JP3809167B2 - モード変換用フォトニック結晶構造 - Google Patents

Description

本発明は、モード変換用フォトニック結晶構造に関するものである。本発明は、集積型オプティクスの分野に応用される。

公知技術において、モード変換器（コンバータ）又は変圧器（トランスフォーマ）の機能は、第１のガイド用伝搬構造に伝搬する第１の光学モードを第２のガイド用伝搬構造に伝搬可能な第２の光学モードに変換することである。２つのガイド用伝搬構造は、一の同じフォトニック集積回路を形成するか、又は、２つの独立した回路を形成するかどちらでもよい。ガイド伝搬構造は例えば、光ファイバーであってもよい。

図１は、公知技術の垂直閉じ込めを有するガイド伝搬構造を示す。光はｚ方向に伝搬する。垂直方向ｙでは、光は低めの屈折率ｎ２及びｎ３の２つの材料の層管に挟まれた高い屈折率ｎ１の層１に閉じ込められている。面方向ｘでは、光は、材料電荷（帯電ストリップ）によって又は他の材料（エッチングされたストリップ）によって屈折率ｎ１の媒体に閉じ込められる。この他の材料は空気であることも可能である。屈折率ｎ１、ｎ２及びｎ３の材料は半導体、誘電体若しくは金属材料であってもよい。図１における構造に起因して生じた伝搬モードのサイズ又は形状は、構造のジオメトリ及び屈折率の値ｎ１、ｎ２及びｎ３に依存する。

他の伝搬構造を図２に示す。図２はフォトニック結晶構造の平面図である。

フォトニック結晶構造は整列したパターン４の組から成る。パターン４は例えば、材料中にエッチングされた穴、又は並んでグループ分けされた柱であってもよい。一次元用途では、パターンは材料にエッチングされた平行溝（グルーブ）であってもよい。

異なる種類の伝搬ガイドはフォトニック結晶構造で成ってもよい。第１の種類のガイドは隣接列パターンが不足しているフォトニック結晶構造から成る。詳細な説明の残りでは、この第１の種類のガイドを“Wnガイド”と称する。非限定的例によって、図２はパターンの一列が欠けている構造を示す。ガイドはW1ガイドである。波の伝搬はパターン（図２においては幅ｄのゾーン）が欠けたゾーンに基づいている。他の種類のガイドも例えば、パターンの列が欠けたゾーンが整数の列の欠損に対応しないが、非整数の列の欠損に対応するフォトニック結晶構造（実数のｎを有するWn）、又は、異なる形状及び／又は寸法のパターンが例えば、異なる種類の寸法の穴で成るフォトニック結晶構造のような公知の技術である。

ガイド伝搬構造（伝搬ガイド構造）は所定の機能を最大限に保証するように最適化されている。これは伝搬モードを決定する構造のジオメトリである。モード変換は第１の機能を保証する第１の伝搬構造から他の機能を保証する第２の伝搬構造へ伝わるのに頻繁に必要とされている。理想的には、モード変換は、構造間の界面での波の拡散を介した無視できる反射及び損失を提供するため、及び、機能間のアラインメント許容度を大きく緩和するために、第１の構造から出た光のほとんどを第２の構造に結合することを可能にするものであり、そのアラインメントが高製造コストにつながる。

従来技術のモード変換器の例を図３，図４及び図５に示す。

図３に示したモード変換器が、“Spot Size COnverter for Low COst PICs”のタイトルの文献（メッセル（K.D.Mesel）、モアマン（I.Moerman）、ビート（R.Baets）、ドート（B.Dhoedt）、バンデラ（P.Vandaela）、及び、スツールメイジャー（J.Stulemeijer）、ECIO'92、ThC2）に開示されている。

図３の変換器は横方向（ラテラル）型変換器である。屈折率n1の媒体５は屈折率n2の媒体６と及び屈折率n3の媒体７との間に挟まれている。モード変換は波の伝搬の方向に沿って媒体の連続拡大化（広がり）によって達成される。第１の伝搬モードから第２の伝搬モードへ伝わることを可能とする伝搬媒体の拡大化は、良好なパフォーマンスを実現するために、十分に長い距離にわたって作製されなければならない。例として、拡大される距離ｌは100μmから200μmの間である。関係する波長の範囲は近赤外である（0.8μmから2μm）の波長）。

従来のモード変換器の第２の例を図４に示す。この変換器の第２の例は、“Tapered Couplers for Efficient Interfacing Between Dielectric and Phototonic Crystal Waveguide”のタイトルの文献（メキス（Attila Mekis）及びジョアノポロス（J.D.Joannopoulps）；Journal of Lightwave Technology、第19巻第6号、2001年6月）に開示されている。

図４の変換器は、ストリップ型の誘電体ガイドにおける伝搬モードからフォトニック結晶ガイド（導波路）における伝搬モードへ伝えることができる。幅Wのストリップガイドは、距離“a”にわたってフォトニック結晶構造に入り、次いで距離“b”だけ1点へ向けてテーパが形成されている。

公知のモード変換器の第３の例を図５に示す。この第３の変換器の例は、“Observation of light propagation in two-dimensional photonic crystal-based bent optical waveguides”のタイトルの文献（ヤマダ（S.Yamada）ら；Journal of Applied Physics，第89巻第2号、2001年1月15日）。

図５の変換器は、２次元導波路とフォトニック結晶ガイドとの間のトランジッションを可能とする。ここで、トランジッションはフォトニック結晶ガイドにおけるパターニングが欠けている領域のファネル（じょうご）形状によって保証されている。良好なマッチングは、ファネル形状領域が十分に長いならば、可能なだけである。

一般的なルールとして、公知のモード変換器は、適当に作動することができるために波の伝搬の方向で十分に長い長さにわたって作製しなければならないといえる。このような長い距離は欠点を有する。これらは例えば、回路作製のために、特に良好なダイナミックパフォーマンスレベルに達しなければならない回路には不利である。例えば、10Gb/sで直接レーザーを変換するために、その長さを100μm以上には大きくしない方が好ましい。従って、公知のモード変換器を有するこのようなレーザーを備えることはできない。また、かなりの量の材料がこれらの変換器を作製するのに要し、これがサイズの実質的な増大、さらにはコンポーネントのコスト高につながっている。

本発明はこれらの欠点を有しない。

本発明は、第１の配置の列パターンを有するガイド部Wn（ここで、nは正の実数又はゼロ）を備えたフォトニック結晶ガイド伝搬構造に関するものである。この構造はさらに：
−第２の配置の列パターンをガイド部Wm（mは実数、m>n）と、
−ガイド部Wnとガイド部Wmとの間に配置した距離Ｄのトランジッションゾーンであって、第１の配置の列パターンから第２の配置の列パターンへ徐々に通過することを可能にするために、第１の配置の少なくとも一の列パターンに位置合わせされたパターンが距離Dにあわってサイズが小さくなっているところのトランジッションゾーンと、を備える。

本発明はさらに、ストリップガイドとフォトニック結晶ガイドとの間のトランジッションに関するものである。トランジッションは、上述の本発明の構造のようなフォトニック結晶ガイド伝搬構造に関するものである。

本発明はさらに、第１の導波路と、第２の導波路と、第１の導波路と第２の導波路との間のモード変換器とを備えたガイド伝搬構造に関するものである。モード変換器は、上述の本発明の構造のようなフォトニック結晶ガイド伝搬構造である。

本発明はさらにフォトニック結晶キャビティに関するものである。キャビティは順次、
−第１の配置の列パターンを有するガイド部Wiと、
−ミラーを形成し、かつ、第２の配置の列パターンを有する第１のガイド部WOと、
−第３の配置の列パターンを有するガイド部Wjと、
−ミラーを形成し、かつ、第２の配置と同じ第４の配置と列パターンを有する第２のガイド部WOと、
−第５の配置の列パターンを有するガイド部Wkと、
−連続的なトランジッションゾーンであって、トランジッションゾーンとトランジッションゾーンを囲む２つのガイド部とによって形成されたアセンブリが上述の本発明の構造のようなフォトニック結晶ガイド伝搬構造を形成するように、２つの連続するガイド部の間に配置するトランジッションゾーンと、を備える。

従って、本発明のモード変換器は少なくとも２つの導波路間でサイズが徐々に変わる少なくとも一連のパターンを備える。好都合には、この構造は小さなサイズ（典型的には、数波長）の最終長Dを有する。パターンのサイズの漸進的な変化によって、２つの導波路間の漸進的な通過が可能となる。この漸進的な通過はモード変換を作動する（第１のガイドにおいて伝搬する伝搬モードから第２のガイドにおける伝搬モードへの漸進的な変換）。

本発明は、構造の特徴的なサイズよりわずかに大きな波長の電磁波がこの構造と相互作用し、この波は用語の通常の意味では回折しない。波がまるで、屈折率がエッチングされた材料の量に第１に依存する連続材料いわゆる人工材料において伝搬するようにすべてのことが起きる。電磁波は構造を形成するエッチングされたパターンの詳細をみない。

本発明の伝搬構造によって非常に低損失で短い光トランジッションが実現できるのが好都合である。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照して記載した本発明の好適な実施形態を読む際に明らかになるだろう。

すべての図において、同じ符号は同じ部材を示す。

ここからは、本発明のガイド伝搬構造のほとんどは、WnガイドからWmガイド（n≠m、n及びmは整数）への進みを可能とするモード変換器である。本発明はさらに、第１のガイドのいずれかから第２のガイドのいずれかはの進みを可能とするフォトニック結晶構造に関するものである。第１及び第２のガイドは、Wnガイド（nは整数）であるだけでなく、例えば、抜けた列パターンを有するゾーンは非整数の列（実数のnのWnガイド）に対応するフォトニック結晶構造であり、又は、ホールのサイズであるか又はガイドゾーン若しくはストリップガイドを形成するものがないフォトニック結晶構造である。

図１，図２，図３、図４及び図５については前述したので、これ以上の説明は要しないだろう。

図６は、本発明によるモード変換器の第１の例の平面図である。モード変換器はパターン４の組から成るフォトニック結晶構造で成る。パターン４は例えば、半導体材料をエッチングすることによって得られた空気ホールである。伝搬波を垂直閉じ込めは、低い屈折率を有する材料（InP）の２つの層の間に配置した例えば500nmの厚さの高屈折率層（GaInAsP）によって保証されている。空気ホールは波伝搬の方向に配置され、例えば、メッシュサイズが450nmの三角格子を規定する。ホール径は例えば、深さ1μmを有する300nmでもよい。等方性エッチング例えば、プラズマドライエッチングを用いてホールを形成する。変換器はW1ガイドモードのW3ガイドモードへの相互変換を作動する。

ガイド部W1はフォトニック結晶構造における１つの欠損したホール列によって特徴づけられ、ガイド部W3はこの同じ構造における３つの欠損したホール列によって特徴づけられる。ガイド部W1及びW3は一の同じ軸ΔΔ’に沿って自然に位置決めされる。ガイド部W1からガイド部W3へのトランジッションは、径の減少と共に、ガイド部W1を規定する２つの列のホールを妨げることによってなされる。図６に示したように、２つのホールt1及びt2は一列にわたってのトランジッションを保証するのに十分である。非限定的な例によって、上述の300nmのフォトニック結晶構造におけるホール径について、ホールt1及びt2の径はそれぞれ200nm及び100nmである。好都合には、ホールの径が減少する距離Dは比較的短い。上述の例では、距離Dは例えば、約700nmに等しい。小さい径のホールは、より大きな径のホールより深くなくエッチングされ又はエッチングされない。

ホールを、フォトニック結晶のグリッドである矩形グリッド上に形成するのが好ましい。ホール径が調整されるのは、フォトニック結晶を画定する電子リソグラフィ段階中である。しかしながら、人工材料を作製するためにフォトニック結晶の矩形グリッドの使用は便利さ目的だけであることに留意すべきである。ホールを異なる位置に配置し、それらのサイズ及び深さはそれぞれ調整されている。ホール位置決めはこの場合、周期的でなくてもよい。

本発明の上述の実施形態では、フォトニック結晶構造を画定するパターンは空気ホールである。本発明はさらに、結晶中に形成されたホールに付けられた1でない屈折率の材料にパターンを形成する場合、例えば、液晶がホールを充填する場合に関する。パターンはまた、ピラーによって作製することもできる。このようなピラーは例えば正方形又は矩形セクションであってもよいが、他の形状のセクションも可能である。

図７は、本発明の第１の例によるモード変換器の第１の応用を示す。図１に示した装置はストリップガイド８とフォトニック結晶ガイドとの間のトランジッションである。

ガイドW1が光波をフォトニック結晶構造へ導く有利なガイドであることは当業者には公知である。以下に示すように、本発明を用いると、容易にかつ、ストリップガイドとW1フォトニック結晶ガイドとの間の優れたパフォーマンスレベルでカップリングを実現可能となる。

ストリップガイドとW3フォトニック結晶ガイドとの間の直接トランジッションは良好な透過パフォーマンスを与えることは公知である。上述のように、本発明のW3/W1フォトニック結晶変換器を用いたモード変換器も良好なパフォーマンスレベルを達成する。本発明のストリップガイドとW1フォトニック結晶ガイドとの間のモード変換は特に好都合な結果を与える。

図８Ａ及び図８Ｂは、例として、本発明のモード変換器のパフォーマンスを説明するために回路原理を示している。

図８Ａは、本発明の構造でなく、及び、順に第１のストリップガイド９とW3フォトニック結晶ガイドと第２のストリップガイド１０とから成る参照構造を示す。

図８Ｂは、順に、第１のストリップガイド１１と、順にW3/W1トランジッション及びW1/W3トランジッションを備えたフォトニック結晶ガイドと第２のストリップガイド１２とから成る構造を示す。

ストリップ９，１０，１１，１２の幅は例えば、220×12^1/2nmに選択する。符号Ti及びRi（i=1,2）はそれぞれ、ストリップガイドの基本TE₀₀モードで透過及び反射した強度を示す。Igは入射はの強度を表す。

フォトニック結晶は、屈折率3.5のコアと、屈折率3の基板と、屈折率3.4の上部層とから成る厚さ330nmを有するプラナーガイドにおいてエッチングされたものを仮定している。フォトニック結晶のホール４は周期220nmの三角格子で配置されている。図８Ｂに示したように、一列に沿った２つのホールt1及びt2は、W3/W1トランジッション又はW1/W3トランジッションを保証する。ホールt1は例えば88nmの径を有し、ホールt2は例えば44nmの径を有する。計算は３次元のイグザクト（正確）な電磁波理論を用いて行った。フォトニック結晶の禁止帯（すなわち、0.75μm＜λ＜0.98μm）に対応する全スペクトルインターバルにわたって、T1、T2及びR1についてのそれぞれの平均値83%、96%及び1%が得られた（パーセンテージは、100%の入射強度I_Eを基準に計算した）

図８Bにおける回路は２つのトランジッションを備える。一だけのトランジッション（（T2/T1）^1/2）の平均カップリング値は93%である。従来技術のトランジッションを用いて得られた一に対するこの優秀な値は、非常に短いカップリング（典型的には660nm）と幅広のスペクトル範囲（Δλ/λ＞25%）で好都合に得られる。

図９は本発明のW3/W1モード変換器（及び、相互にW1/W3）のフォトグラフである。２つのホール間の距離は典型的には450nmである。

この変換器上に形成されたパワー反射の測定は非常に良好な結果につながる。使用される波長は1500nmから1590nmの範囲だった。ここで、この波長では使用される半導体材料は透明である。パワーに係る反射係数は1%以下だった。比較によって、ホール径の徐々の減少を有しないW1/W3トランジッションの反射係数は（W1ガイドを画定するホールの２つの列が突然壊れた場合）実質的に25%に等しい。

図１０は、本発明の第１の例によるモード変換器の第２の応用である。

図１０で示した回路はフォトニック結晶ガイド中に形成されたベンド（曲がり）である。当業者に公知なように、伝搬ガイドに沿った生じるいかなる乱れ（ディスターバンス）もミスマッチの源であり、伝搬波の部分的な反射につながる。透過損失はその結果である。この観点から、ベンドは乱れとして考えることができる。等しい曲率で、WnガイドにおけるベンドはWmガイド（n＜m）におけるベンドより損失が小さいことは公知である。本発明のモード変換器は好都合には、伝搬ガイドが直線部でWmガイドであり、ベンドでWnガイド（n＜m）である構造設計を可能にする。

非限定的な例によって、図１０は、W3/W1トランジッションと、W1ガイドにベンドと、W1/W3トランジッションとを備えたベンドの形のフォトニック結晶ガイド構造を示しものである。これによって、伝搬パフォーマンスレベルは非常に好都合にエンハンスされている。

図１１は、本発明によるモード変換器の第２の例を示す。第２の例のモード変換器は、W1ガイドとW2ガイドとの間のトランジッションを可能とする。ガイド部W2は結晶構造における欠損した２つの列によって特徴づけられる。ガイド部W1からガイド部W2へのトランジッションは、径を減じることによって、ガイド部W1を画定する２つの列の一のホールを妨げることによってなされた。図９で非限定的な例によって示したように、３個のホールt1，t2，t3はトランジッションを達成するのに十分である。300nmのフォトニック結晶構造におけるホール径のために、３個のホールt1，t2，t3はそれぞれ、200nm，100nm，50nmの径を有してもよい。モード変換器の第２の例によれば、ガイド部W1及びW2は同じ軸に沿って位置あわせされていない。このミスアラインメントがトランジッションパフォーマンスの損失の原因ではない。

図１２は、本発明によるモード変換器の第３の例を示す。この第３の例によれば、モード変換器は、W1型フォトニック結晶ガイドとW3型フォトニック結晶ガイドとの間のトランジッションを作動する。W1型フォトニック結晶ガイドによって、ホールを欠く代わりに、中心部が構造のメインホール４に対して小さいサイズのホールt4の列を備えた上述に規定したようなW1ガイドを意味している。同様に、W3型フォトニック結晶ガイドによって、ホールを欠く代わりに、メインホール４例えばホールt4より小さいサイズの３つの列のホールを備えた上述に規定したようなW3ガイドを意味している。

W1型ガイドとW3型ガイドとの間のトランジッションは、減少していく径を有するホールによって行われる。２つのホールt1及びt2は、W1型ガイドにおけるホール４の列とW3型ガイドにおけるホールt4の列との間のトランジッションを保証するのに十分である。２個より多くのホールもトランジッションを保証する。

図１３は、本発明のモード変換器を用いて作製したフォトニック結晶キャビティの第１の例である。キャビティはM1及びM2の２つのミラーによって画定される。２つのミラーのそれぞれは例えば、２つのホールta、tbによって作製される。各ミラーは、n=0（パターンの欠損のない列）に対するWnガイドで特定されてもよい。従って、フォトニック結晶キャビティは、５個の連続するW1、W0、W1、W0及びW1から成るものとして考えられてもよく、トランジッションゾーンは例えば、、２個の連続するガイド部の間に配置された変化する径を有する２個のホールt1及びt2から成る。トランジッションゾーンから成るアセンブリとこのゾーンの周りの２つのガイド部とは、本発明によるフォトニック結晶ガイド伝搬構造を形成する。

得られたキャビティは好都合には、本発明によるモード変換器が欠けているキャビティより高い品質係数（クオリティ・ファクター）とより低い損失を有する。

図１４は、本発明によるフォトニック結晶キャビティの第２の例である。ここでキャビティにある５個の連続するガイド部はガイド部W1、W0、W3、W0及びW1である。ガイド部W0はそれぞれミラーを形成する。トランジッションゾーンから成るアセンブリとこのゾーンの周りの２つのガイド部とは、本発明によるフォトニック結晶ガイド伝搬構造を形成する。

さらに一般的には、キャビティにある５個の連続ガイド部は、ガイド部Wj、W0、Wj、W0及びWkである。ここで、j及びkは正の実数である。

本発明のモード変換器は、全内部反射の原理に基づいた伝搬ガイドにコンパチブルであるのが好都合である（高屈折率媒体を伝搬し低屈折率の媒体に達する光が屈折率コントラストのために全反射によってテーパされている場合）。

さらに一般的には、本発明のモード変換器は、全内部反射若しくはフォトニック結晶を有するあるガイドから、全内部反射若しくはフォトニック結晶を有する他のガイドへ進むことが可能となる。従って、例えば、光ファイバーを有する所定の構造のカップリングを最適化すること、又は、一つの同じフォトニック集積回路に異なる導波路の複数の構造を結びつけることが可能であり、これによって、光回路の大きな微細化が可能となり、従って、非常に小さい体積内で多くの光機能を集積する可能性を秘めている。

従来技術の第１のガイド伝搬構造である。 従来技術の第２のガイド伝搬構造である。 従来技術のモード変換器の第１の例である。 従来技術のモード変換器の第２の例である。 従来技術のモード変換器の第３の例である。 本発明によるモード変換器の第１の例である。 本発明によるモード変換器の第１の応用である。 本発明のモード変換器のパフォーマンスレベルを示すための回路原理を例によって示したものである。 本発明のモード変換器のパフォーマンスレベルを示すための回路原理を例によって示したものである。 本発明によるモード変換器のフォトグラフである。 本発明によるモード変換器の第２の応用である。 本発明によるモード変換器の第２の例である。 本発明によるモード変換器の第３の例である。 本発明によるフォトニック結晶キャビティの第１の例である。 本発明によるフォトニック結晶キャビティの第２の例である。

符号の説明

４ 第１の配置の列パターン
９，１０，１１，１２ ストリップガイド

Claims (6)

1. フォトニック結晶ガイド伝搬構造であって：
   第１の配置のホールの列に対応する第１のガイド部Wn（ここでnは、ガイド部Wnにおいて不足している隣接ホールの列に対応する正の実数またはゼロ）と、
   第２の配置のホールの列に対応する第２のガイド部Wm（ここでmは、ガイド部Wmにおいて不足している隣接ホールの列に対応するnより大きな正の実数）と、
   ガイド部Wnとガイド部Wmとの間に配置した距離Dのトランジッションゾーンであって、第１の配置のホールの列から第２の配置のホールの列へ徐々に通過することを可能にするために、第１の配置の少なくとも一のホールの列に位置合わせされたホールが距離Dにわたって３次元的にサイズが次第に小さくなっているところのトランジッションゾーンと、を備え、
   トランジッションゾーンに配置されたホールは、第１のガイド部から第２のガイド部へ進むにつれて徐々に浅くなっている
   フォトニック結晶ガイド伝搬構造。
2. ホールが周期的ネットワークを規定することを特徴とする請求項１に記載のガイド伝搬構造。
3. 周期的ネットワークがそのメッシュサイズが実質的に450nmである三角格子であることを特徴とする請求項２に記載のガイド伝搬構造。
4. ホールは第１及び第２のガイド部において実質的に300nmの径を有することを特徴とする請求項１に記載のガイド伝搬構造。
5. 第１のガイド部におけるホールの列に位置合わせされ、かつ、サイズが減少するトランジッションゾーンのホール数は２であり、ここで２個のホールは径がそれぞれ200nm及び100nmであることを特徴とする請求項４に記載のガイド伝搬構造。
6. 距離Dの長さが実質的に700nmであることを特徴とする請求項４に記載のガイド伝搬構造。

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