JP2023127130A - Waveguide type orbital angular momentum generation device, and orbital angular momentum multiplexing system - Google Patents

Waveguide type orbital angular momentum generation device, and orbital angular momentum multiplexing system Download PDF

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智宏 雨宮
Tomohiro Amemiya
響 各務
Hibiki Kagami
裕樹 渥美
Yuki Atsumi
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

To provide a waveguide type orbital angular momentum generation device and orbital angular momentum multiplexing system that do not need power consumption other than light, and are high in compatibility with a small system and existing optical fiber system.SOLUTION: A waveguide type orbital angular momentum generation device 1 comprises: a dielectric nanopillar 10 that develops an orbital angular momentum on an axis 11 of MD/MQ; and a nanowire optical waveguide 20 that has an area facing the dielectric nanopillar 10, and transports incident light to the dielectric nanopillar 10. In the dielectric nanopillar 10, the axis 11 of the MD/MQ crosses with respect to an optical path axis 21 of the nanowire optical waveguide 20, and is spaced with a first distance (D1) apart from the optical path axis 21 of the nanowire optical waveguide 20.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、導波路型光渦発生装置および光渦多重システムに関する。 The present invention relates to a waveguide type optical vortex generator and an optical vortex multiplexing system.

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。光集積回路は、光通信で必須とされる種々の機能をワンチップ上に一括集積したものである。単一機能の光デバイスに比べて、実装コスト・消費電力・サイズなどの低減が可能なことから、数多くのモジュールが実用化されており、現在の光市場を席巻している。
一般的な光集積回路においては、伝播光のモードは、TEモード(Transverse Electric mode)/(以下、「/」は「または」を表記する)TMモード(Transverse Magnetic mode)に固定される。そのため、光回路上に集積された各種デバイスは、それらのモードに対して動作するように設計されている。
Various optical elements used in optical networks include lasers, modulators, multiplexing elements, optical switches, and the like. An optical integrated circuit is one in which various functions essential for optical communication are integrated on a single chip. Compared to single-function optical devices, it is possible to reduce implementation costs, power consumption, and size, so many modules have been put into practical use and are dominating the current optical market.
In a typical optical integrated circuit, the mode of propagating light is fixed to TE mode (Transverse Electric mode)/TM mode (Transverse Magnetic mode) (hereinafter, "/" is expressed as "or"). Therefore, various devices integrated on optical circuits are designed to operate in those modes.

光通信技術において、将来的に信号の多重化資源が増えることは、通信容量の劇的な大容量化につながる。光の軌道角運動量にあたる光渦は、波面のらせん周期に情報を乗せるため、理論上無限チャネル多重化が可能であり、また既存の多重化技術との整合性にも優れていることから、大容量伝送のキーテクノロジーとなり得る。そのため昨今、光渦の通信への応用が企てられている。 In optical communication technology, the future increase in signal multiplexing resources will lead to a dramatic increase in communication capacity. Optical vortices, which correspond to the orbital angular momentum of light, carry information on the helical period of the wavefront, so theoretically infinite channel multiplexing is possible, and since it is highly compatible with existing multiplexing technology, it has been widely used. It can become a key technology for capacity transmission. Therefore, in recent years, attempts have been made to apply optical vortices to communications.

図15および図16は、図14に示すLight directionを照射した場合の円偏光と光渦を説明する図である。図15および図16のz軸は、図14のLight directionの照射方向(z軸)である。
図15上図左に示す円偏光(右円偏光)は電場と磁場が螺旋状を描くように伝播する。この円偏光と図15上図右に示す光渦(m=0;平面波)とが組み合わされた場合、図15下図に示す磁界Hzの分布をみると円偏光が観測される。
15 and 16 are diagrams illustrating circularly polarized light and optical vortices when the light direction shown in FIG. 14 is irradiated. The z-axis in FIGS. 15 and 16 is the irradiation direction (z-axis) of the Light direction in FIG. 14.
The circularly polarized light (right-handed circularly polarized light) shown on the left side of the upper diagram of FIG. 15 propagates as the electric field and magnetic field describe a spiral. When this circularly polarized light is combined with the optical vortex (m=0; plane wave) shown on the upper right side of FIG. 15, circularly polarized light is observed when looking at the magnetic field Hz distribution shown on the lower side of FIG. 15.

図16上図左に示す円偏光(右円偏光)は電場と磁場が螺旋状を描くように伝播する。この円偏光と図16上図右に示す光渦(m=-1)とが組み合わされた場合、図16下図に示す磁界Hzの分布をみると、円偏光かつ光渦の特徴である4分割されたHz分布である、円偏光に光渦が乗った光(「光渦光」)が観測される。上記mは、光渦の螺旋数を示し、m=0,1,2,3,…(反対方向は、「-」を表記)である。 The circularly polarized light (right-handed circularly polarized light) shown on the left side of the upper diagram of FIG. 16 propagates as an electric field and a magnetic field draw a spiral. When this circularly polarized light is combined with the optical vortex (m=-1) shown in the upper right of FIG. 16, the distribution of the magnetic field Hz shown in the lower diagram of FIG. Hz distribution, circularly polarized light with an optical vortex ("optical vortex light") is observed. The above m indicates the helical number of the optical vortex, and m=0, 1, 2, 3,... (the opposite direction is indicated by "-").

円偏光および光渦(OAM:Orbital angular momentum)について補足して説明する。
円偏光は、電磁界がそれぞれらせん状である。円偏光は、右円偏光(CW)と左円偏光(CCW)のみである。円偏光は、トポロジカルフォトニクスの特性利用に必要である。
A supplementary explanation will be given of circularly polarized light and optical angular momentum (OAM).
In circularly polarized light, each electromagnetic field is spiral. Circularly polarized light includes only right-handed circularly polarized light (CW) and left-handed circularly polarized light (CCW). Circularly polarized light is necessary to exploit the properties of topological photonics.

光渦は、等位相面がらせん状である。光渦は、左右の光渦に加え、他重らせん構造が可能である。このため、理論的には無限チャネル化が可能である。 The optical vortex has a spiral equiphase surface. In addition to the left and right optical vortices, the optical vortex can have a multi-helix structure. Therefore, theoretically infinite channels are possible.

特許文献1には、第1層と、第1層に対向する第2層とを備え、第1層は、各々が光学異方性を有する複数の第1構造体を含み、第2層は、第1層から入射した光を反射する際は、光の入射時と反射時とで光の偏光状態を維持したまま光を反射する、光学素子が記載されている。特許文献1の段落[0258]には、「光LT2は、光渦として出射される。光渦とは、特異点を有し、等位相面が螺旋面を形成する光のことである。」と記載されている。 Patent Document 1 includes a first layer and a second layer opposite to the first layer, the first layer includes a plurality of first structures each having optical anisotropy, and the second layer includes a plurality of first structures each having optical anisotropy. , describes an optical element that, when reflecting light incident from the first layer, reflects the light while maintaining the polarization state of the light between the time of incidence and the time of reflection. Paragraph [0258] of Patent Document 1 states, "The light LT2 is emitted as an optical vortex. An optical vortex is light that has a singular point and whose equiphase plane forms a spiral surface." It is stated that.

研究発表されている光渦発生装置には、空間位相変調器を用いた装置がある(例えば、”Tsinghua University”Y.Wang et al.,Sci.Rep.6,22512(2016))。また、導波路型の光渦発生装置には、スターカプラ、アレイ導波路、および光結合器で構成された装置がある。(例えば、” University of California, Davis,” T.Su et al., Opt. Express, 20(9), 9396 (2012))。 Among the optical vortex generating devices that have been published in research, there is a device that uses a spatial phase modulator (for example, “Tsinghua University” Y. Wang et al., Sci. Rep. 6, 22512 (2016)). Furthermore, waveguide-type optical vortex generators include devices that include a star coupler, an array waveguide, and an optical coupler. (For example, “University of California, Davis,” T.Su et al., Opt. Express, 20(9), 9396 (2012)).

特開2018-84679号公報Unexamined Japanese Patent Publication No. 2018-84679

現在までに発表されている光渦発生装置では、以下の点が課題となっている。
空間位相変調器を用いた場合、大きな系となるため、光ファイバシステムには実用的ではない。
また、光入力以外に電力消費を必要としないパッシブな装置とすることは難しい。例えば、スターカプラ、アレイ導波路、および光結合器で集積構成される既存の光渦発生装置では、一般にアレイ導波路間での位相差を調整するためのヒータ等の集積が必要となり、連続的に電力を消費する。
The optical vortex generators announced to date have the following issues.
When a spatial phase modulator is used, the system becomes large, so it is not practical for optical fiber systems.
Furthermore, it is difficult to create a passive device that does not require power consumption other than optical input. For example, existing optical vortex generators that are integrated with a star coupler, arrayed waveguide, and optical coupler generally require the integration of a heater, etc. to adjust the phase difference between the arrayed waveguides, and consumes electricity.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、位相調整が不要であることから光入力以外に電力消費を必要とせず、小さな系で既存の光ファイバシステムと親和性の高い導波路型光渦発生装置および光渦多重システムを提供することを課題とする。 The present invention was made in view of these circumstances, and since phase adjustment is not required, power consumption other than optical input is not required, and the present invention is a small system that is highly compatible with existing optical fiber systems. An object of the present invention is to provide a waveguide type optical vortex generator and an optical vortex multiplexing system.

前記した課題を解決するため、本発明に係る導波路型光渦発生装置は、導波路型光渦発生装置であって、MDまたはMQの軸上に光渦を発現するナノサイズの高屈折率誘電体と、前記ナノサイズの高屈折率誘電体と対向する領域を有し、入射した光を前記ナノサイズの高屈折率誘電体に輸送する細線光導波路と、を備え、前記ナノサイズの高屈折率誘電体は、前記MDまたはMQの軸が、前記細線光導波路の光路軸に対して交差し、かつ、前記細線光導波路の前記光路軸から所定第1距離離隔していることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a waveguide type optical vortex generator according to the present invention is a waveguide type optical vortex generator, which is a nano-sized high refractive index device that generates an optical vortex on the axis of MD or MQ. a thin wire optical waveguide having a region facing the nano-sized high refractive index dielectric and transporting incident light to the nano-sized high refractive index dielectric; The refractive index dielectric is characterized in that the MD or MQ axis intersects with the optical path axis of the thin wire optical waveguide and is spaced a predetermined first distance from the optical path axis of the thin wire optical waveguide. do.

本発明によれば、光入力以外に電力消費を必要とせず、小さな系で既存の光ファイバシステムと親和性の高い導波路型光渦発生装置および光渦多重システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a waveguide type optical vortex generator and an optical vortex multiplexing system that do not require power consumption other than optical input, are small, and have high compatibility with existing optical fiber systems.

本発明の実施形態に係る導波路型光渦発生装置の構造を示す斜視図である。1 is a perspective view showing the structure of a waveguide type optical vortex generator according to an embodiment of the present invention. 本発明の導波路型光渦発生装置におけるDipolesとQuadrupolesにおけるMagnetic multipolesとRadiation multipolesを模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing Magnetic multipoles and Radiation multipoles in Dipoles and Quadrupoles in the waveguide type optical vortex generator of the present invention. 本発明の導波路型光渦発生装置の誘電体ナノピラーのMD/MQの軸に発現するMDおよびMQを含む光の特性を波長ごとに示した図である。FIG. 3 is a diagram showing, for each wavelength, the characteristics of light including MD and MQ that appear on the MD/MQ axis of the dielectric nanopillar of the waveguide type optical vortex generator of the present invention. 本発明の導波路型光渦発生装置におけるMDを発現する導波路型光渦発生装置の構造を示す上面図である。FIG. 2 is a top view showing the structure of a waveguide type optical vortex generator that exhibits MD in the waveguide type optical vortex generator of the present invention. 本発明の導波路型光渦発生装置におけるMDを発現する導波路型光渦発生装置の構造を示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing the structure of a waveguide type optical vortex generator that exhibits MD in the waveguide type optical vortex generator of the present invention. 図4および図5に示す導波路型光渦発生装置の磁界ベクトルを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing magnetic field vectors of the waveguide type optical vortex generator shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 図4および図5に示す導波路型光渦発生装置の電界Ey分布を示す図である。6 is a diagram showing the electric field Ey distribution of the waveguide type optical vortex generator shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 図4および図5に示す導波路型光渦発生装置の磁界Hy分布を示す図である。6 is a diagram showing the magnetic field Hy distribution of the waveguide type optical vortex generator shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 本発明の導波路型光渦発生装置におけるMQを発現する導波路型光渦発生装置の構造を示す上面図である。FIG. 2 is a top view showing the structure of the waveguide type optical vortex generator that exhibits MQ in the waveguide type optical vortex generator of the present invention. 本発明の導波路型光渦発生装置におけるMQを発現する導波路型光渦発生装置の構造を示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing the structure of a waveguide type optical vortex generator that exhibits MQ in the waveguide type optical vortex generator of the present invention. 図9および図10に示す導波路型光渦発生装置の磁界ベクトルを示す図である。11 is a diagram showing magnetic field vectors of the waveguide type optical vortex generator shown in FIGS. 9 and 10. FIG. 図9および図10に示す導波路型光渦発生装置の電界Ey分布を示す図である。11 is a diagram showing the electric field Ey distribution of the waveguide type optical vortex generator shown in FIGS. 9 and 10. FIG. 図9および図10に示す導波路型光渦発生装置の磁界Hy分布を示す図である。11 is a diagram showing the magnetic field Hy distribution of the waveguide type optical vortex generator shown in FIGS. 9 and 10. FIG. Light directionの照射を説明する斜視図である。FIG. 3 is a perspective view illustrating light direction irradiation. 図14に示すLight directionを照射した場合の円偏光と光渦を説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating circularly polarized light and a light vortex when the light direction shown in FIG. 14 is irradiated. 図14に示すLight directionを照射した場合の円偏光と光渦を説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating circularly polarized light and a light vortex when the light direction shown in FIG. 14 is irradiated.

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。
(原理説明)
ナノサイズの高屈折率誘電体に光を入射した際、特定の波長においてMie共鳴と呼ばれる現象を示し、一定の条件の下でMie共鳴により散乱される光は渦状態(Magnetic Quadrupole)を持つ。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
(Explanation of principle)
When light is incident on a nano-sized dielectric with a high refractive index, a phenomenon called Mie resonance occurs at a specific wavelength, and the light scattered by Mie resonance under certain conditions has a vortex state (Magnetic Quadrupole).

ナノサイズの高屈折率誘電体への入射光として、既存の光回路において広く利用されているSi細線光導波路からの光の漏れを利用する。これにより、TE/TMモード光のみで動作する既存の光デバイスから、渦状の光を出射することが可能となる。この際、ナノサイズの高屈折率誘電体のMD/MQの軸とSi細線光導波路の光路軸が合っている場合には、ナノサイズの高屈折率誘電体から出射される光は渦状とはならないため、軸をずらすことが必須となる。 The leakage of light from a thin Si optical waveguide, which is widely used in existing optical circuits, is used as incident light to a nano-sized high refractive index dielectric. This makes it possible to emit spiral light from an existing optical device that operates only with TE/TM mode light. At this time, if the MD/MQ axis of the nano-sized high refractive index dielectric material and the optical path axis of the Si wire optical waveguide are aligned, the light emitted from the nano-sized high refractive index dielectric material is not spiral-shaped. Therefore, it is necessary to shift the axis.

(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る導波路型光渦発生装置の構造を示す斜視図である。
導波路型光渦発生装置1は、MD/MQの軸11上に光渦を発現する誘電体ナノピラー10と、誘電体ナノピラー10から離隔して配置され、入射した光を誘電体ナノピラー10に輸送する細線光導波路20と、を備える。
(Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a waveguide type optical vortex generator according to an embodiment of the present invention.
The waveguide type optical vortex generator 1 includes a dielectric nanopillar 10 that generates an optical vortex on the MD/MQ axis 11, and is arranged apart from the dielectric nanopillar 10, and transports incident light to the dielectric nanopillar 10. A thin wire optical waveguide 20 is provided.

誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11は、細線光導波路20の光路軸21に対して交差方向(ここでは直交)にあり、かつ、細線光導波路20の光路軸21から所定距離(D1)離隔している。すなわち、誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11は、細線光導波路20の光路軸21に対して交差方向と互いの距離がずれている。また、誘電体ナノピラー10は、細線光導波路20の表面20aから所定距離(D2)離隔している。したがって、誘電体ナノピラー10は、細線光導波路20の幅方向の片側において、少なくとも一部が細線光導波路20の表面20aから所定距離(D2)離隔して重なる(対向する領域があればよい)。 The MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 is in a direction intersecting (orthogonal here) to the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20, and is at a predetermined distance (D1) from the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20. Separated. That is, the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 is shifted from the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20 in the intersecting direction and the distance from each other. Further, the dielectric nanopillar 10 is spaced apart from the surface 20a of the thin wire optical waveguide 20 by a predetermined distance (D2). Therefore, at least a portion of the dielectric nanopillars 10 overlap with each other at a predetermined distance (D2) from the surface 20a of the thin optical waveguide 20 on one side in the width direction of the thin optical waveguide 20 (it is sufficient if there are opposing regions).

<誘電体ナノピラー10>
・基本構造
誘電体ナノピラー10は、ナノサイズの高屈折率誘電体である。
誘電体ナノピラー10は、特定の波長においてMie共鳴と呼ばれる現象を用いるため、ナノサイズである。
誘電体ナノピラー10は、Si,InP,GaP,AlAs,GaAsなどの高屈折率誘電体である。誘電体ナノピラー10は、MD/MQが発現する波長において高屈折率(3.0以上)である。
<Dielectric nanopillar 10>
- Basic structure The dielectric nanopillar 10 is a nano-sized high refractive index dielectric.
The dielectric nanopillar 10 is nanosized because it uses a phenomenon called Mie resonance at a specific wavelength.
The dielectric nanopillar 10 is a high refractive index dielectric material such as Si, InP, GaP, AlAs, or GaAs. The dielectric nanopillar 10 has a high refractive index (3.0 or more) at the wavelength where MD/MQ occurs.

・配置
誘電体ナノピラー10は、細線光導波路20から上下に離れて配置される。
誘電体ナノピラー10は、細線光導波路20の光路軸21から第1距離(D1)離隔した細線光導波路20の幅方向の片側に配置されているので、誘電体ナノピラー10の底部10aに対して横方向(MD/MQの軸11に対して横方向)から光が入射される。
- Arrangement The dielectric nanopillar 10 is arranged vertically apart from the thin optical waveguide 20.
The dielectric nanopillar 10 is disposed on one side in the width direction of the thin optical waveguide 20 at a distance of a first distance (D1) from the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20. Light is incident from the direction (lateral to the MD/MQ axis 11).

誘電体ナノピラー10と対向する領域において、誘電体ナノピラー10と細線光導波路は、第2距離(D2)離隔し、第2距離(D2)は、5nm乃至100nm(より好ましくは、10nm乃至50nm)である。 In the region facing the dielectric nanopillar 10, the dielectric nanopillar 10 and the thin optical waveguide are separated by a second distance (D2), and the second distance (D2) is 5 nm to 100 nm (more preferably 10 nm to 50 nm). be.

・回転対称
誘電体ナノピラー10は、回転対称を有し、回転対称の軸がMD/MQの軸11である。
- Rotational symmetry The dielectric nanopillar 10 has rotational symmetry, and the axis of rotational symmetry is the axis 11 of MD/MQ.

・MQ発現
誘電体ナノピラー10の半径は、第1距離(D1)よりも小さく、MD/MQの軸11上にMQを発現する。
第1距離(D1)は、450nmを中心とする上下50nmであり、MD/MQの軸11上にMQを発現する。
- MQ expression The radius of the dielectric nanopillar 10 is smaller than the first distance (D1), and MQ is expressed on the axis 11 of MD/MQ.
The first distance (D1) is 50 nm above and below 450 nm, and expresses MQ on the axis 11 of MD/MQ.

誘電体ナノピラー10において発現するMD/MQの軸11は、細線光導波路20の光路軸11から誘電体ナノピラー10の半径以上離れている。 The axis 11 of MD/MQ developed in the dielectric nanopillar 10 is separated from the optical path axis 11 of the thin optical waveguide 20 by a radius of the dielectric nanopillar 10 or more.

<細線光導波路20>
細線光導波路20は、入射光を誘電体ナノピラー10に輸送する。細線光導波路20は、誘電体ナノピラー10対向する領域において、誘電体ナノピラー10に光が漏れる(滲み出る)。
<Thin optical waveguide 20>
The thin wire optical waveguide 20 transports the incident light to the dielectric nanopillar 10. In the thin optical waveguide 20 , light leaks (seeps) to the dielectric nanopillar 10 in a region facing the dielectric nanopillar 10 .

細線光導波路20は、MD/MQが発現する波長において透明な材料、例えばSi,Si,PMMA(アクリル樹脂),ダイヤモンド等である。
なお、細線光導波路20は、高屈折率については必要条件ではない。
細線光導波路20は、直線でも曲線でも構わない。
The thin wire optical waveguide 20 is made of a material that is transparent at a wavelength where MD/MQ is expressed, such as Si, Si 3 N 4 , PMMA (acrylic resin), diamond, or the like.
Note that the thin wire optical waveguide 20 is not a necessary condition for a high refractive index.
The thin wire optical waveguide 20 may be straight or curved.

<導波路型光渦発生装置1の立体構造>
導波路型光渦発生装置1は、図1の立体構造を実現するために、細線光導波路20上に、透明かつ屈折率の小さい部材(例えば、SiOのガラス等)をスペーサとして介在させ、誘電体ナノピラー10を位置決め・配置する。
<Three-dimensional structure of waveguide type optical vortex generator 1>
In order to realize the three-dimensional structure shown in FIG. 1, the waveguide type optical vortex generator 1 has a transparent member with a small refractive index (for example, SiO 2 glass, etc.) interposed as a spacer on the thin wire optical waveguide 20. The dielectric nanopillars 10 are positioned and arranged.

図2および図3は、MDおよびMQを説明する図である。
図2は、図2右に示す誘電体ナノピラー10の電磁界・入射光方向kにおいて、DipolesとQuadrupolesにおけるMagnetic multipolesとRadiation multipolesを模式的に示す図である。Radiation multipolesは、光が放出される形状を示しており、DipolesのRadiation multipolesでは、ドーナッツ型に光が放出される。QuadrupolesのRadiation multipolesでは、ドーナッツ型が4つ組み合わされた形状である。
2 and 3 are diagrams explaining MD and MQ.
FIG. 2 is a diagram schematically showing Magnetic multipoles and Radiation multipoles in Dipoles and Quadrupoles in the electromagnetic field and incident light direction k of the dielectric nanopillar 10 shown on the right side of FIG. Radiation multipoles refer to the shape in which light is emitted, and Dipoles' radiation multipoles emit light in a donut shape. Quadrupoles Radiation multipoles have a shape that combines four donut shapes.

例えば、Dipolesにおいて、ドーナッツ型のRadiation multipolesの中央に、Magnetic multipolesがある。このMagnetic multipolesに示す「m」は光渦が放出される方向であり、図2右に示す誘電体ナノピラー10の入射光方向kの軸に対応する。また、このMagnetic multipolesに示す「Current」は図2右に示す誘電体ナノピラー10の電界Eを生成する、誘電体ナノピラー10の周方向で周回して流れる電流である。周回して流れる電流により、光渦が発現する。 For example, in Dipoles, there is a magnetic multipole in the center of the donut-shaped radiation multipole. "m" shown in the magnetic multipoles is the direction in which the optical vortex is emitted, and corresponds to the axis of the incident light direction k of the dielectric nanopillar 10 shown on the right side of FIG. Further, "Current" shown in the Magnetic multipoles is a current flowing around in the circumferential direction of the dielectric nanopillar 10, which generates the electric field E of the dielectric nanopillar 10 shown on the right side of FIG. A light vortex is created by the current flowing in circles.

図3は、導波路型光渦発生装置1の誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11に発現するMDおよびMQを含む光の特性を波長ごとに示した図であり、図3はそのσexl/σgeom比である全消光断面積を示す。図中、σは断面積、σ_extは消光断面積である。σ_geomは幾何学上のナノ構造の断面積となっており、σ_geomで割ることでσ_extを正規化している状態となる。
図3に示すように、MQが発現する波長帯域は狭く、波長全体として見れば、MDの発現が支配的である。
FIG. 3 is a diagram showing, for each wavelength, the characteristics of light including MD and MQ developed in the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 of the waveguide type optical vortex generator 1, and FIG. The total extinction cross section is shown as the exlgeom ratio. In the figure, σ is the cross-sectional area and σ_ext is the extinction cross-section. σ_geom is the cross-sectional area of the geometric nanostructure, and dividing by σ_geom normalizes σ_ext.
As shown in FIG. 3, the wavelength band in which MQ appears is narrow, and when viewed as a whole wavelength, MD is dominant.

図3に示すように、図1の導波路型光渦発生装置1の構造を採ることにより、細線光導波路20からの光の漏れを利用して誘電体ナノピラー10に光を入射した際、特定の波長においてMie共鳴時(λ=2200um付近)に、光渦(Magnetic Quadrupole)が発生する。 As shown in FIG. 3, by adopting the structure of the waveguide-type optical vortex generator 1 shown in FIG. At the wavelength of Mie resonance (near λ=2200 um), an optical vortex (Magnetic Quadrupole) is generated.

以下、上述のように構成された導波路型光渦発生装置1の動作を説明する。
(原理説明)
本発明者らは、ナノサイズの高屈折率誘電体(誘電体ナノピラー10)への入射光として、細線光導波路20からの光の漏れを利用することで、TE/TMモード光のみで動作する既存の光デバイスから、渦状の光を出射することが可能となることを発見した。この際、ナノサイズの高屈折率誘電体のMD/MQの軸11と細線光導波路20の光路軸21とが合っている場合には出射される光は渦状とはならないことも見出した。このため、ナノサイズの高屈折率誘電体のMD/MQの軸11と細線光導波路20の光路軸21とをずらすことが必須となる。
Hereinafter, the operation of the waveguide type optical vortex generator 1 configured as described above will be explained.
(Explanation of principle)
The present inventors are able to operate only with TE/TM mode light by utilizing the leakage of light from the thin optical waveguide 20 as incident light to a nano-sized high refractive index dielectric (dielectric nanopillar 10). We have discovered that it is possible to emit spiral light from existing optical devices. At this time, it has also been found that when the MD/MQ axis 11 of the nano-sized high refractive index dielectric material and the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20 are aligned, the emitted light does not become spiral-shaped. For this reason, it is essential to shift the MD/MQ axis 11 of the nano-sized high refractive index dielectric material and the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20.

ここで、「ナノサイズの高屈折率誘電体のMD/MQの軸11と細線光導波路20の光路軸21とをずらす」とは、細線光導波路20の光路軸21に対して、ナノサイズの高屈折率誘電体のMD/MQの軸11を細線光導波路20の幅方向で片側に所定距離(D1)離隔させるとともに、細線光導波路20の表面20aから上方向に所定距離(D2)離隔させる配置をいう。さらに、細線光導波路20の光路軸21に対して、ナノサイズの高屈折率誘電体のMD/MQの軸11は、交差するように配置される。 Here, "shifting the MD/MQ axis 11 of the nano-sized high refractive index dielectric material and the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20" means that the nano-sized The MD/MQ axis 11 of the high refractive index dielectric is spaced a predetermined distance (D1) to one side in the width direction of the thin wire optical waveguide 20, and is also separated upwardly from the surface 20a of the thin wire optical waveguide 20 by a predetermined distance (D2). Refers to the arrangement. Further, the MD/MQ axis 11 of the nano-sized high refractive index dielectric material is arranged to intersect with the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20 .

[MD発現構造]
図4および図5は、MDを発現する導波路型光渦発生装置1の構造を示す図であり、図4は、その上面図(Top view)、図5は、その側面図(Crosssectional view)である。
[MD expression structure]
4 and 5 are diagrams showing the structure of the waveguide type optical vortex generator 1 that exhibits MD, FIG. 4 is a top view thereof, and FIG. 5 is a side view thereof (Crosssectional view). It is.

<誘電体ナノピラー10>
誘電体ナノピラー10は、Si-metamaterialからなるナノサイズの高屈折率誘電体である。
誘電体ナノピラー10は、半径r:300nm(図4)、高さ300nm(図4)の円筒形状の高屈折率誘電体である。
<Dielectric nanopillar 10>
The dielectric nanopillar 10 is a nano-sized high refractive index dielectric made of Si-metamaterial.
The dielectric nanopillar 10 is a cylindrical high refractive index dielectric with a radius r of 300 nm (FIG. 4) and a height of 300 nm (FIG. 4).

<細線光導波路20>
細線光導波路20は、線幅500nm(光路軸21から端部22,23までの長さ250nm,250nm)(図4)、線厚220nm(図5)の断面直方体のSi細線光導波路である。
<Thin optical waveguide 20>
The thin wire optical waveguide 20 is a Si thin wire optical waveguide having a line width of 500 nm (lengths from the optical path axis 21 to the ends 22 and 23, 250 nm and 250 nm) (FIG. 4) and a line thickness of 220 nm (FIG. 5) and a rectangular parallelepiped cross section.

<誘電体ナノピラー10と細線光導波路20の配置>
図4に示すように、誘電体ナノピラー10は、半径rの円筒形の中心軸O(MD/MQの軸11)が、細線光導波路20の光路軸21から端部22側に、所定距離(D1:180nm)ずれて配置され、かつ、図5に示すように、誘電体ナノピラー10は、底部10aが、細線光導波路20の表面20aから上方に、所定距離(D2:50nm)離隔して配置される。図4において、上面視して、細線光導波路20上に半径rの誘電体ナノピラー10が重なる部分が、「ナノサイズの高屈折率誘電体と対向する領域」である。
<Arrangement of dielectric nanopillar 10 and thin optical waveguide 20>
As shown in FIG. 4, the dielectric nanopillar 10 has a cylindrical central axis O (MD/MQ axis 11) with a radius r located a predetermined distance ( D1: 180 nm), and as shown in FIG. be done. In FIG. 4, when viewed from above, the portion where the dielectric nanopillar 10 of radius r overlaps the thin optical waveguide 20 is the "region facing the nano-sized high refractive index dielectric".

このとき、誘電体ナノピラー10において発現するMD/MQの軸11は、細線光導波路20の光路軸21から細線光導波路20の幅方向の端部22側に所定距離(D1:180nm)離隔し、かつ、直交している。
したがって、図1、図4および図5に示すように、導波路型光渦発生装置1は、誘電体ナノピラー10が、細線光導波路20の表面20a上で、光路軸21から所定距離(D1:180nm)離隔し、かつ、上方に所定距離(D2:50nm)離隔して配置される。換言すれば、導波路型光渦発生装置1は、誘電体ナノピラー10の底部10aの一部が、細線光導波路20の光路軸21からずれた表面20a上で上下に離れて配置され、誘電体ナノピラー10は、底部10aで細線光導波路20からの光の漏れを受け取る。
At this time, the axis 11 of MD/MQ developed in the dielectric nanopillar 10 is spaced a predetermined distance (D1: 180 nm) from the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20 toward the end 22 in the width direction of the thin optical waveguide 20, And they are orthogonal.
Therefore, as shown in FIGS. 1, 4, and 5, in the waveguide type optical vortex generator 1, the dielectric nanopillar 10 is placed on the surface 20a of the thin optical waveguide 20 at a predetermined distance (D1: 180 nm) and are arranged above at a predetermined distance (D2: 50 nm). In other words, in the waveguide type optical vortex generator 1, a part of the bottom 10a of the dielectric nanopillar 10 is vertically spaced apart on the surface 20a shifted from the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20, and The nanopillar 10 receives light leaking from the thin wire optical waveguide 20 at the bottom 10a.

MD発現構造を利用して円偏光を発現する場合、所定距離(D1:180nm)の設計値には余裕がある。D1:180nmは下限値に近く、D1:300nm程度までは許容される。
誘電体ナノピラー10は、細線光導波路20から所定距離(D2)浮かせる構成が必須である。このため、所定距離(D2)は、0では成立せず、所定距離(D2:100nm)では成立はするものの、誘電体ナノピラー10に漏れる光が減るため効率が悪く、所定距離(D2:50nm)が上限値に近い。また、下限値は、(D2:10nm)である。
When producing circularly polarized light using an MD producing structure, there is a margin in the design value of the predetermined distance (D1: 180 nm). D1: 180 nm is close to the lower limit, and D1: up to about 300 nm is acceptable.
The dielectric nanopillar 10 must be configured to float a predetermined distance (D2) from the thin optical waveguide 20. Therefore, the predetermined distance (D2) does not hold true at 0, and although it does hold true at the predetermined distance (D2: 100 nm), the efficiency is poor because the light leaking into the dielectric nanopillar 10 decreases, and the predetermined distance (D2: 50 nm) is close to the upper limit. Further, the lower limit value is (D2: 10 nm).

<MD発現>
導波路型光渦発生装置1は、ナノサイズの高屈折率誘電体(誘電体ナノピラー10)にSi細線光導波路(細線光導波路20)から光を入射することで光渦を発生させる。
<MD expression>
The waveguide type optical vortex generator 1 generates an optical vortex by inputting light into a nano-sized high refractive index dielectric (dielectric nanopillar 10) from a Si thin wire optical waveguide (thin wire optical waveguide 20).

まず、入射光(波長1551nm)を細線光導波路20により誘電体ナノピラー10に光を輸送する。そして、誘電体ナノピラー10の横方向から光を入射する。 First, incident light (wavelength: 1551 nm) is transported to the dielectric nanopillar 10 through the thin optical waveguide 20 . Then, light is incident on the dielectric nanopillar 10 from the lateral direction.

Si細線光導波路(細線光導波路20)にTE-mode(Hy,Ex,Ez成分を持つ)を入射すると、誘電体ナノピラー10には、磁界ベクトル(H vector (Hx,Hz))(図6)、Ey(図7)、Hy(図8)に示す分布をみることができる。 When TE-mode (having Hy, Ex, and Ez components) is input into the Si thin wire optical waveguide (thin wire optical waveguide 20), the dielectric nanopillar 10 has a magnetic field vector (H vector (Hx, Hz)) (Fig. 6). , Ey (FIG. 7), and Hy (FIG. 8).

図6は、図4および図5に示す導波路型光渦発生装置1の磁界ベクトル(H vector (Hx,Hz))を示す図である。図6は、図5の破線aに示す細線光導波路20の中心から上方向に、例えば1μmの高さからみた場合の、磁界ベクトルのシミュレーション結果である。図6のx軸、z軸は、図4のx軸、z軸である。
図6の磁界ベクトル(H vector (Hx,Hz))の分布では、誘電体ナノピラー10の真上で磁界ベクトルが回っており、円偏光であることが分かる。
FIG. 6 is a diagram showing the magnetic field vector (H vector (Hx, Hz)) of the waveguide type optical vortex generator 1 shown in FIGS. 4 and 5. FIG. FIG. 6 is a simulation result of a magnetic field vector when viewed upward from the center of the thin optical waveguide 20 shown by the broken line a in FIG. 5, for example, from a height of 1 μm. The x-axis and z-axis in FIG. 6 are the x-axis and z-axis in FIG. 4.
In the distribution of the magnetic field vector (H vector (Hx, Hz)) shown in FIG. 6, the magnetic field vector rotates just above the dielectric nanopillar 10, indicating that the light is circularly polarized.

図7は、図4および図5に示す導波路型光渦発生装置1の電界Ey分布を示す図である。図7は、図5の破線aに示す細線光導波路20の中心から上方向に、例えば1μmの高さからみた場合の、磁界ベクトルのシミュレーション結果である。図7のx軸、z軸は、図4のx軸、z軸である。
図7に示すように、電界Eyの分布を見ると、上記1μmの地点で、誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11上から円偏光として出射されていることが分かる。前記図14の円偏光かつ光渦(m=0;平面波)、すなわち円偏光の出射である。
FIG. 7 is a diagram showing the electric field Ey distribution of the waveguide type optical vortex generator 1 shown in FIGS. 4 and 5. FIG. FIG. 7 is a simulation result of a magnetic field vector when viewed upward from the center of the thin optical waveguide 20 shown by the broken line a in FIG. 5, for example, from a height of 1 μm. The x-axis and z-axis in FIG. 7 are the x-axis and z-axis in FIG. 4.
As shown in FIG. 7, looking at the distribution of the electric field Ey, it can be seen that circularly polarized light is emitted from the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 at the 1 μm point. This is the circularly polarized light and optical vortex (m=0; plane wave) in FIG. 14, that is, the emission of circularly polarized light.

図8は、図4および図5に示す導波路型光渦発生装置1の磁界Hy分布を示す図である。図8は、図5の破線aに示す細線光導波路20の中心から上方向に、例えば1μmの高さからみた場合の、磁界ベクトルのシミュレーション結果である。図8のx軸、z軸は、図4のx軸、z軸である。
図8に示すように、磁界Hyの分布を見ると、上記1μmの地点で、誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11上から円偏光として出射されていることが分かる。
FIG. 8 is a diagram showing the magnetic field Hy distribution of the waveguide type optical vortex generator 1 shown in FIGS. 4 and 5. FIG. FIG. 8 is a simulation result of the magnetic field vector when viewed upward from the center of the thin wire optical waveguide 20 shown by the broken line a in FIG. 5, for example, from a height of 1 μm. The x-axis and z-axis in FIG. 8 are the x-axis and z-axis in FIG. 4.
As shown in FIG. 8, looking at the distribution of the magnetic field Hy, it can be seen that circularly polarized light is emitted from the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 at the 1 μm point.

以上、図6乃至図8に示すように、導波路型光渦発生装置1は、円偏光のみが発生している状態である。 As described above, as shown in FIGS. 6 to 8, the waveguide type optical vortex generator 1 is in a state where only circularly polarized light is generated.

[MQ発現構造]
図9および図10は、MQを発現する導波路型光渦発生装置1の構造を示す図であり、図9は、その上面図(Top view)、図10は、その側面図(Crosssectional view)である。
[MQ expression structure]
9 and 10 are diagrams showing the structure of the waveguide type optical vortex generator 1 that expresses MQ, FIG. 9 is a top view thereof, and FIG. 10 is a side view thereof (Crosssectional view). It is.

<誘電体ナノピラー10>
誘電体ナノピラー10は、Si-metamaterialからなるナノサイズの高屈折率誘電体である。
誘電体ナノピラー10は、半径r:300nm(図9)、高さ300nm(図9)の円筒形状の高屈折率誘電体である。
<Dielectric nanopillar 10>
The dielectric nanopillar 10 is a nano-sized high refractive index dielectric made of Si-metamaterial.
The dielectric nanopillar 10 is a cylindrical high refractive index dielectric with a radius r of 300 nm (FIG. 9) and a height of 300 nm (FIG. 9).

<細線光導波路20>
細線光導波路20は、線幅500nm(光路軸21から端部22,23までの長さ250nm,250nm)(図9)、線厚220nm(図10)の断面直方体のSi細線光導波路である。
<Thin optical waveguide 20>
The thin wire optical waveguide 20 is a Si thin wire optical waveguide having a line width of 500 nm (lengths from the optical path axis 21 to the ends 22 and 23, 250 nm, 250 nm) (FIG. 9) and a line thickness of 220 nm (FIG. 10) and a rectangular parallelepiped cross section.

<誘電体ナノピラー10と細線光導波路20の配置>
図9に示すように、誘電体ナノピラー10は、半径rの円筒形の中心軸O(MD/MQの軸11)が、細線光導波路20の光路軸21から端部22側に、所定距離(D1:450nm)ずれて配置され、かつ、図5に示すように、誘電体ナノピラー10は、底部10aが、細線光導波路20の表面20aから上方に、所定距離(D2:25nm)離隔して配置される。図9において、上面視して、細線光導波路20上に半径rの誘電体ナノピラー10が重なる部分が、「ナノサイズの高屈折率誘電体と対向する領域」である。
<Arrangement of dielectric nanopillar 10 and thin optical waveguide 20>
As shown in FIG. 9, the dielectric nanopillar 10 has a cylindrical central axis O (MD/MQ axis 11) with a radius r located a predetermined distance ( D1: 450 nm), and as shown in FIG. be done. In FIG. 9, when viewed from above, the portion where the dielectric nanopillar 10 of radius r overlaps the thin wire optical waveguide 20 is the "region facing the nano-sized high refractive index dielectric".

このとき、誘電体ナノピラー10において発現するMD/MQの軸11は、細線光導波路20の光路軸21から細線光導波路20の幅方向の端部22側に所定距離(D1:450nm)離隔し、かつ、直交している。
したがって、図1、図9および図10に示すように、導波路型光渦発生装置1は、誘電体ナノピラー10が、細線光導波路20の表面20a上で、光路軸21から所定距離(D1:180nm)離隔し、かつ、上方に所定距離(D2:25nm)離隔して配置される。換言すれば、導波路型光渦発生装置1は、誘電体ナノピラー10の底部10aの一部が、細線光導波路20の光路軸21からずれた表面20a上で上下に離れて配置され、誘電体ナノピラー10は、底部10aで細線光導波路20からの光の漏れを受け取る。
At this time, the axis 11 of MD/MQ developed in the dielectric nanopillar 10 is spaced a predetermined distance (D1: 450 nm) from the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20 toward the end 22 in the width direction of the thin optical waveguide 20, And they are orthogonal.
Therefore, as shown in FIGS. 1, 9, and 10, in the waveguide type optical vortex generator 1, the dielectric nanopillar 10 is placed on the surface 20a of the thin optical waveguide 20 at a predetermined distance (D1: 180 nm) and are arranged above at a predetermined distance (D2: 25 nm). In other words, in the waveguide type optical vortex generator 1, a part of the bottom 10a of the dielectric nanopillar 10 is vertically spaced apart on the surface 20a shifted from the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20, and The nanopillar 10 receives light leaking from the thin wire optical waveguide 20 at the bottom 10a.

MQ発現構造は、MD発現構造より設計値の設定条件が厳しい。
MQ発現構造を利用して円偏光かつ光渦を発現する場合、所定距離(D1:450nm)が最適値に近く、(D1:450nm)からの上下の振れ幅は、50nm程度である。
MQ発現する場合、MD発現で述べた所定距離(D2:50nm)では、効率が悪く、所定距離(D2:25nm)が上限値となる。なお、下限値は、MD発現の場合と同様に、(D2:10nm)である。
The MQ expression structure has stricter design value setting conditions than the MD expression structure.
When circularly polarized light and optical vortices are produced using the MQ expression structure, the predetermined distance (D1: 450 nm) is close to the optimum value, and the vertical deviation from (D1: 450 nm) is about 50 nm.
When MQ is expressed, the efficiency is poor at the predetermined distance (D2: 50 nm) described for MD expression, and the predetermined distance (D2: 25 nm) is the upper limit. Note that the lower limit value is (D2: 10 nm) as in the case of MD expression.

<MQ発現>
導波路型光渦発生装置1は、ナノサイズの高屈折率誘電体(誘電体ナノピラー10)にSi細線光導波路(細線光導波路20)から光を入射することで光渦を発生させる。
<MQ expression>
The waveguide type optical vortex generator 1 generates an optical vortex by inputting light into a nano-sized high refractive index dielectric (dielectric nanopillar 10) from a Si thin wire optical waveguide (thin wire optical waveguide 20).

まず、入射光(波長1410nm)を細線光導波路20により誘電体ナノピラー10に光を輸送する。そして、誘電体ナノピラー10の横方向から光を入射することで光渦を発生させる。 First, incident light (wavelength: 1410 nm) is transported to the dielectric nanopillar 10 through the thin optical waveguide 20 . Then, light is incident on the dielectric nanopillar 10 from the lateral direction to generate an optical vortex.

Si細線光導波路(細線光導波路20)にTE-mode(Hy,Ex,Ez成分を持つ)を入射すると、誘電体ナノピラー10には、磁界ベクトル(H vector (Hx,Hz))(図11)、Ey(図12)、Hy(図13)に示す分布をみることができる。 When TE-mode (having Hy, Ex, and Ez components) is input into the Si thin wire optical waveguide (thin wire optical waveguide 20), the dielectric nanopillar 10 has a magnetic field vector (H vector (Hx, Hz)) (FIG. 11). , Ey (FIG. 12), and Hy (FIG. 13).

図11は、図9および図10に示す導波路型光渦発生装置1の磁界ベクトル(H vector (Hx,Hz))を示す図である。図11は、図10の破線aに示す細線光導波路20の中心から上方向に、例えば1μmの高さからみた場合の、磁界ベクトルのシミュレーション結果である。図11のx軸、z軸は、図9のx軸、z軸である。
図11の磁界ベクトル(H vector (Hx,Hz))の分布では、誘電体ナノピラー10の真上で磁界ベクトルが円偏光かつ光渦の挙動を示しており、円偏光かつ光渦であることが分かる。
FIG. 11 is a diagram showing the magnetic field vector (H vector (Hx, Hz)) of the waveguide type optical vortex generator 1 shown in FIGS. 9 and 10. FIG. 11 is a simulation result of the magnetic field vector when viewed upward from the center of the thin wire optical waveguide 20 shown by the broken line a in FIG. 10, for example, from a height of 1 μm. The x-axis and z-axis in FIG. 11 are the x-axis and z-axis in FIG. 9.
In the distribution of the magnetic field vector (H vector (Hx, Hz)) in FIG. 11, the magnetic field vector exhibits the behavior of circularly polarized light and an optical vortex just above the dielectric nanopillar 10, which indicates that it is circularly polarized light and an optical vortex. I understand.

図12は、図9および図10に示す導波路型光渦発生装置1の電界Ey分布を示す図である。図12は、図10の破線aに示す細線光導波路20の中心から上方向に、例えば1μmの高さからみた場合の、磁界ベクトルのシミュレーション結果である。図12のx軸、z軸は、図9のx軸、z軸である。
図12に示すように、電界Ey分布を見ると、上記1μmの地点で、誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11上に、円偏光かつ光渦の特徴である4分割されたEy分布として出射されていることが分かる。
図12に示すEy分布をみると、円偏光に光渦が乗った光(「光渦光」)が発生している状態が分かる。すなわち、前記図15に示す円偏光かつ光渦の特徴である4分割されたEy分布が観測される。
FIG. 12 is a diagram showing the electric field Ey distribution of the waveguide type optical vortex generator 1 shown in FIGS. 9 and 10. FIG. 12 is a simulation result of a magnetic field vector when viewed upward from the center of the thin optical waveguide 20 shown by the broken line a in FIG. 10, for example, from a height of 1 μm. The x-axis and z-axis in FIG. 12 are the x-axis and z-axis in FIG. 9.
As shown in FIG. 12, looking at the electric field Ey distribution, at the 1 μm point above, the Ey distribution is divided into four parts on the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10, which is a characteristic of circularly polarized light and an optical vortex. You can see that it is being emitted.
Looking at the Ey distribution shown in FIG. 12, it can be seen that light in which an optical vortex is added to circularly polarized light ("optical vortex light") is generated. That is, an Ey distribution divided into four parts, which is a characteristic of the circularly polarized light and optical vortex shown in FIG. 15, is observed.

図13は、図9および図10に示す導波路型光渦発生装置1の磁界Hy分布を示す図である。図13は、図10の破線aに示す細線光導波路20の中心から上方向に、例えば1μmの高さからみた場合の、磁界ベクトルのシミュレーション結果である。図13のx軸、z軸は、図9のx軸、z軸である。
図13に示すように、磁界Hyの分布を見ると、上記1μmの地点で、誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11上から、少なくとも円偏光として出射されていることが分かる。
FIG. 13 is a diagram showing the magnetic field Hy distribution of the waveguide type optical vortex generator 1 shown in FIGS. 9 and 10. FIG. 13 is a simulation result of the magnetic field vector when viewed upward from the center of the thin wire optical waveguide 20 shown by the broken line a in FIG. 10, for example, from a height of 1 μm. The x-axis and z-axis in FIG. 13 are the x-axis and z-axis in FIG. 9.
As shown in FIG. 13, looking at the distribution of the magnetic field Hy, it can be seen that at least circularly polarized light is emitted from the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 at the 1 μm point.

ちなみに、図1の場合、細線光導波路20に手前から入射光を入れたとすると、誘電体ナノピラー10の位置で、誘電体ナノピラー10の横方向に輸送された光が漏れ、誘電体ナノピラー10の真上から円偏光かつ光渦が放射される。この時の光渦は誘電体ナノピラー10の真上から見て反時計回りである。図1において、誘電体ナノピラー10を、細線光導波路20の下側に配置したとすると、誘電体ナノピラー10の真上から見て時計回りとなる。 Incidentally, in the case of FIG. 1, if incident light enters the thin optical waveguide 20 from the front, the light transported in the lateral direction of the dielectric nanopillar 10 leaks at the position of the dielectric nanopillar 10, and the Circularly polarized light and a light vortex are emitted from above. The optical vortex at this time is counterclockwise when viewed from directly above the dielectric nanopillar 10. In FIG. 1, if the dielectric nanopillar 10 is placed below the thin optical waveguide 20, the direction is clockwise when viewed from directly above the dielectric nanopillar 10.

以上、図11乃至図13(特に、図12)に示すように、導波路型光渦発生装置1は、上記1μmの地点で、誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11上に、円偏光かつ光渦の特徴である4分割されたEy分布として出射されていると考えられる。 As described above, as shown in FIGS. 11 to 13 (in particular, FIG. 12), the waveguide type optical vortex generator 1 generates circularly polarized light on the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 at the 1 μm point. It is also thought that the light is emitted as a four-part Ey distribution, which is a characteristic of a light vortex.

以上説明したように、本実施形態に係る導波路型光渦発生装置1は、MD/MQの軸11上に光渦を発現する誘電体ナノピラー10(ナノサイズの高屈折率誘電体)と、誘電体ナノピラー10と対向する領域を有し、入射した光を誘電体ナノピラー10に輸送する細線光導波路20と、を備え、誘電体ナノピラー10は、MD/MQの軸11が、細線光導波路20の光路軸21に対して交差し、かつ、細線光導波路20の光路軸21から第1距離(D1)離隔していることを特徴とする。 As explained above, the waveguide type optical vortex generator 1 according to the present embodiment includes the dielectric nanopillar 10 (nano-sized high refractive index dielectric) that generates an optical vortex on the MD/MQ axis 11, A thin wire optical waveguide 20 has a region facing the dielectric nanopillar 10 and transports incident light to the dielectric nanopillar 10. It is characterized in that it intersects with the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20 and is spaced apart from the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20 by a first distance (D1).

この構成により、細線光導波路20に入射された例えばTE/TMモード光は、誘電体ナノピラー10に輸送され、細線光導波路20と対向する領域において、誘電体ナノピラー10の横方向に光が漏れる。誘電体ナノピラー10は、ナノサイズの高屈折率誘電体であるため、光を入射した際、特定の波長においてMie共鳴により散乱し、散乱される光は渦状態(Magnetic Quadrupole)を有する。誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11上から円偏光かつ光渦(m=0;平面波)、すなわち円偏光が出射(<MD発現>)、または、円偏光かつ光渦(m=±1;プラスまたはマイナス単独かつ螺旋数1の光渦)が出射(<MQ発現>)される。 With this configuration, for example, TE/TM mode light incident on the thin wire optical waveguide 20 is transported to the dielectric nanopillar 10, and the light leaks in the lateral direction of the dielectric nanopillar 10 in a region facing the thin wire optical waveguide 20. Since the dielectric nanopillar 10 is a nano-sized dielectric with a high refractive index, when light is incident thereon, it is scattered by Mie resonance at a specific wavelength, and the scattered light has a vortex state (Magnetic Quadrupole). Circularly polarized light and an optical vortex (m=0; plane wave), that is, circularly polarized light is emitted from the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 (<MD expression>), or circularly polarized light and an optical vortex (m=±1 ; a plus or minus light vortex with a helical number of 1) is emitted (<MQ expression>).

ここで、<MD発現>、または、<MQ発現>は、一定の条件の下で選択できる。上記一定の条件は、波長と、細線光導波路20と対向する領域を規定する第1距離(D1)(そのための半径r等、部品の外形寸法)で主に決定される。第2距離(D2)は、誘電体ナノピラー10への光の漏れを決定するパラメータである。ただし、第2距離(D2)によっても、細線光導波路20の光路軸21と誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11との相対距離はわずかに変わるので考慮される。MD/MQの軸11が、細線光導波路20の光路軸21に対して交差する角度についても同様である。 Here, <MD expression> or <MQ expression> can be selected under certain conditions. The above-mentioned certain conditions are mainly determined by the wavelength and the first distance (D1) that defines the area facing the thin wire optical waveguide 20 (the external dimensions of the component such as the radius r for this purpose). The second distance (D2) is a parameter that determines the leakage of light to the dielectric nanopillar 10. However, the second distance (D2) also slightly changes the relative distance between the optical path axis 21 of the thin wire optical waveguide 20 and the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10, so this is taken into consideration. The same applies to the angle at which the axis 11 of MD/MQ intersects with the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20.

また、導波路型光渦発生装置1において、誘電体ナノピラー10(ナノサイズの高屈折率誘電体)は、回転対称を有し、回転対称の軸がMD/MQの軸11である。ナノサイズの高屈折率誘電体が、回転対称のMD/MQの軸11を有することで、光渦発現の環境が軸方向に等方性となり、渦状の光出射がMD/MQの軸11に集中することで、光渦発現効率を高めることが期待できる。また、構造上の不等方性に起因する外乱要因を未然に排除することができ、設計も簡素化される利点がある。なお、ナノサイズの高屈折率誘電体は、回転対称であればどのような構造体でもよく、上記ピラー構造に限らず、円錐構造、球体等の構造体も含まれる。 Further, in the waveguide type optical vortex generator 1, the dielectric nanopillars 10 (nano-sized high refractive index dielectric) have rotational symmetry, and the axis of rotational symmetry is the MD/MQ axis 11. Since the nano-sized high refractive index dielectric material has rotationally symmetrical MD/MQ axis 11, the environment in which light vortices occur becomes isotropic in the axial direction, and the vortex-like light exits along MD/MQ axis 11. By concentrating it, we can expect to increase the efficiency of light vortex production. Further, there is an advantage that disturbance factors caused by structural anisotropy can be eliminated, and the design can be simplified. Note that the nano-sized high refractive index dielectric may be any structure as long as it has rotational symmetry, and includes structures such as a conical structure and a sphere, in addition to the above-mentioned pillar structure.

このように、導波路型光渦発生装置1は、誘電体ナノピラー10のMD/MQの軸11と細線光導波路20の光路軸21とをずらすことで、渦状の光を発生させることができる。
導波路型光渦発生装置1は、光入力以外に電力消費を必要とせず、小さな系で既存の光ファイバシステムと親和性の高い導波路型光渦発生装置を提供することができる。
In this way, the waveguide-type optical vortex generator 1 can generate vortex-like light by shifting the MD/MQ axis 11 of the dielectric nanopillar 10 and the optical path axis 21 of the thin optical waveguide 20.
The waveguide-type optical vortex generator 1 does not require power consumption other than optical input, and can provide a small-sized waveguide-type optical vortex generator that is highly compatible with existing optical fiber systems.

これにより、トポロジカルシリコン光回路(Topological photonic integrated circuits:TPICs)上に集積可能な導波路型光渦発生装置を実現することができる。光渦は、理論的に多重化の制約がないので、大容量伝送向けの光渦通信技術の有力な要素技術である。光渦多重システムへの適用例を示すと、信号光の伝搬する1つないしは複数の導波路に対して、MD、MQ、および、更にm次数の大きい光渦を発現するナノ構造を集積することで、ナノ構造に対応した複数の光渦信号を表面出射させることができる。それらを本装置上に集積されるレンズ等を用いて光渦信号を合波することで、自由空間や各種光ファイバを伝送路とした光渦多重システムとして機能させることができる。 This makes it possible to realize a waveguide-type optical vortex generator that can be integrated on topological silicon photonic integrated circuits (TPICs). Since optical vortices theoretically have no multiplexing restrictions, they are a powerful elemental technology for optical vortex communication technology for large-capacity transmission. An example of application to an optical vortex multiplexing system is to integrate nanostructures that express MD, MQ, and even large m-order optical vortices on one or more waveguides through which signal light propagates. By doing so, a plurality of optical vortex signals corresponding to the nanostructures can be emitted from the surface. By combining these optical vortex signals using lenses etc. integrated on this device, it is possible to function as an optical vortex multiplexing system using free space or various optical fibers as transmission paths.

導波路型光渦発生装置1は、トポロジカル特性の光回路への応用が可能である。導波路型光渦発生装置1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。 The waveguide type optical vortex generator 1 can be applied to optical circuits with topological characteristics. The waveguide type optical vortex generator 1 can be formed on a semiconductor substrate (silicon, InP, etc.) and has excellent compatibility with semiconductor lasers and multi-core fibers, which are key components for large-capacity transmission. We can also expect improved compatibility with optical communications.

特に、トポロジカルフォトニック結晶(Topological Photonic Crystal)(PhC)を動作させるために円偏光を利用し、多重要素として光渦を用いる場合に好適である。上記Topological Photonic Crystalは、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であるが、そのエッジがバンドギャップレスの金属状態であるフォトニック構造体である。 In particular, it is suitable when circularly polarized light is used to operate a topological photonic crystal (PhC) and an optical vortex is used as a multi-dimensional element. The above-mentioned Topological Photonic Crystal is a photonic structure in which the inside is an insulator with an energy gap, but the edges are in a metal state with no band gap.

本発明は、上記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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes other modifications and applications without departing from the gist of the present invention as set forth in the claims.

1 導波路型光渦発生装置
10 誘電体ナノピラー(ナノサイズの高屈折率誘電体)
10a 誘電体ナノピラーの底部
11 MD/MQの軸(MDまたはMQの軸)
20 Si細線光導波路(細線光導波路)
20a 細線光導波路の表面
21 光路軸
D1 第1距離
D2 第2距離
1 Waveguide type optical vortex generator 10 Dielectric nanopillar (nano-sized high refractive index dielectric)
10a Bottom of dielectric nanopillar 11 MD/MQ axis (MD or MQ axis)
20 Si thin wire optical waveguide (thin wire optical waveguide)
20a Surface of thin optical waveguide 21 Optical path axis D1 First distance D2 Second distance

Claims (6)

導波路型光渦発生装置であって、
MD(Magnetic Dipole)またはMQ(Magnetic Quadrupole)の軸上に光渦を発現するナノサイズの高屈折率誘電体と、
前記ナノサイズの高屈折率誘電体と対向する領域を有し、入射した光を前記ナノサイズの高屈折率誘電体に輸送する細線光導波路と、を備え、
前記ナノサイズの高屈折率誘電体は、前記MDまたはMQの軸が、前記細線光導波路の光路軸に対して交差し、かつ、前記細線光導波路の前記光路軸から所定第1距離離隔している
ことを特徴とする導波路型光渦発生装置。
A waveguide type optical vortex generator,
A nano-sized high refractive index dielectric material that expresses an optical vortex on the axis of MD (Magnetic Dipole) or MQ (Magnetic Quadrupole),
a thin wire optical waveguide having a region facing the nano-sized high refractive index dielectric and transporting incident light to the nano-sized high refractive index dielectric,
The nano-sized high refractive index dielectric is arranged such that the MD or MQ axis intersects with the optical path axis of the thin wire optical waveguide and is spaced a predetermined first distance from the optical path axis of the thin wire optical waveguide. A waveguide type optical vortex generator characterized by the following.
前記ナノサイズの高屈折率誘電体と対向する領域において、前記ナノサイズの高屈折率誘電体と前記細線光導波路は、所定第2距離離隔し、
前記第2距離は、5nm乃至100nmである
ことを特徴とする請求項1に記載の導波路型光渦発生装置。
In a region facing the nano-sized high refractive index dielectric, the nano-sized high refractive index dielectric and the thin wire optical waveguide are separated by a predetermined second distance;
The waveguide type optical vortex generator according to claim 1, wherein the second distance is 5 nm to 100 nm.
前記ナノサイズの高屈折率誘電体は、回転対称を有し、回転対称の軸が前記MDまたはMQの軸である
ことを特徴とする請求項1に記載の導波路型光渦発生装置。
The waveguide type optical vortex generator according to claim 1, wherein the nano-sized high refractive index dielectric has rotational symmetry, and the axis of rotational symmetry is the MD or MQ axis.
前記MDまたはMQの軸上にMQを発現する場合、前記ナノサイズの高屈折率誘電体の半径は、前記第1距離よりも小さい
ことを特徴とする請求項3に記載の導波路型光渦発生装置。
The waveguide-type optical vortex according to claim 3, wherein when the MQ is expressed on the axis of the MD or MQ, the radius of the nano-sized high refractive index dielectric is smaller than the first distance. Generator.
前記MDまたはMQの軸上にMQを発現する場合、前記第1距離は、450nmを中心とする上下50nmである
ことを特徴とする請求項1に記載の導波路型光渦発生装置。
The waveguide type optical vortex generator according to claim 1, wherein when the MQ is expressed on the axis of the MD or MQ, the first distance is 50 nm above and below 450 nm.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の導波路型光渦発生装置を複数ならべることにより、多数の光渦信号が空間上で合成される光渦多重システム。 An optical vortex multiplexing system in which a large number of optical vortex signals are spatially synthesized by arranging a plurality of waveguide type optical vortex generators according to any one of claims 1 to 5.
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