JP2005531036A - 指向性及び波長選択的な光結合のための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性及び波長選択光結合のための装置
【解決手段】本発明は、フォトニック結晶（１２）内に形成され、導波管（１４）の基本モードで供給される信号（３０）から特定の周波数を抽出するため、及び各導波管の基本モードと高次モードの間の結合によって、他の導波管（１６）の出力（３４）で前記周波数を回復するために結合ゾーン（１８）により分離される２つの平行導波管（１４、１６）を備える指向性及び波長選択光結合のための装置に関する。

Description

本発明は指向性及び波長選択的な光結合のための装置に関し、この結合は実質的に平行である２つの隣接する導波管間で実現される。

フォトニック結晶内に、即ち、誘電体物質の平衡な柱体または誘電体基板内の平行な円筒形の孔柱体などの、周期的に分布された複数の要素により構成された二次元構成部品内に、導波管が形成され得ることが知られている。これら導波管は、孔または柱体の１つまたは複数の横列柱体を省略することにより、フォトニック結晶内で形成されている。

２００１年３月２日の物理学レビュー（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ）Ｂ、第６３巻、１１３３１１に発表されたＳ．Ｏｌｉｖｉｅｒ、Ｍ．Ｒａｔｔｉｅｒ、Ｈ．Ｂｅｎｉｓｔｙ、Ｃ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈらによる「一次元システムの小型ストップバンド：二次元フォトニック結晶内のチャネル導波管（Ｍｉｎｉ−ｓｔｏｐｂａｎｄｓ ｏｆ ａ ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｉｎ ａ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）」と題される文献は、フォトニック結晶導波管の伝送スペクトルが、導波管の基本モードと高次モードとの間の結合により、「小型ストップバンド」（ＭＳＢ）と呼ばれる、伝送されない波長の狭帯域を有していることを明らかにしている。

２００１年３月１２日の応用物理学レター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第７８巻、第１１号に発表されたＣ．Ｊ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｒ．Ｍ．ｄｅ ｌａ Ｒｕｅらによる文献「二次元フォトニック結晶内の結合された導波管及びキャビティ（Ｃｏｕｐｌｅｄ ｇｕｉｄｅ ａｎｄ ｃａｖｉｔｙ ｉｎ ａ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）」もまた、導波管及びこの導波管に隣接したキャビティを備えているフォトニック結晶において、キャビティのモードを導波管の高次モードに結合することにより、比較的多数のフォトニック結晶の横列を通して高い効率でエネルギーを結合することが可能であり、前記モードが基本モードに結合することを示している。

本発明の目的は、フォトニック結晶内で形成された２つの導波管間で周波数選択的にエネルギーを移行するために上記２つの従来の文献に説明されている研究の結果を使用することである。

この目的のため、本発明は、周期的に分布された複数の要素により構成されたフォトニック結晶構造の平面構成部品を具備し、この構成部品は、結合ゾーンにより分けられた２つの平行な導波管を有し、前記結合ゾーンは、前記周期的に分布された要素の平行で隣接する横列により形成され、そして、前記導波管は、前記周期的に分布された要素を欠く平行で隣接した横列により形成されるか、実質的変更された寸法、位置または屈折率を有するような要素により形成され、そして、前記両導波管の長手方向端縁は、所定の周波数に対して、第１に、一方の導波管の誘導モードと前記導波管の高次モードの間に局所的な結合を果すように機能し、第２に、前記高次モードと他方の導波管と前記結合ゾーンを介する結合と、前記他方の導波管の高次モードと前記他方の導波管の誘導モードの間の結合とを果すように機能するし、周期的な構造を有し、この結果、前記周波数は、前記第１の導波管内の誘導信号から抽出され、前記他方の導波管の中に供給されることが可能であり、また、前記周波数は、前記一方の導波管中を伝送されない周波数であることを特徴とする、２つの導波管間の指向性及び波長選択的な光結合のための装置を提供する。 当業者に既知であるように、前述されたフォトニック結晶は、垂直構造のない二次元システム、あるいは光が垂直に制限される薄い吊るされた膜のシステム、あるいは前に引用した従来の文献に説明された種類のシステム、即ち、フォトニック結晶は、ＴＥ光偏光及びＴＭ光偏光の一方または他方、あるいはこれらの両方でのモノモードプレーナ型誘電体導波管を通してエッチングされるシステムである。

本発明の装置において、誘導モードは、フォトニック結晶の誘電体基板内のこれらの対応物と実質的に同じ大きさである群速度と伝播定数とで長手方向に実質的に伝播する。

２つの導波管間のエネルギーの伝送は、各導波管の高次モードで行われるため、結合ゾーンが完全な伝送を達成するために必要とされる長さを大幅に減少できる。例えば、結合ゾーンは、結合が基本モードで行われる場合には、フォトニック結晶構造の約５００の空間的周期の長さを有するかもしれない。しかし、この長さは、本発明により１０の空間的周期に減少され得る。更に、フォトニック結晶により実現される拘束のために、２つの導波管からリークしない高次モードを、例えば、非常に低い群速度、あるいはフォトニック結晶の誘電体基板内の伝播定数の値と比較して非常に小さい伝播定数を有するモードを使用することができる。フォトニック結晶による拘束がない場合、このようなモードは、基板または空気の連続した放射モードに結合されるであろう。この場合、可能な限り小さい長手方向のデイメンションを有する結合チャネルを形成するために注意を払わなければならない。

各導波管の誘導モードは、好ましくは基本モードであり、また、結合は、各導波管内で基本モードと高次モードとの間で発生する。

本発明の第１の実施形態では、２つの導波管間に延びた結合ゾーンは、２つの導波管の両側にあるフォトニック結晶の構造特性と同じ構造特性を有している。

本発明の変形例においては、導波管間の結合ゾーンは、導波管の両側にあるフォトニック結晶の構造特性とは異なる構造特性を有している。例えば、フォトニック結晶の周期的に分布された要素のサイズ、位置、または屈折率は、フォトニック結晶の結合ゾーンにおいて、及び残りの部分において異なる場合がある。

さらに、結合装置の核導波管は、従来の形式であるか、あるいはフォトニック結晶内に形成される入口導波管と出口導波管とに連結される。考慮のもとでの周波数で基本モードと高次モードとの間に結合がないこれらの入口導波管と出口導波管は、境界が明瞭か、断熱的か、急激な通路により、結合導波管に連結されている。

さらに精密に結合を制御するためには、結合導波管間に中間システムを設けることが一般的に有利である。この中間システムは、前述されたような結晶の周期的な要素のデイメンション、位置または屈折率の局所的な変更、あるいはフォトニック結晶の周期の局所的な変更、即ち、実際は結合ゾーンの広がりまたは狭まり、即ち、キャビティまたは構造上の欠損、あるいは結合ゾーンのキャビティまたは構造的な欠損の集合、即ち、中間導波管等を備えてよい。

本発明の結合装置の結合波長並びに選択性の正確な特性は、フォトニック結晶のパラメータ（周期、要素サイズ、充填率等）と、結合導波管のパラメータ（幅）と、結合ゾーンのパラメータ（結合長、結合強度等）と、垂直に積層した基板または誘電体導波管の性質とにより決定される。誘電体導波管の基本モードの有効率は、無限垂直範囲であるフォトニック結晶孔または柱体が形成される均一な基板の率とよく近似して作用する（１９９７年１１月２４日、物理学レビューレター（Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第７９巻、第２１号に発表されたＤ．Ｌａｂｉｌｌｏｙらによる文献）。

本発明は、一例として添付図面を参照して行われる以下の説明を読むと、さらによく理解され、その他の特性、詳細及び優位点はさらに明確になるであろう。

最初に、２つの平行な導波管間で延びたフォトニック結晶結合ゾーン１８により分けられた２つの平行な導波管１４、１６を有する二次元フォトニック結晶構造１２の平面構成部品１０を備えた本発明の光結合装置の第１の実施形態の概略図である図１を参照する。

当業者にとって既知のように、フォトニック結晶１２は、誘電体物質の平行な柱体柱体１４、または誘電構成部品内の平行な孔の二次元集合であり、この柱体及び孔は、フォトニック結晶の平面である図の面に垂直である。フォトニック結晶構造の周期性は、その伝播伝播が妨げられる電磁波の波長に匹敵され得る。

好のましい実施形態において、構成部品１０は、内部にフォトニック結晶が形成された垂直導波管を備えている。導波管１４、１６の各々は、フォトニック結晶の要素２０の２ないし３の欠けている横列によって、あるいは大幅に変更された寸法、位置、および／または屈折率を有するような要素の２ないし３の横列によって形成されている。これら２つの導波管間の結合ゾーン１８は、前記要素２０の２ないし３の横列によって形成されている。

結果として、各導波管１４、１６の端縁は、同じ周期の周期構造を有し、２つの導波管の幅は、同じでも異なっていてもよい。

構成部品１０の各導波管１４、１６は、それぞれの入口導波管２２、２４と、それぞれの出口導波管２６、２８とに連結され、これらの入口導波管と出口導波管は、一般の屈折率対照（ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ）型か、結合装置の導波管１４、１６、即ち、フォトニック結晶内に作られた導波管と同じ型かである。

これら導波管が、フォトニック結晶内に作られている場合には、入口並び゛に出口導波管２２、２４、２６及び２８を形成しているフォトニック結晶の特性が、考えられる周波数で導波管間で利用される結合が入口導波管と出口導波管で生じないように、結合導波管１４、１６を有するフォトニック結晶１２の特性とわずかに異なる。

この装置において、矢印３０で表されている入射光線が、基本モードで第１の導波管１４に沿って誘導されるとき、光線は、基本モードが導波管１４の高次モードに結合される特定の周波数の場合を除き、前記導波管の一方の端部から他方の端部へと外乱なしに伝播し、出口導波管２６の中へと進む。この高次モードは、矢印３２によって概略的に示されているように結合ゾーン１８を通過し、これが前記他の導波管の高次モードで自然で最適に結合する導波管１６に到達し、ここから矢印３４により示されている方向に伝播伝播する基本モードに再結合し、出口導波管２８の中へと進む。

結合装置の前記第２の導波管１６は、伝送されないＭＳＢの波長で第１の波長１４で第１の導波管１４内に発生する相互モード結合現象のシート（ｓｅａｔ）である。

かくして、図１に示されているような本発明の装置は、ＭＳＢの波長で各導波管の高次モードによりエネルギーが一方の導波管の基本モードから他方に伝送可能であり、大幅に減少されるエネルギーの完全な、伝送のために２つの導波管間で必要とされる結合長を短くすることを可能にする。例えば、この結合長は、高次モードを使用して結合するときに、フォトニック結晶の約１０空間的周期であるのに対し、これは、結合が２つの導波管の基本モード間で発生する場合には、約５０倍長くなる。

更に、フォトニック結晶導波管により、高次モードは２つの導波管内に制限できるようになり、基本モードと比較して、一方の導波管から他方の導波管への優れた結合効率を確実にする。特に、フォトニック結晶導波管内で非常に制限されている、誘電体基板内の対応する値と比較して非常に小さい群速度及び伝播定数を有するモードを使用することが可能であるのに対して、これらのモードの漏れが従来の屈折率−対照（ｉｎｄｅｘ−ｃｏｎｔｒａｓｔ）型の導波管で観察されるであろう。

フォトニック結晶構造の結合構成部品１０と、入口導並びに出口導波管との間の連結は、入口並びに出口導波管内で基本モードと高次モードとの間に結合が生じないように、良く規定されなければならない。

特に、結合の目的のために、入口並びに出口導波管２２、２４、２６及び２８が形成されるフォトニック結晶の空間的周期と充填率とは異なる空間的周期と充填率を有するフォトニック結晶１２を使用することが可能である。

詳細に後述されるように、中間システムを追加することによって結合をさらに細かく制御するために、結合ゾーン内の導波管の他方の側面で検出されるフォトニック結晶１２の対応する特性と比較して、結合ゾーン１８の特定の特性を変更することも可能である。例えば、前述された導波管１４、１６間に位置するフォトニック結晶の周期要素２０の欠けている横列により規定される中間導波管が設けられ得る。

前記結合ゾーン１８の構造により、本発明の結合装置の指向性を決定することも可能である。

前記結合ゾーン１８が、周囲のフォトニック結晶１２の空間的周期に実質的に等しい空間的周期を有するとき、前記結合は、同方向的（ｃｏｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）である。即ち、第２の導波管１６を離れる光信号は、第１の導波管１４に入る光信号と同じ方向に進行する。

前記結合ゾーン１８が、キャビティなどのきわめて局所的である単一の構造上の欠損を有するとき、前記結合は、双方向性となる場合がある。即ち、第２の導波管１６を離れる光束は、矢印３４の方向とこれと反対方向とに進む。前記結合ゾーン１８が、結晶の基本周期の倍数の間隔で複数のキャビティを備えるときには、結合の選択性及び効率は向上する。

結合ゾーン１８が、均一または周期的な構造の場合、装置の結合長は、各導波管Ｌｍｓｂの基本モードと高次モードとの間の特徴的な変換長と、導波管の一方の高次モードから他の導波管Ｌｃの高次モードまでの特徴的な伝送長の合計に等しく、次式で表わされる。

ここで
−ａは、結晶の周期的な要素の空間的周期であり、
−ｎ_ａは、基本モードのグループ指数（ｇｒｏｕｐ ｉｎｄｅｘ）であり、
−ｎ_ｂは、高次モードのグループ指数であり、
−ΔＵ_ｍｓｂは、ｍｓｂの端縁間の正規化された周波数差異であり、
−ΔＵ_ｃは、一方の導波管の高次モードと他の導波管の高次モードと結合することに関連する正規化された周波数差異である。

この式で、Ｌｃは、通常非常に小さく、実際には、本発明の装置の結合長を決定するのは結合長Ｌｍｓｂである。

図３及び図４に非常に概略して示されているように、結合ゾーンは、入口導波管２２、２４と出口導波管２６、２８の間に位置する装置の導波管１４と１６の狭まい部分４０（図３）、あるいは、前記導波管１４、１６の広位部分４２（図４）により規定され得る。構成部品１０の導波管１４、１６間の前記結合ゾーン１８は、結晶の周期的な要素の空間的周期において、周期的な要素の充填率において、サイズにおいて、あるいは屈折率において、図２に図示されるような周期的な分布の構造上の欠損またはキャビティのセットの存在において、あるいは実際には周期的な要素の欠けているまたは実質的に修正された横列により形成された中間導波管の存在において、前記構成部品のフォトニック結晶の残りとは異なってよい。これらの手段は、特に結合の波長選択性を改善する働きをする。

特定の実施形態では、構成部品１０は、ＧａＡｓの、またはＩｎＰの、好ましくはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）形態の基板上に規定された三角形のパターンを有するフォトニック結晶である。前記基板は、周波数及び入射光信号を考慮のもとでの偏光ト周波数に対して実質的にモノモードである導波管を形成するために（層を積み重ねることにより）垂直に構成されている。導波管のモードは、通常、２．５ないし４の範囲内にある有効率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅ）を有する。フォトニック結晶は、約３０％ないし４５％の充填率ｆを有する。これら有効率及び充填率のこれらの値、及び導波管から欠けている横列の数が、ＭＳＢの中心周波数の値ｕを決定する。典型的なＩｎＰまたはＧａＡｓの基板内に３つの欠けている横列を有する導波管の場合、ｕの値は０．２６であり、また、５つの欠けている横列を有する導波管の場合には０．２４である。

測定は、各々が５個の欠けている孔の横列によって形成され、孔の５個の横列を備える結合ゾーンにより互いから分離されている２個のフォトニック結晶導波管を備えたこの種の構成部品に対して実行された。

当初、物理学レビュー（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ）Ｂ２００１、Ｓ．Ｏｌｉｖｅｒらによる前記に引用された文献に説明されるように、基本モードで導波管の入口の中に光を射出し、基本モードで伝送されるように信号を受信することにより隔離されている導波管における伝送の測定が行われた。この信号のスペクトルは、波長の関数として任意の単位で図５にプロットされている。このテストでは、射出された光は、９００ナノメートル（ｎｍ）ないし１０５０ｎｍのスペクトルバンドをカバーし、導波管からの出口で受光された光は、９２０ｎｍの波長での伝送ノッチを有する、曲線Ｃ１によって図示されるようなスペクトルを有していた。この波長は、高次モードに変換される基本モードに相当し、この光は、導波管の端縁で回折により反射される。代表的には、ＭＳＢのスペクトル幅は、導波管の幅に応じ、５ｎｍないし４０ｎｍである。他の波長は、通常に伝送される。

この後、光は、基本モードで構成部品１０の導波管１４の入口の中へと射出され、光は、導波管１４、１６のそれぞれの出口に伝送されるのに従って受光され、このときの伝送されるようなスペクトルは、それぞれ図６と図７に示されている。

一方の導波管１４により伝送される信号のスペクトルが、約９３０ｎｍの波長でノッチを示し、また、他方の導波管１６から出口で受光される光のスペクトルが、上記波長でピークを示すことが分かる。図６と図７の測定のために使用された構成部品１０と、図５の測定のために使用された構成部品の間で生での製造パラメータの小さな差異のために、図５のテストの隔離された導波管により伝送されない９２０ｎｍの波長と、装置１０の２つの導波管１４と１６の間で選択的な結合が生じる９３０ｎｍの波長との間にオフセットがあることも認められるべきである。

前記２つの導波管は、同一であり、中間キャビティにより分けられていない本発明の装置の場合、装置の結合波長Ｌと、各導波管の誘導モードと高次モードとの間の結合パラメータＫａｂと、高次モード間のＫｂｂとは、実質的に以下の関係式：Ｋａｂ＝０．３７３Ｋｂｂ、及びＬ＝９．４２／Ｋｂｂを満たすことが判明した。

一般的に、本発明の選択的結合装置は、特に電気通信の分野においての周波数選択による光信号の経路選択と、光フアィバーが、多重周波数レーザ機械加工等のために、マイクロ波周波数信号を搬送するために使用される特に光電子ドメインでの異なる周波数の信号の混合に適用可能である。

本発明の結合装置の概略平面図である。 装置の変形実施形態の概略平面図である。 装置の他の変形実施形態を示す図である。 装置の他の変形実施形態を示す図である。 フォトニック結晶内に形成される導波管によって送信される信号のスペクトルを示す図である。 本発明の結合装置の導波管により送信される信号のスペクトルを示す図である。 隣接する導波管の中に結合されるエネルギーのスペクトルを示す図である。

Claims (16)

1. ２つの導波管間の指向性及び波長選択的な光結合のための装置であって、この装置は、周期的に分布された複数の要素（２０）により構成されたフォトニック結晶構造の平面構成部品（１０）を具備し、この構成部品は、結合ゾーン（１８）により分けられた２つの平行な導波管（１４、１６）を有し、前記結合ゾーンは、前記周期的に分布された要素（２０）の平行で隣接する横列により形成され、そして、前記導波管（１４、１６）は、前記周期的に分布された要素（２０）を欠く平行で隣接した横列により形成されるか、実質的変更された寸法、位置または屈折率を有するような要素により形成され、そして、前記両導波管の長手方向端縁は、所定の周波数に対して、第１に、一方の導波管（１４）の誘導モードと前記導波管の高次モードの間に局所的な結合を果すように機能し、第２に、前記高次モードと他方の導波管と前記結合ゾーン（１８）を介する結合と、前記他方の導波管（１６）の高次モードと前記他方の導波管の誘導モードの間の結合とを果すように機能するし、周期的な構造を有し、この結果、前記周波数は、前記第１の導波管（１４）内の誘導信号から抽出され、前記他方の導波管（１６）の中に供給されることが可能であり、また、前記周波数は、前記一方の導波管中を伝送されない周波数であることを特徴とする、装置。
2. 前記誘導モードは、前記導波管の基本モードであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記導波管（１４、１６）間の前記結合ゾーン（１８）の構造特性は、前記導波管（１４、１６）の両側にあるフォトニック結晶（１２）の構造特性と同一であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記導波管間の前記結合ゾーン（１８）の構造特性は、前記導波管（１４、１６）の両側にある前記フォトニック結晶（１２）の構造特性とは異なることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
5. 前記構成部品（１０）の各導波管（１４、１６）は、これらの両端部で、入口導波管（２２、２４）と出口導波管（２６、２８）とに連結されていることを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記入口並びに出口導波管（２２、２４、２６、２８）は、フォトニック結晶構造であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記構成部品（１０）の前記導波管（１４、１６）の構造特性は、前記入口並びに出口導波管（２２、２４、２６、２８）の構造特性と異なることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記構成部品（１０）の前記フォトニック結晶（１２）の前記要素（２０）の周期は、前記入口並びに出口導波管（２２、２４、２６、２８）を構成するフォトニック結晶の周期とは異なることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記構成部品（１０）の前記導波管（１４、１６）を構成する前記フォトニック結晶（１２）の充填率は、前記入口並びに出口導波管（２２、２４、２６、２８）を構成するフォトニック結晶の充填率とは異なることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記構成部品（１０）の前記導波管（１４、１６）の横方向の幅は、前記入口並びに出口導波管（２２、２４、２６、２８）の横方向の幅とは異なることを特徴とする、請求項７ないし９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記導波管（１４、１６）間の前記結合ゾーン（１８）は、少なくとも１つのキャビティ（３６）または構造上の欠損を含むことを特徴とする、請求項４ないし１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記構成部品（１０）の前記導波管（１４、１６）間の前記結合ゾーン（１８）は、周期的に分布されている複数のキャビティ（３６）または構造上の欠損を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記構成部品（１０）の前記導波管（１４、１６）間の前記結合ゾーン（１８）は、中間導波管を含むことを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記結合ゾーン（１８）内の前記周期的な要素（２０）の寸法および／または前記要素の空間的周期あるいはこれらの屈折率は、前記フォトニック結晶（１２）の残りの部分の寸法および／または空間的周期あるいは屈折率とは異なることを特徴とする、請求項４ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記構成部品（１０）は、前記周波数で実質的なモノモードである誘電体プレーナ型導波管を有することを特徴とする、前記全ての請求項のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記両導波管（１４、１６）が同一であるときに、この装置の結合長Ｌと、導波管の各々の誘導モードと高次モードとの間の結合パラメータＫａｂと、高次モード間の結合パラメータＫｂｂとは、実質的に、以下の関係式：Ｋａｂ＝０．３７３Ｋｂｂ及びＬ＝９．４２／Ｋｂｂを満たすことを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置。

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