプラは、集積光
学デバイスに形成可能な共振空洞を備えた、光共振シス
テムを用いて実現された。この光共振システムは、導波
路のような集積光学デバイスの近接したコンポーネント
からの光エネルギを伝達し、計算できる結合効率でそれ
を光共振システムから送ることができる。さらに、光共
振システムの出力は、軸方向に対称性で、ビーム直径が
ほぼ放射波長と同じになるという利点を有する。 【００６２】強調しておくべきことは、本発明の上述の
実施形態は、本発明の原理を明確に理解するために示さ
れた、単なる可能性のある実施例でしかないという点で
ある。本発明の原理から実質的に逸脱することなく、本
発明の上述の実施形態に対してさまざまな変更及び修正
を加えることが可能である。こうした修正及び変更は、
全て、本開示及び本発明の範囲内に含まれ、特許請求の
範囲によって保護されることが意図されている。 【００６３】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。 １．光信号（100）を再配向するための光共振システム
（101）であって、実質的に平面内に存在し、その平面
に対して実質的に直交する第１の方向に光放射線を反射
する第１の構造体（1100）と、前記第１の構造体（110
0）と重なり合い、光学的に通じており、前記平面に実
質的に平行な方向に光放射線を反射する第２の構造体
（1101）とからなり、前記第１及び第２の構造体（110
0、1101）が、前記第１及び第２の構造体（1100、110
1）の共振特性によって、共振空洞（500）で共振信号
（102）を励起することにより、前記平面に実質的に平
行に伝搬する第１の光信号（100）の少なくとも一部を
捕捉するよう動作し、さらに前記平面に対して実質的に
直交する第２の方向に前記共振信号（102）を放出する
よう動作する、光共振システム。 ２．前記第１と第２の構造体（1100、1101）によって画
定される光共振空洞（500）をさらに含み、前記光共振
空洞（500）が、前記第１及び第２の構造体（1100、110
1）によって捕捉され、再配向され得る前記第１の光信
号（100）の少なくとも１つの波長を規定する、上記１
に記載の光共振システム。 ３．前記第１及び第２の構造体（1100、1101）の両方の
誘電率より低い誘電率を有する材料から形成された基板
（501）をさらに含む、上記１に記載の光共振システ
ム。 ４．前記基板（501）における波（600）を前記光共振空
洞（500）に伝搬するための手段をさらに含む、上記３
に記載の光共振システム。 ５．前記基板（501）内に形成された導波路（600）をさ
らに含み、前記導波路（600）が、前記光共振空洞（50
0）に対して近接して配置されており、前記導波路（60
0）からの光信号エネルギが、前記導波路（600）から放
射するエバネッセント場によって、前記光共振空洞（50
0）に伝達されて、前記光共振空洞（500）内に複数のモ
ードを励起するようになっている、上記３に記載の光共
振システム。 ６．光信号を再配向するための光共振システム（101）
であって、方向成分を示す第１の光信号（100）を受信
するように動作する光共振空洞（500）を含み、前記光
共振空洞（500）が、前記第１の光信号（100）に応答し
て共振し、共振信号（102）を励起して放出し、前記共
振信号（102）が、前記第１の光信号（100）の方向成分
とは異なる方向成分を示す、光共振システム。 ７．前記光共振空洞（500）が、前記第１の光信号（10
0）の共振モードを支援し、前記光共振空洞（500）が、
複数のモード電界ヌルまで延びて、前記第１の光信号
（100）の光エネルギを捕捉する、上記６に記載の光共
振システム。 ８．光放射線を再配向するための方法であって、方向成
分を有し、少なくとも１つの波長を含む第１の光信号
（100）を受信するステップと、前記少なくとも１つの
波長の前記第１の光信号でもって共振信号（102）を励
起するステップと、及び前記第１の光信号（100）の方
向成分とは異なる方向成分を有する前記共振信号（10
2）を放出するステップとからなる、方法。 ９．前記受信するステップが、前記第１の光信号（10
0）を伝搬する近接して配置された導波路（600）から放
射されるエバネッセント場でもって、光共振空洞（50
0）の複数のモードを励起するステップを含む、上記８
に記載の方法。 １０．光ファイバ導波路を設けるステップと、前記光フ
ァイバ導波路を前記放出される共振信号（102）に結合
するステップと、及び前記光ファイバ導波路を利用し
て、前記放出される共振信号（102）を伝送するステッ
プをさらに含む、上記８に記載の方法。 【００６４】 【発明の効果】本発明によれば、効率的な面外カプラ
が、集積光学デバイスに形成可能な共振空洞を備える、
光共振システムを用いて実現される。この光共振システ
ムは、導波路のような集積光学デバイスの近接したコン
ポーネントからの光エネルギを伝達し、計算できる結合
効率でそれを光共振システムから送ることができる。さ
らに、光共振システムの出力は、軸方向に対称性で、ビ
ーム直径がほぼ放射波長と同じになるという利点を有す
る。
関し、とりわけ、光信号を再配向するためのシステム及
び方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】集積光学デバイスは、以前は純粋に電子
領域に制限されていた信号発生及び処理機能を急速に達
成している。一般に平面であるこれらのデバイスには、
通常、基板によって支持された、光を基板に閉じ込める
プレーナ型導波路が含まれる。しかしながら、自由空間
伝送のためのプレーナ型導波路外への光信号の結合、ま
たはより一般的には、光ファイバへの結合という問題が
存在する。これらの問題は、効率的に解決することが困
難であり、これまで技術者達は、さまざまな解決法を用
いてきており、成功の度合いもさまざまであった。これ
らの解決法は、一般に、２つのカテゴリ、すなわち、エ
ンドファイヤ発光及び制御面発光に分類され得る。 【０００３】エンドファイヤ発光は、プレーナ型導波路
から光を抽出するための単純化した方法である。エンド
ファイヤ発光の場合、導波路によって、光が基板のエッ
ジまたは「端部」まで伝送される。次に、導波路のエッ
ジから光が放射する。一般に、エンドファイヤ発光の解
決法がうまくいくのは、クリーンなエッジの基板が得ら
れる場合に限られるが、そうではない場合が多い。さら
に、電子装置が小さくなればなるほど、光ファイバへ
の、又は光ファイバからの光を集束及び／または整合さ
せるために用いられる光学系の占めるスペースが極めて
大きくなる。 【０００４】一方、制御面発光は、エンドファイヤ発光
に関連した問題の少なくとも一部に対する解決法として
広く認められている。現在のところ、２つの一般的な面
発光技術が存在する、すなわち、プリズムベースの技術
と、回折格子ベースの技術である。プリズムベースの技
術には、導波路の上にプリズムを配置して、導波路から
放出された光を屈折させることが含まれる。しかしなが
ら、プリズムベースの方法を利用するのは、非現実的で
ある。これは、プリズムベースの技術では、導波路の上
に光学バルクコンポーネントを比較的精密に配置するこ
とが必要になるためである。回折格子ベースの技術で
は、導波路の表面に回折格子、すなわち、複数の切り目
をエッチングすることが必要になる。この回折格子によ
って、導波路を伝搬する光の一部が基板表面から漏出す
る。しかしながら、回折格子は、多数の方向に回折され
る拡散光を発生する。さらに、これらの制御面発光技術
は、それらの両方が本質的に分配され、取り出された光
モードの空間的歪み及び拡大を招く可能性があるという
観点から難しくなる傾向がある。そのようなことから、
これらの出力は、光ファイバーにマッチングしにくい可
能性がある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】従って、従来技術に関
するこれらの、及び／または他の認知された欠点に対処
するシステム及び方法が必要とされている。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明は、光信号を再配
向する（方向を向け直す）ためのシステム及び方法を提
供する。特に、本発明には、光入力信号の伝搬面に対し
て垂直にすることが可能な方向に、光入力信号を再配向
することを可能にする共振構造の利用が含まれる。これ
に関して、本発明の光共振システムには、実質的に平面
内に存在する第１の構造体が含まれる。第１の構造体
は、その平面に対して実質的に直交する第１の方向に光
放射線を反射する。この光共振システムには、第１の構
造体と重なり合い、光学的に通じている第２の構造体も
含まれる。第２の構造体は、前記平面に対して実質的に
平行な方向に光放射線を反射する。第１及び第２の構造
体は、第１及び第２の構造体の共振特性によって、共振
空洞内で共振信号を励起することにより、前記平面に対
して実質的に平行に伝搬する第１の光信号の少なくとも
一部を捕捉する働きをする。第１及び第２の構造体は、
さらに、前記平面に対して実質的に直交する第２の方向
に伝搬する共振信号を放出する働きをする。 【０００７】本発明は、特に、光学基板内に存在する集
積光学デバイスとして有用である。とりわけ、こうした
集積光学デバイスは、例えば、基板内を進行する光波を
伝送用の光ファイバに結合するか、または別の基板上に
位置する別の集積光学デバイスに結合するために利用さ
れ得る。 【０００８】光共振システムの別の実施形態は、共振空
洞を含む。光共振システムの共振空洞は、方向成分を示
す第１の光信号を受信する。共振空洞は、第１の光信号
に応答して共振し、共振信号を励起して放出する、共振
特性を含む。放出される共振信号は、第１の光信号の方
向成分とは異なる方向成分を有する。 【０００９】光共振システムを作成するための方法は、
実質的に平面内に存在する第１の構造体を、第１の構造
体と光学的に通じる働きをする第２の構造体に重ね合わ
せるステップと、第１の光信号から光エネルギを捕捉す
るために光共振空洞を画定するステップとを含み、光共
振空洞は、第１及び第２の構造体によって少なくとも部
分的に包囲される。 【００１０】光放射線を再配向するための方法は、方向
成分を示し、少なくとも１つの波長を含む第１の光信号
を受信するステップと、前記少なくとも１つの波長の第
１の光信号で共振信号を励起するステップと、第１の光
信号の方向成分とは異なる方向成分を示す共振信号を放
出するステップとを含む。 【００１１】本発明の他のシステム、方法、特徴、及び
利点は、当業者であれば明らかであるか、または添付図
面及び以下の詳細な説明を検討することによって明らか
になるであろう。こうした追加のシステム、方法、特
徴、及び利点は、全て本開示に含まれ、本発明の範囲内
であり、特許請求の範囲によって保護されることが意図
される。 【００１２】本発明は、図面に関連して一層よく理解さ
れ得る。図面の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではな
く、代わりに本発明の原理を明確に例示することに重点
が置かれている。さらに、図面において、同じ参照番号
は、幾つかの図面を通して対応する部品を示す。 【００１３】 【発明の実施の形態】次に、添付図面に関連して、本発
明をさらに詳述する。しかしながら、本発明は、多種多
様な形態で具現化されることが可能であり、本明細書に
記載の実施形態に制限されるものとみなされるべきでは
なく、むしろ、これらの実施形態は、当業者に本発明の
範囲を伝えることが意図されている。さらに、本明細書
に示される全ての「例」は、限定されないことが意図さ
れている。 【００１４】次に図１を参照すると、本発明のある実施
形態を例示したブロック図が示される。図１において、
光入力信号１００が、光共振システム１０１に供給され
る。光共振システム１０１が、光共振システム１０１の
共振特性によって、光入力信号１００のエネルギを捕捉
する。次に、光共振システム１０１が、光出力信号１０
２を放出する。例えば、光出力信号は、光入力信号１０
０に対して直交するように放出され得る。 【００１５】異なる実施形態における光入力信号１００
は、光ファイバ導波路、誘電体導波路、自由空間等を含
む、多数の異なる媒体内を伝わる可能性がある。放出さ
れる光出力信号１０２は、減衰させることができるが、
一般には、光入力信号１００に符号化されてもよい「情
報の内容」を保持する。とりわけ、ある実施形態におけ
る光出力信号１０２は、出力信号を光ファイバまたは別
の集積光学デバイスに結合するのに理想的な軸対称放射
パターンを有する。 【００１６】次に図２を参照すると、本発明の代替の実
施形態のブロック図が示される。この実施形態の場合、
光入力信号２００が、光共振システム２０２に近い基板
領域２０１に進入する。光共振システム２０２は、信号
の一部を捕捉して、光出力信号２０４を発生する。例え
ば、光出力信号は、光入力信号２００に直交する方向に
放出され得る。 【００１７】光共振システムは、光共振システム２０２
において光入力信号２００と関連したエバネッセント場
２０３を捕捉することによって機能する。エバネッセン
ト場は、信号が導波路内を伝搬する際に生じる。光入力
信号は、その電磁特性のため、本質的に導波路の周囲に
エバネッセント場を生じる。光入力信号２００によって
光共振システムに近接して生じたエバネッセント場２０
３は、光共振システム２０２の少なくとも１つのモード
と共振し、光エネルギが光共振システム２０２に伝達さ
れるようにする。次に、光共振システム２０２は、優先
的に所望の方向に光エネルギを放出して、光出力信号２
０４を生じさせる。光共振システム２０２によって生じ
る光出力信号２０４は、減衰させることが可能である
が、一般に、入力信号２００に符号化されてもよい「情
報の内容」を保持する。とりわけ、ある実施形態におけ
る光出力信号２０４は、光出力信号を光ファイバまたは
別の集積光学デバイスに結合するのに理想的な軸対称放
射パターンを有する。 【００１８】次に図３を参照すると、図２の光共振シス
テムを利用する方法の実施形態が示される。ブロック３
００では、光共振システムが光信号を受信する。ブロッ
ク３０１では、共振特性を利用して、第２の光信号を生
成する。次に、ブロック３０２では、第２の光信号が放
出される。 【００１９】一例として、光共振システムは、一般に、
導波路を介して光信号を受信する。この導波路は、光共
振システムで終端させることができ、または代案とし
て、光共振システムを貫いて延びることができる。どち
らにしても、導波路外に延びるエバネッセント場によっ
て、光共振システムに光信号を結合することが可能にな
る。光共振システムの非対称閉じ込めプロファイルによ
って、光共振システムは、第２の光信号を優先的に放出
することが可能になる。そして、放出された光信号は、
別の集積光学デバイスに結合されることもできるし、ま
たは単純に、放出された光信号を別の場所に伝送するた
めの光ファイバに結合され得る。 【００２０】次に図４を参照すると、光共振システムの
実施形態に関する概略図が示される。自由空間に示され
た光共振システムの本実施形態は、誘電体構造体４００
を含む。誘電体構造体４００には、誘電体平行プレート
４０１ａ〜４０１ｆからなる第１の構造体と、誘電体同
心円筒４０２ａ〜４０２ｃからなる第２の構造体が含ま
れる。光共振システムの第１の構造体は、光共振システ
ムの第２の構造体と重なり合い、光学的に通じていて、
光入力信号の少なくとも一部を捕捉する。次に、第１及
び第２の構造体は、出力信号を放出する働きをする。例
えば、光出力信号は、光入力信号に対して直交する方向
に放出され得る。 【００２１】次に図５を参照すると、とりわけ、本発明
の光共振システムの実施形態の１つに関する断面図が示
される。光共振システム４００には、互いに交差して、
共振特性を備えた中央空洞５００を形成する、複数のプ
レート４０１ａ〜４０１ｆ及び複数の円筒４０２ａ〜４
０２ｃが含まれる。プレート４０１ａ〜４０１ｆのそれ
ぞれは、ｘ−ｙ平面内にあり、ｘ−ｙ平面に直交するｚ
軸に沿って光エネルギを部分的に反射する。円筒４０２
ａ〜４０２ｃのそれぞれは、ｘ−ｙ平面に対して平行な
半径方向に光を部分的に反射する。一般に、プレート４
０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃは、同じ
誘電体材料または類似の誘電体材料から形成される。例
えば、利用可能なこうした誘電体材料の１つは、二酸化
珪素である。周囲の材料すなわち光学基板５０１は、一
般に、プレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ〜
４０２ｃを形成する材料に比べて誘電率の低い誘電体材
料から形成される。典型的な実施形態の場合、プレート
及び円筒の典型的な誘電率は、約１１とすることでき、
周囲の材料の典型的な誘電率は、約２とすることができ
る。しかしながら、当業者には明らかなように、多種多
様な対をなす誘電率が、光共振システムを形成する働き
をすることができ、本発明は開示の誘電率だけに制限さ
れない。プレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ
〜４０２ｃが、図５のように組み合わせられる場合、プ
レート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃ
は、特定の波長の光を捕捉する働きをする。こうした波
長の光は、さらに詳細に後述するように、光共振システ
ム４００の寸法と材料に従って捕捉される。 【００２２】図示のように光基板５０１に形成された光
共振システム４００は、一般に、光信号を再配向するた
めに用いられる面外カプラとして、すなわち、３次元分
布ブラッグ反射器として説明され得る。概して言えば、
光共振システム４００は、システムの共振特性によって
光を捕捉する。光共振システムの特性は、システムの寸
法、及びシステムを構成する誘電体材料の屈折特性に従
って規定される。 【００２３】図５に示す実施形態の場合、光共振システ
ム４００は、対称放射パターンを有しており、補足した
光エネルギをほぼ全方向に放射する。この放射パターン
は、光共振システム４００の構造を修正することによっ
て変更可能である。この光共振構造の修正は、光共振シ
ステム４００の製作を修正するか、または製作後に、光
共振システム４００を修正することによって実現可能で
ある。まず、１方向に優先的に放射できる非対称構造を
説明し、次に２方向に優先的に放射できる対称構造を説
明する。 【００２４】製作者は、光共振システム４００の非対称
性によって光エネルギを優先的に放射する非対称構造を
形成することによって、光共振システム４００の放射パ
ターンを変更することができる。こうした非対称構造
は、非対称構造を備えた光共振システム４００を構築す
ることにより実現可能である。換言すれば、光共振シス
テム４００の製作中に、プレート４０１ａ〜４０１ｆ又
は円筒４０２ａ〜４０２ｃの少なくとも１つ、またはそ
れらの一部を省くことによって、光共振システム４００
に優先的に放射させることができる。当業者には明らか
なように、こうした非対称構造は、製作後、光共振シス
テムから、１つのプレート４０１または円筒４０２、あ
るいはプレート４０１または円筒４０２の一部を取り除
くことによって実現されることも可能である。 【００２５】本発明の光共振システム４００は、例え
ば、図５に例示したように、光共振システムを軸対称共
振構造として構成して、光共振システム４００を集積光
学デバイスに組み込むことによって、面外カプラとして
も利用され得る。実施形態の１つでは、光学基板に形成
された光共振システム４００に、基板表面外に放射線を
放出させることは、光共振システム４００における円筒
数に比べて少ないプレート対を用いることによって実現
される。光共振システム４００は、比較的Ｑ（Ｑ−fact
or）が高く、近接したプレーナ型導波路のコア外に延び
る複数のエバネッセント場に結合する。光共振システム
４００は、さらに、近接したプレーナ型導波路に直交す
る方向に光を放出するように構成される。近接したプレ
ーナ型導波路と中央空洞との間の共振結合は、詳細に後
述するように、２つのコンポーネントの適切な設計及び
相対的位置によって整合され得る。あらゆる寸法におけ
る光共振システムのリフレクタ（プレート４０１ａ〜４
０１ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃ）の周期数は、近接
したプレーナ型導波路と光共振システム４００との間の
十分な結合を実現するように選択される。光共振システ
ムのリフレクタの周期数は、さらに、面外放射が光共振
システム４００にとって主要なエネルギ損失メカニズム
になるようにも選択され得る。 【００２６】プレーナ型導波路からエネルギを抽出する
ために、閉じ込め特性が非対称性である構造を使用する
ことは、単一共振モードから、その共振モードの放射対
称を反映した軸対称放射パターンで、面外信号を放出す
るという利点を有する。 【００２７】次に図６を参照すると、図５の光共振シス
テムの第１の機能を例示した概略図が示される。光共振
システム４００の基本的動作を理解するのに役立つ物理
的プロセスは、光入力信号６００が光学基板６０２のす
ぐ近くの導波路６０１から光共振システムに結合される
メカニズムである。図６及び図７には、導波路モードを
進行波、または定在波とすることが可能な、典型的な構
成が示される。 【００２８】図６は、光入力信号６００が、導波路６０
１を取り囲むエバネッセント場によって、光共振システ
ム４００に結合される実施形態を示す。これらのエバネ
ッセント場は、光共振システム４００の共振空洞のモー
ドを励起し、導波路６０１から光共振システム４００内
に光エネルギを伝達する。次に、光共振システム４００
は、基板表面から光エネルギを放射して、第２の信号を
形成する。 【００２９】図７は、光入力信号６００が、基板７０１
の導波路７００を取り囲むエバネッセント場を介して、
光共振システム４００にエネルギを結合する、定在波を
形成する実施形態を例示する。光共振システム４００
は、システムの共振特性によって、光入力信号６００の
光エネルギを捕捉し、光エネルギを利用して、光出力信
号を生成する。次に、光共振システム４００は、基板表
面を通じて第２の光信号を放出する。これらの構成のそ
れぞれについて、導波路モードは空間的に正規化可能で
あり、それらのエネルギの大部分が、コア外の予測可能
なエバネッセント場によって、導波路６０１及び７００
のコアに閉じ込められたものと想定されている。 【００３０】次に図８を参照すると、光共振システム４
００の受動的性質に適用可能な相反原理により、光共振
システムを用いて、基板表面上方の光源から集積光学デ
バイスの導波路にエネルギを結合することも可能であ
る。この場合、光入力信号８００は、光共振システム４
００に導かれる。次に、光共振システム４００は、光入
力信号からエネルギを捕捉し、光出力信号８０１を発生
して、基板８０３に形成された導波路８０２に送り込
む。この実施形態の光共振システムは、導波路８０２内
に実質的に放射する非対称閉じ込め特性を備えることが
できる。当業者には明らかなように、これは、半径方向
に非対称構造を備えた光共振システム４００を形成する
ことによって実現可能である。 【００３１】次に図９を参照すると、図５の光共振シス
テムを作成するための方法を例示するフローチャートが
示される。第１のステップ９００では、基板が準備され
る。基板が準備された後、次のステップ９０１におい
て、共振空洞が形成される。ステップ９０１は、このプ
ロセスにおいて要約されているが、一般には、当業者に
知られているように、中間フォトリソグラフィステップ
を特徴とする、一連の充填及び埋め戻しステップが含ま
れる。光共振システム４００を製作するために、ユーザ
は、本方法のステップ９０１において導波路を製作し
て、光共振システム４００を作成することも可能であ
る。 【００３２】これらのエッチング及び埋め戻しステップ
は、一般に、層毎のアプローチを利用して、光共振シス
テムを製作するステップを含むことができる。上述した
層毎のアプローチに対する最初のステップとして、製作
者は、二酸化珪素のような第１の材料から形成された光
学基板に少なくとも１つのリングをエッチングすること
ができる。次に、製作者は、珪素のような第２の材料
で、リングを充填し、プレートを堆積させることができ
る。次に、製作者は、プレート上に第１の材料を堆積さ
せ、所望の数の円筒及びプレートが製作されるまで、こ
のプロセスを繰り返すことができる。 【００３３】代案として、製作者は、最初に、基板上に
第２の材料による層を堆積させることができる。次に、
製作者は、第２の材料層をエッチングして、基板に少な
くとも１つのリングを形成することができる。次に、製
作者は、基板の第１の材料からなる層を堆積させて、リ
ング層のギャップを充填することができる。そして、製
作者は、第２の材料のプレート層を堆積させ、プレート
をエッチングし、プレート層のギャップを充填すること
ができる。そして、製作者は、所望の数の円筒及びプレ
ートが形成されるまで、これらのステップをそれぞれ反
復することができる。これらの製作方法は利用可能な製
作方法の単なる例でしかなく、当業者には明らかなよう
に、任意の構造を製作するために、多種多様な方法が存
在する。 【００３４】さらに、当業者には明らかなように、プレ
ート及び円筒の数によって、光共振システムの閉じ込め
強度が決まる。閉じ込め強度によって、共振信号の捕捉
後、光共振システム内に共振信号を閉じ込めた状態に保
持する光共振システム４００の能力が決まる。この閉じ
込め強度は、後述するように、光共振システムに含まれ
るプレートまたは円筒の数に応じて増減できる。従っ
て、プレートまたは円筒の数を調整して、各用途の特定
の設計考慮事項を補償することができる。さらに、当業
者には明らかなように、製作者は、共振空洞から放射さ
れる光パワーを調整するために、完成した光共振システ
ム４００をエッチングすることができる。 【００３５】次に図１０を参照すると、図５の光共振シ
ステムを作成するための代替の方法を例示するフローチ
ャートが示される。最初のステップは、図９に示された
先の実施形態と同じである。しかしながら、第２のステ
ップ１０００は異なる。ステップ１０００では、ユーザ
が非対称構造を備えた光共振システムを形成することが
可能である。完全に対称な構造を形成する代わりに、製
作中に、１つまたは複数の外側プレートまたは円筒の少
なくとも一部が省かれる。こうして、構造の非対称性部
分に向かって優先的に放射する、非対称光共振システム
が形成される。 【００３６】次に図１１を参照すると、図５の光共振シ
ステムの動作を説明する図が示される。第１の構造体１
１００には、複数の平行プレート４０１ａ〜４０１ｆが
含まれる。これらのプレート４０１ａ〜４０１ｆは、ｘ
−ｙ平面内に位置しており、ｘ−ｙ平面に直交するｚ軸
方向に光エネルギを部分的に反射する。従って、第１の
構造体は、１次元（１−Ｄ）リフレクタと呼ぶことがで
きる。第２の構造体１１０１には、複数の同心円筒４０
２ａ〜４０２ｃが含まれる。円筒４０２ａ〜４０２ｃ
は、円筒４０２ａ〜４０２ｃから半径方向に光放射線を
部分的に反射する。従って、第２の構造体は、２次元
（２−Ｄ）リフレクタと呼ぶことができる。 【００３７】第１及び第２の構造体１１００、１１０１
は、互いのコヒーレントな挙動に乱れることなく、協働
することができる。これは、組み合わせ構造のＴＥモー
ドに関する方位電界を説明する波動方程式が下記のよう
に書かれると、最もよく明らかになる。 ▽２Ｅφ（ρ，ｚ）＋ｋ０ ２ε⊥（ρ，ｚ）Ｅφ（ρ，ｚ）＝０ （１） ここで、ｋ０は、指定の周波数に関する自由空間ｋベク
トルであり、ρは、半径方向距離であり（ｘ−ｙ平面に
おける）、ｚは、半径方向軸に直交する軸に沿った距離
であり、Ｅφ（ρ，ｚ）は、極座標における電界であ
り、ε⊥（ρ，ｚ）は、同じであると仮定される、第１
と第２の構造体１１００、１１０１の材料の比誘電率で
ある。比誘電率ε⊥（ρ，ｚ）は、次のように示される ε⊥（ρ，ｚ）＝１＋（ε⊥′−１）（ｆ１（ρ）＋ｆ２（ｚ）−ｆ１（ρ） ｆ２（ｚ）） （２） ここで、 【数１】 ε⊥′は、第１と第２の構造体１１００、１１０１の誘
電率の定数値である。方程式（１）は、組み合わせられ
た第１と第２の構造体の誘電率について記述した方程式
（２）の最後の項を除くと、完全に分離可能であるとい
う点に留意されたい。ｆ１（ρ）ｆ２（ｚ）に比例した
この項は、誘電率値が、プレート４０１ａ〜４０１ｆ及
び円筒４０２ａ〜４０２ｃの交差領域において二重計算
されないように必要とされる。方程式（１）がρとｚの
寸法間において分離可能でない場合、１−Ｄリフレクタ
を構成するプレート４０１ａ〜４０１ｆのセット及び２
−Ｄリフレクタを構成する円筒４０２ａ〜４０２ｃのセ
ットは、独立して作動しない。従って、ただ単に１−Ｄ
及び２−Ｄリフレクタを組み合わせるだけで、３−Ｄ閉
じ込め構造を形成することはできない。 【００３８】適切なモード選択のために、分離可能性を
極めて高レベルの精度にまで回復することが可能であ
る。このモード選択は、光共振システム４００の一貫し
た設計規則に従うと、全てのプレート４０１ａ〜４０１
ｆ及び円筒４０２ａ〜４０２ｃの内部表面において電界
がヌルになる、ＴＥ０共振モードである。電界値が、光
共振システム４００のプレート４０１ａ〜４０１ｆと円
筒４０２ａ〜４０２ｃとの間の分離不能交差領域で「二
重のヌル」（ρ及びｚ寸法から）になると、分離可能性
が回復される。従って、分離不能項を方程式から削除す
ることができる。この近似に関連した数値エラーは、摂
動技術を用いてきわめて小さくなるように示され得る。 【００３９】しかしながら、上記方程式は、図４のよう
に、自由空間における光共振システムについて計算す
る。図５の光共振システム４００の関連共振モードを計
算するために、ＴＥ０共振モードに制限して、マクスウ
ェルの方程式から磁界「ベクトルＢ」に関する方程式を
導き出す。 【数２】 ここで、ｃは、光の自由空間速度であり、ｉは、負の１
（−１）の平方根であり、他の項は、前に定義した通り
である。方程式（４）の右側の非同次項は、異なる誘電
率領域間の界面において電磁界に適した境界条件を確保
するために存在する。均質領域間の各界面にわたって境
界条件が整合される限り、この非同次項は無視される。
ＴＥ０モードの場合、減衰はＢｚに関する方程式 ▽２Ｂｚ（ρ，ｚ）＋ｋ０ ２ε⊥（ρ，ｚ）Ｂｚ（ρ，ｚ）＝０ （５） に制限され、他の電磁界は、マクスウェルの方程式を用
いて、この磁界から求められる。前述のように、方程式
（２）によって与えられるε⊥に関する式の分離不能項
を無視すると、方程式（５）は、完全に分離可能にな
り、Ｂｚは次のように書き直すことができる。 Ｂｚ（ρ，ｚ）→Ｒ（ρ）Ｚ（ｚ） （６） この偏微分方程式は、２つの常微分方程式として書くこ
とができる。 （１／ρ・ｄ／ｄρ（ρ・ｄ／ｄρ）＋ｋ０ ２（ε１＋（ε２−ε１）ｆ１（ ρ））−Λ）Ｒ（ρ）＝０ （７） （ｄ２／ｄｚ２＋ｋ０ ２（ε２−ε１）ｆ２（ｚ）＋Λ）Ｚ（ｚ）＝０（８） ここで、ε２（ε１）は、構造４００の高（低）誘電率
であり、Λは、分離定数である。分離定数は、単一偏微
分方程式が分離可能であるために、両方の常微分方程式
に含まれていなければならない定数に関する数学項であ
る。各均質領域の解は、下記の形になる Ｒ（ρ）＝ＣＪ０（γρρ）＋ＤＹ０（γρρ） （９） Ｚ（ｚ）＝Ａｃｏｓ（γｚｚ）＋Ｂｓｉｎ（γｚｚ） （１０） γρ及びγｚは、それぞれ、中央空洞内におけるρ及び
ｚ方向の伝搬ベクトルとして一般に説明されるが、この
場合 γρ＝（ｋ０ ２（ε１＋（ε２−ε１）ｆ１（ρ））−Λ）１／２ （１１） γｚ＝（ｋ０ ２（ε２−ε１）ｆ２（ｚ）＋Λ）１／２ （１２） ＴＥ０モードの場合、マクスウェルの回転方程式によっ
て与えられる非ゼロ電磁界は、次の通りである Ｂｚ（ρ，ｚ）＝Ｒ（ρ）Ｚ（ｚ） （１３） Ｅφ（ρ，ｚ）＝−ｉｃｋ０／γｐ ２・Ｒ′（ρ）Ｚ（ｚ） （１４） Ｂρ（ρ，ｘ）＝１／γρ ２・Ｒ′（ρ）Ｚ′（ｚ） （１５） ここで、プライム記号は、適合する引数に関する微分を
表わしている。 【００４０】与えられた構造及び周波数に関する完全な
解を求めるために、光共振システム４００の各均質領域
に関する定数Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤが求められ、分離定数
Λが計算される。これは、各界面における境界条件を整
合させ、境界のない半径方向領域の漸近条件を利用する
ことにより実施される。関数Ｚ（ｚ）について明確に解
くため、図１３に示す光共振システムの高屈折率／低屈
折率プレート領域の各界面毎に、Ｅφ、Ｂｚ、及びＢρ
の連続性が課せられ、各分離領域の係数を連結する２×
２行列方程式が得られる 【数３】 最低共振（空間的に均一な）解に制限し、電界が光共振
システムの上面においてゼロであるという事実を課す
と、分離関数Λに関する超越方程式が導き出される 【数４】 ここで、Ｈは光共振システム４００の高さである。分離
定数Λは、方程式（１２）及び（１７）から数値的に求
められ、引き続き、係数Ａｉ及びＢｉの全てが、行列の
連結によって求められる。 【００４１】電磁界の連続性が、図１４に示す各誘電体
領域界面において強制され、各領域の係数が、２×２行
列の連結によって他の領域の係数と連結されるので、関
数Ｒ（ρ）の明白な解が同様に計算される。これらの領
域について解くために、いくつかの物理的境界条件を課
さなければならない。課せられる物理的境界条件は、構
造体に入射する入射円筒形進行波、及び構造体から出て
行く出射円筒形進行波が存在するということである。エ
ネルギ保存の法則によって、入射波と出射波は等しい大
きさであることが要求されるけれども、移相δによって
異なる場合があるので、 ［Ｃ２Ｎ＋１Ｊ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）＋Ｄ２Ｎ＋１Ｙ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）］ （１８） が、 １／２［（Ｊ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）＋ｉＹ０（γρ ２Ｎ＋１ρ））＋ｅｉδ（ Ｊ０（γρ ２Ｎ＋１ρ）−ｉＹ０（γρ ２Ｎ＋１ρ））］ （１９） に置き換えられる。この移相を求める方程式は、電磁界
が原点ρ＝０において有限のままであることが要求され
る結果である。中央空洞５００の電磁界は、下記のよう
に界面において整合する電磁界から求められる２×２伝
達行列を利用して、外部領域の電磁界と連結され得る。 【数５】電磁界が原点において有限であるためには、Ｙ関数がゼ
ロ引数に関して特異なので、Ｄ１がゼロである。従っ
て、移相に関する方程式は、下記のようになる δ＝−２ａｒｃｔａｎ（Ｍ２１／Ｍ２２） （２１） 行列連結によって、完全な解及び全ての係数が計算され
る。 【００４２】要約すると、上述の技術を用いることによ
って、光共振システム４００から放射される入射円筒形
波に関する完全な解が求められる。本発明が動作するよ
うに設計された動作周波数が指定され、次に、分離定数
及びγｚが求められ、γρが与えられる。これから、移
相δが求められ、全領域における全ての展開係数が指定
され得る。 【００４３】次に、図１５を参照すると、光共振システ
ム４００の共振モードが、ある周波数範囲の散乱解を計
算し、 Ｑ＝ω・蓄積エネルギ／入射パワー （２２） によって定義される、各周波数に関するモードのＱを計
算することによって求められるが、ここで、ωは放射線
の角振動数であり、蓄積エネルギ及び入射パワーは、通
常の態様で計算された電磁界の分布から計算される。Ｑ
対ωのグラフによって、エネルギが構造内に優先的に蓄
積されたいくつかの広いピーク、すなわち、弱い共振
と、全てのプレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒４０２
ａ〜４０２ｃが、一貫して効率的に光放射線を閉じ込め
る働きをする、ＴＥ０モードに相当する極めてＱの高い
単一ピークが示される。図１５には、４つの円筒領域、
４つのプレート対領域を含む典型的な光共振システムの
図が示されており、光共振システム及びバックグラウン
ド領域の誘電率は、それぞれ、１１．５６及び２．２５
である。本明細書で説明される設計規則を用いて生成さ
れた光共振システムの効率を示している、ＴＥ０モード
の極めての高いＱに留意されたい。 【００４４】導波路構造６０１（図６）と光共振システ
ム４００の結合を決定するために用いられる分析技術
は、一種の結合モード理論である。第１のステップは、
マクスウェルの方程式から導き出される電磁界に関する
動的方程式を書き留めることである 【数６】 ここで、電磁界の上の「ドット」は、時間導関数であ
り、ε０は、自由空間誘電率であり、εｒは、測定され
る媒体の比誘電率である。前述のように、上記波動方程
式の非同次項は、誘電率の異なる領域間における適正な
境界条件を確保することだけを目的とした項である。 【００４５】分離された光共振システム４００の非摂動
電磁界が分っており、電界が「ベクトルＥＤ」によって
指定されるものと仮定する。同様に、分離された導波路
６０１の非摂動電磁界も分っており、電界が「ベクトル
ＥＷ」によって指定されるものと仮定する。分離された
導波路６０１の比誘電率は、以下の式によって与えられ
る。 【数７】 同様に、分離された光共振システム４００の比誘電率
は、以下の式により与えられる。 【数８】従って、これらの電磁界は、下記を満足する。 【数９】 分離された光共振システム４００と分離された導波路６
０１の両方を含む複合システムに対する近似結合モード
解が、非摂動電磁界に関して次のように定義される。 【数１０】 ここで、Ａ（ｔ）及びＢ（ｔ）は、エネルギが時間の関
数として２つの構造間でいかに共有されるかを指定する
時間依存係数である。非摂動電磁界方程式を利用して、
動的方程式（２３）に方程式（２７）の解を代入する
と、摂動処理において 【数１１】 及び非同次項が無視されるべき近似によって、次のよう
になる。 【数１２】 時間依存展開係数に関するスカラ微分方程式を得るため
に、方程式（２８）に、非摂動電磁界の１つを掛け、全
空間に関して積分することが可能である。しかしなが
ら、このプロセスを単純化するために、表記法 【数１３】 を最初に導入して、重なり積分の大きさの階層を次のよ
うに列挙することができる。 【数１４】 ここで、ηは、エバネッセント場と摂動構造との間の重
なりの大きさの特性を明らかにする小パラメータであ
る。この表記法を用いて、ηにおける最下位項だけを保
持すると、方程式（２８）と「ベクトルＥＷ」の掛け
算、及び全空間に関する積分によって、下記のようにな
る。 【数１５】 ここで、 【数１６】同様に、方程式（２８）と「ベクトルＥＤ」の掛け算及
び全空間に関する積分によって、下記のようになる。 【数１７】 ここで、 【数１８】 方程式（３３）及び（３５）に対する解は、次の形にな
る。Ａ（ｔ）〜ｅ±ｉΓｔ 及び Ｂ（ｔ）〜ｅ
±ｉΓｔ （３７）ここで、 【数１９】 「結合率」Γは、前述のように、光共振システム４００
及び導波路６０１の非摂動電磁界に関する式から簡単に
計算可能である。明らかに、導波路と光共振システムと
の間におけるエネルギの伝達率は、導波路６０１と光共
振システム４００が近づくほど、及びエバネッセント場
の重なりが大きくなるほど増大する。 【００４６】方程式（３３）及び（３５）は、可能性の
ある２つの追加物理プロセスを含むように一般化され得
る。すなわち、方程式（３５）には、下記のように、光
共振システム４００から放射されるエネルギの効果を含
めることができる。 【数２０】 ここで、γＤ＝ω／（２Ｑ）であり、Ｑは、放射のＱで
ある。さらに、方程式（３３）は、下記のように一般化
され、導波路モードに作用する利得項の効果を含めるこ
とができる。 【数２１】 ここで、γｗは、一般に、活性利得媒体に関連した指数
関数的利得係数である。これらの方程式の解は、前述の
ように、一般的結果 【数２２】 によって完成するが、ここで、 【数２３】 この結果の有用性が最もよく理解されるように、実際の
例について分析する。この例では、導波路６０１に一定
量のエネルギが存在し、光共振システム４００によって
光エネルギとして漏洩するものと仮定する。さらに、導
波路の利得がなく（γｗ＝０）、導波路６０１からのエ
ネルギ損失の唯一の手段が、光共振システム４００との
結合によるものと仮定する。この場合、方程式（４２）
に与えられる結合定数項は、次のようになる 【数２４】 導波路６０１及び光共振システム４００の係数に関する
境界条件は、それぞれ、Ａ（ｔ＝０）＝１及びＢ（ｔ＝
０）＝０の形になる。簡単な代数計算によって、特定解
が得られる。 【数２５】 これらの解の物理的内容は、それらを２つの異なる物理
的限界で調べることによって最も明瞭に例証される。導
波路と高いＱが組み込まれたＤＢＲ共振器との間におけ
る結合が極めて強い第１の限界において、Γ＞＞γＤの
場合、Ａ（ｔ）〜Ｂ（ｔ）〜ｅ−γＤｔ／２
（４６）になり、全ての電磁界が、予想
どおり、光共振システム４００の放射のＱによって制御
されるレートで減衰する。導波路６０１と光共振システ
ム４００との間における結合が極めて弱い第２の限界に
おいて、γＤ＞＞Γの場合、 【数２６】 になり、全ての電磁界が、結合強度によって制御された
レートで減衰する。 【００４７】これらの単純な式の場合、任意の組をなす
非摂動電磁界に関して、光共振システム４００と光導波
路６０１との間における全ての結合態様を計算すること
ができる。典型的な設計要件の場合、これで十分のはず
である。 【００４８】光共振システム４００の構造は、基板表面
から光エネルギを抽出することが望ましい任意の用途に
使用可能である。光エネルギは、エバネッセント場によ
って、事実上あらゆる集積光学デバイスから光共振シス
テム４００に結合可能であり、最終的には、光エネルギ
の形で基板表面から送り出される。これらの集積光学デ
バイスの構造は、導波路から共振構造までの範囲にわた
る可能性があり、光共振システムとの結合は、上述した
ような計算できる態様で正確に制御することができる。
基板表面から放射される光エネルギは、自由空間伝送に
よって、他の光学デバイスまたは検出器に送ることもで
きるし、あるいは光ファイバによって効率的に集めるこ
ともできる。出力ビームが円形対称性を有し、そのビー
ム直径がほぼ出力波長と同じであるので、放射される光
エネルギは、光ファイバに結合するのに理想的に適して
いる。さらに、単一集積光学デバイス上に、複数の光共
振システム４００を製作することもできる。これらの光
共振システム４００の特有の波長特性のため、カプラの
全てを同じ波長または一連の波長で動作させることが可
能である。これらの応用例の全てにおいて、光共振シス
テム４００の製作に必要とされる製作ステップは、典型
的な集積光学デバイスの標準的な成長工程に適合する。
２材料構造は、関連集積光学デバイスの製作中における
選択的エッチング及び埋め戻しのプロセスによって成長
され得る。 【００４９】次に、本発明の設計規則について述べるこ
とにする。光共振システム４００の実際の設計規則は、
必要とされるほんの限られた入力として、所望の共振周
波数ω、及び光共振空洞５００のｚ高さＬの指定から始
まる（２つの誘電率ε１及びε２が、検討される材料系
の制約条件として与えられるものと仮定すると）。所望
の周波数は、通常、用途の要件によって設定されるが、
光共振空洞５００の高さは、光共振空洞５００の寸法に
とって所望の縦横比が与えられるように調整可能であ
る。所望の縦横比の達成には、一般に、光共振空洞５０
０の半径に対して光共振空洞５００の高さを短縮するこ
とが含まれる。この短縮によって、光共振空洞５００か
ら光共振システムのｚ軸に沿って漏洩する放射線が増大
することになる。 【００５０】定義すべき第１の中間パラメータは、ε１
及びε２によって指定される異なる誘電体領域に関する
共振モードのｋベクトル成分ｋｚｉ及びｋρｉである。
光共振空洞５００のｚ高さがＬである場合、共振条件
は、あるモードが、ｚ軸に沿った往復に関して２πの整
数倍の移相を被る、すなわち、２Ｌｋｚ１＝２ｎπとい
うことであり、ここで、ｎは、光共振システムのモード
の次数である。最低次モードの場合、次の通りである ｋｚ１＝π／Ｌ （４８） 他のｋベクトル成分は、波動方程式εｋ０ ２＝ｋｚｉ ２
＋ｋρｉ ２からの定義関係を利用して、次のように求め
られる、 ｋρ１＝（ε１ｋ０ ２−（π／Ｌ）２）１／２ （４９） ｋｚ２＝（（ε２−ε１）ｋ０ ２−（π／Ｌ）２）１／２ （５０） ｋρ２＝（ε２ｋ０ ２−（π／Ｌ）２）１／２ （５１） 第１の設計規則は、プレート４０１ａ〜４０１ｆ及び円
筒領域４０２ａ〜４０２ｃ（図５）の厚さが、所望の入
力信号の四分の一波長に等しいということである。これ
によって、プレート領域及び円筒領域の反射率が最大に
なり、ひいては必要とされるセクション数が最小限に抑
えられる。四分の一波長の厚さによって、反射波の移相
がゼロになることが、さらなる設計の利点である。従っ
て、各プレート領域４０１ａ〜４０１ｆの厚さは、 Ｔｚ＝（π／２）／ｋｚ２ （５２） によって与えられ、円筒領域４０２ａ〜４０２ｃの厚さ
は、 Ｔρ＝（π／２）／ｋρ２ （５３） によって与えられる。 【００５１】次のステップは、内側円筒領域４０２ａに
よって決まる光共振空洞５００の半径を求めることであ
る。これは、ρ＝０の原点と光共振空洞５００を画定す
る内側円筒領域の第１の界面との間の往復について、共
振モードが２πの整数倍の移相を受けることを要求す
る、上述の共振条件を再適用することにより計算され
る。光共振空洞５００における波動方程式の半径方向に
伝搬する電界の解は、Ｈ１ （１）（ｘ）＝Ｊ１（ｘ）＋
ｉＹ１（ｘ）によって定義される第１種のハンケル関数
である。共振条件は、ｘ１１で表わされるベッセル関数
Ｊ１の第１のゼロに対応する位相距離について満足され
る。この条件から、光共振空洞５００を画定する第１の
円筒領域４０２ａの内側半径が次のように求められる。 ρ１＝ｘ１１／ｋρ１ （５４） 【００５２】光共振空洞５００を画定するプレート領域
及び円筒領域の位置及び厚さが決定されると、引数を拡
張して、組み込みＤＢＲ共振構造４００を構成する追加
のプレート領域４０１ａ〜４０１ｆ及び円筒領域４０２
ａ〜４０２ｃの位置を計算するのは簡単である。留意す
べきは、中央空洞５００を画定する反射表面は、誘電率
ε１の材料で均一に充填された単純な空洞の電界がヌル
になるところに配置されたという点である。 【００５３】追加のプレート領域位置は、光共振空洞５
００の調和解をｚ軸に沿って拡張して、各追加プレート
領域リフレクタの内側表面を順次電界ヌル位置に配置す
ることによって決定される。調和解の移相は、現在位置
の内側のプレート領域にわたる追加の位相の低下に関し
て補正される。この補正は、各プレートによって、次の
電界ヌルが生じると予測される位置にわずかな移動が生
じるために実施される。従って、第２のプレート対４０
１ｂ及び４０１ｅを配置する場合には、第１のプレート
対４０１ｃ及び４０１ｄによる第２の電界ヌル位置のわ
ずかな変位を考慮しなければならない。さらに、第３の
プレート対４０１ａ及び４０１ｆを配置する場合には、
それぞれ、第１及び第２のプレート対４０１ｃ及び４０
１ｄ、並びに４０１ｂ及び４０１ｅによる第３の電界ヌ
ル位置のわずかな変位を考慮しなければならない。 【００５４】同様に、光共振空洞５００の半径方向のベ
ッセル関数解を拡張して、各追加の円筒領域リフレクタ
の内側表面を電界ヌル位置に配置し、再び現在位置の内
側の円筒領域によって生じるさらなる移相を補正するこ
とによって、追加の円筒領域位置が決定される。 【００５５】この設計アルゴリズムは、前述のコヒーレ
ント反射要件を維持し、単純かつ物理的に動機付けされ
ている。これらの規則の精度は、上述の詳細な計算によ
って検証された。 【００５６】とりわけ、ある実施形態における前述の設
計規則に従って形成された光共振システムの例は、３つ
の円筒及び６つのプレートを含むことが可能であり、プ
レート及び円筒は、珪素（ｋ＝１１．５６）から作成さ
れるが、光基板は、二酸化珪素（ｋ＝２．２５）から作
成される。１．５５μｍの波長を有する光信号を捕捉す
るために、第１の円筒４０２ａの内側半径は１．１４０
μｍになり、外側半径は１．２６５μｍになる。第２の
円筒４０２ｂの内側半径は１．７３７μｍになり、外側
半径は１．８６０μｍになる。最後に、第３の円筒の内
側半径は２．３２９μｍになり、外側半径は２．４５２
μｍになる。プレートのそれぞれは、中央空洞と接する
プレートを除いて、０．１１７５μｍの厚みを有し、各
プレート間の間隔が０．３１０μｍになる。中央空洞と
接するプレート４０１ｃ、４０１ｄは、それらの間にお
いて０．６２０μｍの間隔を有する。従って、とりわ
け、ある実施形態では、光共振空洞は、１．５５μｍの
波長を有する光信号を捕捉するために、０．６２０μｍ
の高さと、１．１４０μｍの半径を有することができ
る。 【００５７】次に、図１０及び図１１に関連して説明さ
れる、図１５を参照すると、非対称光共振空洞が示され
る。光共振システム４００が、基板表面１５００から優
先的に光を放射できるようにするために、光共振システ
ムは、プレート４０１ａ〜４０１ｅが偶数でない光共振
システムを形成することによって、非対称に形成され
る。こうして、非対称光共振システム１５０１に関する
主放射メカニズムは、もはや、基板５０１への半径方向
にはなく、図１５の放射線１５０２によって示されるよ
うに面外にある。 【００５８】非対称光共振システム１５０１の光放射線
の計算は、いくつかの理由から困難である。上面の閉じ
込め境界条件が取り除かれることによって、放射共振モ
ードに関する分析解が除外される。また、放射共振モー
ドが正規化不能であり、適切なモード整合手順が実行不
可能になる。結果として、図１５の構造の放射特性を近
似計算する最適手段に混乱が生じることになる。 【００５９】光の放射を計算するために、非対称光共振
システム１５０１の上面における共振モードの電磁界
は、光共振システムが対称性であった場合に存在するも
のと同じであると仮定する。共振器のＱが、光の放射の
影響を考慮しても、依然として比較的高いままである場
合、これは、おそらく妥当な近似である。有限平面であ
ると想定されるものについて、これらの共振モード電磁
界を仮定すると（印加される電磁界は、非対称光共振シ
ステムのアパーチャから離れると、ゼロになると仮定す
る）、グリーンの第二恒等式を適用して、基板表面１５
００上の半空間の任意の点における電磁界を見つけるこ
とができる。基板表面１５００から遠い電磁界に関する
式は、次の形をとる。 【数２７】 方程式（５５）及び（５６）の積分を完了するのに必要
な表面Ｓにおける共振器の電磁界は、これまでの計算か
ら既知である。非対称光共振システムのモード解は、方
程式（９、１０、及び１３−１５）に示されるベッセル
関数及び三角関数の積として与えられる。この単純な解
の形によって、方程式（２３）及び（２４）の積分を分
析的に行い、放射電磁界に関する閉じた形の式を得るこ
とが可能になる。 【００６０】典型的な例として、それぞれ、光共振シス
テム１５０１及びバックグラウンド領域５０１に関する
誘電率が１１．５６及び２．２５である、１０個の円筒
領域及び３つのプレート対領域を含む構造が、設計規則
を利用して指定される。面外放射を高めるための非対称
構造がない、完全な光共振システム４００の場合、材料
の損失を考慮しなければ、共振器の算定Ｑは、１．０×
１０８になる。この算定Ｑは、基板５０１への半径方向
における放射損失によるものでしかない。測定Ｑは、も
ちろん、材料損失のためにはるかに低くなる。光共振シ
ステム４００が、誘電率の高い上部プレート領域をなく
して、非対称に構築される場合、基板からの放射は、２
×１０６のＱを発生するものと計算される。換言すれ
ば、非対称光共振システム１５０１の共振モードの場
合、非対称光共振システム１５０１の上面から漏れるエ
ネルギが、基板５０１内に漏出するエネルギの約５０倍
になる可能性がある。光共振システム１５０１が、２つ
の誘電率の高い上部プレート領域をなくして、非対称に
構築される場合、基板からの放射は、５．７×１０４の
Ｑを発生するものと計算される。この構成の場合、非対
称光共振システム１５０１は、基板からの放射が極めて
強く、基板から放射されるエネルギが、基板内に入るエ
ネルギの約２０００倍になることが分る。この例から明
らかなように、基板からの放射電磁界に対する非対称光
共振システムの共振モードの結合は、極めて広い範囲に
わたって調整可能である。 【００６１】要するに、効率的な面外カプラは、集積光
学デバイスに形成可能な共振空洞を備えた、光共振シス
テムを用いて実現された。この光共振システムは、導波
路のような集積光学デバイスの近接したコンポーネント
からの光エネルギを伝達し、計算できる結合効率でそれ
を光共振システムから送ることができる。さらに、光共
振システムの出力は、軸方向に対称性で、ビーム直径が
ほぼ放射波長と同じになるという利点を有する。 【００６２】強調しておくべきことは、本発明の上述の
実施形態は、本発明の原理を明確に理解するために示さ
れた、単なる可能性のある実施例でしかないという点で
ある。本発明の原理から実質的に逸脱することなく、本
発明の上述の実施形態に対してさまざまな変更及び修正
を加えることが可能である。こうした修正及び変更は、
全て、本開示及び本発明の範囲内に含まれ、特許請求の
範囲によって保護されることが意図されている。 【００６３】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。 １．光信号（100）を再配向するための光共振システム
（101）であって、実質的に平面内に存在し、その平面
に対して実質的に直交する第１の方向に光放射線を反射
する第１の構造体（1100）と、前記第１の構造体（110
0）と重なり合い、光学的に通じており、前記平面に実
質的に平行な方向に光放射線を反射する第２の構造体
（1101）とからなり、前記第１及び第２の構造体（110
0、1101）が、前記第１及び第２の構造体（1100、110
1）の共振特性によって、共振空洞（500）で共振信号
（102）を励起することにより、前記平面に実質的に平
行に伝搬する第１の光信号（100）の少なくとも一部を
捕捉するよう動作し、さらに前記平面に対して実質的に
直交する第２の方向に前記共振信号（102）を放出する
よう動作する、光共振システム。 ２．前記第１と第２の構造体（1100、1101）によって画
定される光共振空洞（500）をさらに含み、前記光共振
空洞（500）が、前記第１及び第２の構造体（1100、110
1）によって捕捉され、再配向され得る前記第１の光信
号（100）の少なくとも１つの波長を規定する、上記１
に記載の光共振システム。 ３．前記第１及び第２の構造体（1100、1101）の両方の
誘電率より低い誘電率を有する材料から形成された基板
（501）をさらに含む、上記１に記載の光共振システ
ム。 ４．前記基板（501）における波（600）を前記光共振空
洞（500）に伝搬するための手段をさらに含む、上記３
に記載の光共振システム。 ５．前記基板（501）内に形成された導波路（600）をさ
らに含み、前記導波路（600）が、前記光共振空洞（50
0）に対して近接して配置されており、前記導波路（60
0）からの光信号エネルギが、前記導波路（600）から放
射するエバネッセント場によって、前記光共振空洞（50
0）に伝達されて、前記光共振空洞（500）内に複数のモ
ードを励起するようになっている、上記３に記載の光共
振システム。 ６．光信号を再配向するための光共振システム（101）
であって、方向成分を示す第１の光信号（100）を受信
するように動作する光共振空洞（500）を含み、前記光
共振空洞（500）が、前記第１の光信号（100）に応答し
て共振し、共振信号（102）を励起して放出し、前記共
振信号（102）が、前記第１の光信号（100）の方向成分
とは異なる方向成分を示す、光共振システム。 ７．前記光共振空洞（500）が、前記第１の光信号（10
0）の共振モードを支援し、前記光共振空洞（500）が、
複数のモード電界ヌルまで延びて、前記第１の光信号
（100）の光エネルギを捕捉する、上記６に記載の光共
振システム。 ８．光放射線を再配向するための方法であって、方向成
分を有し、少なくとも１つの波長を含む第１の光信号
（100）を受信するステップと、前記少なくとも１つの
波長の前記第１の光信号でもって共振信号（102）を励
起するステップと、及び前記第１の光信号（100）の方
向成分とは異なる方向成分を有する前記共振信号（10
2）を放出するステップとからなる、方法。 ９．前記受信するステップが、前記第１の光信号（10
0）を伝搬する近接して配置された導波路（600）から放
射されるエバネッセント場でもって、光共振空洞（50
0）の複数のモードを励起するステップを含む、上記８
に記載の方法。 １０．光ファイバ導波路を設けるステップと、前記光フ
ァイバ導波路を前記放出される共振信号（102）に結合
するステップと、及び前記光ファイバ導波路を利用し
て、前記放出される共振信号（102）を伝送するステッ
プをさらに含む、上記８に記載の方法。 【００６４】 【発明の効果】本発明によれば、効率的な面外カプラ
が、集積光学デバイスに形成可能な共振空洞を備える、
光共振システムを用いて実現される。この光共振システ
ムは、導波路のような集積光学デバイスの近接したコン
ポーネントからの光エネルギを伝達し、計算できる結合
効率でそれを光共振システムから送ることができる。さ
らに、光共振システムの出力は、軸方向に対称性で、ビ
ーム直径がほぼ放射波長と同じになるという利点を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光共振システムの実施形態を例示した
ブロック図である。 【図２】本発明の光共振システムの代替の実施形態を例
示したブロック図である。 【図３】図２の光共振システムを利用するための方法を
示すフローチャートである。 【図４】本発明の光共振システムの実施形態の概略図で
ある。 【図５】光学基板に形成された共振空洞を示した、図２
の光共振システムの断面図である。 【図６】図５の光共振システムの第１の機能を例示した
概略図である。 【図７】図５の光共振システムの代替の機能を例示した
概略図である。 【図８】図５の光共振システムの代替の機能を例示した
概略図である。 【図９】図５の光共振システムを作成するための方法を
示したフローチャートである。 【図１０】図５の光共振システムを作成するための代替
の方法を例示したフローチャートである。 【図１１】図５の光共振システムの動作を示す図であ
る。 【図１２】図５に示す光共振システムのｚ次元（直交）
依存性について解くために使用された構造及び波形を例
示したブロック図である。 【図１３】図５に示す光共振システムのρ次元（半径方
向）依存性について解くために使用された構造及び波形
を例示したブロック図である。 【図１４】図５の光共振システムによって生じる光信号
のＱ対光波の正規化周波数を例示したグラフである。 【図１５】光共振システムの上部プレートをなくした、
図５の光共振システムの断面図である。 【符号の説明】 100 第１の光信号 101 光共振システム 102 共振信号 500 光共振空洞 501 基板 600 導波路 1100 第１の構造体 1101 第２の構造体
ブロック図である。 【図２】本発明の光共振システムの代替の実施形態を例
示したブロック図である。 【図３】図２の光共振システムを利用するための方法を
示すフローチャートである。 【図４】本発明の光共振システムの実施形態の概略図で
ある。 【図５】光学基板に形成された共振空洞を示した、図２
の光共振システムの断面図である。 【図６】図５の光共振システムの第１の機能を例示した
概略図である。 【図７】図５の光共振システムの代替の機能を例示した
概略図である。 【図８】図５の光共振システムの代替の機能を例示した
概略図である。 【図９】図５の光共振システムを作成するための方法を
示したフローチャートである。 【図１０】図５の光共振システムを作成するための代替
の方法を例示したフローチャートである。 【図１１】図５の光共振システムの動作を示す図であ
る。 【図１２】図５に示す光共振システムのｚ次元（直交）
依存性について解くために使用された構造及び波形を例
示したブロック図である。 【図１３】図５に示す光共振システムのρ次元（半径方
向）依存性について解くために使用された構造及び波形
を例示したブロック図である。 【図１４】図５の光共振システムによって生じる光信号
のＱ対光波の正規化周波数を例示したグラフである。 【図１５】光共振システムの上部プレートをなくした、
図５の光共振システムの断面図である。 【符号の説明】 100 第１の光信号 101 光共振システム 102 共振信号 500 光共振空洞 501 基板 600 導波路 1100 第１の構造体 1101 第２の構造体
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 カート・エイ・フローリー
アメリカ合衆国カリフォルニア州94024,
ロスアルトス，レイモンド・アベニュー・
774
Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA00 MA00 MA05 PA24
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】光信号（100）を再配向するための光共振
システム（101）であって、 実質的に平面内に存在し、その平面に対して実質的に直
交する第１の方向に光放射線を反射する第１の構造体
（1100）と、 前記第１の構造体（1100）と重なり合い、光学的に通じ
ており、前記平面に実質的に平行な方向に光放射線を反
射する第２の構造体（1101）とからなり、 前記第１及び第２の構造体（1100、1101）が、前記第１
及び第２の構造体（1100、1101）の共振特性によって、
共振空洞（500）で共振信号（102）を励起することによ
り、前記平面に実質的に平行に伝搬する第１の光信号
（100）の少なくとも一部を捕捉するよう動作し、さら
に前記平面に対して実質的に直交する第２の方向に前記
共振信号（102）を放出するよう動作する、光共振シス
テム。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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-
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