JP2011528136A - 分布ブラッグ反射を使用する混成導波モード共鳴フィルタ及び方法 - Google Patents

Abstract

混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子、光フィルタ及び光フィルタリングの方法が、分布ブラッグ反射を使用する。混成ＧＭＲ格子は、ＧＭＲ共鳴周波数を有するＧＭＲをサポートする導波路層を含む。混成ＧＭＲ格子は、混成ＧＭＲ格子の上に入射する信号の一部分を導波路層の中に結合する回折格子と、入射信号の他の部分を反射する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）とを更に含む。入射信号の結合された部分は、ＧＭＲ共鳴周波数に相当する周波数を有する。反射された部分は、ＧＭＲ共鳴周波数から離れた周波数を有する。光フィルタは、混成ＧＭＲ格子及びカプラを含む。方法は、光信号を混成ＧＭＲ格子の中に結合し、混成ＧＭＲ格子からの反射信号を更に結合することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子に関する。より詳細には、本発明は、フィルタ及び変調器として使用される光素子に関する。

光フィルタ、及びフィルタリングを使用する光変調器などであるがこれに限定されない関連の構成要素は、事実上すべての光システムにおいて不可欠の構成要素である。例えば、様々な形のフィルタリングが、通常、広帯域周波数多重光搬送波で搬送される信号の群から選択的に処理するために、個別の信号を取り出すために使用される。他の種類のフィルタと同様に、光フィルタは、一般に広帯域又は狭帯域の何れかに分類されてよく、低域フィルタ、帯域通過フィルタ、帯域阻止フィルタ又はノッチ・フィルタ、及び高域フィルタのうちの１つとして実現されうる。多くの周波数多重用途に対して特に重要なものは、狭帯域フィルタ及び帯域阻止フィルタである。例えば、狭帯域フィルタは、広帯域搬送波の中のそのような信号の群の中から、特定の信号又は信号チャネルを選択するために使用されうる。他の例では、狭帯域ノッチ・フィルタが、例えば、そのような広帯域搬送波から単一の信号又は信号チャネルを除去するために使用されうる。同様に、狭帯域フィルタリングを使用する変調器は、そのような単一の信号又は信号チャネルを、選択的に変調することができる。

多岐にわたるフィルタが、光システムにおいて使用される。近年、導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子が、狭帯域フィルタリングを提供する手段として、大きな関心がもたれている。入射信号とＧＭＲ格子の導波モードとの間に、非常に鋭く、狭帯域で、高Ｑの結合を提示するＧＭＲ格子が実現されうる。結合は、狭帯域伝送フィルタ及び狭帯域反射フィルタ（すなわち、阻止フィルタ）を実施するために使用されてきた。更に、ＧＭＲ格子を使用する伝送変調器及び反射変調器の両方が示されてきた。

残念なことに、ＧＭＲ格子のＧＭＲ共鳴周波数周りの狭帯域周波数帯において非常に良好な結合を提示する一方で、ＧＭＲ格子の帯域外の反射応答は、通常、ＧＭＲ共鳴周波数から離れると大幅に低下する。帯域外の反射応答におけるこの低下は、ＧＭＲ格子を使用して実施されるフィルタ及び変調器の有用性を、大幅に制限する可能性がある。それ故、帯域内で依然として高Ｑの性能をもたらしながら、帯域外で比較的広く平坦な反射応答を有するＧＭＲ格子を提供することが、長年にわたる切実な要求を満足するであろう。

本発明のいくつかの実施形態では、混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子が提供される。混成ＧＭＲ格子は、ＧＭＲ共鳴周波数を有する導波モード共鳴（ＧＭＲ）をサポートする導波路層を備える。混成ＧＭＲ格子は、混成ＧＭＲ格子上に入射する光の一部を導波路層の中に結合する回折格子を更に備える。結合された部分は、ＧＭＲ共鳴周波数に相当する周波数を有する。混成ＧＭＲ格子は、入射信号の他の部分を反射する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を更に備える。それ以外の部分は、ＧＭＲ共鳴周波数から離れている周波数を有する。

本発明の他の実施形態では、光フィルタが提供される。光フィルタは、光信号を受けるカプラを備える。光フィルタは、混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子を更に備える。混成ＧＭＲ格子は、第１のＧＭＲ共鳴周波数及び分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を有するＧＭＲ格子を備える。（ａ）ＤＢＲが回折格子とＧＭＲ格子の導波路層との間にあるか、又は（ｂ）導波路層が回折格子とＤＢＲとの間にある。カプラは、受けられた光信号を混成ＧＭＲ格子の中に結合し、混成ＧＭＲ格子からの反射信号を更に受け、結合して出す。

本発明の他の実施形態では、光フィルタリングの方法が提供される。光フィルタリングの方法は、ＧＭＲ格子の回折格子を使用して、入力信号の第１の信号部分をＧＭＲ格子の導波路層の中に結合することによって、ＧＭＲ格子の中で導波モード共鳴（ＧＭＲ）を励起することを含む。第１の信号部分は、ＧＭＲ格子のＧＭＲ共鳴周波数の結合帯域幅内の周波数を有する。光フィルタリングの方法は、ＧＭＲ共鳴周波数の結合帯域幅の外にある周波数における入力信号の第２の信号部分を反射することを更に含む。分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の分布ブラッグ反射が、第２の信号部分を反射するために使用される。第２の信号部分は、反射信号である。ＤＢＲが、回折格子と導波路層との間にあるか、さもなければ導波路層が、回折格子とＤＢＲとの間にある。

本発明のある実施形態は、上で説明された特徴に加えて、若しくは特徴の代わりに他の特徴を有するか、又は、上で説明された特徴に加えて、且つ特徴の代わりに他の特徴を有する。本発明のこれら及び他の特徴が、以下の図面の参照と共に、以下に説明される。

本発明の実施形態の様々な特徴は、以下の詳細な説明を、添付の図面と併せて参照することによって、より容易に理解されうる。図面において、同様の参照番号は、同様の構造要素を示す。

本発明の一実施形態による、混成導波モード共鳴格子の断面図である。 本発明の一実施形態による、１ＤのＧＭＲ混成格子の断面図である。 本発明の他の実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子の断面図である。 本発明の他の実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子の断面図である。 本発明の他の実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子の断面図である。 本発明の他の実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子の断面図である。 本発明の一実施形態による、２Ｄの混成ＧＭＲ格子の斜視図である。 本発明の一実施形態による、光フィルタ２００のブロック図である。 本発明の一実施形態による、光フィルタリングの方法を示すフローチャートである。

本発明の実施形態は、帯域外の反射応答を拡張し、強めるために、分布ブラッグ反射を使用する、混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子を提供する。特に、混成ＧＭＲ格子の中で使用される分布ブラッグ反射は、本発明によれば、混成ＧＭＲ格子のＧＭＲ周波数帯域の外で、又はその周波数帯域を超えて、比較的広く、基本的に平坦な反射応答を提供する。付随して、混成ＧＭＲ格子は、従来のＧＭＲ格子の応答と基本的に同様である、又は従来のＧＭＲ格子を効果的に模倣した、ＧＭＲ周波数帯域内の結合された応答を提示する。比較的広くて平坦な反射応答は、様々な実施形態によれば、様々なフィルタ及び変調器の用途において、混成ＧＭＲ格子を使用することを容易にする。例えば、比較的広くて平坦な反射応答は、縦続接続された多周波狭帯域フィルタ（例えば、周波数多重化器）及び周波数選択変調器を実施することを容易にすることができる。

様々な実施形態によれば、本発明の混成ＧＭＲ格子は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を備える。いくつかの実施形態では、ＤＢＲは、回折格子と、導波モード共鳴をサポートする導波路層との間に挿置される。いくつかの実施形態では、導波路層は、回折格子とＤＢＲとの間に挿置される。他の実施形態では、回折格子及びＤＢＲの一方又は両方が、導波路層の中に埋め込まれる。ＤＢＲは、ＤＢＲによってもたらされた分布ブラッグ反射と一致する、比較的広い周波数の範囲又は帯域幅にわたって、信号を反射する。しかし、サポートされた導波モード共鳴に相当する周波数（すなわち、ＧＭＲ周波数帯域）において、又はその近傍において、回折格子及び導波路層の組み合わされた作用は、分布ブラッグ反射に基本的に打ち勝ち、混成ＧＭＲ格子は基本的に従来のＧＭＲ格子として機能する。言い換えれば、混成ＧＭＲ格子は、ＤＢＲが基本的にＧＭＲ周波数帯域の中央にないかのように機能する。一方、ＧＭＲ周波数帯域を超えると、混成ＧＭＲ格子は基本的にＤＢＲに従って、又はＤＢＲと一致して機能する。

様々な実施形態では、本発明による混成ＧＭＲ格子は、基本的に任意の表面の上又は中に一体化されてよく、一般に、比較的小さいフォーム・ファクタ又は基板上の設置面積を使用する。特に、混成ＧＭＲ格子は、回路製作で使用される、マイクロ・リソグラフィ・ベースの表面パターン形成及びナノ・リソグラフィ・ベースの表面パターン形成の一方又は両方を含むがこれらに限定されない、多くの従来の製造方法を使用して製造されうる。例えば、従来の半導体製造技術（例えば、ＣＭＯＳ準拠の製造プロセス）が、混成ＧＭＲ格子を光集積回路（ＩＣ）の表面の上又は中に生成するために使用されうる。したがって、本発明の様々な実施形態の混成ＧＭＲ格子を使用するフィルタ又は変調器が、ＩＣ上の従来の光要素及び回路と容易に一体化されうる。更に、そのような代表的なＩＣベースのフィルタ又は変調器は、現在利用可能な製造方法を使用して例えば、１平方ミリメートル（ｍｍ）以下の小さな表面設置面積内に実現されうる。

本明細書で使用されるように、「導波モード共鳴」は、回折格子などの位相整合要素によって、導波路の中で励起され、同時に導波路から引き出される異常共鳴として定義される。回折格子上に入射する励起信号又は励起波（例えば、光）が、入射角及び信号波長のある組合せなど、いくつかの状況のもとで導波路の中で結合され、基本的に、しかし一般に一時的に、導波路の中に共鳴モードにおけるエネルギーとして「閉じ込め」られる。共鳴モードは、例えば金属格子の表面上の表面波の励起（すなわち、表面プラズモン）として、又は（例えば、本発明の様々な実施形態で例示されるような）導波路の誘電体層の体内の（例えば、導波モード又は疑似導波モードの）共鳴波として現れることができる。続いて、閉じ込められたエネルギーは導波路から脱出し、格子で反射された信号か又は格子を通して伝送された信号の何れかと、強め合うか若しくは弱め合って、又は強め合い且つ弱め合って結合する。また、導波モード共鳴は、多くの場合「リーキー共鳴」と呼ばれる。

本明細書で使用されるように、「導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子」は、導波モード共鳴をサポートすることができる導波路と結合された任意の回折格子として定義される。また、従来のＧＭＲ格子が知られており、「共鳴格子導波路」及び「誘電体導波路格子」と呼ばれている。例えば、光ＧＭＲ格子は、誘電体スラブ導波路の表面層の中又は上に形成された回折格子を有する誘電体スラブ導波路を備えることができる。回折格子は、誘電体スラブの表面上に形成された溝又は隆線を備えることができる。他の例では、ＧＭＲ格子は、誘電体シート内で周期的に交互に入れ替わる屈折率を有する平面的な誘電体シート（例えば、位相格子）である。代表的な位相格子は、誘電体シートの中の穴、及び誘電体シートを貫通する穴の周期的配列を形成することによって形成されうる。ＧＭＲ格子の中で導波モード共鳴を励起するＧＭＲ格子の表面上に入射する信号は、ＧＭＲ格子の入射表面から反射する反射信号（すなわち、反射波）、及びＧＭＲ格子を通過して入射表面と反対側にあるＧＭＲ格子の面の外に出て行く伝送信号（すなわち、伝送波）の一方又は両方として同時に引き出されてよい。

様々な実施形態では、混成ＧＭＲ格子が、１次元（１Ｄ）の回折格子又は２次元の回折格子の何れかを備えることができる。１Ｄの回折格子は、例えば、一組の平行な、（例えば、ｘ軸に沿った）第１の方向にのみ周期的である、基本的に真っ直ぐな溝を備えることができる。２Ｄの回折格子の一例は、誘電体のスラブ又はシートの中に穴の配列を備え、穴は、（例えば、ｘ軸及びｙ軸の両軸に沿った）２つの直交する方向に沿って周期的に隔置される。本発明の混成ＧＭＲ格子に適合するＧＭＲ格子及び導波モード共鳴の更なる議論は、例えば、Ｍａｇｎｕｓｓｏｎらの米国特許第５，２１６，６８０号及びＷａｗｒｏらの米国特許第７，１６７，６１５号の中に見出され、両特許は、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

従来のＧＭＲ格子の特性の中で、またその延長上で、ＧＭＲ周波数帯域内の本発明の混成ＧＭＲ格子は、入射波の入射角とＧＭＲ格子の応答との間の角度の関係である。応答は、反射応答又は伝送応答の何れかであってよい。本発明のいくつかの実施形態による、比較的浅いか又は薄い誘電体層を備え、格子周期Λを有する代表的な１Ｄの混成ＧＭＲ格子を考える。代表的な１Ｄの格子に対する入射波の自由空間波長λの関数としての平面波数ベクトルβは、式（１）の分散関係によって与えられる。

ここで、ｎ_eff（λ）は、格子の導波モードの有効屈折率である。有効屈折率ｎ_eff（λ）は、導波モードが１ＤのＧＭＲ格子内に伝播する材料の屈折率の加重平均である。１ＤのＧＭＲ格子内の平面運動量の疑似導波モードと波長λの入射波（例えば、光ビーム）との間の相互作用は、式（２）による整数モードｍの観点から説明されうる。

ここで、入射波は、屈折率ｎを有し、入射角θを有する媒体から入射し、Λは、１ＤのＧＭＲ格子の周期である。相互作用は、１ＤのＧＭＲ格子の導波モード共鳴応答を生み出す。代表的な１ＤのＧＭＲ格子に対して、垂直な入射角（すなわち、θ＝０度）における入射信号が、±２π／Λの運動量で、スラブ・モードの１ＤのＧＭＲ格子の中に結合する。したがって、共鳴は、λ＝Λ・ｎ_eff（λ）において発生する。

したがって、代表的な１ＤのＧＭＲ格子の導波モード共鳴応答は、波長λ及び入射角θの両方の関数である。いくつかの実施形態では、導波モード共鳴応答は反射応答であり、一方、他の実施形態では、導波モード応答は、１ＤのＧＭＲ格子の伝送応答である。本明細書では、入射角θは、入射波の主入射方向と、ＧＭＲ格子の表面に対して垂直な平面との間の角度として定義される。

更に本明細書では、「ブラッグ・ミラー」とも呼ばれる「分布ブラッグ反射器」は、異なる屈折率を有する複数層の材料を備える反射性の構造、要素、又は層として定義される。材料層の、異なる屈折率は、複数層にわたる有効屈折率における変化（例えば、周期的変化）を生み出す。組み合わされた複数の材料層の有効屈折率における変化が、複数層にわたって、又は複数層を通って、伝播する電磁波又は電磁信号を反射することができる。

特に、分布ブラッグ反射器内の一対の材料層の間の境界における材料の不連続性が、伝播する電磁信号の部分的反射を生み出す。複数の層における材料層の連続して付加される、層ペアの境界における材料の不連続性が、付加的な部分反射を生み出す。いくつかの実施形態では、様々な部分反射が、組み合わされた電磁信号の反射が、比較的強い反射、又は基本的に全反射となるように、強め合うように加えられてよい。

例えば、分布ブラッグ反射器は、比較的高い屈折率と比較的低い屈折率との間を周期的に交互に入れ替わる屈折率を有する材料の複数の層を備えることができる。複数の層の有効屈折率の周期的な変化が、複数層にわたって伝播する電磁信号の反射を生み出す。周期的な複数の層の厚さが、伝播の方向において、伝播する電磁信号の４分の１の波長であるとき、結果として生じる反射は、基本的に全反射であることができる。

一般に、分布ブラッグ反射器の反射率Ｒは、境界における層ペアの屈折率の間の相対的な差が増加する（すなわち、屈折率のコントラストを増加させる）のにつれて増加し、また、層数が増加するのにつれて増加する。例えば、２枚の交互に重なる層を備える分布ブラッグ反射器に対して、反射率Ｒは、式（３）で与えられる。

ここで、ｎ₀は、分布ブラッグ反射器の上を取り囲む材料の屈折率であり、ｎ_sは、分布ブラッグ反射器の下の基板の屈折率であり、Ｎは、２枚の交互に重なる材料層の繰り返しのペア数であり、ｎ₁、ｎ₂は、２枚の交互に重なる層の個別の屈折率である。分布ブラッグ反射器は、比較的広い帯域幅の強い反射をもたらすことができる。例えば、２枚の交互に重なる層を有する、上の代表的な分布ブラッグ反射器に対する光阻止帯域Δν₀は、式（４）で与えられる。

ここでν₀は、帯域の中心周波数である。式（４）で例証されるように、層の数、及び層間の屈折率のコントラストの一方又は両方が増加することが、同様に、光阻止帯域Δν₀の帯域幅を増加させる。

本明細書を簡単にするために、基板若しくはスラブと、基板／スラブ上の任意の層若しくは構造との間の識別は、そのような識別が適切な理解のために必要でなければ、なされない。同様に、すべての回折格子は、識別が適切な理解のために必要でなければ、総称的に呼ばれる。更に、本明細書で使用されるように、冠詞「１つの」は、特許業界におけるその通例の意味、すなわち「１つ又は複数の」を有することが意図される。例えば、「１つの層」は、一般に、１つ又は複数の層を意味し、したがって、「その層」は、本明細書では、「その層（複数）」を意味する。また、本明細書における「頂部」、「底部」、「上の」、「下の」、「上に」、「下に」、「左の」、又は「右の」への任意の言及は、本明細書における限定であることを意図されない。更に、本明細書における例は、例示的なものに過ぎず、議論の目的で提示されるのであって、限定のために提示されるものではない。

更に、定義として、本明細書における、他の複数の構造若しくは複数の層の「間に」存在する構造若しくは層に対する言及は、その範囲の中に、「隣接して」及び「中に」若しくは同じ意味で「中に埋め込まれて」の一方又は両方を明確に含むことを定義される。したがって、２つの他の複数の構造の「間に」ある構造は、本明細書で定義されるように、他の複数の構造の一方又は両方に隣接するか、又は部分的若しくは完全に他の構造の一方又は両方の中にあってよい。例えば、第２の層と第３の層との間にある第１の層は、第２の層及び第３の層の一方又は両方から離れた層であってよく、また、第２の層及び第３の層に隣接する。したがって、第１の層は、（例えば、隣接して）第２の層で一方の面上と境を接し、第３の層で反対側の面上と境を接してよい。他の例では、第１の層は、第２の層と第３の層との間にあってよく、そこにおいて、第１の層は、基本的に、第２の層及び第３の層の一方又は両方の中にあってよい。

図１は、本発明の一実施形態による、混成導波モード共鳴格子１００の断面図を示す。混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子１００は、入力信号の一部をＧＭＲモードの中に結合する。結合された部分は、混成ＧＭＲ格子１００のＧＭＲ共鳴周波数に相当する周波数を有する。「相当する」によって、本明細書では、周波数が、ＧＭＲ共鳴周波数の周波数範囲内か、若しくはＧＭＲ共鳴周波数と同等であるか、或いは、ＧＭＲ共鳴周波数の周波数範囲内で、且つＧＭＲ共鳴周波数と同等であることを意味する。「周波数範囲内に」によって、周波数が、ＧＭＲ共鳴周波数の結合帯域幅内にあることを意味する。更に、混成ＧＭＲ格子１００は、ＧＭＲ共鳴周波数から離れた周波数を有する入射信号の他の部分を反射する。「から離れて」によって、本明細書では、周波数が、ＧＭＲ共鳴周波数の周波数範囲の外にあるか、若しくはＧＭＲ共鳴周波数と同等でない（すなわち、と異なる）か、或いは、ＧＭＲ共鳴周波数の周波数範囲の外にあり、且つＧＭＲ共鳴周波数と同等でないことを意味する。いくつかの実施形態では、結合された部分は、伝送信号と呼ばれる。特に、いくつかの実施形態では、結合された部分は、混成ＧＭＲ格子１００を通過、又は基本的に貫通し、ＧＭＲ格子の入射面と反対の、ＧＭＲ格子の背面から、伝送信号として現れる（すなわち、放出される）。反射された部分は、いくつかの実施形態では、反射信号と呼ばれてよい。

混成ＧＭＲ格子１００は、導波路層１１０を備える。導波路層１１０は、ＧＭＲ共鳴周波数において導波モード共鳴をサポートする。例えば、導波路層１１０は、誘電材料の層を含んでよい。代表的な誘電材料の層は、例えば、基板（図示せず）上の堆積されるか、さもなければ基板でサポートされる層であってよい。そのような代表的な構成では、導波路層１１０及び基板は、異なる屈折率を有する。具体的には、導波路層１１０の屈折率は、基板の屈折率より大きい。

いくつかの実施形態では、導波路層１１０は、比較的低い損失を有する材料を含む。すなわち、材料は、入射信号の周波数において、基本的に無損失である。したがって、基本的にすべての、信号の結合された部分が、実質的に振幅が変わらないで放出されうる。例えば、伝送信号は、混成ＧＭＲ格子１００を使用する多重化器のフィルタの出力であってよい。そのような代表的な用途では、導波路層１１０の材料は、例えば、最小の損失（例えば、＜１ｄＢ）を入射信号の結合された部分に導入するように選択されて、伝送信号の電力レベルを保存することができる。

他の実施形態では、導波路層１１０は、入射信号のすべて又は大部分の結合された部分を吸収する吸収器（図示せず）を備える。そのような実施形態では、導波路層１１０に入る結合された部分は、一般に、導波路層１１０内で（例えば、熱として）消散し、伝送信号を結果としてもたらさない。例えば、混成ＧＭＲ格子１００は、入射信号から結合された部分を除去して反射信号だけを残す、吸収型ノッチ・フィルタとして使用されてよい。いくつかの実施形態では、導波路層１１０の吸収器の吸収（すなわち、吸収のレベル又は量）は、制御可能である。そのような実施形態では、混成ＧＭＲ格子１００は、結合された信号の変調器として機能することができ、変調は、混成ＧＭＲ格子１００の吸収周波数及び／又は共鳴周波数を制御することによって制御される。

例えば、導波路層１１０の半導体材料の中への電荷注入が、導波路層１１０の誘電率を変えるために使用されうる。代表的な、誘電率の変化が結果として混成ＧＭＲ格子１００の共鳴周波数における変化を誘発することができる。共鳴周波数偏移が、結合された信号を変調するために使用されうる。同様の手法が、吸収を制御するために使用されうる。

混成ＧＭＲ格子１００は、回折格子層又は回折格子１２０を更に備える。回折格子１２０は、導波路層１１０の表面に隣接する。「隣接する」によって、導波路層１１０に直接的に又は間接的に隣接することを意味する。いくつかの実施形態では、回折格子１２０は、導波路層１１０に重ね合わせられる。例えば、回折格子１２０は、図１に示すように、導波路層１１０の上に位置してよく、頂面層１２２の中に形成されうる。頂面層１２２は例えば、堆積され、形成された誘電材料の層を備えることができる。特に回折格子１２０は、いくつかの実施形態ではやはり基本的に平面的である混成ＧＭＲ格子１００の表面の中又は上に形成された格子要素の配列を備える平面的な回折格子１２０であってよい。

混成ＧＭＲ格子１００は、分布ブラッグ回折（ＤＢＲ）層すなわちＤＢＲ１３０を更に備える。図１は、いくつかの実施形態によりＤＢＲ１３０が、導波路層１１０と回折格子１２０との間に挿置されることを示す。言い換えれば、いくつかの実施形態において、ＤＢＲ１３０は、導波路層１１０と回折格子１２０との間に基本的に挟み込まれる。したがって、回折格子１２０と相互作用し、回折格子１２０によって散乱させられた信号は、導波路層１１０に入り、場合によって導波路層１１０で誘導される前にＤＢＲ１３０と衝突する。

いくつかの実施形態では、ＤＢＲ１３０は、隣接する層が異なる屈折率を有する複数の誘電材料の層を備える。基本的に任意の分布ブラッグ回折構造が、ＤＢＲ１３０として使用されうる。例えばＤＢＲ１３０は、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）及び二酸化チタン（ＴｉＯ₂）の連続層を備えてよく、各層は入射信号の中心周波数の波長の約４分の１の厚さを有する。例えば、複数の誘電材料の層の中にわずか約２枚の連続層が存在してよく、１０枚ほどの又はより多くの連続層（例えば、８層）が存在してよい。上述のように、一般に層が多いほど、より良い反射及びより広い反射帯域幅を結果としてもたらす。

いくつかの実施形態では、混成ＧＭＲ格子１００は格子周期Λの１Ｄの回折格子１２０を備える。そのような実施形態は、本明細書では、「１Ｄの混成ＧＭＲ格子」と名付けられる。図２Ａは、本発明の一実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００の断面図を示す。図示のように、１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００は、頂面層１２２の上又は中に形成された回折格子１２０を備える。例えば頂面層１２２は、（例えば、図１に示すように）ＤＢＲ１３０の上に重なる誘電体層を備えてよい。他の例では頂面層１２２は、回折格子１２０が、基本的にＤＢＲ１３０の頂層内に形成されるように、（例えば、図２Ａに示すように）ＤＢＲ１３０の第１の層すなわち頂層を備えてよい。回折格子１２０は、ＤＢＲ１３０の層内に形成されるが、本明細書で提供された「間に」の定義によれば、ＤＢＲ１３０は依然として、回折格子１２０と導波路層１１０との間にあることに留意されたい。

回折格子１２０は、例えば、格子周期Λを有する隆線及び溝の一方又は両方であってよい、周期的に離隔された格子要素１２４として、頂面層１２２の中に形成されうる。格子要素１２４は、例えば、鋳造又はエッチングで機械的に形成されうる。或いは、格子要素１２４は、他の材料（例えば、誘電体又は金属）を頂面層１２２上に堆積させ、パターン形成することによって形成されうる。

図２Ｂは、本発明の他の実施形態による、１Ｄ混成ＧＭＲ格子１００の断面図を示す。図示のように、１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００は上述の通り、導波路層１１０と、回折格子１２０をもたらす頂面層１２２と、頂面層１２２と導波路層１１０との間に配置されたＤＢＲ１３０とを備える。図２Ｂの実施形態によれば、回折格子１２０は頂面層１２２内で、第１の誘電材料と第２の誘電材料とが周期的に交互に入れ替わるストリップ１２４として形成された格子要素を備える。そのような実施形態では、頂面層１２２は、一般に、ＤＢＲ１３０と重ね合わせられた誘電体スラブである。

ストリップ１２４は、格子周期Λで周期的に離隔され基本的に互いに平行である。いくつかの実施形態では、格子周期Λの方向（すなわち、ストリップが交互に入れ替わる方向）に測定された幅は基本的に、１つのストリップ１２４から次のストリップまでと同じである。第１の誘電材料の屈折率ｎ₁は、第２の誘電材料の屈折率ｎ₂と異なり、そのことが、格子周期Λの方向に沿って周期的に交互に入れ替わる屈折率を、結果としてもたらす。周期的に交互に入れ替わる屈折率が、頂面層１２２の誘電体スラブ内に、回折格子１２０を生み出す。

いくつかの実施形態では、導波路層１１０、回折格子１２０、及びＤＢＲ１３０は、異なった別々の層（例えば、図１及び図２Ｂ参照）として形成される。他の実施形態では、１つ又は複数の導波路層１１０、回折格子１２０、及びＤＢＲ１３０は、複数の機能を有する単一の要素として、共に実現又は形成される。例えば、回折格子１２０は、図２Ａに関して上で説明されたように、ＤＢＲ１３０の頂面層１２２の中に又は内側に形成されてよい。

図２Ｃは、本発明の他の実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００の断面図を示す。特に図示のように、１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００は、導波路層１１０内に形成されたＤＢＲ１３０を備える。更に、回折格子１２０は、ＤＢＲ１３０の頂面でもある導波路層１１０の表面の中に形成される。そのようにして、回折格子１２０及びＤＢＲ１３０は、基本的に、導波路層１１０と一体化され、その内部にある。更にＤＢＲ１３０は、本明細書で提供される「間に」の定義によれば、図２Ｃに示す１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００の中で、導波路層１１０と回折格子１２０との間にある。

図２Ｄは、本発明の他の実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００の断面図を示す。図２Ｄに示すように、ＤＢＲ１３０は導波路層１１０内に形成され、一方回折格子１２０は、導波路層１１０の上の頂面層１２２である。付随して、回折格子１２０は、加えて、ＤＢＲ１３０の上にある。これらの実施形態のいくつか（図示せず）では、ＤＢＲ１３０及び導波路層１１０は基本的に同一の広がりを持つ（すなわち、ＤＢＲ１３０は、基本的に導波路層１１０でもある）。そのようにして、ＤＢＲ１３０及び導波路層１１０は、同一の広がりを持つことができるとしても、本明細書で定義されるように、ＤＢＲ１３０は依然として、回折格子１２０と導波路層１１０との「間に」あるものと考えられる。更に、（例えば、図２Ｂと同様に）交互に入れ替わる誘電体ストリップとして図２Ｄに示されるが、代替として、頂面層１２２の回折格子１２０は、基本的に任意の回折格子（例えば、溝、稜線、穴、ストリップ、など）であってよい。

図２Ｅは、本発明の他の実施形態による、１Ｄの混成ＧＭＲ格子１００の断面図を示す。図２Ｅに示すように、ＤＢＲ１３０は、導波路層１１０の背面に隣接し、一方回折格子１２０は、導波路層１１０の反対側の面すなわち前面に隣接する。したがって、導波路層１１０は回折格子１２０とＤＢＲ１３０との間に挟み込まれる。他の構成（図示せず）が同様に可能であり、すべて基本的に同一の広がりを持つ導波路層、ＤＢＲ及び回折格子を含むがこれらに限定されない、本発明の範囲内にある。

他の実施形態では、混成ＧＭＲ格子１００は、２Ｄの回折格子を備え、本明細書では「２Ｄの混成ＧＭＲ格子」１００と呼ばれる。図３は、本発明の一実施形態による、２Ｄの混成ＧＭＲ格子１００の斜視図を示す。２Ｄの混成ＧＭＲ格子１００は、上で説明したように、導波路層１１０、ＤＢＲ１３０及び頂面層１２２を備える。図３の例で示すように、回折格子１２０は、頂面層１２２の中に形成された穴１２４の２Ｄの周期的配列を備える。穴１２４の２Ｄの周期的配列は、頂面層１２２の中に、周期的に繰り返す屈折率の不連続を導入する、２次元の周期Λを有する。周期的に繰り返す屈折率の不連続が回折格子１２０を生み出す。

例えば、混成ＧＭＲ格子１００は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハを備えることができ、回折格子１２０は、シリコン（Ｓｉ）の表面層を備える頂面層１２２の中に、エッチングされた正方格子の穴を備えることができる。この例では、穴は、約４００ナノメートル（ｎｍ）の直径を有することができ、約２５ｎｍの深さにエッチングされうる。正方格子の中の穴の間の間隔、すなわち穴の周期Λは、約１．０５ミクロン（μｍ）（すなわち、ここでΛ＝Λ₁＝Λ₂）であってよい。この例では、Ｓｉの頂面層１２２は、約５０ｎｍの厚さを有することができる。

穴として図３に示されるが、２Ｄの回折格子１２０は、頂面層１２２の中に２Ｄの周期的に繰り返す不連続を導入するために、基本的に任意の手段によって生み出されてよい。例えば、上で説明された穴は、頂面層１２２の誘電体スラブ（例えば、Ｓｉ）の屈折率とは異なる屈折率の誘電材料（例えば、ＳｉＯ₂）で満たされてよい。他の実施形態では、２Ｄの回折格子１２０は、頂面層１２２の全厚さを完全に貫通して、又は混成ＧＭＲ格子１００の全厚ささえも貫通して延びる穴、又は満たされた穴（例えば、誘電体プラグ）によってもたらされる。他の例では、隆起型表面フィーチャ（例えば、隆起）の配列が、２Ｄの回折格子１２０として使用されてよい。いくつかの実施形態では、周期的配列の第１の方向（例えば、ｘ軸）における、２Ｄの回折格子１２０の格子周期Λ₁は、周期的配列の第２の方向（例えば、ｙ軸）における格子周期Λ₂と異なってよい。

図４は、本発明の一実施形態による、光フィルタ２００のブロック図を示す。光フィルタ２００は、入力信号２０２を受けてフィルタにかける。図４の光フィルタ２００は、縦続接続された光フィルタ２００の例として示される。特に、光フィルタ２００は、縦続接続に並べられた複数のフィルタ段２０４を備える。縦続接続された光フィルタ２００の各フィルタ段２０４は、第１の段２０４を除いて、前のフィルタ段２０４の出力信号２０２ａ（例えば、反射信号）を受けてフィルタにかける。第１の段２０４は、入力信号２０２を直接受ける。

図４に示すように、光フィルタ２００は、各段２０４に付随するカプラ２１０を備える。カプラ２１０は、光信号を受ける。例えば、図４に示すように、受けられた光信号は、入力信号２０２又は前のフィルタ段２０４の出力信号２０２ａの何れかである。カプラ２１０は、例えば、図４に示すようにプリズムであってよい。

光フィルタ２００は、各段２０４に対して、混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子２２０を更に備える。混成ＧＭＲ格子２２０は、第１のＧＭＲ共鳴周波数を有するＧＭＲ格子２２２を備える。混成ＧＭＲ格子２２０は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）（又は同じ意味で、ＤＢＲ層）２２４を更に備える。いくつかの実施形態では、ＤＢＲ２２４は、ＧＭＲ格子２２２の回折格子と導波路層との間に挟み込まれる。他の実施形態では、導波路層は、回折格子とＤＢＲ２２４との間にある。いくつかの実施形態では、混成ＧＭＲ格子２２０は、上で説明した混成ＧＭＲ格子１００の任意の実施形態と基本的に類似する。

カプラ２１０は、受けられた光信号２０２、２０２ａを、混成ＧＭＲ格子２２０の中に結合する。更にカプラ２１０は、混成ＧＭＲ格子２２０から反射信号（例えば、出力信号２０２ａ）を受け結合して出す。フィルタ段２０４は、カプラ２１０と混成ＧＭＲ格子２２０との組合せを備える。多段に縦続接続された光フィルタ２００として図４に示されるが、一般に光フィルタ２００は、特定の光フィルタリングの用途によって決められるだけの少なさ、又は多さのフィルタ段２０４を備えてよい。例えば、いくつかの実施形態では、光フィルタ２００は、単一のフィルタ段２０４を備えてよい。他の例（図４に示すような）では、光フィルタ２００は、３つ以上のフィルタ段２０４を備えてよい。この例では、少なくとも１つのフィルタ段２０４が、様々な実施形態により、本明細書で説明されるように、異なるＧＭＲ共鳴周波数を有する混成ＧＭＲ格子２２０を備える。したがって、縦続接続された光フィルタ２００は、周波数多重化器として機能することができる。例えば、特定のフィルタ段２０４のそれぞれは、入力信号２０２から、そのフィルタ段２０４のＧＭＲ共鳴周波数に相当する周波数の、特定の周波数成分又は周波数帯域を、選択的に結合して基本的に除去することができる。

図５は、本発明の一実施形態による、光フィルタリングの方法３００の流れ図を示す。光フィルタリングの方法３００は、混成ＧＭＲ格子の中で導波モード共鳴（ＧＭＲ）を励起すること３１０を含む。いくつかの実施形態では、ＧＭＲを励起する３１０は、混成ＧＭＲ格子の回折格子を使用して、入力信号の第１の信号部分を、導波路層の中に結合することを含む。第１の信号部分は、混成ＧＭＲ格子のＧＭＲ共鳴周波数の結合帯域幅内にある周波数を有する。結合帯域幅は、信号が混成ＧＭＲ格子の中に結合されるＧＭＲ共鳴周波数の周りの周波数の帯域として定義される。

光フィルタリングの方法３００は、入力信号の第２の信号部分を反射すること３２０を更に含む。特に第２の信号部分は、結合帯域幅の外にある周波数成分を含む。したがって、第２の信号部分は、基本的に、ＧＭＲ共鳴周波数と異なる、又は離れた周波数にある。第２の信号部分を反射すること３２０は、混成ＧＭＲ格子の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の分布ブラッグ反射を使用する。いくつかの実施形態によればＤＢＲは、回折格子と混成ＧＭＲ格子の導波路層との間にある。他の実施形態では、導波路層は、回折格子とＤＢＲとの間にある。どちらにしても、ＤＢＲは、３２０で第２の信号部分を反射する。３２０で反射された第２の信号部分は反射信号と呼ばれる。いくつかの実施形態では、方法３００は、上で説明された混成ＧＭＲ格子１００の実施形態のうちの何れかを使用する。

光フィルタリングの方法３００のいくつかの実施形態では、導波路層の中に結合される第１の信号部分は、基本的に、導波路層内で完全に吸収される。完全吸収は、例えば、導波路層の静的特性によってもたらされうる。他の例では、完全吸収は、制御可能な完全吸収が活性化されているときにだけ、第１の信号部分が完全吸収されるように、（例えば、変調されるか又はスイッチをオン・オフされて）制御可能でありうる。他の実施形態では、導波路層の中に結合される第１の信号部分は、基本的に、伝送信号として導波路層を通して外に電送される。

光フィルタリングの方法３００のいくつかの実施形態では、方法３００は、例として図５で更に示すように、反射信号を他の混成ＧＭＲ格子の中に結合すること３３０を更に含む。これらの実施形態のいくつかでは、他の混成ＧＭＲ格子は、他のＧＭＲ共鳴周波数を有する。例えば、他の混成ＧＭＲ格子の他のＧＭＲ周波数は、より高くてよく、又はより低くてよい。反射信号を結合する３３０は、他の混成ＧＭＲ格子の回折格子を使用して、他のＧＭＲ共鳴周波数における反射信号の一部分を、他の混成ＧＭＲ格子の導波路層の中に結合することを含む。

光フィルタリングの方法３００のいくつかの実施形態では、方法３００は、やはり例として図５に更に示すように、他のＧＭＲ共鳴周波数と異なる周波数における反射信号の他の部分を反射すること３４０を更に含む。他の部分を反射する３４０は、回折格子と導波路層との間、又は他の混成ＧＭＲ格子の回折格子と反対の導波路層の面上の何れかにある、他のＤＢＲの分布ブラッグ反射を使用する。反射信号の他の部分は、他の反射信号である。その結果は、方法３００のいくつかの実施形態によれば、縦続接続された、入力信号の光フィルタリングである。

このように、混成ＧＭＲ格子、光フィルタ、及び分布ブラッグ反射を使用する光フィルタリングの方法の実施形態が説明された。上で説明した実施形態は、本発明の原理を表す、多くの具体的な実施形態のうちのいくつかの例に過ぎないことを、理解されたい。明らかに、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲を逸脱することなく、当業者なら、多くの他の配置を容易に案出可能である。

Claims (15)

1. ＧＭＲ共鳴周波数を有する導波モード共鳴（ＧＭＲ）をサポートする導波路層と、
   混成ＧＭＲ格子上に入射する信号の一部分を前記導波路層の中に結合する回折格子であって、前記結合された部分が前記ＧＭＲ共鳴周波数に相当する周波数を有する、回折格子と、
   前記入射信号の他の部分を反射する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であって、前記他の部分が、前記ＧＭＲ共鳴周波数から離れている周波数を有する、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）とを備えることを特徴とする混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子。
2. 前記導波路層が、前記回折格子と前記ＤＢＲとの間にあるか、又は前記ＤＢＲが、前記導波路層と前記回折格子との間にあることを特徴とする請求項１に記載の混成ＧＭＲ格子。
3. 前記ＤＢＲが前記導波路層内にある、前記回折格子が前記導波路層内にある、前記回折格子が前記ＤＢＲの表面内にある、及び前記回折格子が前記導波路層若しくは前記ＤＢＲの何れかの表面上にある、のうちの１つ又は複数であることを特徴とする請求項１に記載の混成ＧＭＲ格子。
4. 前記導波路層が、前記回折格子によって前記導波路層の中に結合された信号を吸収する吸収器を備えることを特徴とする請求項１に記載の混成ＧＭＲ格子。
5. 前記吸収器による吸収が制御可能であって、前記結合された信号を変調し、それにより前記混成ＧＭＲ格子が、前記結合された信号の変調器であることを特徴とする請求項４に記載の混成ＧＭＲ格子。
6. 前記回折格子が１次元の回折格子を備えることを特徴とする請求項１に記載の混成ＧＭＲ格子。
7. 前記１次元の回折格子が、前記ＤＢＲの上に重なる誘電体層の中に形成された誘電体のフィーチャの周期的な配列を備えることを特徴とする請求項６に記載の混成ＧＭＲ格子。
8. 前記１次元の回折格子が、前記混成ＧＭＲ格子の表面の中及び表面の上の一方又は両方に形成される、表面フィーチャの表面プロフィールを備えることを特徴とする請求項６に記載の混成ＧＭＲ格子。
9. 前記回折格子が、表面層の中に形成された誘電体フィーチャの配列、並びに前記混成ＧＭＲ格子の表面の中及び表面の上の一方又は両方に形成された表面フィーチャ、の一方又は両方を備える、２次元の回折格子を備えることを特徴とする請求項１に記載の混成ＧＭＲ格子。
10. 順次縦続接続として並べられた複数の混成ＧＭＲ格子を備え、縦続接続された光フィルタの中で使用され、前記順次縦続接続の混成ＧＭＲ格子のそれぞれが、異なるＧＭＲ共鳴周波数を有することを特徴とする請求項１に記載の混成ＧＭＲ格子。
11. 光信号を受けるカプラと、
    第１のＧＭＲ共鳴周波数を有するＧＭＲ格子及び分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を備え、前記ＤＢＲが回折格子と前記ＧＭＲ格子の導波路層との間にあるか、又は前記導波路層が前記回折格子と前記ＤＢＲとの間にある、混成導波モード共鳴（ＧＭＲ）格子とを備え、
    前記カプラが、前記受けられた光信号を前記混成ＧＭＲ格子の中に結合し、更に前記混成ＧＭＲ格子から反射信号を受け、結合して出すことを特徴とする光フィルタ。
12. 第２のＧＭＲ共鳴周波数を有する他の混成ＧＭＲ格子を更に備え、前記他の混成ＧＭＲ格子が、前記カプラから前記反射信号を受けることを特徴とする請求項１１に記載の光フィルタ。
13. ＧＭＲ格子の回折格子を使用して、前記ＧＭＲ格子のＧＭＲ共鳴周波数の結合帯域幅内の周波数を有する、入力信号の第１の信号部分を、前記ＧＭＲ格子の導波路層の中に結合することによって、前記導波モード共鳴（ＧＭＲ）を前記ＧＭＲ格子の中で励起し、
    分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の分布ブラッグ反射を使用して、前記ＧＭＲ共鳴周波数の前記結合帯域幅の外にある周波数における、反射信号である、前記入力信号の第２の信号部分を反射することを含み、
    前記ＤＢＲが、前記回折格子と前記導波路層との間にあり、又は前記導波路層が、前記回折格子と前記ＤＢＲとの間にあることを特徴とする光フィルタリングの方法。
14. 前記導波路層の中に結合された前記第１の信号部分が、前記導波路層内で吸収されるものか、又は伝送信号として前記導波路層によって伝送されるものであることを特徴とする請求項１３に記載の光フィルタリングの方法。
15. 他のＧＭＲ格子の回折格子を使用して、前記反射信号の一部分を前記他のＧＭＲ格子の導波路層の中に結合することによって、前記反射信号を、他のＧＭＲ共鳴周波数を有する前記他のＧＭＲ格子の中に結合することであって、前記反射信号の前記結合された部分が、前記他のＧＭＲ格子の前記他のＧＭＲ共鳴周波数の結合帯域幅内にある、結合することと、
    前記他のＧＭＲ格子の他のＤＢＲの分布ブラッグ反射を使用して、前記他のＧＭＲ共鳴周波数の前記結合帯域幅の外の周波数において、他の反射信号である、前記反射信号の他の部分を反射することとを含む、前記入力信号の縦続接続の光フィルタリングを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の光フィルタリングの方法。

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