JP2014530373A - Method and structure for coupling light into a waveguide - Google Patents
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Abstract
導波路内に光を結合する方法および構造(501,502)。上記方法は、導波路の導波路コア(501)の平面内に配置された結合スポット(503)内にナノサイズのすなわちサブミクロンの散乱素子を供給するステップ;結合スポットに光(504)を向けるステップ;および光を散乱素子での散乱にさらし、散乱光の少なくとも一部を導波路コア(501)に結合するステップを含む。【選択図】図5Method and structure for coupling light into a waveguide (501, 502). The method includes providing a nano-sized or sub-micron scattering element in a coupling spot (503) disposed in the plane of the waveguide core (501) of the waveguide; directing light (504) to the coupling spot And exposing the light to scattering by the scattering element and coupling at least a portion of the scattered light to the waveguide core (501). [Selection] Figure 5
Description
本発明は概して、導波路内に光を結合する方法及び構造に関する。 The present invention generally relates to a method and structure for coupling light into a waveguide.
発光素子又は受光素子と光導波路との間で光を結合する場合には、通常、光結合効率が低いという問題がある。光結合のための現在のアプローチのいくつかを以下に述べる。 When light is coupled between the light emitting element or the light receiving element and the optical waveguide, there is usually a problem that the optical coupling efficiency is low. Some of the current approaches for optical coupling are described below.
回折格子を用いて、回折によって光の方向を変え、入射光の角度を所望の方向に変えることができるようにしてきた。しかし、回折格子は特定の光波長に限られる。また、回折格子を利用する適用例においては、光源と導波路との間の結合効率は通常低い。結合効率を良好にするためには、高コストの統合技術を実施する必要がある。 A diffraction grating has been used to change the direction of light by diffraction and change the angle of incident light to a desired direction. However, the diffraction grating is limited to a specific light wavelength. In applications using a diffraction grating, the coupling efficiency between the light source and the waveguide is usually low. In order to improve the coupling efficiency, it is necessary to implement high-cost integration technology.
また、45度ミラーを用いて反射によって光の方向を90度変えるということも行われてきた。しかし、そのようなミラーを利用する適用例においては、光源と導波路との間の結合効率は通常低い。さらに、ミラーの角度の正確度、位置、及び表面平坦度は、結合効率に影響を及ぼす可能性がある。また、ミラー又は反射板同士の心合わせ(alignment)もまた問題であるということも理解される。特に、所望の結果を達成するうえで、ミラーの角度、したがってミラーの心合わせは非常に重要である。ミラーに関連するこのような問題は、導波路の寸法が小さくなると、例えば導波路の厚さが例えば50μmよりも小さくなると悪化する。 In addition, the direction of light is changed by 90 degrees by reflection using a 45-degree mirror. However, in applications utilizing such mirrors, the coupling efficiency between the light source and the waveguide is usually low. Furthermore, the angular accuracy, position, and surface flatness of the mirror can affect the coupling efficiency. It will also be appreciated that alignment between mirrors or reflectors is also a problem. In particular, the mirror angle, and thus the mirror alignment, is very important in achieving the desired result. Such problems associated with mirrors are exacerbated when the waveguide dimensions are reduced, for example, when the waveguide thickness is, for example, less than 50 μm.
導波路における伝搬定数と入射光における伝搬定数との間の位相整合に、高屈折率のプリズムを用いたプリズム結合法が用いられてきた。しかし、プリズムは通常高価であり、光結合には或る程度の心合わせがなおも必要である。伝搬モードを励起して光結合を促進するエバネッセント波法もまた用いられてきた。しかしそのような方法は例えば50μm未満の非常に薄い導波路を用い、通常効率的ではない。 A prism coupling method using a high refractive index prism has been used for phase matching between a propagation constant in a waveguide and a propagation constant in incident light. However, prisms are usually expensive and still require some degree of alignment for optical coupling. Evanescent wave methods have also been used that excite propagation modes to promote optical coupling. However, such methods use very thin waveguides, eg less than 50 μm, and are usually not efficient.
上記に鑑みて、上述の諸問題のうちの少なくとも1つに取り組もうとする、光を導波路内に結合する光結合の構造及び方法が必要とされている。 In view of the above, there is a need for an optical coupling structure and method for coupling light into a waveguide that attempts to address at least one of the problems described above.
本発明の第1の態様によれば、光を導波路内に結合する方法が提供される。前記方法は、前記導波路の導波路コアの平面内に配置された結合スポット(coupling spot)内にナノサイズのすなわちサブミクロンの散乱素子を供給するステップと、前記光を前記結合スポット内に向けるステップと、前記光を前記散乱素子での散乱にさらすステップであって、散乱光のうちの少なくとも一部が前記導波路コア内に結合するようにするステップとを含む。 According to a first aspect of the present invention, a method for coupling light into a waveguide is provided. The method includes providing a nano-sized or sub-micron scattering element in a coupling spot disposed in a plane of a waveguide core of the waveguide, and directing the light into the coupling spot. And exposing the light to scattering by the scattering element such that at least a portion of the scattered light is coupled into the waveguide core.
前記方法は、前記結合スポットの第1の境界で前記光又は前記散乱光を前記散乱素子に向け直すように反射することを更に含んでもよい。 The method may further include reflecting the light or the scattered light to redirect the scattering element at the first boundary of the combined spot.
前記方法は、前記結合スポットの第2の境界で前記反射光を前記散乱素子に向け直すように反射することを更に含んでもよい。 The method may further comprise reflecting the reflected light to redirect the scattering element at a second boundary of the combined spot.
前記第1の境界及び前記第2の境界は、前記導波路コアの互いに対向する面のそれぞれの平面内に配置してもよい。 The first boundary and the second boundary may be arranged in respective planes of mutually facing surfaces of the waveguide core.
前記第2の境界での反射に用いるミラーは、前記光を前記結合スポット内に向ける開口部を含んでもよい。 The mirror used for reflection at the second boundary may include an opening for directing the light into the coupling spot.
前記第1の境界及び前記第2の境界は、キャビティ共振が前記光の波長に整合するよう構成された光学キャビティを形成してもよい。 The first boundary and the second boundary may form an optical cavity configured to match cavity resonance to the wavelength of the light.
前記散乱素子は、双極又は多極共振が前記光の波長に整合するよう構成されてもよい。 The scattering element may be configured such that dipole or multipolar resonance matches the wavelength of the light.
前記方法は、前記光を前記散乱素子での散乱にさらすことであって、前記散乱光のうちの少なくともそれぞれの部分が前記導波路のそれぞれの複数の導波路コア部分内に結合するようにすることを含んでもよい。 The method is to subject the light to scattering at the scattering element such that at least a respective portion of the scattered light is coupled into a respective plurality of waveguide core portions of the waveguide. You may include that.
前記複数の導波路コア部分は、前記結合スポットの回りに星型形状に配置してもよい。 The plurality of waveguide core portions may be arranged in a star shape around the coupling spot.
前記方法は、前記光を前記結合スポット内に向ける結合ユニットを用いることを更に含んでもよい。 The method may further comprise using a coupling unit that directs the light into the coupling spot.
前記結合ユニットは、前記光を平行化する平行化素子を含んでもよい。 The coupling unit may include a collimating element that collimates the light.
前記結合ユニットは、前記光の焦点を前記結合スポット内に合わせる合焦素子を含んでもよい。 The coupling unit may include a focusing element that focuses the light in the coupling spot.
本発明の第2の態様によれば、光を導波路内に結合する構造が提供される。前記構造は、前記導波路の導波路コアの平面内に配置された結合スポット内のナノサイズのすなわちサブミクロンの散乱素子を含み、前記散乱素子は、散乱によって前記光のうちの少なくとも一部を前記導波路コア内に結合するよう構成されている。 According to a second aspect of the present invention, a structure for coupling light into a waveguide is provided. The structure includes a nano-sized or sub-micron scattering element in a coupling spot disposed in the plane of the waveguide core of the waveguide, the scattering element taking at least a portion of the light by scattering. It is configured to couple into the waveguide core.
前記構造は、前記結合スポットの第1の境界で前記光又は前記散乱光を前記散乱素子に向け直すように反射する手段を更に含んでもよい。 The structure may further include means for reflecting the light or the scattered light to redirect it to the scattering element at a first boundary of the coupling spot.
前記構造は、前記結合スポットの第2の境界で前記反射光を前記散乱素子に向け直すように反射する手段を更に含んでもよい。 The structure may further include means for reflecting the reflected light to redirect it to the scattering element at a second boundary of the coupling spot.
前記第1の境界及び前記第2の境界は、前記導波路コアの互いに対向する面のそれぞれの平面内に配置してもよい。 The first boundary and the second boundary may be arranged in respective planes of mutually facing surfaces of the waveguide core.
前記第2の境界における前記反射する手段は、前記光を前記結合スポット内に向ける開口部を含んでもよい。 The means for reflecting at the second boundary may include an opening that directs the light into the combined spot.
前記第1の境界及び前記第2の境界は、キャビティ共振が前記光の波長に整合するよう構成された光学キャビティを形成してもよい。 The first boundary and the second boundary may form an optical cavity configured to match cavity resonance to the wavelength of the light.
前記散乱素子は、双極又は多極共振が前記光の波長に整合するよう構成されてもよい。 The scattering element may be configured such that dipole or multipolar resonance matches the wavelength of the light.
前記構造は、前記導波路の複数の導波路コア部分を含んでもよく、前記構造は、前記散乱光のうちの少なくともそれぞれの部分が前記それぞれの複数の導波路コア部分内に結合するよう構成されている。 The structure may include a plurality of waveguide core portions of the waveguide, and the structure is configured such that at least each portion of the scattered light is coupled into the respective plurality of waveguide core portions. ing.
前記複数の導波路コア部分は、前記結合スポットの回りに星型形状に配置してもよい。 The plurality of waveguide core portions may be arranged in a star shape around the coupling spot.
前記構造は、前記光を前記結合スポット内に向ける結合ユニットを更に含んでもよい。 The structure may further include a coupling unit that directs the light into the coupling spot.
前記結合ユニットは、前記光を平行化する平行化素子を含んでもよい。 The coupling unit may include a collimating element that collimates the light.
前記結合ユニットは、前記光の焦点を前記結合スポット内に合わせる合焦素子を含んでもよい。 The coupling unit may include a focusing element that focuses the light in the coupling spot.
前記結合スポットの材料は、前記導波路コアの材料と同じであるか又は光学的に整合していてもよい。 The material of the coupling spot may be the same as the material of the waveguide core or may be optically aligned.
前記散乱素子の材料は、前記導波路コアの前記材料と異なっていてもよい。 The material of the scattering element may be different from the material of the waveguide core.
例示の目的のみのための、図面と組み合わせた、以下の書面による説明から、本発明の実施形態は当業者にはより理解され容易に明白となろう。 Embodiments of the invention will be more readily understood and readily apparent to those skilled in the art from the following written description, taken in conjunction with the drawings, for illustration purposes only.
説明する例示的実施形態は、例えばポリマー導波路のコアにおける局所的領域において例えば直径が1μmよりも小さい1つ又は複数のナノサイズのすなわちサブミクロンの散乱中心を配置する。散乱中心を含む局所的領域は、散乱スポット又は散乱体積と呼んでもよい。 The described exemplary embodiment places one or more nano-sized or sub-micron scattering centers, for example with a diameter of less than 1 μm, for example in a local region in the core of the polymer waveguide. The local region containing the scattering center may be referred to as a scattering spot or scattering volume.
例示的一実施形態において、外部光源からの入射光が導波路を通過すると、光は散乱中心によって散乱し、入射光の軌道が変わって導波路の領域内を伝搬し、光結合がなされるようになっている。 In an exemplary embodiment, when incident light from an external light source passes through the waveguide, the light is scattered by the scattering center, changing the trajectory of the incident light and propagating in the region of the waveguide for optical coupling. It has become.
同様に、異なる実施形態において、導波路内を伝搬する光は、散乱中心を含む散乱スポットによって導波路を出て結合することができる。 Similarly, in different embodiments, light propagating in the waveguide can be coupled out of the waveguide by a scattering spot that includes a scattering center.
例示的実施形態において、散乱中心は屈折率がポリマー導波路のコアの材料の屈折率に近いポリマーマトリックス内に拡散している。ポリマーマトリックスを形成するポリマー材料はいかなる材料であってもよいが、好ましくは以下に説明する基準を満たす。 In the exemplary embodiment, the scattering centers are diffused in a polymer matrix whose refractive index is close to the refractive index of the core material of the polymer waveguide. The polymer material forming the polymer matrix may be any material, but preferably meets the criteria described below.
導波路内の拡散した散乱中心は、ナノ粒子サイズの分布、濃度勾配、又は材料構成等、特有の構成に依拠して光を散乱させる(すなわち、再放射する)。例えば、ナノ粒子散乱体の特有の構成に依拠して、散乱は等方性であっても方向性(異方性)があってもよい。 Diffused scattering centers in the waveguide scatter (ie re-radiate) light depending on a specific configuration, such as a nanoparticle size distribution, concentration gradient, or material configuration. For example, depending on the specific configuration of the nanoparticle scatterer, the scattering may be isotropic or directional (anisotropic).
光を導波路内に結合する光散乱のいくつかの例示的実施形態は、以下のようなものである。 Some exemplary embodiments of light scattering that couple light into the waveguide are as follows.
第1の例示的実施形態(シングルパス)を図1に示し、この第1の例示的実施形態は、導波路コア101、導波路クラッディング102、及び光結合スポット103を含む。シミュレーションを行って、導波路コアの厚さ(t)、光結合スポットの直径(d)、粒子数密度(N)、及び粒子半径(r)等の構造パラメーター同士の間の関係を観察した。光結合スポット103は、本実施形態においては導波路コア101の材料と散乱粒子とのマトリックスを含む。633nmという例示的波長における導波路コア101、クラッディング102、及び粒子の屈折率は、それぞれ1.5918、1.5389、及び2.87である。シミュレーションパラメーターの範囲は表1に挙げている。用いる支配方程式において用いる係数の詳細は、以下で詳細に説明するが、さらに下の表4に挙げている。t=20μm、d=1000μm、r=150nmの場合の光結合効率をシミュレーションしたものを図2に示す。この条件では、約1%の結合効率を達成することができる。 A first exemplary embodiment (single pass) is shown in FIG. 1, and this first exemplary embodiment includes a waveguide core 101, a waveguide cladding 102, and an optical coupling spot 103. Simulations were performed to observe the relationships among structural parameters such as waveguide core thickness (t), optical coupling spot diameter (d), particle number density (N), and particle radius (r). In this embodiment, the optical coupling spot 103 includes a matrix of the waveguide core 101 material and scattering particles. The refractive indices of waveguide core 101, cladding 102, and particles at an exemplary wavelength of 633 nm are 1.5918, 1.5389, and 2.87, respectively. The range of simulation parameters is listed in Table 1. Details of the coefficients used in the governing equations used are described in detail below and are further listed in Table 4 below. FIG. 2 shows a simulation of optical coupling efficiency when t = 20 μm, d = 1000 μm, and r = 150 nm. Under this condition, a coupling efficiency of about 1% can be achieved.
別の例示的実施形態(ダブルパス)を図3に示し、この例示的実施形態は、導波路コア301、導波路クラッディング302、光結合スポット303、及び反射ミラー306を含む。シミュレーションを行って、導波路コアの厚さ(t)、光結合スポットの直径(d)、粒子数密度(N)、及び粒子半径(r)等の構造パラメーター同士の関係を観察した。光結合スポット303は、本実施形態においては導波路コアの材料と散乱粒子とのマトリックスを含む。633nmという例示的波長における導波路コア301、クラッディング302、及び粒子の屈折率は、それぞれ1.5918、1.5389、及び2.87である。シミュレーションパラメーターの範囲は表2に挙げている。支配方程式において用いる係数の詳細は、表4に挙げている。t=20μm、d=1000μm、及びr=150nmの場合の光結合効率をシミュレーションしたものを図4に示す。この条件では、約3%の結合効率を達成することができる。 Another exemplary embodiment (double path) is shown in FIG. 3, which includes a waveguide core 301, a waveguide cladding 302, an optical coupling spot 303, and a reflective mirror 306. A simulation was performed to observe the relationship among the structural parameters such as the thickness (t) of the waveguide core, the diameter (d) of the optical coupling spot, the particle number density (N), and the particle radius (r). In this embodiment, the optical coupling spot 303 includes a matrix of waveguide core material and scattering particles. The refractive indices of waveguide core 301, cladding 302, and particles at an exemplary wavelength of 633 nm are 1.5918, 1.5389, and 2.87, respectively. The range of simulation parameters is listed in Table 2. Details of the coefficients used in the governing equations are listed in Table 4. FIG. 4 shows a simulation result of the optical coupling efficiency when t = 20 μm, d = 1000 μm, and r = 150 nm. Under this condition, a coupling efficiency of about 3% can be achieved.
他の例示的実施形態(マルチパス)を図5に示し、この例示的実施形態は、導波路コア501、導波路クラッディング502、光結合スポット503、反射ミラー506、反射面を有する開口部507、及び集光レンズ508を含む。シミュレーションを行って、導波路コアの厚さ(t)、光結合スポットの直径(d)、粒子数密度(N)、及び粒子半径(r)等の構造パラメーター同士の関係を観察した。光結合スポットは、本実施形態においては導波路コアの材料と散乱粒子とのマトリックスを含む。633nmという例示的波長における導波路コア501、クラッディング502、及び粒子の屈折率は、それぞれ1.5918、1.5389、及び2.87である。開口部507の直径は約250μmに固定されている。集光レンズ508と結合スポット503の頂面との間の距離(D)、集光レンズ508の曲率(R)、及びその他すべてのシミュレーションパラメーターの範囲は表3に挙げている。支配方程式において用いる係数の詳細は、表4に挙げている。t=20μm、d=1000μm、r=150nm、D=1.62mm、及びR=1.88mmの場合の光結合効率をシミュレーションしたものを図6に示す。この条件では、約4.2%の結合効率を達成することができる。開口部507は、他のミラーとして効果的に働き、或る角度で散乱した光を反射するが、本実施形態においては共鳴の機能は果たさない。 Another exemplary embodiment (multipath) is shown in FIG. 5, which includes a waveguide core 501, a waveguide cladding 502, an optical coupling spot 503, a reflective mirror 506, and an opening 507 having a reflective surface. , And a condensing lens 508. A simulation was performed to observe the relationship among the structural parameters such as the thickness (t) of the waveguide core, the diameter (d) of the optical coupling spot, the particle number density (N), and the particle radius (r). The optical coupling spot in this embodiment includes a matrix of waveguide core material and scattering particles. The refractive indices of the waveguide core 501, cladding 502, and particles at an exemplary wavelength of 633 nm are 1.5918, 1.5389, and 2.87, respectively. The diameter of the opening 507 is fixed to about 250 μm. Table 3 lists the ranges of the distance (D) between the condenser lens 508 and the top surface of the coupling spot 503, the curvature (R) of the condenser lens 508, and all other simulation parameters. Details of the coefficients used in the governing equations are listed in Table 4. FIG. 6 shows a simulation of optical coupling efficiency when t = 20 μm, d = 1000 μm, r = 150 nm, D = 1.62 mm, and R = 1.88 mm. Under this condition, a coupling efficiency of about 4.2% can be achieved. The opening 507 effectively functions as another mirror and reflects light scattered at a certain angle, but does not function as a resonance in this embodiment.
図7a及び図7bに示す他の例示的実施形態(双極又は多極共振)において、結合スポット703内で散乱体に入射する光700は、ナノ粒子の双極共振(又は多極)波長に整合するよう選択される。この共振条件は、ナノ粒子散乱体のサイズ及び材料によって決まる。一方ではナノ粒子の双極共振(又は多極)波長に整合するよう選択された入射光700と、ナノ粒子の双極共振(又は多極)波長に整合していない入射光708とについての、それぞれ図7a及び図7bにおける結合光強度グラフ704、706の比較によって示されるように、ナノ粒子散乱体の散乱効率は、入力光700の波長がナノ粒子散乱体の波長と整合すると高めることができる。本明細書において説明する実施形態にこの仕組みを組み合わせて、それぞれの場合についての散乱効率を改善することができる。 In another exemplary embodiment shown in FIGS. 7a and 7b (bipolar or multipolar resonance), the light 700 incident on the scatterer within the coupling spot 703 is matched to the bipolar resonance (or multipole) wavelength of the nanoparticle. Selected. This resonance condition depends on the size and material of the nanoparticle scatterer. On the one hand, an incident light 700 selected to match the bipolar resonance (or multipole) wavelength of the nanoparticle and an incident light 708 that is not matched to the bipolar resonance (or multipole) wavelength of the nanoparticle, respectively. As shown by a comparison of the combined light intensity graphs 704, 706 in 7a and 7b, the scattering efficiency of the nanoparticle scatterer can be increased when the wavelength of the input light 700 matches the wavelength of the nanoparticle scatterer. This mechanism can be combined with the embodiments described herein to improve the scattering efficiency for each case.
他の例示的実施形態(キャビティマルチパス)において、光学キャビティを実施してもよい。ナノ粒子は好ましくは入射光の波長で共振し、更に好ましくは光学キャビティとも共振する。この場合散乱効率は、全体のシステムとしての、入射光と、光学共振キャビティと、双極ナノ粒子との間の相互作用によって決まる。ナノ粒子と光学キャビティとの共振が単一の波長に「調整」されれば、最高の散乱効率を達成することができる。図7cに示すように、ナノ粒子720は、入射光722の波長範囲内の波長で共振する。他方、図7dに示す結合スポット733における光学キャビティ724は、光を捕えて1つ又は複数の波長で共振することができる。一実施形態における組み合わせにおいて、ナノ粒子の共振波長と整合する波長λresの入射光725を入力光源が生成し、λresが結合スポット733の共振波長の複数のキャビティ724のうちの1つであるとき、図7eにおいて結合光を結合するグラフ726で示すように、全体的な散乱効率は好ましく最大化することができる。本実施形態において、光学キャビティ724は、導波路コア730上に形成される二方向ミラー728と底部クラッディングすなわち基板732上に形成されるミラー731とによって形成される。例示的一実施形態において、ミラー731は金属ミラーであり、好ましくは、はっきりわかるような吸収は何らすることなく広帯域で高度に反射する表面を提供する。完全に反射する金属クラッディングすなわち基板732であれば、その結果損失の大きい導波路になる可能性があるので、本実施形態において底部ミラー731は好ましくはキャビティ724の領域に局所化している。代替の実施形態において、光の損失が許容できる場合には、基板すなわちクラッディング732は反射性の金属層であってもよく、したがって底部ミラー731の機能も組み込む。二方向ミラー728は、一実施形態において例えば、部分的に反射するブラッグ格子として実施することができる。 In another exemplary embodiment (cavity multipass), an optical cavity may be implemented. The nanoparticles preferably resonate at the wavelength of the incident light, and more preferably resonate with the optical cavity. In this case, the scattering efficiency is determined by the interaction between the incident light, the optical resonant cavity and the bipolar nanoparticles as a whole system. The highest scattering efficiency can be achieved if the resonance between the nanoparticles and the optical cavity is “tuned” to a single wavelength. As shown in FIG. 7 c, nanoparticles 720 resonate at a wavelength within the wavelength range of incident light 722. On the other hand, the optical cavity 724 in the coupling spot 733 shown in FIG. 7d can capture light and resonate at one or more wavelengths. In a combination in one embodiment, the input light source generates incident light 725 with a wavelength λ res that matches the resonant wavelength of the nanoparticles, where λ res is one of a plurality of cavities 724 at the resonant wavelength of the coupling spot 733. Sometimes, the overall scattering efficiency can preferably be maximized, as shown by the graph 726 coupling the coupled light in FIG. 7e. In this embodiment, the optical cavity 724 is formed by a two-way mirror 728 formed on the waveguide core 730 and a bottom cladding or mirror 731 formed on the substrate 732. In one exemplary embodiment, the mirror 731 is a metal mirror, preferably providing a broadband and highly reflective surface with no appreciable absorption. A fully reflective metal cladding or substrate 732 can result in a lossy waveguide, so the bottom mirror 731 is preferably localized in the region of the cavity 724 in this embodiment. In an alternative embodiment, if light loss is acceptable, the substrate or cladding 732 may be a reflective metal layer and thus also incorporate the functionality of the bottom mirror 731. The bi-directional mirror 728 can be implemented, for example, as a partially reflective Bragg grating in one embodiment.
他の実施形態において、キャビティはナノ散乱体の共振に整合することなく実施することができることに留意されたい。 Note that in other embodiments, the cavity can be implemented without matching the resonances of the nanoscatterer.
ホスト媒質における散乱中心は、好ましくはホストポリマーとは屈折率にかなりの差がある。例えば、例示的実施形態において、ポリマーの屈折率は1.59であるのに対し、散乱体の屈折率は約2.87である。例示的実施形態において、ナノ散乱体のサイズとその屈折率のホスト媒質との差との組み合わせによって、散乱光の方向性と量とが決まる。例としては、二酸化チタン(TiO2)、二酸化ケイ素(SiO2)、ダイヤモンド、ケイ素、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化アルミニウム(Al2O3)等のナノ粒子の形の無機ナノ散乱体;金、銀、アルミニウム、クロム、白金等の金属ナノ粒子;又はポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリイミド等の有機散乱体が挙げられる。他の例示的実施形態において、ポリマーマトリックス内のナノサイズのすなわちサブミクロンの気泡もまた、光を導波路内に結合する散乱体の役割を果たすことができる。 The scattering center in the host medium is preferably significantly different in refractive index from the host polymer. For example, in an exemplary embodiment, the refractive index of the polymer is 1.59, while the refractive index of the scatterer is about 2.87. In an exemplary embodiment, the combination of the size of the nanoscatterer and the difference between its refractive index and the host medium determines the direction and amount of scattered light. Examples include titanium dioxide (TiO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), diamond, silicon, silicon nitride (Si 3 N 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) inorganic nano-scatterers in the form of nanoparticles; metal nanoparticles such as gold, silver, aluminum, chromium, platinum; or organic scatterers such as polystyrene, polymethyl methacrylate, polycarbonate, polyimide, and the like. In other exemplary embodiments, nano-sized or sub-micron bubbles in the polymer matrix can also serve as scatterers that couple light into the waveguide.
例示的実施形態において散乱をベースにした結合メカニズムを利用する利点の1つは、光源と結合スポットとの間の機械的心合わせの許容誤差がかなり下がるということである。結合スポットは、例えば直径が数百ミクロンから数ミリメートルであってもよく、厚さが例えば約数ミクロン程度の導波路内に光を結合してもよい。このように心合わせの許容誤差が緩和されると、光源を平面導波路に心合わせするのに伴う実際のコストを検討するときには利点とすることができる。 One advantage of utilizing a scattering-based coupling mechanism in the exemplary embodiment is that the mechanical alignment tolerance between the light source and the coupling spot is significantly reduced. The coupling spot may be several hundred microns to several millimeters in diameter, for example, and may couple light into a waveguide having a thickness on the order of, for example, a few microns. This relaxed alignment tolerance can be an advantage when considering the actual costs associated with aligning the light source with the planar waveguide.
光導波路については、伝搬角度は導波路構成の臨界角によって規定される。導波路の伝搬角度は臨界角よりも大きくあるべきであり、次式のように表すことができる。
本明細書において説明するキャビティマルチパスの実施形態に関して、キャビティから導波路内に結合されるパワーの合計は、散乱体の分布が異なると変わる。この結合されるパワーの平均は、次式のように表すことができる。
ここで、f(z)は光学キャビティ内のナノ散乱体の分布関数であり、光学キャビティにおけるナノ散乱体の多くの分布にわたって平均が取られる。 Where f (z) is the distribution function of the nano scatterers in the optical cavity and is averaged over many distributions of nano scatterers in the optical cavity.
上述において、発明者らは上述の分析におけるパーセル効果(Purcell factor enhancement)は無視している。なぜなら、例示的実施形態において検討するQ/Vの値が非常に小さいからである。ただしQ及びVはそれぞれ、光学キャビティの品質値(quality factor)及びモード体積である。例示的実施形態における光学キャビティについては、最善でも、部分的なミラーとナノ散乱体による損失によって制限されるので、Q/Vは数十から数百程度であり、これは通常の光学キャビティでは非常に低い。この場合、光学キャビティ内で散乱が優先される方向はなく、さらなる閉じ込め構造がなければ、ナノ散乱体による光の散乱は、その個々の散乱パターンによって決まる。 In the above, the inventors ignore the Purcell factor enhancement in the above analysis. This is because the value of Q / V considered in the exemplary embodiment is very small. Where Q and V are the optical cavity quality factor and mode volume, respectively. For the optical cavity in the exemplary embodiment, the Q / V is on the order of tens to hundreds, which is best limited by losses due to partial mirrors and nanoscatterers, which is very high for a typical optical cavity. Very low. In this case, there is no preferred direction of scattering within the optical cavity, and without additional confinement structures, the scattering of light by the nanoscatterer depends on its individual scattering pattern.
さらに、ナノ散乱体が加わっているために、光学キャビティ内の媒質の屈折率が変化し、その変化は共振波長のシフトとして現れる。このシフトは、マクスウェル−ガーネットの有効媒質理論によって概算することができる。これは、ナノ含有物の存在により媒質の一様な屈折率が変化することを考慮に入れている。この屈折率の変化は次式のように表すことができる。
散乱光の放射パターン及び偏光特性のために、入射光504は好ましくはs偏光され、ナノ散乱体による散乱光が、入射光504に対し垂直な方向に向いた導波路505内に光を結合するのに好ましい放射パターンを有するようにする。また、散乱光の偏光特性により、導波路505内に結合された光は、導波路内の光の伝搬方向に関して優先的にp偏光される。 Due to the radiation pattern and polarization characteristics of the scattered light, the incident light 504 is preferably s-polarized and the light scattered by the nanoscatterer couples the light into the waveguide 505 oriented in a direction perpendicular to the incident light 504. Therefore, it has a preferable radiation pattern. Further, the light coupled into the waveguide 505 is preferentially p-polarized with respect to the propagation direction of the light in the waveguide due to the polarization characteristics of the scattered light.
例示的実施形態における結合スポットは、いかなる材料でできたナノ粒子を含んでもよい。ナノ粒子のサイズは、以下に詳細に説明する支配方程式が規定する好ましい範囲を有する。粒子をポリマーマトリックス内に一様に拡散するために、ナノ粒子の表面を化学的に改質してもよい。相分離を用いることにより非混和性の2つ以上のポリマー材料を混合することによって、エマルジョン等のミルク状材料を作成してもよい。 The binding spot in the exemplary embodiment may include nanoparticles made of any material. The size of the nanoparticles has a preferred range defined by the governing equations described in detail below. The surface of the nanoparticles may be chemically modified to uniformly diffuse the particles into the polymer matrix. Milk-like materials such as emulsions may be made by mixing two or more immiscible polymer materials by using phase separation.
その中にナノ粒子が配置されるマトリックスのポリマーについては、導波路コアと屈折率が近いか又は等しいいかなる材料を選択してもよい。ポリマーの光学透明度は80%/cmよりも大きいことが好ましいが、それよりも低い光学透明度も可能である。簡単なリソグラフィ工程又は紫外線成形工程には、紫外線硬化特性が好ましい。高温特性については、150℃よりも高いTg(ガラス転移温度)が好ましい。 For the matrix polymer in which the nanoparticles are placed, any material with a refractive index close to or equal to the waveguide core may be selected. The polymer optical transparency is preferably greater than 80% / cm, although lower optical transparency is possible. UV curable properties are preferred for simple lithography processes or UV molding processes. For high temperature properties, a T g (glass transition temperature) higher than 150 ° C. is preferred.
一実施形態において、ポリマー溶液(溶剤にポリマーが溶ける)へのナノ粒子の分散度を上げるために、用いるポリマーマトリックスのモノマー成分を導入すること、又は溶剤へのナノ粒子の分散度を上げるために、疎水/親水特性を変更すること等によって、ナノ粒子の表面が化学的に改質される。 In one embodiment, to increase the dispersity of the nanoparticles in the polymer solution (the polymer is soluble in the solvent), to introduce the monomer component of the polymer matrix used, or to increase the dispersibility of the nanoparticles in the solvent The surface of the nanoparticles is chemically modified, such as by changing hydrophobic / hydrophilic properties.
処理を施したナノ粒子は、ポリマーの溶剤を介してポリマー溶液内に分散する。 The treated nanoparticles are dispersed in the polymer solution via a polymer solvent.
ナノ粒子が分散したポリマー溶液は、指定された領域上に配置される。この領域は、例示的実施形態において底部クラッディングの表面と導波路コアの側面とによって規定される。 The polymer solution in which the nanoparticles are dispersed is disposed on a designated region. This region is defined in the exemplary embodiment by the surface of the bottom cladding and the sides of the waveguide core.
ポリマー溶液は、光硬化法、熱硬化法、又は乾燥法によって固化される。 The polymer solution is solidified by a photocuring method, a heat curing method, or a drying method.
例示的実施形態において、効率的な光結合を行うために、結合スポットの直径は500ミクロンよりも大きいことが好ましい。直径が500ミクロンよりも小さい場合は、適切な心合わせの仕組みを利用することによって所望の性能を達成することができる。結合スポットの厚さ(深さ)は、実質的に導波路の厚さによって決まる。 In an exemplary embodiment, the coupling spot diameter is preferably greater than 500 microns for efficient optical coupling. If the diameter is less than 500 microns, the desired performance can be achieved by utilizing an appropriate centering mechanism. The thickness (depth) of the coupling spot is substantially determined by the thickness of the waveguide.
上述のように、ダブルパス、マルチパス、及びキャビティマルチパスについては、導波路クラッディングの表面上に反射ミラーを配置してもよい。さらに、マルチパスについては、導波路コアの表面上に反射ミラー、例えば金属ミラー/開口部も配置してもよい。さらに、キャビティマルチパスについては、導波路コアの表面上に部分的に反射するミラー、例えばブラッグ格子を配置してもよい。 As described above, a reflective mirror may be disposed on the surface of the waveguide cladding for double path, multipath, and cavity multipath. Furthermore, for multipath, a reflective mirror, such as a metal mirror / opening, may also be placed on the surface of the waveguide core. Further, for cavity multipath, a partially reflecting mirror such as a Bragg grating may be disposed on the surface of the waveguide core.
例示的実施形態におけるポリマー導波路については、コアの材料の屈折率がクラッディングの材料よりも高ければ、いかなる材料を選択してもよい。ポリマーの光学透明度は、80%/cmよりも大きいことが好ましい。簡単なリソグラフィ工程又は紫外線成形工程には、紫外線硬化特性が好ましい。高温特性については、約150℃よりも高いTg(ガラス転移温度)及び低い熱膨張係数(CTE)が好ましい。 For the polymer waveguide in the exemplary embodiment, any material may be selected as long as the refractive index of the core material is higher than the cladding material. The optical transparency of the polymer is preferably greater than 80% / cm. UV curable properties are preferred for simple lithography processes or UV molding processes. For high temperature properties, a T g (glass transition temperature) higher than about 150 ° C. and a low coefficient of thermal expansion (CTE) are preferred.
例示的実施形態において、入射光として偏光を用いない限り、入射光は結合スポットにおいて等方的に散乱される。したがって、散乱光を導波路内に効果的に結合するために、散乱光を受け取る導波路コアは、「星型」等、中心としての光結合スポットから放射状に配置してもよく、「楕円型」等合焦構造を有してもよい。 In the exemplary embodiment, the incident light is scattered isotropically at the combined spot unless polarized light is used as the incident light. Therefore, in order to effectively couple the scattered light into the waveguide, the waveguide core that receives the scattered light may be arranged radially from the optical coupling spot as the center, such as a “star shape”. And so on.
図8は、楕円型合焦構造を示す本発明の例示的実施形態の上面図を示す。図8に示すように、結合スポットは焦点Fに配置されている。別の焦点F’も示す。
長軸(x)の方向は、導波路の伝搬方向である。図8に示すように、一方の焦点から発する光は、楕円800の合焦特性とコア802/クラッディング804の界面の全内部反射特性に基づいて、他方の焦点に集まる。入射角θPが臨界角θc=sin−1(n0/n1)よりも大きい場合、合焦構造の界面はミラーとして作用する。局所点Fの結合スポットから発する光は、結合構造の界面によって反射され、反射光は次に他方の局所点F’に集まる。 The direction of the long axis (x) is the propagation direction of the waveguide. As shown in FIG. 8, the light emitted from one focal point is collected at the other focal point based on the focusing characteristic of the ellipse 800 and the total internal reflection characteristic of the interface of the core 802 / cladding 804. When the incident angle θ P is larger than the critical angle θ c = sin −1 (n 0 / n 1 ), the interface of the focusing structure acts as a mirror. The light emitted from the coupling spot at the local point F is reflected by the interface of the coupling structure, and the reflected light then collects at the other local point F ′.
全内部反射の有効表面範囲は次式のように計算することができる。 The effective surface area of total internal reflection can be calculated as:
点
入射角θPは次式のように表される。
点
したがって、次式が成り立つ。
他方、θguideは全内部反射条件を満たす。
この2つの計算式は、長軸と短軸の比を用いて次式のように書き直すことができる。
その結果、全内部反射の有効表面範囲は、式(14)及び式(15)によって定義される。a/b=4、n0=1、n1=1.5918の場合の、パラメーターtとこれらの式の左辺との関係を図9に示す。図9でわかるように、3つの曲線で区切られた網掛けの領域は、上記式(14)及び式(15)を満たすパラメーターtの値を示す。図9から、tの値が約30から165であれば、式(14)及び(15)を満たす。θFとtとの関係は次式のように表される。
tの値をθFで置き換えると、図9のグラフを図10に示すように描き直すことができる。3つの曲線で区切られた網掛けの領域からわかるように、本例において、散乱スポットからの散乱光の受け入れ角度は約5度〜100度である。 Replacing the value of t in theta F, it can be redrawn as shown in FIG. 10 to the graph of FIG. 9. As can be seen from the shaded area divided by the three curves, in this example, the acceptance angle of scattered light from the scattering spot is about 5 degrees to 100 degrees.
散乱スポットから散乱した光は全方向性であるので、光は1つ以上の導波路内へと散乱することができ、したがって導波路が捕捉する光の総和が最大になる。しかし、光の利用を最適化してそれぞれの導波路内に結合される光を最大にするために、導波路の数もまた最小限に保つべきであると思われる。したがって、結合する光の総和の最大化と、導波路の総数の最小化との釣り合いをとることが好ましい。 Since the light scattered from the scattering spot is omnidirectional, the light can be scattered into one or more waveguides, thus maximizing the sum of the light captured by the waveguides. However, it appears that the number of waveguides should also be kept to a minimum in order to optimize light utilization and maximize the light coupled into each waveguide. Therefore, it is preferable to balance the maximization of the total sum of light to be coupled with the minimization of the total number of waveguides.
図11は、2つの楕円面構造1100、1102を組み合わせて単一の散乱スポット1104からの光を2つの導波路チャネル1106、1108内に結合する例示的実施形態を示す。この例示的実施形態は、θFの有効最大値が90度と180度の間である場合に有用であり得る。同様に、θFの有効最大値が60度と90度の間である場合には、図12に示すように、3つの楕円面構造1200、1202、1204を組み合わせて散乱光を効果的に利用することができる。 FIG. 11 illustrates an exemplary embodiment that combines two ellipsoidal structures 1100, 1102 to couple light from a single scattered spot 1104 into two waveguide channels 1106, 1108. This exemplary embodiment may be useful when the effective maximum value of θ F is between 90 and 180 degrees. Similarly, when the effective maximum value of θ F is between 60 degrees and 90 degrees, as shown in FIG. 12, three elliptical structures 1200, 1202, 1204 are combined to effectively use scattered light. can do.
Δn=0.01(例としてn0=1.5818、n1=1.5918)等、屈折率の差が小さい場合には、計算式(16)を満たすθFの何らかの値を得るために、長軸と短軸の比は大きくなる。例えば、長軸と短軸の比が12である場合には、図13の網掛けの領域で示すように、θFの角度が3.5度と10.7度の間であれば計算式(16)を満たす。これは、結合構造が光結合について合計20度(−10度<θF<+10度)を有することができる、ということを意味する。したがって、図14に示すように、18チャネルの導波路を有する星型形状1400は、この屈折率の差に対して理想的な構造となり得る。 In order to obtain some value of θ F satisfying the calculation formula (16) when the difference in refractive index is small, such as Δn = 0.01 (for example, n 0 = 1.5818, n 1 = 1.5918). The ratio between the major axis and the minor axis is increased. For example, if the ratio of the major axis to the minor axis is 12, as shown by the shaded area in FIG. 13, if the angle of θ F is between 3.5 degrees and 10.7 degrees, the calculation formula Satisfies (16). This means that the coupling structure can have a total of 20 degrees for optical coupling (−10 degrees <θ F <+10 degrees). Therefore, as shown in FIG. 14, a star shape 1400 having an 18-channel waveguide can be an ideal structure for this difference in refractive index.
例示的実施形態における光導波路の製造については、いかなるポリマー材料を選択してもよいが、好ましくは、材料は動作波長において大きな伝搬損失を有さない。ポリマー材料を用いた導波路の製造方法を3つ、限定としてではなく例として以下に説明する。 For the manufacture of the optical waveguide in the exemplary embodiment, any polymer material may be selected, but preferably the material does not have a large propagation loss at the operating wavelength. Three methods of manufacturing waveguides using polymer materials are described below by way of example and not limitation.
フォトリソグラフィ:この場合、光マスクを介してポリマーの選択した部分を紫外光にさらすことによって、ポリマーを直接パターニングすることができる。ポリマーの露光領域は、紫外光にさらされると重合して、導波構造を規定する。 Photolithography: In this case, the polymer can be directly patterned by exposing selected portions of the polymer to ultraviolet light through a photomask. The exposed area of the polymer will polymerize when exposed to ultraviolet light to define the waveguide structure.
物理的エッチング:この方法では、真空容器内で好適なイオンをポリマーの選択した領域に物理的に打ち込むことによって、導波路構造が規定される。このエッチング工程は、反応性イオンエッチング(RIE)、誘導結合プラズマ(ICP)エッチング、イオンビームエッチング(IBE)、電子サイクロトロン共振(ECR)エッチング等を含むさまざまな方法で行うことができる。選択的エッチングについては、好ましくはマスクがパターニングを施すポリマーフィルムの上に作成される。このマスクは、パターニングを施した市販のフォトレジスト又はパターニングを施した二酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)等の硬質材料のどちらであってもよい。 Physical etching: In this method, the waveguide structure is defined by physically implanting suitable ions into selected areas of the polymer in a vacuum vessel. This etching process can be performed in various ways including reactive ion etching (RIE), inductively coupled plasma (ICP) etching, ion beam etching (IBE), electron cyclotron resonance (ECR) etching, and the like. For selective etching, preferably a mask is made on the polymer film to be patterned. This mask may be either a commercially available patterned photoresist or a hard material such as patterned silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
成形:この方法では、例えばフォトリソグラフィ、物理的エッチング、又は電子ビームリソグラフィ工程を用いて、導波路パターンの型がまず形成され、この型をポリマーで満たして選択量の温度及び圧力を加えることによって、導波路パターンを形成する。結果として得られる、コアポリマーでできた成形構造が、導波構造を規定する。型は、例えばニッケル、クロム等いかなる硬質金属でできた硬質の型であっても、PDMS、SU8等市販のポリマーで作成することができる軟質の型であってもよい。 Molding: In this method, a waveguide pattern mold is first formed, for example using a photolithographic, physical etching, or electron beam lithography process, by filling the mold with a polymer and applying a selected amount of temperature and pressure. A waveguide pattern is formed. The resulting molded structure made of the core polymer defines the waveguide structure. The mold may be a hard mold made of any hard metal such as nickel or chromium, or may be a soft mold that can be made of a commercially available polymer such as PDMS or SU8.
他の成形方法は、紫外線硬化性ポリマーを用いてそのポリマーを紫外線透過性の型を介して露光することによるものである。この場合マスクは、紫外線波長において透過的ないかなるポリマー又はガラス構造でできていてもよい。 Another molding method is by using an ultraviolet curable polymer and exposing the polymer through an ultraviolet transmissive mold. In this case, the mask may be made of any polymer or glass structure that is transparent at ultraviolet wavelengths.
図15に示すように、システムはさらに、例えばレーザーダイオード1501の形の、好ましくはレーザーダイオードである光源、平行化レンズ1502、集光レンズ1503、散乱体積/結合スポット1505に特定の直径の発散光線を提供する規定サイズの金属開口部1504、底部反射ミラー1506、光導波路コア1507、及び光導波路クラッディング1508を含んでもよい。好ましくは、光源1501は、400nmから2500nmまでの間の光周波数を提供することができ、可視光及び近赤外線のスペクトルをカバーする。 As shown in FIG. 15, the system further includes a light source, preferably a laser diode, for example in the form of a laser diode 1501, a collimating lens 1502, a condensing lens 1503, a diverging ray of a particular diameter in the scattering volume / combining spot 1505. A sized metal opening 1504, a bottom reflecting mirror 1506, an optical waveguide core 1507, and an optical waveguide cladding 1508 may be included. Preferably, the light source 1501 can provide an optical frequency between 400 nm and 2500 nm and covers the visible and near infrared spectra.
金属開口部1504はまた、散乱光の後方反射を防止し後方反射光を散乱媒質内に向けて更に散乱するようにするミラーとしても機能する。本実施形態において、金属開口部1504の直径は決まった直径で、円柱形の散乱体積/結合スポット1505の直径に対して決まった比、例えば約0.5以下、である。 The metal opening 1504 also functions as a mirror that prevents back reflection of the scattered light and further scatters the back reflected light into the scattering medium. In this embodiment, the diameter of the metal opening 1504 is a fixed diameter, and is a fixed ratio with respect to the diameter of the cylindrical scattering volume / coupling spot 1505, for example, about 0.5 or less.
開口部1504の直径と略等しい直径を有する光線を得るために、集光レンズ1503は、開口部1504から或る特定の決まった距離に配置される。この距離はレンズ1503の焦点距離によって決まり、焦点距離を超える光線の直径は、ガウスビーム光学によって分析的に求めることができる。 In order to obtain a light beam having a diameter approximately equal to the diameter of the opening 1504, the condenser lens 1503 is disposed at a certain fixed distance from the opening 1504. This distance is determined by the focal length of the lens 1503, and the diameter of the light beam exceeding the focal length can be analytically determined by Gaussian beam optics.
レーザーダイオード1501からの光線を集める前に、光線は平行化されて所望の合焦効果を奏する。レーザーダイオード1501からの光線をこのように平行化することは、好適な非球面平行化レンズ1502によって行うことができる。平行化と合焦のパッケージはまた、組み合わせたユニットであってもよい。この光学ユニットの主目的は、散乱体積に入り高確率で導波路構造内へと散乱される光子の一様な発散光線を好都合に提供することである。 Prior to collecting the light from the laser diode 1501, the light is collimated to produce the desired focusing effect. This collimation of the light beam from the laser diode 1501 can be performed by a suitable aspheric collimating lens 1502. The collimating and focusing package may also be a combined unit. The main purpose of this optical unit is to advantageously provide a uniform divergent beam of photons that enter the scattering volume and are scattered with high probability into the waveguide structure.
散乱中心については、入射光の方向に対して垂直な方向への散乱の確率は、一般に低い。発散光線を利用することによって、入射光は好ましくは大きな角度の範囲にわたって広がることができる。入射光のこの角度的な広がりは、集光レンズ1503の開口部の数値によって決まる。また、光源の範囲(光線直径)も、開口部1504の直径によって決まる可能性があり、その選択は、反射面1506の要件及び散乱体積の照度によって決まる可能性がある。また、この例示的実施形態において、反射開口部1504は集光レンズ1503の焦点距離から特定の距離のところに配置される。この距離は、開口部1504の直径と集光レンズ1503のパラメーターとを固定することによって計算することができる。 For scattering centers, the probability of scattering in a direction perpendicular to the direction of incident light is generally low. By utilizing divergent rays, the incident light can preferably be spread over a large range of angles. This angular spread of incident light is determined by the numerical value of the aperture of the condenser lens 1503. The range of the light source (ray diameter) may also depend on the diameter of the aperture 1504, and the choice may depend on the requirements of the reflective surface 1506 and the illuminance of the scattering volume. In this exemplary embodiment, the reflective aperture 1504 is disposed at a specific distance from the focal length of the condenser lens 1503. This distance can be calculated by fixing the diameter of the aperture 1504 and the parameters of the condenser lens 1503.
以下の記載のうちのいくつかの部分は、コンピューターメモリ内でのデータに対する演算のアルゴリズム及び関数又は記号表現の観点で、明示的に又は黙示的になされている。このようなアルゴリズムの記述及び関数又は記号表現は、データ処理技術の当業者が当業者以外の人に自らの仕事の実体を最も効果的に伝えるのに用いる手段である。アルゴリズムはここでは、そして一般に、所望の結果につながる自己無撞着な一連のステップであると考えられている。これらのステップは、記憶、転送、組み合わせ、比較、その他の方法で操作することができる、電気的、磁気的、又は光学的信号等の物理量を、物理的に操作することが要求されるものである。 Some portions of the following description have been made explicitly or implicitly in terms of algorithms and functions or symbolic representations of operations on data in computer memory. Such algorithmic descriptions and functions or symbolic representations are the means used by those skilled in the data processing arts to most effectively convey the substance of their work to others. The algorithm is here and generally considered to be a self-consistent sequence of steps leading to the desired result. These steps are those requiring physical manipulation of physical quantities such as electrical, magnetic, or optical signals that can be manipulated in storage, transfer, combination, comparison, and other ways. is there.
特に断りのない限り、そして以下から明白なように、本明細書全体を通して、「走査」、「計算」、「決定」、「置換」、「生成」、「初期化」、「出力」等の用語を用いる説明は、コンピューターシステム内の物理量として表されるデータを操作してコンピューターシステム又はその他の情報記憶、伝達、もしくは表示デバイス内で同様に物理量として表されるその他のデータに変換する、コンピューターシステム又は同様の電子デバイスの動作及びプロセスを指すことが理解されよう。 Unless otherwise noted, and as will be apparent from the following, throughout this specification "scan", "calculation", "decision", "replacement", "generation", "initialization", "output", etc. A terminology description is a computer that manipulates data represented as physical quantities in a computer system and converts them into other data that is also represented as physical quantities in a computer system or other information storage, transmission, or display device. It will be understood that it refers to the operation and process of a system or similar electronic device.
本明細書はまた、方法の動作を行う装置も開示する。そのような装置は、所要の目的のために特別に構成されてもよく、コンピューター内に記憶されたコンピュータープログラムによって選択的に作動又は再構成された汎用コンピューター又はその他のデバイスを含んでもよい。本明細書において提示するアルゴリズム及び表示は、生来的にいかなる特定のコンピューター又は他の装置にも関係しない。本明細書による教示に従ったプログラムとともに、さまざまな汎用マシンを用いてもよい。代替的に、所要の方法のステップを行うより専門化した装置の構築が適切な場合がある。従来技術の汎用コンピューターの構造は、以下の説明から見えてこよう。 The present specification also discloses an apparatus for performing the operations of the method. Such an apparatus may be specially configured for the required purpose and may include a general purpose computer or other device selectively activated or reconfigured by a computer program stored in the computer. The algorithms and displays presented herein are not inherently related to any particular computer or other device. Various general purpose machines may be used with programs in accordance with the teachings herein. Alternatively, it may be appropriate to build a more specialized device that performs the required method steps. The structure of a conventional general-purpose computer will be apparent from the following description.
さらに、本明細書はまた、本明細書において説明する方法の個々のステップは、コンピューターコードによって実施することができるということが当業者には明白であろうという点において、黙示的にコンピュータープログラムも開示する。このコンピュータープログラムは、いかなる特定のプログラミング言語及びその実施にも限定されるよう意図されない。さまざまなプログラミング言語及びそのコーディングを用いて、本明細書に含まれる開示の教示を実施してもよいことが理解されよう。さらに、このコンピュータープログラムは、いかなる特定の制御フローにも限定されるよう意図されない。このコンピュータープログラムには多くの他の変形があり、それらは、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、異なる制御フローを用いることができる。 In addition, this specification also implicitly describes a computer program in that it will be apparent to those skilled in the art that the individual steps of the methods described herein can be performed by computer code. Disclose. This computer program is not intended to be limited to any particular programming language and implementation thereof. It will be appreciated that the teachings of the disclosure contained herein may be implemented using various programming languages and their coding. Further, the computer program is not intended to be limited to any particular control flow. There are many other variations of this computer program that can use different control flows without departing from the spirit or scope of the present invention.
さらに、コンピュータープログラムのステップのうちの1つ又は複数は、順次ではなく並列で行ってもよい。そのようなコンピュータープログラムは、いかなるコンピューター可読媒体上にも記憶することができる。コンピューター可読媒体は、磁気もしくは光学ディスク、メモリチップ、又は汎用コンピューターとインターフェースするのに好適なその他の記憶デバイス等の記憶デバイスを含んでもよい。コンピューター可読媒体はまた、インターネットシステムにおいて例示されるもの等の、配線によって接続された媒体、又はGSM携帯電話システムにおいて例示されるもの等の無線媒体も含んでもよい。コンピュータープログラムは、そのような汎用コンピューターにロードし実行すると、好ましい方法のステップを実施する装置が事実上結果として得られる。 Further, one or more of the steps of the computer program may be performed in parallel rather than sequentially. Such a computer program can be stored on any computer readable medium. The computer readable medium may include a storage device such as a magnetic or optical disk, a memory chip, or other storage device suitable for interfacing with a general purpose computer. Computer-readable media may also include wired media, such as those illustrated in the Internet system, or wireless media, such as those illustrated in the GSM mobile phone system. When the computer program is loaded and executed on such a general purpose computer, it effectively results in an apparatus that implements the steps of the preferred method.
例示的実施形態において散乱スポットの好ましい条件又はパラメーターを概算するために、発明者らは、例示的実施形態において光結合効率を規定する支配方程式を突き止めた。 In order to approximate the preferred conditions or parameters of the scattering spot in the exemplary embodiment, the inventors have identified a governing equation that defines the optical coupling efficiency in the exemplary embodiment.
そのような計算式を求めるのに、まず光子散乱への統計学的アプローチを検討する。図16aに示すように、光子散乱工程は、ガウス確率過程に支配される光子と散乱中心との間の古典的な相互作用に基づいていると仮定される。この場合、光子は散乱体積において複数の散乱イベントを有することができ、イベントは、散乱体積における光子の平均自由行程及び散乱体積における光子の光路長によって決まる。 To find such a formula, we first consider a statistical approach to photon scattering. As shown in FIG. 16a, the photon scattering process is assumed to be based on a classical interaction between photons and scattering centers governed by a Gaussian stochastic process. In this case, a photon can have multiple scattering events in the scattering volume, the event being determined by the mean free path of the photons in the scattering volume and the optical path length of the photons in the scattering volume.
次に、数密度がn0cm−3であるランダムに分布したナノ散乱体からなる導波構造に埋め込まれた散乱体積すなわちスポットを検討した。散乱体積は、高さL及び半径Rの円柱形の体積であると仮定した。円柱形の体積の軸に沿った方向に1秒当たりN0個の光子が散乱体積に当たる場合には、所与の光子が散乱体積においてk回散乱する確率は、[1]のように書き表すことができるポアソン分布によって支配される。
ここで<s>は、光子全体についての光子とナノ散乱体との相互作用の平均数であり、これは[2]のように書き表すことができる。
ただしσsca及びnmedはそれぞれ、ナノ散乱体の散乱断面積と媒体の屈折率である。したがって、散乱イベントがない確率は簡単にP(0)として書き表すことができ、光子が少なくとも1回散乱イベントを経験する確率は、次式のように書き表すことができる。
散乱した光子は、散乱して出ていく前には散乱体積において一様に分布すると仮定すると、散乱体積内に散乱し導波構造内に結合する光子の単位体積当たりの差分確率を規定することができる。図16bは散乱スポットの上面図を示す。この場合、散乱体積の軸から距離rにある幅drの、円柱形の散乱体積の円環によって規定されるごく小さい体積を考える。すると、この体積要素における光子が導波路、例えば臨界角によって規定される受け入れコーン内に結合する差分確率は、次式のように書き表すことができる。
上式において、円環内に存在する光子は、導波路内に結合するまでに平均距離(R−r)を移動しなければならないと仮定し、σdは、導波構造の受け入れコーン内に散乱光を放射したナノ散乱体の微分断面積である。θcは導波路の臨界角であり、導波路のコアの屈折率とクラッディングの材料とによって決まる。上式をrについて積分し、微分断面積の積分が散乱体積におけるナノ散乱体の位置に依存しないと仮定すると、次式が成り立つ。
前の式と一緒にすると、光子がキャビティ内に結合する確率の合計、したがって結合効率は、次式となる。
図17aは、L、R、nmed、N0、σsca、θcのパラメーターから、1つの散乱イベントが起こる例示的実施形態の結合効率を計算する、ステップ1701から1705を示すフローチャートを示す。図17bは、L、R、nmed、N0、σsca、θcのパラメーターから、複数の散乱イベントが起こる他の例示的実施形態の結合効率を計算する、ステップ1711から1716を示す他のフローチャートを示す。 FIG. 17a shows a flowchart illustrating steps 1701 to 1705 for calculating the coupling efficiency of an exemplary embodiment in which one scattering event occurs from the parameters of L, R, n med , N 0 , σ sca , and θ c . FIG. 17b shows another example of steps 1711 to 1716 that calculate the coupling efficiency of another exemplary embodiment in which multiple scattering events occur from the parameters of L, R, n med , N 0 , σ sca , θ c . A flowchart is shown.
異なる実施形態におけるダブルパスとマルチパスの構成に適用範囲を広げる経験的アプローチもまた評価した。散乱に基づく結合構造の結合効率を評価するために、ミー散乱関数(Mie.dll)を用いたZEMAX(商標)(Radiant ZEMAX LLC.、米国)のノンシーケンシャル光線追跡法を用いた。 An empirical approach that extends the scope to double-pass and multi-pass configurations in different embodiments was also evaluated. A non-sequential ray tracing method of ZEMAX ™ (Radiant ZEMAX LLC., USA) using the Mie scattering function (Mie.dll) was used to evaluate the coupling efficiency of the scattering based coupling structure.
導波路コア、導波路クラッディング、及び光結合スポットを含む本発明の実施形態をシミュレーションして、導波路コアの厚さ(t)、光結合スポットの直径(d)、粒子の数密度(N)、及び粒子の直径(r)等の構造パラメーター同士の間の関係を観察した。光結合スポットは導波路コアの材料及び粒子を含む。粒子数密度(N)及び散乱断面積(σsca)から平均自由行路(MFP)を計算する。
構造パラメーターと光結合効率の関係に基づき、発明者らは、次式のようなガウス様関数によって効率を概算で記述することができるということを発見した。
パラメーターa、b及びcを更に分析し、構造パラメーター同士の関係を発見した。
共振器
光共振器は特定の波長(エネルギー)の光を捕えることができ、捕えた光は、吸収又は散乱による損失によって消散することができるまで、共振器内にとどまる。共振器内の捕えた光は、共振器内ではね返って行ったり来たりする光波の強め合う干渉のために、入射強度と比べて強められる可能性がある。この強まりの大きさは、それによって光が共振器から損失される可能性のある方法によって決まる。光共振器の共振波長においてかなりの散乱断面積を有する(又は、キャビティの共振波長においてそれ自体共振挙動を示す)ナノ散乱体が光学キャビティ内にある場合には、強められた強度が光共振器内を循環することによって散乱が強まる可能性がある。しかし、このような散乱の強まりは、光共振器の共振波長においてのみである。
A resonator optical resonator can capture light of a particular wavelength (energy), and the captured light remains in the resonator until it can be dissipated by losses due to absorption or scattering. The light captured in the resonator may be enhanced compared to the incident intensity due to constructive interference of light waves that bounce back and forth within the resonator. The magnitude of this enhancement depends on the way in which light can be lost from the resonator. If a nanoscatterer that has a significant scattering cross section at the resonant wavelength of the optical resonator (or exhibits itself a resonant behavior at the resonant wavelength of the cavity) is in the optical cavity, the increased intensity is Scattering may increase by circulating in the interior. However, such an increase in scattering is only at the resonant wavelength of the optical resonator.
例示的実施形態における光学キャビティ構造内に散乱中心が存在する光共振器について、更なる理論的アプローチも評価した。入射光の経路内にナノ粒子散乱体があれば、ナノ粒子の散乱体の光学特性及びサイズ次第ですべての方向に光が散乱する。導波路の場合には、その導波路が入射光の方向に対して垂直な平面の向きであるならば、導波路の受け入れコーン内にある方向に散乱する光のみが導波路に沿って案内される、すなわち、導波路内に結合する。しかし、ナノ粒子散乱体を含むキャビティに光が閉じ込められる場合には、キャビティ内で循環して行ったり来たりする光は、キャビティ内での光子の寿命次第ではあるが、複数回散乱する可能性が高くなる。この結果、導波路内で散乱光が強まることになる可能性があり、光結合の強度が強まる可能性がある。図18は、キャビティ1804内でのナノ粒子1802による入射光1800の散乱を示す。 Further theoretical approaches were also evaluated for optical resonators in which scattering centers exist within the optical cavity structure in the exemplary embodiment. If there is a nanoparticle scatterer in the path of incident light, light will scatter in all directions depending on the optical properties and size of the nanoparticle scatterer. In the case of a waveguide, if the waveguide is oriented in a plane perpendicular to the direction of the incident light, only light scattered in a direction within the receiving cone of the waveguide is guided along the waveguide. That is, it couples into the waveguide. However, if light is confined in a cavity containing nanoparticle scatterers, the light that circulates in the cavity may scatter multiple times, depending on the lifetime of the photons in the cavity. Becomes higher. As a result, the scattered light may increase in the waveguide, and the strength of optical coupling may increase. FIG. 18 shows the scattering of incident light 1800 by nanoparticles 1802 within cavity 1804.
導波路内に光を結合する同一のナノ散乱体を配置することによって、光学キャビティ内の損失を増加させ、それによって、光学キャビティについての数式でラウンドトリップ損失係数の項を変えることができる。キャビティにおける光の散乱には、次の2つの成分がある:
−前方方向に散乱する光(θ=0度、これは光学キャビティ内にとどまる部分);及び
−光学キャビティから外に散乱する光。
Placing the same nanoscatterer that couples light into the waveguide increases the loss in the optical cavity, thereby changing the round trip loss factor term in the equation for the optical cavity. There are two components of light scattering in the cavity:
Light scattered in the forward direction (θ = 0 degrees, the part that remains in the optical cavity); and light scattered out of the optical cavity.
キャビティ内の散乱しない光と前方散乱光との間の位相遅れは無視できると仮定する。また、独立した散乱に多くの同一のナノ粒子からの散乱が続き、それによって、個々の散乱体が散乱させるフィールド間の位相差はランダムになると更に仮定する。 Assume that the phase lag between unscattered light and forward scattered light in the cavity is negligible. It is further assumed that independent scattering is followed by scattering from many identical nanoparticles, thereby making the phase difference between the fields scattered by the individual scatterers random.
まず、光学キャビティ内のナノ粒子散乱体が原因である振幅ラウンドトリップ損失係数を計算する。これを概算するために、長さLcav、断面積Acavのファブリ−ペロ光学キャビティを検討する。Pf1はナノ粒子散乱体に入射するパワーである。入射光は平面波の形であり、その空間的広がりは光学キャビティの断面積に整合すると仮定する。ミラーに向かう途中の前方方向のパワーの合計(Pf1)は、入射強度(Pf1/Acav)とナノ散乱体の散乱断面積とによって決まる量だけ消滅する。 First, the amplitude round trip loss factor due to the nanoparticle scatterer in the optical cavity is calculated. To approximate this, consider a Fabry-Perot optical cavity of length L cav and cross-sectional area A cav . P f1 is the power incident on the nanoparticle scatterer. Assume that the incident light is in the form of a plane wave whose spatial extent matches the cross-sectional area of the optical cavity. The total power (P f1 ) in the forward direction on the way to the mirror disappears by an amount determined by the incident intensity (P f1 / A cav ) and the scattering cross section of the nanoscatterer .
前方方向に散乱する光(θ=0度)の一部を除き、散乱する光はすべて光共振器から失われる、と仮定する。この残りのパワーPf2=Pb1は次にミラーから反射され、ナノ散乱体に再び入射し、同じ工程が再び繰り返される。入射光と散乱光とは合理的に平面波に近似することができると仮定する。したがって、1回のラウンドトリップにおいて、光がナノ散乱体によって散乱する機会は2回ある。このとき、1回のラウンドトリップの後で戻ってくるパワー(Pb2)は、次式のように書き表すことができる。
Pb2=Pf1−キャビティから導波路内への光損失
=Pf1−第1の通過から導波路内に散乱する光−反射後の第2の通過から導波路内に散乱する光
=Pf1−(第1の通過から散乱する光−第1の通過から前方に散乱する光)−(第2の通過から散乱する光−第2の通過から前方に散乱する光)
P b2 = P f1 −Light loss from the cavity into the waveguide = P f1 −Light scattered in the waveguide from the first pass−Light scattered in the waveguide from the second pass after reflection = P f1 -(Light scattered from the first passage-light scattered forward from the first passage)-(light scattered from the second passage-light scattered forward from the second passage)
上式は、次式のように簡単化して書き表される。
上式は、単一のナノ散乱体について、散乱断面積とキャビティの断面積との関数として散乱するパワーを表す。合計でN個の同一の散乱体について、互いに独立して散乱すると仮定すると、上式は次式のように書き表すことができる。
したがって、振幅については、上式は次式のように書き表すことができる。
したがって、ナノ散乱体が存在する光学キャビティについての振幅ラウンドトリップ損失係数は、次式のように書き表すことができる。
光学キャビティにおいて散乱による損失と吸収による損失の両方が存在する場合、合算した振幅損失係数は次式のように書き表すことができる。
したがって、光学キャビティの臨界結合条件を満たすには、以下の条件が満たされねばならない。
aabs及びaNPについての数式を代入することによって、光学キャビティについての臨界結合条件を満たすナノ粒子の概算の合計数を計算することができる。この概算では、散乱が原因である振幅ラウンドトリップ損失係数についての数式における二次の項を無視している。したがって、ナノ粒子の「臨界数」はおおよそ次式によって概算することができる。
この数は、ナノ粒子の散乱特性、部分的なミラーの振幅反射係数、光学キャビティの吸収係数、及びキャビティの全長によって決まる。この数式は、最適な結合効率を達成するのに必要なナノ散乱体の光学キャビティにおける密度を求めるための支配方程式である。 This number depends on the scattering properties of the nanoparticles, the amplitude reflection coefficient of the partial mirror, the absorption coefficient of the optical cavity, and the total length of the cavity. This equation is the governing equation for determining the density of the nanoscatterer in the optical cavity necessary to achieve optimal coupling efficiency.
光学キャビティの増大係数はまた、損失係数によっても決まり、ナノ粒子の数の関数として変化する。所与のキャビティ設計について、ナノ散乱体の数が増加すると増大係数は減少する。これは、ナノ散乱体の数が増加するにつれて、散乱が原因で共振器からの光の損失が増加するために、光共振器内での散乱による損失もまた増加するからである。この損失は、光共振器の強度増大係数を減少させるキャビティ内での光子の寿命の減少に対応している。また、半波高全幅値(FWHM)で示される共振の帯域幅は、光共振器内に存在する損失の指標である。したがって、光共振器内の散乱体の数が増加すると共振の帯域幅も増加する。したがって、光学キャビティ内のナノ散乱体の数と光学キャビティの特性との釣り合いをとらねばならない。光学キャビティの増大された散乱に基づく結合器の性能は、光学キャビティとナノ散乱体の散乱特性との複雑な相互作用である。導波路内への散乱光の結合は、光学キャビティからの散乱光の特性と導波路のコア及びクラッディングの材料の屈折率とによって決まる。 The enhancement factor of the optical cavity is also determined by the loss factor and varies as a function of the number of nanoparticles. For a given cavity design, the increase factor decreases as the number of nanoscatterers increases. This is because as the number of nanoscatterers increases, the loss due to scattering within the optical resonator also increases because the loss of light from the resonator increases due to scattering. This loss corresponds to a decrease in the lifetime of the photons in the cavity which reduces the intensity increase factor of the optical resonator. The resonance bandwidth indicated by the half-wave height full width value (FWHM) is an index of loss existing in the optical resonator. Therefore, as the number of scatterers in the optical resonator increases, the resonance bandwidth also increases. Therefore, a balance must be struck between the number of nanoscatterers in the optical cavity and the characteristics of the optical cavity. The performance of the coupler based on the increased scattering of the optical cavity is a complex interaction between the optical cavity and the scattering properties of the nanoscatterer. The coupling of scattered light into the waveguide depends on the properties of the scattered light from the optical cavity and the refractive index of the waveguide core and cladding materials.
図19は、導波路内に光を結合する方法を示すフローチャート1900を示す。ステップ1902において、導波路の導波路コアの平面内に配置された結合スポット内に、ナノサイズのすなわちサブミクロンの散乱素子が供給される。ステップ1904において、結合スポット内に光が向けられる。ステップ1906において、光を散乱素子での散乱にさらして、散乱光のうちの少なくとも一部が導波路コア内に結合するようにする。 FIG. 19 shows a flowchart 1900 illustrating a method for coupling light into a waveguide. In step 1902, nano-sized or sub-micron scattering elements are provided in the coupling spots located in the plane of the waveguide core of the waveguide. In step 1904, light is directed into the combined spot. In step 1906, the light is subjected to scattering by the scattering element such that at least a portion of the scattered light is coupled into the waveguide core.
本発明の例示的実施形態は、光導波路内に光を結合する効率を高くし心合わせの許容誤差を下げることができる。結合スポットを形成する材料の組み合わせは、かなり柔軟であり得る。一実施形態において、星型形状の導波路であれば、導波路内に結合した光を効率的に用いることができる。 Exemplary embodiments of the present invention can increase the efficiency of coupling light into an optical waveguide and reduce alignment tolerances. The combination of materials that form the binding spot can be quite flexible. In one embodiment, a star-shaped waveguide can efficiently use light coupled into the waveguide.
例示的実施形態の設計計算の方法及びシステムは、図20に概略的に示すコンピューターシステム2000上で実施することができる。これは、コンピューターシステム2000内で実行されコンピューターシステム2000に例示的実施形態の方法を行うよう指示するコンピュータープログラム等のソフトウェアとして実施してもよい。 The exemplary embodiment design calculation method and system may be implemented on a computer system 2000 schematically illustrated in FIG. This may be implemented as software, such as a computer program, executed within computer system 2000 and instructing computer system 2000 to perform the methods of the exemplary embodiments.
コンピューターシステム2000は、コンピューターモジュール2002、キーボード2004及びマウス2006等の入力モジュール、並びにディスプレイ2008及びプリンタ2010等の複数の出力デバイスを含む。 The computer system 2000 includes a computer module 2002, input modules such as a keyboard 2004 and a mouse 2006, and a plurality of output devices such as a display 2008 and a printer 2010.
コンピューターモジュール2002は、好適な送受信デバイス2014によってコンピューターネットワーク2012に接続され、例えばインターネット又はローカルエリアネットワーク(LAN)若しくは広域ネットワーク(WAN)等のその他のネットワークシステムにアクセスすることができる。 The computer module 2002 is connected to the computer network 2012 by a suitable transmission / reception device 2014 and can access, for example, the Internet or other network systems such as a local area network (LAN) or a wide area network (WAN).
例におけるコンピューターモジュール2002は、プロセッサ2018、ランダムアクセスメモリ(RAM)2020、及び読み出し専用メモリ(ROM)2022を含む。コンピューターモジュール2002はまた、複数の入力/出力(I/O)インターフェース、例えばディスプレイ2008へのI/Oインターフェース2024及びキーボード2004へのI/Oインターフェース2026も含む。 The computer module 2002 in the example includes a processor 2018, a random access memory (RAM) 2020, and a read only memory (ROM) 2022. The computer module 2002 also includes a plurality of input / output (I / O) interfaces, such as an I / O interface 2024 to the display 2008 and an I / O interface 2026 to the keyboard 2004.
コンピューターモジュール2002のコンポーネントは通常、相互接続バス2028によって関連技術の当業者に既知の方法で通信する。 The components of computer module 2002 typically communicate via interconnect bus 2028 in a manner known to those skilled in the relevant art.
アプリケーションプログラムは通常、CD−ROM又はフラッシュメモリキャリア等のデータ記憶媒体上に符号化されてコンピューターシステム2000のユーザに供給され、データ記憶デバイス2030の対応するデータ記憶媒体ドライブを利用して読み出される。アプリケーションプログラムは、実行するときにプロセッサ2018により読み出され制御される。プログラムデータの中間記憶は、RAM2020を用いて行ってもよい。 Application programs are typically encoded on a data storage medium such as a CD-ROM or a flash memory carrier, supplied to a user of computer system 2000, and read using a corresponding data storage medium drive of data storage device 2030. The application program is read and controlled by the processor 2018 when executed. The intermediate storage of the program data may be performed using the RAM 2020.
当業者であれば、特定の実施形態において示すように、広く記述されている本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本発明に複数の変形及び/又は変更を行うことができることを理解しよう。したがって本実施形態は、すべての点において例示的であって限定的ではないということが考えられねばならない。 Those skilled in the art will recognize that the present invention can be modified and / or modified without departing from the spirit or scope of the invention as broadly described, as shown in the specific embodiments. . Therefore, it should be considered that this embodiment is illustrative and not restrictive in all respects.
例えば、ポリマーの導波路/材料に関して実施形態を説明したが、本発明は、Si、Ge、SiO2、LiNbO3等の他の導波路/材料に適用することができることが理解されよう。 For example, while embodiments have been described with respect to polymeric waveguides / materials, it will be appreciated that the present invention can be applied to other waveguides / materials such as Si, Ge, SiO 2 , LiNbO 3 .
また、平面導波路に関して実施形態を説明したが、本発明はストリップ型、ファイバー、光子クリスタルファイバー等の他の導波路に適用することができることが理解されよう。 Also, although embodiments have been described with respect to planar waveguides, it will be appreciated that the present invention can be applied to other waveguides such as strips, fibers, photonic crystal fibers and the like.
Claims (20)
結合スポット内にナノサイズのすなわちサブミクロンの散乱素子を供給するステップであって、前記結合スポットはそれによって、前記導波路の導波路コアの局所的領域である散乱体積を形成する、ステップと、
前記光を前記結合スポット内に向けるステップと、
前記光を前記散乱素子での散乱にさらすステップであって、散乱光のうちの少なくとも一部が前記導波路コア内に結合するようにするステップと、
前記結合スポットの第1の境界で前記光又は前記散乱光を前記散乱素子に向け直すように反射するステップと、
前記結合スポットの第2の境界で前記反射光を前記散乱素子に向け直すように反射する、前記第2の境界での反射に用いるミラーは、前記光を前記結合スポット内に向ける開口部を含む、ステップと
を含む、導波路内に光を結合する方法。 A method for coupling light into a waveguide,
Providing a nano-sized or sub-micron scattering element within a coupling spot, wherein the coupling spot thereby forms a scattering volume that is a local region of the waveguide core of the waveguide;
Directing the light into the combined spot;
Subjecting the light to scattering at the scattering element such that at least a portion of the scattered light is coupled into the waveguide core;
Reflecting the light or the scattered light to redirect the scattering element at the first boundary of the combined spot;
A mirror used for reflection at the second boundary that reflects the reflected light to redirect the scattering element at the second boundary of the coupling spot includes an opening that directs the light into the coupling spot. And coupling the light into the waveguide.
前記構造は、前記結合スポットの第1の境界で前記光又は前記散乱光を前記散乱素子に向け直すように反射する手段を更に含み、前記結合スポットの第2の境界で前記反射光を前記散乱素子に向け直すように反射する手段を更に含み、
前記第2の境界における前記反射する手段は、前記光を前記結合スポット内に向ける開口部を有するミラーを含む、
光を導波路内に結合する構造。 A structure for coupling light into a waveguide, comprising a nano-sized or sub-micron scattering element within the coupling spot, whereby the coupling spot is thereby a local region of the waveguide core of the waveguide Forming a volume, wherein the scattering element is configured to couple at least a portion of the light into the waveguide core by scattering;
The structure further includes means for reflecting the light or the scattered light to redirect it to the scattering element at a first boundary of the combined spot, and the scattered light is reflected at the second boundary of the combined spot. Further comprising means for reflecting back towards the element;
The means for reflecting at the second boundary includes a mirror having an opening for directing the light into the combined spot;
A structure that couples light into a waveguide.
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