JP2012529074A - 光波をディジタル的に処理する方法およびディジタル平面ホログラフィに基づく集積平面光学装置 - Google Patents

Abstract

ディジタル平面ホログラフィに基づくホログラムパターンを有する集積平面光学装置が提供される。該装置は、複数の平面光学要素を支持する半導体基板と下部クラッド層とからなる。該下部クラッド層は光伝搬／配光層を支持する。ホログラムパターンに従って前記平面光学要素へ伝搬される光線およびそこから伝搬される光線の性質および方向を制御するため、ホログラムパターンからなる相互接続した複数のパターン要素が、該光伝搬／配光層に埋め込まれている。これは、かかる要素を含む層の素材とは異なる屈折率を持った、特定の位置、形状および屈折率のパターン要素を提供することにより、達成される。前記パターンの設計および製造方法が、本明細書に記載される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディジタル平面ホログラムによって相互接続された複数の標準反復要素、例えばレーザー、増幅器、検出器、急速飽和吸収体などで構成される平面集積回路内部の光または他の波の処理に関する。更に詳細には、本発明は、光波をディジタル的に処理する方法およびディジタル平面ホログラフィの原理に基づいて作動する集積平面光学装置に関する。

光を使った情報の処理および伝送には、集積光回路の形成が必要である。このアイデアは新しいものではなく、レーザー、増幅器、検出器、急速飽和吸収体などのきわめて重要な能動的光学要素および非線形光学要素は日常的にマイクロリソグラフィで平面導波路に成形され、市松模様にされ、光ファイバーで接続されるが、光を用いた集積回路は、電子集積回路の成功を繰り返すものではない。電子集積回路の発明以前の、トランジスターを使用しているような状態である。主な理由の一つは相互接続の問題である。電流は導線が曲がっていても容易にそれに従うことができるので、いくつかの層の間での相互接続が容易である。能動要素が一つの導波路内のリッジ導波路によって相互接続される場合もあるが、単一層内のリッジ導波路の交差により、この方法には制限がある。従って、一つの導波路内で数多くの光学要素を相互接続する方法が望まれている。

一つの基板上で数多くの光学素子を相互接続することにより平面光学素子を提供しようとする試みが、これまでに行われてきた。例えば、２００７年に公開された米国特許出願第２００７００３４７３０号（発明者は、Ｔ．Ｍｏｓｓｂｅｒｇら）は、少なくとも一セットの回折要素を有する平面光導波路で構成される、多重モード平面導波路分光フィルタを開示している。導波路は、その内部の二つの次元に伝搬される光信号をもう一つの次元内に閉じ込める。該導波路は、複数の横モードを支持する。回折要素の各セットは、インプットポートとアウトプットポートの間で光信号の回折部分の光路を指定し、該光信号は平面導波路内を伝搬され、回折要素によって回折される。該光信号の回折部分は、複数の横モードの重ね合わせとしてアウトプットポートに到達する。多重モードの光源は、対応する光インプットポートを通して、複数の横モードの重ね合わせとして、該光信号を平面導波路内に送ってもよい。多重モードアウトプット導波路は、アウトプットポートを通して、該光信号の回折部分を受け取ってもよい。多重回折要素のセットは、一つ以上の対応するインプットポートおよびアウトプットポート間で、光信号の対応する回折部分の経路を指定してもよい。この装置には、屈折率変調の原理が関係している。

２００６年に公開された米国特許出願第２００６０２３３４９３号（発明者は、Ｔ．Ｍｏｓｓｂｅｒｇら）は、ホログラム分光フィルタを開示している。１つの実施形態によると、本発明の装置は、プログラムされた平面ホログラム分光フィルタ装置を含むのに適した平面導波路で構成される。インプット信号とアウトプット信号は、平面ホログラム基板内をｘ−ｙ平面上で伝搬される。平面ホログラム基板または厚板は、一般に、該装置が目的とする動作波長において十分に透明な素材で構成されるので、該プログラムされたホログラム装置を信号が伝搬するとき、吸収による許容できない損失が生じない。一般的な基板素材の一つはシリカ（ＳｉＯ_２）である。シリカは、ほとんどの可視および近赤外分光領域、ポリマーおよびシリコンで透過性である。平面基板の厚さは、比較的低い横（ｚ）モード数だけを許容するように、あるいは更に具体的には、許容された横（ｚ）モードが該プログラムされたホログラム装置を通過するとき重大なモード分散が生じないように、十分低い値であるのが好ましい。

２００７年に公開された米国特許出願第２００７００５３６３５号（発明者は、Ｄ．Ｉａｚｉｋｏｖら）は、模擬光信号間の計算された干渉により設計され、縮小リソグラフィによって製造される、透過格子を開示している。より具体的には、模擬設計インプット光信号と模擬設計アウトプット光信号との間の干渉パターンを計算し、該計算された干渉パターンから少なくとも一つの回折要素セットの配列を計算で導き出す行程が、この方法には含まれる。該干渉パターンは透過格子領域で計算され、インプット光信号とアウトプット光信号は、実質的に非拘束の光ビームとして、各々該透過格子領域を通過して伝搬される。このように配列された該回折要素セットが透過格子内またはその上に形成される場合、対応する光インプットポートと光アウトプットポートとの間で、各回折要素セットがインプット光信号の対応する回折部分の経路を指定できるように、該回折要素セットの配列が計算で導き出される。この場合、信号とは、透過格子に入射し、それによって透過される信号のことである。この方法は、導き出された該配列に従って、透過格子内またはその上に回折要素のセットを形成する工程を更に含んでもよい。

２００６年に公開された米国特許出願第２００６０１２６９９２号（発明者は、Ｔ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏら）は、インプットポートとアウトプットポートを含む送波媒体を開示している。第一および第二電磁界分布は数値計算により入手される。第一電磁界分布は、インプットポートに向かって放射される順方向伝搬光を配光する。第二電磁界分布は、逆方向伝搬光を配光する。逆方向伝搬光は、光信号がインプットポートに向かって放射されるときアウトプットポートから送られる出力フィールドをアウトプットポート側から逆に伝送することによって生じる。空間屈折率分布は、両方の電磁界分布に基づいて順方向伝搬光と逆方向伝搬光の間の位相差が前記媒体の個別点（ｘ、ｚ）で排除されるように計算される。このシステムの要素も、平面基板の上に搭載される。

２００４年に公開された米国特許出願第２００４００３６９３３号（発明者は、Ｖ．Ｙａｎｋｏｖら）は、平面ホログラム多重化装置／多重分離を開示している。この装置は、製造費の低減、信号歪の減少、高い波長選択性、高い光効果、混線の減少、他の平面装置と統合する場合の容易さや低い製造費などで特徴づけられる。この装置の平面導波路は、所定の（予め選択された）光波長を分離および結合するホログラム要素を含んでいる。このホログラム要素は、入射する光のビームの所定の光波長を複数の異なる焦点へ反射する複数のホログラムを含んでおり、所定の波長は各々異なるチャンネルの中心波長を表す。重ね合わされた複数のホログラムが複数の構造体によって形成され、各ホログラムが個別のチャンネルを表す個別の中心波長を反射して離散的な分散を提供するのが好ましい。該ホログラム要素は、多重分離装置として使用される場合は、異なる波長の光を空間的に分離し、光の伝搬方向を逆にする場合は多重化装置として使用され、異なる波長を有するいくつかの光のビームを異なる該波長のすべてを含む単一のビームに集束させてもよい。

しかし、インプットビームをアウトプットビームに変換する上記従来技術のすべての装置において、発明者達は、パラメーターおよび幾何学構造によって決定される既知の機能特性を持つホログラム格子を使用している。従って、インプットおよびアウトブットビームの位置および光学パラメーターは、ホログラム格子の幾何学構造に完全に依存しており、光学的構造の設計が大幅に制限されてしまう。各ホログラムパターン要素は１つまたは２つのチャンネルでのみ機能するので、既知のホログラム装置は、制限された数の光伝達チャンネルしか持てない。これも既知のホログラム装置の欠点である。

本発明の目的は、ディジタル平面ホログラフィに基づき、しかもマイクロリソグラフィによる簡略化された製造に適した、新規の集積平面光学装置を提供することである。別の目的は、ディジタル平面ホログラム構造体を通過する光波をディジタル的に処理する方法を提供することである。更に別の目的は、複数の光学ホログラムパターン要素を製作することにより形成されるディジタル平面ホログラム構造体を提供することである。この場合、複数の光学ホログラムパターン要素は、格子の幾何学構造とは無関係に、光のビームの方向および特性を制御し、インプットポートおよびアウトプットポートの所定の位置に対して最適化される。更に別の目的は、数多くの光伝達チャンネルで作動可能な平面ホログラム装置を提供することである。

ディジタル平面ホログラム構造体を通過する光波をディジタル的に処理する本発明の方法には、ディジタルおよびアナログの光プロセッサーを、数個の標準光学要素が何度も繰り返された平面導波路で構成される単一のチップ上に製作する工程が含まれる。本発明によれば、マイクロリソグラフィ手段によって平面半導体導波路内に作られ、同じ導波路内に書き込まれた受動的ディジタル平面ホログラムによって相互接続されている、能動的で非線形的な要素、例えばレーザー、増幅器、急速飽和吸収体などが存在してもよい。ホログラムは各々、多くの相互接続を提供してもよい。平面導波路は一体構造であってもよい。例えば、コアはＩｎＰＧａＡｓのような半導体で作られてもよい。レーザー、増幅器、急速飽和吸収体の違いは、かかる要素に印加される電圧の違い、幾何学構造体の違い、または化学組成の違いにより提供されてもよい。半導体ホログラムにおける光の吸収は問題となるので、ホログラムに電圧を印加することにより、あるいはハイブリッドの導波路を作ることにより、その問題を軽減してもよい。後者の場合、能動的要素を半導体導波路内に作り、相互接続されるホログラムは、シリカあるいは別の透明の素材で構成される透明な付属の導波路に書き込んでもよい。

ホログラムは、透明な媒体に記録された数百万ものサブ波長（ミクロンの数分の一）の特徴の組み合わせである。ホログラムは、画像のコピーであってもよいし、光学素子のコピーであってもよい。光学素子を複製したのち、ホログラムをその素子の代わりに使用してもよい。１９９０年代までは、アナログホログラムが、通常の写真素材を使い、既存の物体のみをコピーすることにより作られていた。マイクロリソグラフィがサブミクロンの分野の特徴に移行した時点で、ディジタルリソグラフィが可能となった。計算によって、ホログラム干渉縞の位置を決定することが可能となった。平面構造体の形状ならびにインプットおよびアウトプットされた光のビームの位置が既知である場合、ホログラム成分座標の知見は、既知の関数であるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）に基づいて境界条件の一部を見出すという逆問題の解決に簡略化される。その構造体、形状および位置は計算されており、光学対象として現実に存在したことはなく、マイクロリソグラフィの方法で実際の平面対象の形に複製される。

逆問題は、いくつかのモデルパラメーターの値を観察データから取得しなければならない作業と定義できる。

特に、本発明は光のディジタル処理に関係し、一連のレーザー、増幅器および急速飽和吸収体が２つあるいはそれ以上のアトラクターを示す。光論理ゲートは、この新しい技術によって作製可能な素子の一例である。

本発明のアプローチは、２つの要素間で行われる到来波と出射波の伝搬に関してフーリエ成分f_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）によって素子を特徴づけ、次にそれらの関数を用いて望ましいホログラムパターンを計算することである。ほとんどの応用例では、それは以下の式における実効屈折率の変形である。

提案されている本発明は、製造の容易さおよび単一の平面導波路内で光学要素を相互接続することを併せ持つという利点を有する。

ディジタル平面光学ホログラムパターンを有する本発明の平面構造体またはホログラムチップを例示する概略図である。 図１のホログラムチップに使用されるレーザーダイオードの縦断面図である。 図１のホログラムチップに使用される平面半導体増幅器の縦断面図である。 平面半導体受光部の縦軸方向から見た、チップの断面図である。

この新規な平面配位のアイデアは、光がホログラム内を何千もの波長で進行するのを可能にすることにより、その光を処理する可能性を大幅に増大させることである。

ディジタル平面ホログラフィは、任意のホログラムを書き込める可能性とそのホログラム内の長い光路とを組み合わせるという利点を有している。最後の技術的障害は、ブランクの高品質平面導波路であった。歪みなしに光を伝送するには、導波路は厚さが約１ミクロンであり、透明できわめて均一でなければならない。最後の条件である均一性が可能性を最も制限するものであるが、光ファイバー通信機器用にアレイ導波路格子を開発した光学工業により、その問題は主に解決された。サブ波長の製造に関連する問題が近代のマイクロリソグラフィの進歩により解決された後、ディジタル平面ホログラフィの実現に必要な問題点が一つだけ残されている。それは、望ましい素子を作製するために書き込まければならないパターンを決定することである。

計算によって、ホログラム干渉縞の位置を決定することが可能となる。平面構造体の形状ならびにインプットおよびアウトプットされた光のビームの位置が既知である場合、ホログラム成分座標の知見は、既知の関数であるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）に基づいて境界条件の一部を見出すという逆問題の解決に簡略化される。その構造体、形状および位置は計算されており、光学対象として現実に存在したことはなく、マイクロリソグラフィの方法で実際の平面対象の形に複製される。

本発明のアプローチは、２つの要素間で行われる到来波と出射波の伝搬に関してフーリエ成分f_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）によって素子を特徴づけ、次にそれらの関数を用いて望ましいホログラムパターンを計算することである。実際の素子は３次元であるが、３次元を平均化した２次元ハミルトンモデルを使用すれば、多くの応用例を満足させることができる。波はブランクの導波路を自由に伝搬できるので、相互作用をハミルトンモデルの形で書くことが可能となる。非線形波動散乱が無視でき、従って波の振幅に関してハミルトンモデルを２次方程式として提供できるので、実効屈折率の変化量に関しては、線形性を仮定できる。従って、ハミルトンモデルは以下のように書くことができる：

（式中、f（ｘ，ｙ，ω）は特定の周波数の全波動関数である）。積分記号の下の３つの関数はいずれも振動しているので、相互作用は共鳴によって決定される。f_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）をf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）に変換するためには、以下の式において任意の単位で実効屈折率の変化量を作成しなければならないかもしれない。

当業者には、本発明の多くの変形が可能である。いくつかの変形では、ホログラムによって作
成されるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）の変化量で上述の式を修正す
る工程が含まれる。製造を容易にするには、関数Δｎ（ｘ、ｙ）を２値（２段階）関数、好ましくは類似または同一の要素の組成で置き換えるべきである。言い換えると、連続関数であるΔｎ＝Δｎ（ｘ、ｙ）をΔｎ（ｘ、ｙ）の離散関数で置き換える必要がある。

この手順は、次のように公式化できる。

（式中、ｋ_ｎは到来波の波動ベクトルであり、ｒ_ｕは入射ポート番号ｕから現在点までの距離であり、ｋ_ｍは出射波の波動ベクトルであり、ｒ_ｖは出射ポート番号ｖから現在点までの距離である）。特記すべき点は、本発明によれば、平面ホログラフィのディジタル化には、フーリエ級数展開の結果、連続関数であるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）を有限数（ｎおよびｍ）の値で置き換える工程が含まれることである。かかる展開は、以下の式におけるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）を置換するのに用いられる。

連続関数であるΔｎ＝Δｎ（ｘ、ｙ）の代わりに、ホログラムパターンのパターン要素の位置を決定する所定の座標に関連した、Δｎの離散的な数の値を得ることになるのは明白である。

平面ディジタル構造体の生産を簡略化するため、前述の計算において、実効屈折率の変化量Δｎ（ｘ、ｙ）を２段階の２値関数によって近似し、ホログラムパターンのパターン要素を例えば長方形のダッシュとして形成してもよい。

特に、本発明は光のディジタル処理に関係し、一連のレーザー、増幅器および急速飽和吸収体が２つあるいはそれ以上のアトラクターを示す。光論理ゲートは、この新しい技術によって作製可能な素子の一例である。

図面および以下に記載する本発明の好ましい実施形態の説明を考慮するならば、本発明の更なる態様が明らかになるであろう。

図１はディジタル平面光学ホログラムパターンを有する平面構造体またはホログラムチップを例示する概略図である。この図面では、平面構造体は参照番号１０で全体像が示している。参照番号１２ａ、１２ｂ．．．１２ｐは、半導体レーザーダイオードなどの能動的平面光学要素を示し、ｐは該レーザーダイオードの数である。図１は３つのレーザーダイオード（ｐ＝３）しか示していないが、ｐの数は広範に変更可能である。参照番号１４ａ、１４ｂ．．．１４ｆは、平面半導体増幅器を示し、ｆはかかる半導体増幅器の数である。レーザーダイオードの場合同様、ｆの数は広範に変更可能である。図示の実施形態におけるホログラムチップ１０は、平面半導体受光部１６ａ、１６ｂ．．．１６ｇも含んでおり、ここで、ｇは半導体受光部の数である。

上述の平面光学要素はすべて、例えばＩｎＰＧａＡｓからなる共通の半導体基板上に配列してあり、要素のタイプに従って、１つまたは２つのインプット／アウトプットポートがあってもよい。例えば、図１に示されるように、半導体レーザーダイオード１２ａは、アウトプット光ビーム１２ａ−ｏｕｔの放射のために、アウトプットポート１２ａ１だけを有している。本実施形態では、１２ａ、１２ｂおよび１２ｐは同一であり、アウトプット光ビーム１２ａ−ｏｕｔ、１２ｂ−ｏｕｔおよび１２ｐ−ｏｕｔの放射のために、それぞれアウトプットポート１２ａ１、１２ｂ１および１２ｐ１を有していることが仮定されている。平面半導体増幅器１４ａ、１４ｂ．．．１４ｆは各々、１つのインプットポートと１つのアウトプットポートを有している。例えば、平面半導体増幅器１４ａはインプットポート１４ａ１と１４ａ２を有し、平面半導体増幅器１４ｂはインプットポート１４ｂ１とアウトプットポート１４ｂ２を有し、平面半導体増幅器１４ｆはインプットポート１４ｆ１とアウトプットポート１４ｆ２を有している。図１で、参照番号１４ａ−ｉｎ，１４ｂ−ｉｎおよび１４ｆ−ｉｎは、それぞれ増幅器１４ａ、１４ｂおよび１４ｆに入射するインプット光ビームを示している。参照番号１４ａ−ｏｕｔ、１４ｂ−ｏｕｔおよび１４ｆ−ｏｕｔは、それぞれ増幅器１４ａ、１４ｂおよび１４ｆを出るアウトプット光ビームを示している。

一方、平面半導体受光部１６ａ、１６ｂ．．．１６ｇの各々は、インプットポートしか有していない。言い換えると、平面半導体受光部１６ａはインプットポート１６ａ１を有し、平面半導体受光部１６ｂはインプットポート１６ｂ１を有し、平面半導体受光部１６ｇはインプットポート１６ｇ１を有している。参照番号１６ａ−ｉｎ、１６ｂ−ｉｎおよび１６ｇ−ｉｎは、それぞれ平面半導体受光部１６ａ、１６ｂおよび１６ｇに入射するインプット光ビームを示している。

図１で、参照番号１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋは、ホログラムパターンの相互接続パターン要素を示している。本発明によれば、ホログラムパターンの相互接続パターン要素は、前記ホログラムパターンに従って、チップ１０の全平面構造体にわたって配光される光ビームの方向および特性を制御する。上述した通り、計算と製造の簡略化のため、かかるパターン要素は、図１に示されるタイプの長方形ダッシュの形で作製される。

図１は、本発明の典型的なディジタル平面ホログラムチップの全体的なトポグラフィであり、光学要素およびホログラム要素の配列と両者の間の相互関連を示している。特記すべきは、図１に示される３つのタイプの光学要素は本発明の範囲を制限するものではなく、他のタイプの能動的および受動的要素、例えば、周波数増幅器、変調器、減衰器、周波数混合装置などが使用できることである。平面レーザーダイオード１２ａ、平面半導体増幅器１４ａおよび平面半導体受光部１６ａの詳細な構造が、それぞれ図２、３および４に示してある。レーザーはすべて同一であり、同様に増幅器および受光部もそれぞれ同一であるので、それぞれの図面には、かかる素子の典型的な例を一つだけ示してある。

図２、すなわちレーザーダイオード１２ａの縦軸方向から見たチップ１０の断面図に示されているように、レーザーダイオード１２ａは半導体基板２１上に形成されており、光学ビームを端から放射する（端放射）平面光学共鳴器２４を有している。そして該光学ビームから、微小光学システム２６が回折的に制限された光学ビームを形成する。その光学ビームは、前述したディジタルホログラムパターンの要素１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋを含んでいる光伝搬／配光層２２へ導入される。参照番号２８は、光学マイクロプリズムを示しており、微小光学システム２６とともに前述のアウトプットポート１２ａ１を形成する。光伝搬／配光層２２は、ホログラムチップ１０の下部クラッド層２０によって支持され、上部クラッド層２３で被覆されている。ディジタルホログラムパターンの要素１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋは、光伝搬／配光層２２と同一平面上に作られている。上述した通り、本発明によれば、ディジタルホログラムパターンの各要素１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋは、層２２および２３の屈折率とは異なる特定の屈折率を有している。前述の要素１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋの幾何学構造および方位が、かかる要素を通過する光ビームの特性と方向を制御する。

図３は、半導体増幅器１４ａの縦軸方向から見たチップ１０の断面図である。平面半導体増幅器１４ａは上述と同じチップ１０に配置されており、従って、基板、クラッド層などは半導体レーザーダイオードの場合と同じであるので、それらの説明はここでは省略する。半導体増幅器１４ａと半導体レーザーダイオード１２ａは、該増幅器が１つのインプットポート１４ａ１と１つのアウトプットポート１４ａ２を有しているという点で異なっている。容易に理解されるように、ディジタルホログラムパターンの要素のグループ３４および３６は、半導体レーザーダイオード１２ａに関連したそれらのグループとは異なっている。言い換えると、グループ３４の要素はインプット光ビーム１４ａ−ｉｎ（図１）の制御に関係しており、グループ３６の要素はアウトプット光ビーム１４ａ−ｏｕｔの制御に関係している。

図４は、平面半導体受光部の縦軸方向から見た、チップの断面図である。平面半導体受光部１６ａは上述と同じチップ１０に配置されており、従って、基板、クラッド層などは半導体レーザーダイオードの場合と同じであるので、それらの説明はここでは省略する。半導体受光部１６ａと他の半導体光学要素は、該受光部１６ａが１つの受光ポート１６ａ１しか有しないという点で異なっている。容易に理解されるように、ディジタルホログラムパターンの要素のグループ３８は、半導体レーザーダイオード１２ａおよび半導体増幅器１４ａに関連したそれとは異なっている。言い換えると、グループ３８の要素はインプット光ビーム１６ａ−ｉｎの制御に関係している。

物理的に、上述のディジタルホログラムパターンの要素１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋ（図１）は光伝搬／配光層２２に形成された溝を備えており、該光伝搬／配光層２２は、チップ１０の他の構造体層の屈折率とは異なる屈折率を有する光学素材で満たされている。上述の要素は、金属または誘電ストライプ、窪み、突起、溝など、あるいは半導体素材などで作製される平面基板の上に光学、電子線または他のタイプのミクロリソグラフィあるいはナノプリンティングによって製造可能な他の任意の要素の形で作られてもよい。パターン要素１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋの縦方向の寸法は、ミクロンの数分の１から数十ミクロンの範囲であってよい。横方向の寸法は、ミクロンの数分の１から数ミクロンの範囲であってよい。かかる範囲は例としてのみ与えられている点は理解されている。

操作時には、パターン要素１８ａ、１８ｂ．．．１８ｋは、伝搬する光の方向、すなわちΔｎ（ｘ、ｙ）として既知の法則に従った関数を制御する。その結果、f_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）をf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）へ変換する連続関数を、平面基板上の有限で離散的な数の要素（ホログラムパターン）によって置き換えることが可能となる。

上述の説明で明白なように、本発明は、数個の標準要素が何度も繰り返された平面導波路からなる単一チップ上にディジタルおよびアナログの光プロセッサーを作製するための、新規な方法を提供する。本発明は、ディジタル平面ホログラフィに基づく集積平面光学装置も提供する。実効屈折率の関数の変化量を２段階２値関数へ近似することにより、生産が簡略化され、長方形の要素またはダッシュの形で、ホログラムパターンの要素を提供できるようになる。長方形の要素またはダッシュは、マイクロリソグラフィ技術により容易に製造可能である。本発明の方法により得られるホログラムパターンの配列は、従来のホログラムパターンとは異なっており、平面上にランダムに分布された１セットの要素のように見えるかもしれないが、かかる要素の位置は、所定の作業を達成するのに最適である。

本発明は特定の実施形態を参照して記載してあるが、かかる実施形態は本発明の適用分野を制限するように解釈されるべきでないこと、並びにあらゆる変更および修正が可能であることは理解されるであろう。但し、かかる変更および修正が添付の特許請求の範囲から逸脱しないことを条件とする。例えば、平面光学要素の選択は、平面レーザーダイオード、平面半導体増幅器並びに平面半導体受光部に限定されるものではなく、平面光学変調回路、吸収体などの他の要素を含んでもよい。相互接続されたホログラムパターンのパターン要素は、円形、楕円形、あるいはその他の形状であってもよい。基板は、ＩｎＰＧａＡｓ以外の半導体素材で形成されてもよい。

Claims (17)

1. 平面構造体を通過する光波をディジタル的に処理する方法であって、
   前記平面構造体は既知の関数であるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）を有し、光伝搬／配光層と、前記光伝搬／配光層にホログラムパターンを有する複数の相互接続したパターン要素と、前記光伝搬／配光層上に所定のパターンで配列された複数の平面光学要素とからなり、
   逆問題を解決する方法によって、既知の関数であるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）に基づき、ホログラムパターンを有する前記相互接続したパターン要素の位置と形状を計算するステップであって、前記相互接続したパターン要素は、前記光伝搬／配光層とは異なる屈折率を有する、ステップと、
   前記計算の結果に基づいて、前記ホログラムパターンを有する前記相互接続したパターン要素を製造するステップと、
   前記連続関数を、フーリエ級数展開の結果として、有限数（ｎ，ｍ、ｕ，ｖ）の値を提供することによりディジタル化するステップ：
   

   

   および
   

   

   （式中、ｋ_ｎは到来波の波動ベクトルであり、ｒ_ｕは入射ポート番号ｕから現在点までの距離であり、ｋ_ｍは出射波の波動ベクトルであり、ｒ_ｖは出射ポート番号ｖから現在点までの距離である）と、
   関数f_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）を関数f_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）へ変換するために、前記取得されたディジタル化平面ホログラムパターンを使用するステップとからなる、方法。
2. 製造がマイクロリソグラフィとナノプリンティングから選択される方法によって行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記計算ステップが、前記ホログラムパターンに従って前記平面構造体を通って伝搬する光ビームの方向および特性を制御するため、前記光伝搬／配光層の実効屈折率とは異なる、前記ホログラムパターンの相互接続パターン要素の実効屈折率を使用するために、前記平面構造体の実効屈折率をΔｎ（ｘ、ｙ）変化させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記平面構造体の実効屈折率の変化Δｎ（ｘ、ｙ）が、以下の式に従って行われる：
   

   

   （式中、f_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）は上で定義された通り）、請求項３に記載の方法。
5. 前記実効屈折率の変化Δｎ（ｘ、ｙ）が、製造を簡略化するため、２段階の２値関数によって近似される、請求項４に記載の方法。
6. 前記ホログラムパターンの相互接続パターン要素が、長方形ダッシュの形に作られる、請求項５に記載の方法。
7. 前記平面光学要素が、平面レーザーダイオード、平面半導体増幅器および平面半導体受光部から選択される、請求項５に記載の方法。
8. ディジタル平面ホログラフィに基づくホログラムパターンを有する集積平面光学装置であって、半導体基板と、前記半導体基板によって支持される下部クラッド層と、前記半導体基板によって支持される複数の平面光学要素と、光伝搬／配光層であり、前記下部クラッド層により支持され、前記平面光学要素への光およびそれからの光を伝搬する能力のある光伝搬／配光層と、ホログラムパターンの相互接続パターン要素であり、前記光伝搬／配光層に位置し、前記ホログラムパターンに従って前記平面光学要素へ伝搬される光ビームおよびそれから伝搬される光ビームの特性および方向を制御するための相互接続パターン要素とからなり、前記光伝搬／配光層は第一の屈折率および第二の屈折率を有し、前記光ビームの特性および方向を決定するため、前記第一の屈折率と前記第二の屈折率は異なっていることを特徴とする、集積平面光学装置。
9. 前記平面光学要素が、平面レーザーダイオード、平面半導体増幅器および平面半導体受光部から選択される、請求項８に記載の集積平面光学装置。
10. 前記光伝搬／配光層に位置するホログラムパターンの相互接続パターン要素の位置および形状は、既知の関数であるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）に基づき、逆問題を解決する方法で、以下の式に従って前記関数をディジタル化することにより計算され、
    

    

    および
    

    

    前記式には、フーリエ級数展開の結果として有限数（ｎ、ｍ、ｕ，ｖ）の値を提供する（式中、ｋ_ｎは到来波の波動ベクトルであり、ｒ_ｕは入射ポート番号ｕから現在点までの距離であり、ｋ_ｍは出射波の波動ベクトルであり、ｒ_ｖは出射ポート番号ｖから現在点までの距離である）、請求項８に記載の集積平面光学装置。
11. 前記光伝搬／配光層に位置するホログラムパターンの相互接続パターン要素の位置および形状は、既知の関数であるf_ｉｎ（ｘ，ｙ，ω）およびf_ｏｕｔ（ｘ，ｙ，ω）に基づき、逆問題を解決する方法で、以下の式に従って前記関数をディジタル化することにより計算され、
    

    

    および
    

    

    前記式には、フーリエ級数展開の結果として有限数（ｎ、ｍ、ｕ，ｖ）の値を提供する（式中、ｋ_ｎは到来波の波動ベクトルであり、ｒ_ｕは入射ポート番号ｕから現在点までの距離であり、ｋ_ｍは出射波の波動ベクトルであり、ｒ_ｖは出射ポート番号ｖから現在点までの距離である）、請求項９に記載の集積平面光学装置。
12. ホログラムパターンの相互接続パターン要素が、マイクロリソグラフィおよびナノプリンティングから選択される方法によって製造される、請求項８に記載の集積平面光学装置。
13. ホログラムパターンの相互接続パターン要素が、マイクロリソグラフィおよびナノプリンティングから選択される方法によって製造される、請求項１０に記載の集積平面光学装置。
14. ホログラムパターンの相互接続パターン要素が、マイクロリソグラフィおよびナノプリンティングから選択される方法によって製造される、請求項１１に記載の集積平面光学装置。
15. 前記ホログラムパターンの相互接続パターン要素は、長方形ダッシュの形で作られる、請求項１４に記載の集積平面光学装置。
16. 前記ホログラムパターンの相互接続パターン要素は、長方形ダッシュの形で作られる、請求項１０に記載の集積平面光学装置。
17. 前記ホログラムパターンの相互接続パターン要素は、長方形ダッシュの形で作られる、請求項１６に記載の集積平面光学装置。

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