JP2021193437A - 非磁性の導波路型アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン光回路上に集積可能な非磁性の導波路型アイソレータを提供する。【解決手段】非磁性の導波路型アイソレータ１は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジ１３がギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体１２と、トポロジカルフォトニック構造体１２の表面に配置された、カイラル性を有するメタマテリアルである、金属あるいは誘電体からなるカイラルアンテナ２０と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン光回路上に集積可能な非磁性の導波路型アイソレータに関する。

光ネットワークに用いられている各種光素子には、レーザ、変調器、多重化素子、光スイッチ等がある。光集積回路とは、レーザ・変調器・合分波器などの各種モジュールを、光ファイバを介さずに１チップ上に集積したものである。光集積回路の利点は、光通信における様々な機能を１チップの小型モジュールで実現することにより、消費電力・製造コストを抑えることができる点にある。

上記光集積回路の材料としては、インジウムリン（ＩｎＰ）またはＳｉがある。上記多重化素子の材料としては、ＳｉＯ_２がある。また、上記変調器の材料としては、大きなＥＯ（Electro-optic、電気光学）効果を示すニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ランタン添加のチタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）などの無機光学結晶が広く用いられている。

現在の光通信システムは、個別の光素子部品の組み合わせで実現されている。これらシステムをより高機能なものとするためには、各種の光素子を集積一体化（光回路化）するとともに、光源となるレーザ光の強度・周波数・位相の高度な安定化が必須となる。レーザの発振状態は外部からの反射による戻り光の影響を受けて不安定化しやすいため、レーザの出力光は透過させるが反対方向の戻り光は遮断するような非相反素子である光アイソレータ（optical isolator）が必要不可欠となる。

光アイソレータは、入射光が直線偏光の場合に対応する偏光依存型光アイソレータ(Polarization Dependent Isolator)と、入射光の偏光状態に依存しない偏光無依存型光アイソレータ(Polarization Independent Isolator)に分類される。何れの光アイソレータも、磁界によって光の偏光状態が回転する磁気光学効果（ファラデー効果）を用いている。ファラデー回転子は、直線偏光の偏光面を回転させる働きを持っており、通信用では、ビスマス・鉄・ガーネット(ＢＩＧ)、イットリウム・鉄・ガーネット(ＹＩＧ)のような強磁性体結晶を用いる。

シリコンフォトニクスを用いた光送信機においては、光源としてＤＦＢ（Distributed Feed-Back：分布帰還型）レーザ等が用いられる。光送信機においては、ＤＦＢレーザから出射された光は、シリコン基板に形成された光導波路等に入射するが、このような光がＤＦＢレーザにおいて光を出射する出射端より反射戻り光として入射する場合がある。反射戻り光がＤＦＢレーザに入射すると、レーザ発振が不安定となり、ノイズの原因となる。

このような反射戻り光の対策としては、ＤＦＢレーザと光導波路との間に、光アイソレータを挿入し、ＤＦＢレーザの外部からの反射戻り光が入射することを抑制する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９−１６０８４２号公報

現在実用化されている光アイソレータは，磁性ガーネット結晶の両側に偏光子を配置した、いわゆるバルク型光アイソレータと呼ばれるものである。磁性ガーネット結晶は，光回路で一般的に用いられている半導体基板（シリコン，ＩｎＰなど）上に形成することが難しく、偏光子を必要とすることから考えても他素子との集積一体化は極めて難しいとされている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、シリコン光回路上に集積可能な非磁性の導波路型アイソレータを提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明に係る非磁性の導波路型アイソレータは、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体と、前記トポロジカルフォトニック構造体に配置された、カイラル性を有するメタマテリアルと、を有することを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、シリコン光回路上に集積可能な非磁性の導波路型アイソレータを提供することができる。

本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータの構造を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータの上面図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータにおけるＣ_６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーン（Brillouin Zone）の図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータにおけるトポロジカルエッジ伝送路で用いるフォトニック構造体とトポロジカルフォトニック構造体のバンド図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータにおけるトポロジカルエッジ伝送路で用いるフォトニック構造体とトポロジカルフォトニック構造体のバンドダイヤグラムの概要図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータにおけるトポロジカルフォトニック構造体境界近傍の磁界分布（Ｈｙ）を示す図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータのトポロジカルフォトニック構造体を有する光集積回路上での戻り光の低減を説明する図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータのトポロジカルフォトニック構造体を有する光集積回路において、単一方向光伝播を説明する図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータのトポロジカルフォトニック構造体を有する光集積回路において、単一方向光伝播を説明する図である。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータのカイラルアンテナを説明する図である。 図８のトポロジカルフォトニック構造体上に、カイラルアンテナを配置した構成を示す図である。 図８のトポロジカルエッジ伝送路による光集積回路の光入出力側にモニタを載置したシミュレーションモデルである。 図１２のトポロジカルフォトニック構造体上にカイラルアンテナを２つ配置するとともに、光集積回路の光入出力側にモニタを載置したシミュレーションモデルである。 図１２のトポロジカルフォトニック構造体上にカイラルアンテナ２０Ｒを２つ配置するとともに、光集積回路の光入出力側にモニタを載置したシミュレーションモデルである。 本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータにおけるカイラルアンテナなし、カイラルアンテナ２０を１つ、カイラルアンテナ２０Ｒを１つ、カイラルアンテナ２０Ｒを２つ、およびカイラルアンテナ２０Ｒを２つのそれぞれにおいて、leftからrightへの光の伝播のLossと、rightからleftへの光の伝播のLossとを比較して示すグラフである。 図１６のシミュレーションモデルのシミュレーション結果を表にして示す図である。 図１４に示すトポロジカルフォトニック構造体上にカイラルアンテナ２０を２つ配置した場合の磁界分布（Ｈｙ）を示す図である。 図１５に示すトポロジカルフォトニック構造体上にカイラルアンテナ２０Ｒを２つ配置した場合の磁界分布（Ｈｙ）を示す図である。 本発明の実施形態に係る変形例の非磁性の導波路型アイソレータの上面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータの構造を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図（Cross section of topological edge state waveguide）である。図３は、図１の非磁性の導波路型アイソレータの上面図（Si-based topological edge state waveguide we used in simulation）である。

トポロジカル絶縁体（Topological insulator）やワイル半金属（Weyl Semimetal）などにおける電子系のトポロジーをフォトンの系にトレースする試みは、トポロジカルフォトニクスと呼ばれ、近年急速に進展している。トポロジカル絶縁体は、バルクはエネルギーギャップを持つ絶縁体でありながら、エッジ（２次元系では端、３次元系では表面）にギャップレスの金属状態が生じている物質をいう。

特に、Ｃ_６ｖ対称性（６０°回転させると重なる対称性）を有する誘電体が蜂の巣格子状に配列された構造におけるＺ_２トポロジー（電子波動関数のもつトポロジカルな構造の分野における一つのクラス）の発現は、光渦の伝送が可能なトポロジカルエッジ状態の実現を可能にする。

図１乃至図３に示すように、非磁性の導波路型アイソレータ１は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）１２と、トポロジカルフォトニック構造体１２の表面に配置された、カイラル性を有するメタマテリアル（Chiral metamaterial）２０と、を有する。
本実施形態では、非磁性の導波路型アイソレータ１は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）１１と、トポロジカルフォトニック構造体１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）１３と、トポロジカルエッジ１３近傍に配置されたメタマテリアル２０と、を有する。

<メタマテリアル２０>
メタマテリアル２０は、伝送方向によって回転方向が逆転する方向依存性を有する特定の偏光または光渦の、いずれか一方の回転方向の偏光または光渦を有する光と相互作用（interaction）して放射させる。
メタマテリアル２０は、円偏光に対して、カイラル性を有するナノスケール金属構造である。
メタマテリアル２０は、円偏光に対して、カイラル性を有する誘電体であってもよい。
メタマテリアル２０は、１．５５μｍ波長帯を含む所定波長帯で相互作用（interaction）する共振条件を満たす構造のアンテナである。
メタマテリアル２０は、トポロジカルフォトニック構造体１２の表面から上面視して、卍形状または逆卍形状のカイラルアンテナである。
メタマテリアル２０は、トポロジカルフォトニック構造体１２に、１または複数配置される。

<トポロジカルフォトニック構造体１２>
トポロジカルフォトニック構造体１２によって作られた２つの領域の界面に生じる光状態（トポロジカルエッジ状態）は、特定の偏光・光渦を有する光のみを許容し、これら特定の偏光・光渦は伝播方向依存性を有する。

フォトニック構造体１１は、Ｃ_６ｖ対称性を有する第１誘電体１１１が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
トポロジカルフォトニック構造体１２は、Ｃ_６ｖ対称性を有する第２誘電体１１２が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。

第１誘電体１１１は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハ上に、Ｃ_６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル（unit cell）１２１に配列したナノ（ｎｍ，１ｎｍ＝１０^−９ｍ）構造を用いる。
第２誘電体１１２は、ＳＯＩウェハ（例えばＳｉ膜厚２２０ｎｍ）１３１上に、Ｃ_６ｖ対称性を有するナノホール１１２ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル１２２に配列したナノ構造を用いる。第１誘電体１１１のナノホール１１１ａと第２誘電体１１２のナノホール１１２ａは、蜂の巣格子のセル１２１，１２２中心からナノホール１１１ａ，１１２ａの中心までの距離ｒおよびナノホール１辺の長さｌのパラメータがそれぞれ異なる（後記）。

図２に示すように、トポロジカルエッジ伝送路は、Ｓｉ基板（Si substrate）１３１上に、膜厚１．０μｍのＳｉＯ_２絶縁膜１３２と、膜厚２２０ｎｍのＳｉ膜１３３と、膜厚２０ｎｍのＡｕからなるメタマテリアル２０と、を積層する。Ｓｉ膜１３３上のエアギャプは、１．０μｍ以上である。

Ｓｉ膜１３３には、Ｓｉ基板１３１に向かって、Ｃ_６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａとナノホール１１２ａとが開孔され、残存Ｓｉ膜１３３と当該Ｓｉ膜１３３に開孔したナノホール１１１ａからなるフォトニック構造は、フォトニック構造体１１を形成する。また、残存Ｓｉ膜１３３と当該Ｓｉ膜１３３に開孔したナノホール１１２ａからなるフォトニック構造は、トポロジカルフォトニック構造体１２を形成する。
フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ１３には、トポロジカルエッジモード（Topological edge mode）が発現している。

図４は、Ｃ_６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーンの図（Schematic image of a unit cell）である。フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１のナノホール１１１ａを例に採る。トポロジカルフォトニック構造体１２の第２誘電体１１２のナノホール１１２ａについても同様の構造である。
図４の右図に示すように、蜂の巣格子のセル１２１の中心をブリルアンゾーンの中心（原点）Γ点とする。また、ブリルアンゾーンの高対称点として、Ｍ点（長方形面の中心）、Ｋ点（２つの長方形面をつなぐ辺の中心）、Ａ点（六角形面の中心）、Ｈ点（端点）、Ｌ点（六角形面と長方形面をつなぐ辺の中心）がある。

図４の左図に示すように、Ｓｉ膜１３３（図３参照）は、蜂の巣格子状のセル１２１とセル１２１に配列されたＣ_６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａとが形成される。残存Ｓｉ膜１３３と当該Ｓｉ膜１３３に開孔したナノホール１１１ａからなるフォトニック構造は、フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１を形成する。図４の左図は、フォトニック構造体１１のセル１２１を上面手前の斜め上から見た図であり、開孔したナノホール１１１ａの下のＳｉＯ_２絶縁膜１３２が露出している。
図４の左図のナノホール１１１ａは、蜂の巣格子のセル１２１の中心（Γ点）からナノホール１１１ａの中心までの距離ｒ、ナノホール１１１ａの１辺の長さｌをパラメータとする。隣り合うナノホール１１１ａのセル１２１の中心角は、π／３である。
フォトニック構造体１１のナノホール１１１ａの場合、例えばｒ＝２４０ｎｍ，ｌ＝２４０ｎｍである。
また、トポロジカルフォトニック構造体１２のナノホール１１２ａの場合、例えばｒ＝２９０ｎｍ，ｌ＝２５０ｎｍである。
さらに、図４の左図に示すように、隣り合う蜂の巣格子のセル１２１同士の中心（Γ点）間距離ａ１、ａ２は、同じ（ここでは、ａ１＝ａ２＝８００ｎｍ≡ａ）である。

図５は、本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータにおけるトポロジカルエッジ伝送路で用いるフォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２のバンド図（Typical photonic bands for (left) trivial and (right) topological photonic crystals）である。図５の横軸にWave vector（2■/■）をとり、縦軸にNormalized frequency（ωa/2■c ■/λ）をとる。横軸のWave vector（2■/■）のΓ点は、蜂の巣格子状のセル１２１（図２参照）のブリルアンゾーンの中心、Ｋ点は２つの長方形面をつなぐ辺の中心、Ｍ点は長方形面の中心である（図４の右図参照）。図６は、本発明の実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータにおけるトポロジカルエッジ伝送路で用いるフォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２のバンドダイヤグラムの概要図（Band diagram for optical vortex propagation with charge number of ±1）である。

図７は、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method：時間領域差分法）により計算されたトポロジカルエッジ伝送路（フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界）近傍の磁界分布（Ｈｚ）を示す図（Calculated magnetic field Hy）である。横軸にｘ軸（ｘ axis）(μｍ)、縦軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。
図７の濃淡は、磁界分布（Ｈｚ）の強度（濃いほど強度が大きい）を表わしている。図７に示すように、電磁場は、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ１３に局在している。

ここで、トポロジカルエッジ伝送路は、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界でトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３を有するものであればよく、フォトニック構造は、限定されない。例えば、誘電体が、Ｃ_６ｖ対称性を有する蜂の巣格子状に配置されていることには限定されず、自明なフォトニック構造体は、配列されたセル内で対称性を有する第１誘電体を備え、トポロジカルフォトニック構造体は、配列されたセル内で対称性を有する第２誘電体を備えるものであればよい。

また、誘電体を形成する方法は、上述したナノホールに限らず、例えば誘電体ピラーを設ける構成でもよい。さらに、ナノホールのパラメータは勿論のこと、ナノホールの個数も限定されない。ただし、セルが蜂の巣格子状に配置される場合、ナノホールの配置もＣ_６ｖ対称性を有する構造が自然である。同様に、セルの形状も蜂の巣格子状に限定されない。

<戻り光の低減>
図８は、トポロジカルエッジ１３を有する光集積回路上での戻り光の低減を説明する図である。
トポロジカルフォトニック構造体１２を用いるトポロジカルエッジ伝送路４０は、ＴＥ（Transverse Electric）／ＴＭ（Transverse Magnetic）モードの光を伝送するInput用Ｓｉ系導波路（Si waveguide）４１と、ＴＥ／ＴＭモードの光を伝送するMonitor用Ｓｉ系導波路（Si waveguide）４２と、ＴＥ／ＴＭモード伝送から光渦伝送へ変換するトポロジカルエッジ１３と、を有する。

Input用Ｓｉ系導波路４１およびMonitor用Ｓｉ系導波路４２は、例えばｃ-Ｓｉ(crystal silicon)からなるｃ-Ｓｉ導波路、またはａ-Ｓｉ(amorphous silicon):Ｈからなるａ-Ｓｉ:Ｈ導波路である。Input用Ｓｉ系導波路４１およびMonitor用Ｓｉ系導波路４２の材質は、シリコン（Ｓｉ）には限定されず、どのような材質でもよい。例えば、導波路の材質が化合物半導体（例えば、ＩｎＰ）であってもよい。
Input用Ｓｉ系導波路４１およびMonitor用Ｓｉ系導波路４２は、先端に向かって幅が狭くなるテーパ（taper）４１ａ，４２ａを有する。Input用Ｓｉ系導波路４１およびMonitor用Ｓｉ系導波路４２のテーパ４１ａ，４２ａの先頭から延びる光軸は、テーパが形成されたフォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ１３に向かっている。

図８の白抜矢印に示すように、Input用Ｓｉ系導波路４１に入れたＴＥ／ＴＭモードの入力光（Incident light）５１が、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ状態のトポロジカルエッジ１３に入力され、トポロジカル伝送路上を光渦（図示省略）で伝送する。すなわち、Input用Ｓｉ系導波路４１に入れたＴＥ／ＴＭモードの入力光（Incident light）５１が、トポロジカルエッジ状態で光渦に高効率で変換されている。また、トポロジカル伝送路上を伝送した光渦は、Monitor用Ｓｉ系導波路４２に導かれ、ＴＥ／ＴＭモードの光５１に高効率で変換される。

Monitor用Ｓｉ系導波路４２から出た光は、例えばＤＦＢレーザにおいて光を出射する出射端より反射戻り光として入射する場合がある。図８の網掛矢印に示すように、Monitor用Ｓｉ系導波路４２からの戻り光（Return light from Si waveguide）５２は、光集積回路上で所望ではない光伝播である。

図８に示すように、フォトニック構造１１とトポロジカルフォトニック構造体１２によって作られた２つの領域の界面に生じる光状態（トポロジカルエッジ状態）は、特定の偏光・光渦を有する光のみを許容し、これらは方向依存性を有する。具体的には、伝送方向によって、偏光・光渦の回転方向が逆転する。

以上、図８のフォトニック構造１１とトポロジカルフォトニック構造体１２を有する光集積回路において、下記（１）（２）が要請される。
（１）トポロジカルエッジ１３では、単一方向に特定の偏光または光渦を伝播させる。
（２）光集積回路上での戻り光を低減させる。

図９および図１０は、図８のトポロジカルフォトニック構造体１２を有する光集積回路において、単一方向光伝播を説明する図である。図９は、図８のトポロジカルフォトニック構造体１２のトポロジカルエッジ１３の表面の上方に、反時計回りのカイラル性を有するカイラルアンテナ（ＬＣＰ）（図１１左図参照）を配置した例を示し、図１０は、同じく、時計回りのカイラル性を有するカイラルアンテナ（ＲＣＰ）（図１１右図参照）を配置した例を示す。

各偏光に対して、吸収・放射が大きいカイラルアンテナＬＣＰ，ＲＣＰを光集積回路上に配置する。
図９の矢印に示すように、トポロジカルエッジ１３部分にカイラルアンテナＬＣＰを配置することで、ＬＣＰに依存した単一方向光伝播（図９左方向光伝播）を実現できる。
また、図１０の矢印に示すように、トポロジカルエッジ１３部分にカイラルアンテナＲＣＰを配置することで、ＲＣＰに依存した単一方向光伝播（図１０右方向光伝播）を実現できる。

このように、各偏光に対して、吸収・放射が大きいカイラルアンテナをデバイス上に配置することで、それに対応した方向の光伝播が抑えられる。

図１１は、カイラルアンテナを説明する図である。図１１左図は、反時計回りのカイラル性を有するカイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０を示す図であり、図１１右図は、時計回りのカイラル性を有するカイラルアンテナ（ＲＣＰ）２０Ｒを示す図である。

カイラルアンテナ２０，２０Ｒは、円偏光に対して、カイラル性を有し、いずれか一方の回転方向の偏光または光渦を有する光と相互作用（interaction）して光を放射（損失）させるものであればよく、構造（外観形状も含む）や材質はどのようなものでもよい。例えば、カイラルアンテナ２０，２０Ｒは、円偏光に対して、カイラル性を有するナノスケール金属構造である。また、カイラル性を有する誘電体（図示省略）であってもよい。

カイラルアンテナ２０，２０Ｒは、１．５５μｍ波長帯を含む所定波長帯で相互作用（interaction）する共振条件を満たす構造のアンテナである。カイラルアンテナ２０，２０Ｒは、方向依存性を有する特定の偏光または光渦の、いずれか一方の回転方向の偏光または光渦を有する光と相互作用（interaction）して放射させる。具体的には、カイラルアンテナ２０，２０Ｒに電磁波が入ると、カイラルアンテナの中で電子が共振振動する状態となり一部は熱等で損失となり（吸収）、また誘導電流によってカイラルアンテナの中の電子を介して電磁場においてカイラルアンテナの上側に光を放射する（放射）。

カイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０とカイラルアンテナ（ＲＣＰ）２０Ｒとは、図１１左図の破線に対して鏡像対称である。
カイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０は、トポロジカルフォトニック領域の表面から上面視して、例えば卍形状であり、カイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０Ｒは、逆卍形状である。

カイラルアンテナ２０，２０Ｒは、材質がＡｕ、中心点を基点に四等分した場合の一辺の長さVerticalを２００ｎｍ、メタマテリアルの幅Sideを９０ｎｍ、メタマテリアルの厚さHeightを２０ｎｍとする。
なお、カイラルアンテナ２０，２０Ｒを構成するメタマテリアルの材質や、各部の寸法は、一例であり、限定されない。また、カイラルアンテナの形状も限定されず、後記図２０に示す形状のカイラルアンテナ２０Ａなどであってもよい。

<非磁性の導波路型アイソレータの構造例>
図１２は、図８のトポロジカルフォトニック構造体１２上に、カイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０を配置した非磁性の導波路型アイソレータ１を示す図である。
図１２に示すように、非磁性の導波路型アイソレータ１は、図８に示すトポロジカルフォトニック構造体１２上に、図１１左図に示すカイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０を配置する。

トポロジカルフォトニック構造体１２上に、偏光に対して、吸収・放射が大きいカイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０を配置することで、それに対応した方向の光伝播が抑えることができる。すなわち、カイラルアンテナ（ＬＣＰ）２０は、円偏光に対して、カイラル性を有し、いずれか一方の回転方向の偏光または光渦を有する光との相互作用（interaction）によりMonitor用Ｓｉ系導波路４２からの戻り光５２を放射（損失）させるので、光集積回路は一方向性のアイソレータとして動作する。

［シミュレーション］
本実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータ１の実現にあたっては，「シリコン光回路上に空孔を作製する技術」と「ナノスケールの金属構造を配置する技術」の２つの技術が必要となるが、いずれも標準的なシリコンフォトニクスのプロセスを用いて実現することができる。シミュレーションモデル（条件）を図１２乃至図１５に示し、シミュレーション結果を図１６および図１７に示す。

図１３は、図８のトポロジカルエッジ１３による光集積回路の光入出力側にモニタ（Monitor）６１，６２を載置したシミュレーションモデルであり、図１３左図は、図１３左図の矢印に示すように、左側からの入力光（Incident light）５１をモニタ６１，６２で検出する例（leftからrightへの光の伝播）、図１３右図は、図１３右図の矢印に示すように、右側からの入力光５１をモニタ６２，６１で検出する例（rightからleftへの光の伝播）である。図１３のシミュレーションモデルのシミュレーション結果は、図１６および図１７の「ＷＧ」に示される。

図１４は、図１２のトポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナ２０（図１１左図参照）を２つ配置するとともに、光集積回路の光入出力側にモニタ６１，６２を載置したシミュレーションモデルである。図１４左図は、図１４左図の矢印に示すように、左側からの入力光５１をモニタ６１，６２で検出する例（leftからrightへの光の伝播）、図１４右図は、図１４右図の矢印に示すように、右側からの入力光５１をモニタ６２，６１で検出する例（rightからleftへの光の伝播）である。図１４のシミュレーションモデルのシミュレーション結果は、図１６および図１７の「卍×２」に示される。

図１５は、図１２のトポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナ２０Ｒ（図１１右図参照）を２つ配置するとともに、光集積回路の光入出力側にモニタ６１，６２を載置したシミュレーションモデルである。図１５左図は、図１５左図の矢印に示すように、左側からの入力光５１をモニタ６１，６２で検出する例（leftからrightへの伝播）、図１５右図は、図１５右図の矢印に示すように、右側からの入力光５１をモニタ６２，６１で検出する例（rightからleftへの伝播）である。図１５のシミュレーションモデルのシミュレーション結果は、図１６および図１７の「逆卍×２」に示される。

カイラルアンテナの回転方向と伝播方向の関係について説明する。
カイラルアンテナは、円偏光に対して、いずれか一方の回転方向の偏光または光渦を有する光と相互作用（interaction）して吸収し、この偏光または光渦を有する光を放射（損失）させる。カイラルアンテナが、各偏光に対して、吸収・放射する吸収・放射量が伝播ロスLoss[dB]であり、次式（１）で示される。Lossが大きいほど、アンテナにおける吸収・放射量が大きい。なお、順方向であっても伝播ロスLossがある（図１６および図１７のカイラルアンテナなし（ＷＧ）参照）。

図１６は、カイラルアンテナなし（ＷＧ）、カイラルアンテナ２０を１つ（卍×１）、カイラルアンテナ２０Ｒを１つ（逆卍×１）、カイラルアンテナ２０を２つ（卍×２）、およびカイラルアンテナ２０Ｒを２つ（逆卍×２）のそれぞれにおいて、図１３乃至図１５のleftからrightへの光の伝播のLossと、rightからleftへの光の伝播のLossとを比較して示すグラフである。

図１７は、図１６のシミュレーションモデルのシミュレーション結果を表にして示す図である。
図１６および図１７に示すように、トポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナを配置しないカイラルアンテナなし（ＷＧ）の場合は、Lossについて有意な差異はない。

図１６および図１７に示すように、カイラルアンテナ２０を１つ配置したシミュレーションモデル（卍×１）は、leftからrightへの光の伝播はloss小、rightからleftへの光の伝播はloss大である。また、カイラルアンテナ２０を２つ配置したシミュレーションモデル（卍×２）は、カイラルアンテナ２０，２０Ｒを１つ配置した場合よりも光の伝播のlossの差（leftとrightの吸収量の差）は、格段に大きい。

同様に、カイラルアンテナ２０を１つ配置したシミュレーションモデル（逆卍×１）は、leftからrightへの光の伝播はloss大、rightからleftへの光の伝播はloss小である。カイラルアンテナ２０Ｒを２つ配置したシミュレーションモデル（逆卍×２）は、カイラルアンテナ２０Ｒを１つ配置した場合よりも光の伝播のlossの差（leftとrightの吸収量の差）は、格段に大きい。

このように、トポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナ２０を配置したシミュレーションモデル（卍×１，卍×２）では、leftからrightへの光の伝播はloss小、rightからleftへの光の伝播はloss大となる。また、カイラルアンテナ２０を２つ配置した場合は、カイラルアンテナ２０を１つ配置した場合よりも光の伝播のlossの差は、大きいことが確かめられた。例えば、カイラルアンテナ２０を２つ配置した場合は、左右の吸収量の差は５[dB]得られている。
同様に、トポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナ２０Ｒを配置したシミュレーションモデル（卍×１，卍×２）では、leftからrightへの光の伝播はloss大、rightからleftへの光の伝播はloss小となる。また、カイラルアンテナ２０Ｒを２つ配置した場合は、カイラルアンテナ２０Ｒを１つ配置した場合よりも光の伝播のlossの差は、大きいことが確かめられた。

［実測］
図１８は、図１４に示すトポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナ２０を２つ配置した場合の磁界分布（Ｈｚ）を示す図（Calculated magnetic field Hy）である。縦軸にｚ軸（z axis）(μｍ)、横軸にｙ軸（ｙ axis）(μｍ)をとる。図１８の濃淡は、磁界分布（Ｈｚ）の強度（濃いほど強度が大きい）を表わしている。

図１８左図に示すように、leftからrightへの光の伝播では、１つ目のleft側のカイラルアンテナ２０の影響を受けずに２つ目のright側のカイラルアンテナ２０にlossなく伝播し、leftからrightへの光の伝播はloss小であることが確認できた。また、図１８右図に示すように、rightからleftへの光の伝播では、１つ目のright側のカイラルアンテナ２０で相互作用（interaction）し、放射（損失）された光がleft側のカイラルアンテナ２０に伝播されている、すなわちrightからleftへの光の伝播はloss大であることが確認できた。

図１９は、図１５に示すトポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナ２０Ｒを２つ配置した場合の磁界分布（Ｈｙ）を示す図（Calculated magnetic field Hz）である。縦軸にｙ軸（ｙaxis）(μｍ)、横軸にｘ軸（x axis）(μｍ)をとる。図１８の濃淡は、磁界分布（Ｈｚ）の強度（濃いほど強度が大きい）を表わしている。

図１９左図に示すように、leftからrightへの伝播は、１つ目のleft側のカイラルアンテナ２０Ｒで相互作用（interaction）し、放射（損失）された光がright側のカイラルアンテナ２０に伝播されている、すなわちleftからrightへの光の伝播はloss大であることが確認できた。これに対し、図１９右図に示すように、rightからleftへの伝播では、１つ目のright側のカイラルアンテナ２０Ｒの影響を受けずに２つ目のleft 側のカイラルアンテナ２０Ｒにlossなく光が伝播し、rightからleftへの光の伝播はloss小であることが確認できた。

［変形例］
図２０は、本発明の実施形態に係る変形例の非磁性の導波路型アイソレータの上面図である。図３と同一構成部分には同一符号を付している。
変形例の非磁性の導波路型アイソレータ１は、トポロジカルフォトニック構造体１２上にカイラルアンテナ２０Ａを有する。

カイラルアンテナ２０Ａは、カイラル性を有するナノスケール金属構造である。カイラルアンテナ２０Ａは、上面視して、４つ羽の風車形状であり、トポロジカルエッジ１３に沿って、羽の向きが光渦伝播方向と水平・垂直になるように配置される。

以上説明したように、本実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータ１（図３参照）は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体１２と、トポロジカルフォトニック構造体１２の表面に配置された、カイラル性を有するカイラルアンテナ２０，２０Ｒ（メタマテリアル）と、を有する。

この構成により、各偏光に対して、吸収・放射が大きいカイラルアンテナ２０，２０Ｒをデバイス上に配置することで、いずれかの偏光・光渦を有する光を放射（損失）させる。すなわち、図３に示すように、非磁性の導波路型アイソレータ１では、入力光（Incident light）５１が、トポロジカルエッジ状態で光渦伝播する。また、非磁性の導波路型アイソレータ１への戻り光（Counter propagation）５２は、カイラルアンテナ２０で相互作用（interaction）し、Radiation of counter propagating light５３となって放射（損失）する。これにより、戻り光５２は、放射（損失）した戻り光５４となる。これにより、対応した方向の光伝播を抑えることができ、光集積デバイスは一方向性のアイソレータとして動作する。トポロジカルシリコン光回路（Topological photonic integrated circuits：T-PICs）上に集積可能な非磁性の導波路型アイソレータを実現することができる。

本実施形態に係る非磁性の導波路型アイソレータ１は、シリコン光回路上に形成された他素子とのモノリシック集積が容易であり、ガーネット結晶のような別材料系（磁性材料系）をシリコンプラットフォームへ導入する必要もない。既存技術に対する課題解決策として有望である。

本実施形態では、非磁性の導波路型アイソレータ１は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体１１と、トポロジカルフォトニック構造体１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３と、トポロジカルエッジ１３近傍に配置された２０，２０Ｒと、を有する。

この構成により、特殊な光伝播が可能なトポロジカルエッジ状態で光渦の伝送が可能な非磁性の導波路型アイソレータを実現することができる。

非磁性の導波路型アイソレータ１０は、トポロジカル特性の光回路への応用が可能である。光渦の伝送を用いた非磁性の導波路型アイソレータは、半導体基板（シリコン，ＩｎＰなど）上に形成することができ、半導体レーザや大容量伝送のキーコンポーネントであるマルチコアファイバとの整合性にも優れていることから光通信との親和性の向上も期待できる。

本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、カイラル性を有するメタマテリアルは、トポロジカルフォトニック構造体に配置されるものであれば、どのような配置でもよい。ここで、トポロジカルフォトニック構造体の配置には、トポロジカルエッジ近傍（トポロジカルエッジ近傍は、フォトニック構造体も含む）に配置される場合も含まれる。

また、メタマテリアルの構造、配列、寸法、個数、材質は、実施形態・変形例には限定されない。メタマテリアルは、３個以上でもよいが、順方向の伝播ロスが増えることに留意する。また、メタマテリアルは、ナノスケール金属構造であることで、カイラルアンテナを作成しやすい利点がある。ただし、メタマテリアルメタルを用いた場合、interactionが大きく順方向の伝播ロスが大きくなる。メタマテリアルは、誘電体を用いて作製してもよく、誘電体を使うとinteractionを小さくできる可能性があるが、アイソレータとして使用するためには数個配置する。

また、上記実施の形態では、非磁性の導波路型アイソレータという名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、光アイソレータ等であってもよい。

１ 非磁性の導波路型アイソレータ
１１ フォトニック構造体（Trivial photonic structure）
１２ トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）
１３ トポロジカルエッジ（Topological edge）
２０，２０Ｒ，２０Ａ カイラルアンテナ（カイラル性を有するメタマテリアル）（Chiral metamaterial）
４０ トポロジカルエッジ伝送路
４１ Input用Ｓｉ系導波路
４２ Monitor用Ｓｉ系導波路
５１ 入力光（Incident light）
５２ 戻り光（Counter propagation）
５３ Radiation of counter propagating light
５４ 放射（損失）した戻り光
１１１ 第１誘電体
１１２ 第２誘電体
１２１ フォトニック構造体のセル
１２２ トポロジカルフォトニック構造体のセル

Claims (14)

1. 内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）と、
   前記トポロジカルフォトニック構造体に配置された、カイラル性を有するメタマテリアル（Chiral metamaterial）と、を有する
   ことを特徴とする非磁性の導波路型アイソレータ。
2. 前記メタマテリアルは、伝送方向によって回転方向が逆転する方向依存性を有する特定の偏光または光渦の、いずれか一方の回転方向の前記偏光または前記光渦を有する光と相互作用（interaction）して放射させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
3. 前記メタマテリアルは、円偏光に対して、カイラル性を有するナノスケール金属構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
4. 前記メタマテリアルは、円偏光に対して、カイラル性を有する誘電体である
   ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
5. 前記メタマテリアルは、１．５５μｍ波長帯を含む所定波長帯で相互作用する共振条件を満たす構造のアンテナである
   ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
6. 前記メタマテリアルは、前記トポロジカルフォトニック構造体の表面から上面視して、卍形状または逆卍形状のカイラルアンテナである
   ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
7. 前記メタマテリアルは、前記トポロジカルフォトニック構造体に、１または複数配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
8. バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）と、
   前記フォトニック構造体と前記トポロジカルフォトニック構造体の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）と、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
9. 前記トポロジカルエッジは、特定の偏光または光渦を有する光を許容する
   ことを特徴とする請求項８に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
10. 特定の前記偏光または前記光渦は、伝送方向によって前記偏光または前記光渦の回転方向が逆転する方向依存性を有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
11. 前記メタマテリアルは、前記トポロジカルエッジに近接して配置される
    ことを特徴とする請求項８に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
12. 前記トポロジカルフォトニック構造体は、配列されたセル内で対称性を有する誘電体を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
13. 前記トポロジカルフォトニック構造体は、Ｃ_６ｖ対称性を有するナノホールを含む誘電体が蜂の巣格子状セルに配列される構造を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。
14. 前記トポロジカルフォトニック構造体は、Ｚ_２トポロジーで表わされるトポロジカル構造である
    ことを特徴とする請求項１に記載の非磁性の導波路型アイソレータ。

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