JP4790209B2 - 表面プラズモンに基づいた光ルータ - Google Patents

Description

本発明は波長選択光ルータに関する。

全光学式ルータは、出力光信号を送る前に入力光信号を中間電気信号に変換しない。光信号と電気信号の間の変換を回避することで、全光学式ルータは、一般に、全光学式でないルータよりも高速にルーティングを行うことができる。また、全光学式ルータは、光信号と電気信号の間の変換が無いために、全光学式でないルータよりも一般に簡単なデバイスである。高速化および単純化によって、従来の全光学式ルータは全光学式でないルータよりも広く好まれるようになった。

全光学式ルータは望ましい動作速度を有するが、そのようなデバイスを製造することは、複雑で費用のかかることが多い。たとえば、多くの全光学式ルータでは、導波路の配列が使用される。適切な導波路の配列を作るには、通常、高精度な方法と高価なマスクが必要である。そのために、全光学式ルータは高価であることが多い。高速度でルーティングを行うが、高価で複雑な製造プロセスを必要としない光ルータを得ることが望ましい。

様々な実施形態で、光から電気へおよび電気から光への信号変換を行う光ルータを提供する。光から電気への変換で、入力ポートと出力ポートの間を伝播する表面プラズモンを生成する。表面プラズモンの伝播方向は、入力光信号の周波数に依存する。表面プラズモン伝播の方向依存性で、受信光信号の波長依存ルーティングが可能になる。表面プラズモンの生成、消滅、および伝播は高速プロセスであるので、これらの全光学式でないルータは高速で動作する。

第１の態様では、本発明は、光ルーティングを行う装置を特徴とする。この装置は、第１および第２の側面を有する金属層と、第１の側面に沿って位置付けされた規則的な配列の構造と、第１の側面の一部を照らすように位置付けされた入力光導波路とを含む。第１の側面の照らされる部分は上記構造のうちの構造に近接している。本装置は、また、入力光導波路で照らされない前記金属層の部分から放射される光を受け取るように位置付けされた複数の出力光導波路を含む。

第２の態様では、本発明は光信号をルーティングする方法を特徴とする。この方法は、入力光導波路からの光信号の受信に応答して金属表面に表面プラズモンのジェットを生成することを含む。この方法は、第１の波長を有する上記受信された光信号に応答した上記生成されたジェットから第１の出力光導波路の方向に選択的に光信号を生成することを含む。また、この方法は、第２の波長を有する上記受信された光信号に応答した上記生成されたジェットから第２の出力光導波路の方向に選択的に光信号を生成することを含む。

同様な参照番号は、様々な図の機能的に類似した要素を指す。

様々な実施形態は全光学式でないルータを提供する。新しい光ルータは、金属表面での表面プラズモンの生成と消滅を含んだ光から電気へおよび電気から光への中間変換を行う。表面プラズモンは、入力光ポートに入った光子で生成される。表面プラズモンの消滅によって、出力光ポートに光子が生成される。これらの光から電気へおよび電気から光への信号変換は、平面界面における粒子運動学で制約される単一粒子事象である。

図１は、金属層６と誘電体基板８の間の平面界面４における表面プラズモン生成の運動学を説明する。単位ベクトルｉ＾は、金属−誘電体界面４に対して垂直であり、単位ベクトルｕ＾は金属−誘電体界面４に対して平行である。運動量Ｋで周波数ωの光子が金属−誘電体界面４の前面に入射する。入射光子は、金属−誘電体界面４に垂直な単位ベクトルｉ＾と角度θを成す。入射光子が単一の表面プラズモンを生成するとき、この表面プラズモンは同じ周波数ωおよび運動量Ｋ_ｓｐを有する。表面プラズモンは単位ベクトルｕ＾で定義される方向に沿って伝播する。表面プラズモンの運動量Ｋ_ｓｐは、以下で説明するように、完全に光子入射面内にあるかもしれないし、部分的に光子入射面内にあるかもしれないし、または光子入射面に対して垂直であるかもしれない。

光子および表面プラズモンのエネルギーと運動量は分散関係を満足する。単一表面プラズモンに対する分散関係は次式で与えられる。
Ｋ_ｓｐ（ω）＝（ω／ｃ）（［ε_ｍ（ω）ε_ｄ］／［ε_ｍ（ω）＋ε_ｄ］）^１／２ｕ＾
ここで、ε_ｍ（ω）およびε_ｄは界面４の２つの側の金属と誘電体の誘電率であり、ｃは光の速度である。光子の運動量Ｋの金属−誘電体海面４への投影Ｋｒ（ω）の分散関係は次式で与えられる。
｜Ｋ_ｒ（ω）｜＝（ω／ｃ）（ε_ｄ）^１／２ｓｉｎ（θ）
投影｜Ｋ_ｒ｜の大きさは、光子の入射角に依存する。

図２は、界面自体に沿って並進運動が不変である金属−誘電体界面における単一光子による単一表面プラズモンの生成に関連した分散曲線を示す。そのような界面で、エネルギーと界面に沿った運動量の投影の両方が保存される。エネルギーの保存から、消滅した光子と生成された表面プラズモンは同じ周波数ωを有しなければならい。界面に沿った運動量の投影の保存から、Ｋ_ｒおよびＫ_ｓｐは同じ単位ベクトルｕ＾に対して平行でなければならないし、さらにＫ_ｒ（ω）＝Ｋ_ｓｐ（ω）でなければならない。

投影光子運動量Ｋ_ｒ（ω）に対して平行および逆平行に伝播する表面プラズモンの運動量は、分岐Ｋ_ｓｐ＋（ω）およびＫ_ｓｐ−（ω）で与えられる。光子の限界分散曲線Ｋ_ｒ±（ω）すなわちＫ_ｒ±（ω）＝±（ω／ｃ）（ε_ｄ）^１／２の１つが表面プラズモンの分散曲線と交差する場合だけ、条件Ｋ_ｒ（ω）＝Ｋ_ｓｐ（ω）が満たされる。限界形式Ｋ_ｒ±（ω）のどれもＫ_ｓｐ＋（ω）またはＫ_ｓｐ−（ω）と交差しないので、光子分散曲線と表面プラズモン分散曲線の間に交点は存在しない。そのために、界面自体に沿って並進運動が不変である金属−誘電体界面で、単一光子が単一表面プラズモンに変換されることはありえない。

本発明者は、しかし、界面自体に沿って並進運動が不変でない界面では単一光子が単一表面プラズモンに変換され得ることに気付いた。そのような界面で、表面プラズモンの共鳴生成のために分散曲線が交差する必要はない。

図３は、界面自体に沿って並進運動不変性を有しない金属−誘電体界面４’を示す。界面４’内の変形の有限の規則的な配列１２によって、並進運動不変性は壊れる。例示の変形１４には、界面４’の両側の材料中の小さなくぼみおよび穴がある。変形１４は、規則的な格子の場所を格子位置Ｐに画定する。格子位置ＰはＰ＝ｍｂ_１＋ｎｂ_２で定義される。ここで、ｂ_１およびｂ_２は基本格子ベクトルであり、ｎおよびｍは整数である。基本ベクトルＧ_１およびＧ_２を有する逆格子が、変形１４の規則的な格子１２と関連している。逆格子ベクトルは次式で定義される。
Ｇ_ｉ *ｂ_ｊ＝２πδ_ｉｊ
逆格子は、金属−誘電体界面４’での表面プラズモンの生成で役割を担う。

規則的な配列１２によって、金属−誘電体界面４’に沿った完全な並進運動不変性は個別のサブグループに緩和される。個別のサブグループは、配列の基本格子ベクトルｂ_１およびｂ_２の整数倍数だけの並進運動を含む。緩和された並進運動不変性のために、エネルギー−運動量保存は、有限の規則的な配列１２の中の金属−誘電体界面４’の部分に入射する光子に対して修正形式をとる。そのような光子に関して、単一光子の単一表面プラズモンへの共鳴変換は、次式の修正運動量保存関係で制約される。
Ｋ_ｓｐ（ω）＝Ｋ_ｐ（ω）＋ｒＧ_１＋ｓＧ_２
ここで、「ｒ」および「ｓ」は整数であり、Ｇ_１およびＧ_２は、有限サイズの規則的な配列１２に対する上記の逆格子ベクトルである。

修正保存則は、配列１２の中でおおよその並進運動対称性を作るほどに十分に大きな配列１２に対して妥当である。一般に、このことで、配列１２は、少なくとも４以上の行および／または列の実質的に同一の変形１４を有しなければならないかもしれない。例示の配列１２は、１または２の独立した格子方向の個別の並進運動のもとで不変である。

並進運動不変である界面に対する運動量保存則と異なり、上述の修正運動量保存則は、単一入射光子が単一表面プラズモンを生成する解を有する。生成された表面プラズモンは、規則的な配列１２の逆格子ベクトルと相関関係にある方向に伝播する。

図４は、図３の金属−誘電体界面４’での光子の入射面内に運動量を有する表面プラズモンの生成に関連した粒子分散曲線を示す。分散曲線は、周波数ω_＋の入射光子が運動量Ｋ_ｓｐ（ω_＋）の表面プラズモンを生成することを示す。ここで、Ｋ_ｓｐ（ω_＋）＝Ｋ_ｒ（ω_＋）＋Ｇ_１である。分散曲線は、また、周波数ω₋の入射光子が運動量Ｋ_ｓｐ（ω₋）の表面プラズモンを生成することを示す。ここで、Ｋ_ｓｐ（ω₋）＝Ｋ_ｒ（ω₋）−Ｇ_１である。周波数ω_＋とω₋は異なり、生成された表面プラズモンは、互い逆平行である運動量Ｋ_ｓｐ（ω_＋）とＫ’_ｓｐ（ω₋）を有する。このために、周波数ω_＋とω₋の入射光子は、界面４’に沿って反対方向に伝播する表面プラズモンを生成する。金属−誘電体界面４’の対称性の緩和によって、生成された表面プラズモンの伝播方向は周波数に依存するようになる。表面プラズモンの伝播の周波数依存性は、波長依存光ルーティングをもたらすことができる（以下を参照されたい）。

また、修正運動量保存関係には、配列１２が２つの独立した格子方向を有する限りで、Ｋ_ｓｐ（ω）とＫ_ｒ（ω）が平行でない解がある。図５は、Ｋ_ｓｐ１＝Ｋ_ｒ＋Ｇ_１でＫ_ｒがＧ_１に垂直である場合の例示の解を示す。この解では、｜Ｋ_ｓｐ｜および｜Ｋ_ｒ｜が同じ周波数ωで光子と表面プラズモン分散関係の解でなければならい。Ｋ_ｒとＧ_１は垂直であるので、Ｋ’_ｓｐ１＝Ｋ_ｒ−Ｇ_１で定義される運動量｜Ｋ’_ｓｐ１｜および｜Ｋ_ｒ｜は、また、同じ周波数ωでそれぞれの光子および表面プラズモン分散関係の解である。したがって、逆格子ベクトルＧ_１に垂直な投影運動量Ｋ_ｒを有する光子は、異なる運動量の表面プラズモンを生成することができる。

表面プラズモンの生成された種類のうちの１つだけが出力光子を作ることができるならば、光子がいくつかの運動量値の表面プラズモンを生成できる状況は効率がよくない。１つより多い運動量値を有する表面プラズモンを生成することがないようにするために、図５に示すように逆格子ベクトルＧ_１およびＧ_２に直交しない投影運動量Ｋ’_ｒを光子が持つように、光子入射面の光子を選ぶことができる。

図６は、図３で説明する例示の金属層の前面への７６０ナノメートル（ｎｍ）のレーザ光の照射に応答して、この例示の金属層の裏面に生成された電界強度を示す。金属層の前面は、誘電体溶融シリカ基板を有する金属−誘電体界面を形成する。図６で、測定された電界強度は測定された光子計数速度に比例する。図６のデータの収集中、金属層を平行レーザ光で照らした。このレーザ光は、金属層の垂直ベクトルに対して約５０°の角度で金属層の前面に入射した。レーザ光は、金属層内の６×７長方形配列の穴に入射する。この穴は、直径が約２００ナノメートル（ｎｍ）であり、有限の規則的な格子を形成し、この格子の格子ベクトルｂ_１およびｂ_２はそれぞれ８４０ｎｍおよび９５０ｎｍの長さを有する。照射中に、金属層の裏面に沿って光ファイバの端面を高精度に引っ張って走査し、さらに光ファイバで光子生成速度を計数して電界強度を測定した。

図６において、電界強度の２次元プロットは２つの顕著な特徴を有する。第１の特徴は大きなピークの配列１８である。大きなピークの配列１８は、規則的な立方配列の穴が貫通する金属層の部分の上にある。大きなピークの配列１８は、金の層の中の穴の配列に起因している。第２の特徴は、金層中の穴の配列の端で始まる直線２０である。この直線２０に沿って、電界強度は、表面プラズモンの束の間の電界によって高い値を持つ。直線２０は、規則的な配列の変形を有する金属−誘電体界面に入射する光子が、限られた数の伝播方向を持った表面プラズモンを生成することを示す。金の実験的な層では、生成された表面プラズモンは、大きな消散なしに２０ミクロン以上の距離を伝播する。

図７Ａから７Ｅは、図３および６に既に示した同じ金属−誘電体界面の裏面に沿った電界強度を示す階調プロットである。図７Ａ〜７Ｅの挿入図は、表面プラズモンの生成と関連した修正運動量保存関係を示す。図７Ａ〜７Ｅにおいて、電界強度は、界面の前面を様々なレーザ光構成で照らすことで生成された。これらのプロットのより明るい階調部分およびより暗い階調部分は、それぞれより高い電界強度およびより低い電界強度に対応する。これらのプロットで、電界強度は、金属層中の変形すなわち穴の配列にわたってピーク値の立方配列２２を有する。これらのプロットで、電界強度の他の比較的高い値は、表面プラズモン・ジェット２４、２６、２８の束の間の電界と関連している。ジェット２４、２６の表面プラズモンは、ピークの配列２２と関連した変形の配列２２から外側に伝播する。最後のジェット２８は、金属層中の穴の別の配列（図示しない）から外側に伝播している表面プラズモンで生成される。

図７Ａと７Ｂの比較で、入射レーザ光の周波数を変えることで表面プラズモン・ジェットの選択的な励起が可能になることが分かる。図７Ａおよび７Ｂは、同じ入射方向であるが異なる周波数ωおよびω’のレーザ光で励起された表面プラズモンのジェットを示す。周波数ωで、レーザ光は運動量Ｋ_ｓｐ（ω）の表面プラズモンを強く励起する。ここで、Ｋ_ｓｐ（ω）＝Ｋ_ｒ（ω）−Ｇ_１である。この表面プラズモンは図５Ａのジェット２４に属する。周波数ω’では、Ｋ_ｒ（ω’）−Ｇ_１に等しい運動量Ｋ_ｓｐ’（ω）の表面プラズモンが遥かに少量励起される。このことは、図７Ｂのジェット２４に沿った束の間の光の強度がより低いことで理解できる。周波数ω’で、レーザ光は、Ｋ_ｓｐ’（ω）＝Ｋ_ｒ（ω）−２Ｇ_２である運動量Ｋ_ｓｐ’（ω）の表面プラズモンを遥かに強く励起する。このことは、図７Ｂのジェット２６で束の間の光の強度が比較的高いことで理解できる。このように、光子から表面プラズモンへの変換は、入射レーザ光の周波数をωとω’の間で変えることで、ジェット２４と２６の間で実質的に切り換えることができる。

図７Ｂと７Ｄの比較で、レーザ光の入射角を変えることで表面プラズモン・ジェットの選択的な励起が可能になることが分かる。図７Ｂおよび７Ｄは、異なるそれぞれの入射角θおよびθ’および同じ周波数ω’のレーザ光で励起された表面プラズモンのジェットを示す。光の入射角がθからθ’に変わるとき、ジェット２６はオフになるが、ジェット２４はほぼ同じ強度のままである。周波数を変えることなく、光の入射角がさらに同じ方向に変化するとき、図７Ｅに示すように、ジェット２４と２６の両方が実質的にオフになる。

図７Ｂと７Ｃの比較で、レーザ光の偏向を変えることでも、表面プラズモン・ジェット２４、２６の選択的励起が可能になることが分かる。図７Ｂおよび７Ｃは、周波数および入射方向が同じであるが偏向が異なるレーザ光で励起された表面プラズモンを示す。図７Ｂで、入射光の電界はどちらのジェット２４、２６とも直交しない。そのために、表面プラズモンは図７Ｂの両方のジェットで励起される。図７Ｃで、入射光の電界はジェット２６の方向に対して垂直である。図７Ｃで、ジェット２６は励起されない。その理由は、表面プラズモンは縦方向の電子密度波であり、したがって、伝播方向に垂直な電界で励起されないからである。図７Ｂの入射構成で、ただ１つの偏向すなわちジェット２６に平行な偏向の入射レーザ光でジェット２６の表面プラズモンが励起される。

図６および７Ａ〜７Ｅが示すように、規則的な配列の変形によって、金属−誘電体界面は、表面プラズモンのジェットを含んだ、光から電気へおよび電気から光への信号変換をもたらすことができるようになる。表面プラズモン生成の方向依存性によって、光子から表面プラズモンへおよび表面プラズモンから光子への変換に基づいた光ルータを組み立てることができるようになる。そのような全光学式でないルータの製造では、より簡単でかつ多くの場合余り高価でない方法が必要であるが、なお光信号と電気信号の間の変換を行う回路を必要としないために、高いルーティング速度が可能になる。

図８および９は、表面プラズモンのジェットを生成して周波数選択光ルーティングを行う光ルータを示す。光ルータ３０は、誘電体層３２および誘電体層３２の上にある金属層３４を含む。金属層３４は、金、銅、銀、またはアルミニウムのような金属を含み、ルーティングされる光の波長の浸透厚の１〜５倍の厚さである。例示の誘電体層３６は、シリカ・ガラスのような硬い誘電体および空気のような軟らかな誘電体を含む。金属層３４の前面は、誘電体層３２との平面界面３６を形成する。

金属−誘電体界面３６は、第１、第２、および第３の規則的な配列３８〜４０の変形４２を含む。変形４２は、金属層３４または誘電体基板３２または両方の穴、小さなくぼみ、真っ直ぐなビア、バンプ、または真っ直ぐな隆起であってもよい。例示の変形４２は、金属層３４全体を横切っている。好ましくは、各配列３８〜４０は、一連の４以上の実質的に同一でかつ１つの方向に沿った等間隔の行の変形４２を含む。そのような配列の大きさは、配列３８〜４０の中に個別のおおよその並進対称性を生成し、それによって、上記の修正運動量保存関係が満たされたときに表面プラズモンの共鳴発生を可能にする。また、いくつかの配列３８〜４０は、各行に一連の４以上の実質的に同一で等間隔に配置された変形４２を含み、それによって、金属−誘電体界面３６の２つの独立した方向に個別のおおよその並進対称性を作る。

いくつかの実施形態では、第１、第２、第３の規則的な配列３８〜４０の変形４２は、金属−誘電体界面３６の単一の規則的な配列の同一で等間隔に配置された変形４２の一部である。例示の規則的な配列は、単純立方、体心立方、三角などのような格子の型を有する。

光ルータ３０は、入力光導波路４４、レンズ４５および不透明層４８を含む。例示の入力光導波路４４は、単一モードまたはマルチモードの光ファイバを含む。金属−誘電体界面３６の前面の一部を、ルーティングされる入力光信号で照らすように、入力光導波路４４は位置決めされる。レンズ４５は、入力光が単一角度θ^ｎで界面３６に入射するように、入力光導波路４４からの入力光を平行にする。不透明層４８は、第１の配列３８の変形４２全体にわたった窓５０を含む。この窓によって、入力光信号は第１の配列３８に表面プラズモンを生成することができるようになり、また、入力光は金属−誘電体界面の他の配列３９〜４０に直接プラズモンを生成することができなくなる。このために、入力光信号は、第１の配列３８から外側に伝播する表面プラズモンを生成するだけである。

光ルータ３０は、また、界面３６の裏面に位置付けされた第１および第２の出力光導波路５２、５４および対応する挿入レンズ５３、５５を含む。例示の出力光導波路５２、５４は、単一モードおよびマルチモードの光ファイバを含む。レンズ５３は、表面プラズモンによって放射され配列３９を通って伝播する光を、第１の出力光導波路に集束する。レンズ５５は、配列４０を通って伝播する表面プラズモンによる光を、第２の出力光導波路５４に集束する。

配列３９および４０は、第１の配列３８中に画定される中心に対して異なる角度方向に沿って位置している。そのために、第１の配列３８から外側に伝播する表面プラズモンは、変形４２の配列３９および４０のせいぜい１つを通って伝播する。したがって、入力光信号で生成された個々の表面プラズモンは、出力光導波路５２および５４の１つに出力光信号を生成するだけである。

入力光導波路４４と第１の配列３８の相対的な向きによって、周波数ω_１およびω_２の入力光は、それぞれ配列３９および配列４０に向かって伝播する表面プラズモンを生成するようになる。金属−誘電体界面３６と第１の配列３８の両方に対する入力光導波絽４４の向きによって、そのような生成された表面プラズモンは上記の修正運動量保存関係を満たす運動量を確実に持つようになる。そのために、入力光信号周波数ω_１およびω_２は、それぞれ第２の配列３９および第３の配列４０に向かって伝播する表面プラズモンのジェットを共鳴的に生成する。

全光学的でないルータ３０の好ましい実施形態により、周波数ω_１の入力光は第２の配列３９に向かって伝播する表面プラズモンを生成だけになり、周波数ω_２の入力光は第３の配列４０に向かって伝播する表面プラズモンを生成だけになる。１つのそのような構成では、入力光の入射面は、第１の配列３８の逆格子ベクトルを含み、配列３９および４０は図４および８で示すように第１の配列３８の両側にある。

金属−誘電体界面３６と第２の配列３９の両方に対する出力光導波路５２の相対的な向きは、第１の配列３８から外側に伝播する表面プラズモンが第２の配列３９で光を共鳴的に放射するように設計される。さらに、放射光は出力光導波路５２の方に向けられる。したがって、第２の配列３９に到達する表面プラズモンは、第２の規則的な配列３９の変形４２に関して前に述べた修正保存関係を満たす周波数と運動量で光子を放射する。そのような相対的な向きによって、周波数ω_１の入力光エネルギーの出力光導波路５２への効率のよい結合が保証される。

同様に、金属−誘電体界面３６と第２の配列４０の両方に対する出力光導波路５４の相対的な向きは、第１の配列３８から外側に伝播する表面プラズモンが第３の配列４０に光を共鳴的に放射するように設計される。さらに、放射光は出力光導波路５４の方に向けられる。したがって、第３の配列４０に到達する表面プラズモンは、変形４２の第３の規則的な配列４０に関して前述の修正保存関係を満たす周波数と運動量で光子を放射する。そのような相対的な向きによって、周波数ω_２の入力光エネルギーの出力光導波路５４への効率のよい結合が保証される。

図１０は、図８および９の全光学的でない光ルータ３０で光を光学的にルーティングする方法６０を示す。光ルータ３０は、入力光導波路４４からの周波数ω_１またはω_２の光信号の受信に応答して、金属表面に表面プラズモンのジェットを生成する（ステップ６２）。このジェットは、周波数ω_１を有する入力光信号に応答して、閾値を超えた光信号を出力導波路５２に放射する（ステップ６４）。このジェットは、また、他の出力導波路５４にも光信号を放射するが、そのような光信号は閾値より下の値を有する。このジェットは、周波数ω_２の入力光信号に応答して他の出力光導波路５４に閾値を超えた光信号を放射する（ステップ６６）。このジェットは、また、出力導波路５２に別の光信号を生成するが、そのような光信号は閾値より下の値を有する。

図８の光ルータ３０に加えて、様々なファイバ・デバイスが、また、表面プラズモンを含んだ光−電気−光変換に基づいた周波数選択光ルーティングを実現することができる。

図１１は、表面プラズモンに基づいた周波数選択光ルーティングを実現するファイバ・バンドル７０を示す。ファイバ・バンドル７０は、入力光ファイバ７２および入力光ファイバ７２から光を受ける取る複数の出力光ファイバ７４、７６を含む。ファイバ・バンドル７０で、光ルーティングは、ファイバ・バンドル７０のファイバ接合領域８０の端面７８に沿った表面プラズモンの伝播を含む。

図１２は、図１１のファイバ接合領域８０の端面の図を与える。ファイバ接合領域８０において、屈折率整合媒体８２が光ファイバ７２、７４、７６の端面間に配置される。ファイバ接合領域８０の端面７８は、平坦化され、金属層、たとえば金の層で覆われて、平面の金属−誘電体界面８４を生成している。平面金属−誘電体界面８４は、同一の変形８６の配列を含む。変形によって、端面７６に沿って２次元格子周期性が生じる。例示の変形８６は、平面界面８４の２つの側にある誘電体または金属の中の小さなくぼみである。変形８６の例示の配列は、ファイバ接合領域８０の端面７８を平坦化した後でのマスク制御エッチングを含んだよく知られている方法で作ることができる。

変形８６のパターンは、入力光ファイバ７２が平面界面８４に沿って伝播する表面プラズモンを光学的に励起することができるように構成される。特に、予め選ばれた第１および第２の入力周波数の光は、第１の出力ファイバ７４および第２の出力ファイバ７６それぞれに選択的に伝播する表面プラズモンを励起する。また、変形８６の周期的な配列によって、生成された表面プラズモンが出力光ファイバ７４、７６に結合する光を生成することができるようになる。したがって、そのような表面プラズモンは、光−電気−光変換を含むプロセスを介して光ファイバ７２、７４、７６の間の周波数選択光ルーティングをもたらす。修正運動量保存関係についての上の議論で、当業者はそのような光ルーティングに適切な変形８６の配列を設計することができるようになるかもしれない。

光ルータの他のファイバ実施形態では、入力および出力光ファイバは、平面金属−誘電体界面に光学的に側面結合する。光ファイバは、ファイバの光学コアが金属−誘電体界面に光学的に結合することができるように光学クラッドの部分が取り除かれた結合領域を有する。金属−誘電体界面は、実質的に同一の変形の周期的な配列を含む。変形の配列によって、入力光ファイバは、選ばれた入力光周波数に対して表面プラズモンを生成する。変形の配列によって、出力光ファイバは、金属−誘電体界面の関連した結合領域を通って伝播する表面プラズモンが放射する光を受け取る。

図８および１１〜１２を再度参照して、光ルータ３０、７０のいくつかの実施形態では、光周波数に基づいてではなくて、入射角、入射偏向、または金属−誘電体界面３６、８４の誘電率に基づいて光信号のルーティングが行われる。１つのそのような実施形態では、ルータ３０は、入力光導波路４４から放出される光の入射角θ”を変えるための機械的なデバイスを含む。このルータ３０では、入力光は、選択された入射角θ”に基づいて第１または第２の出力光導波路５２、５４に向かって放射する表面プラズモンを生成する。別の実施形態では、ルータ３０は、金属層３４に接続されかつ誘電体層３２にまたがって電圧を加えるように構成された可変電圧源を含む。印加された電圧が誘電体層の誘電率を変え、したがって界面３６での表面プラズモンの分散関係を変えることができるように、誘電体層３２は電気光学的に活性である。このルータ３０では、入力光は、誘電体層３２にかかる選択された電圧に基づいて第１および第２の出力光導波路５２、５４に向かって放射する表面プラズモンを生成する。別の実施形態では、ルータ３０は、入力光導波路４４の端面とレンズ４５の間に位置付けされた可変光偏向回転子を含む。このルータ３０では、入力光は、選択された入射偏向に基づいて第１および第２の出力光導波路５２、５４に向かって放射する表面プラズモンを生成する。

本発明は、説明、図、および特許請求の範囲を考慮に入れて当業者に明らかな他の実施形態を含む意図である。

平面金属−誘電体界面での光子による表面プラズモン生成の運動学を示す断面図である。 図１の界面における表面プラズモンと光子の分散関係を示す図である。 界面自体に沿って並進運動不変性を有しない界面を示す平面図である。 光子の入射面における単一表面プラズモンの生成が分散関係でどのように可能になるかを示す図である。 投影光子運動量が逆格子ベクトルに垂直であるとき、１より多い運動量を有する表面プラズモンが入射光子でどのように生成されるかを示す図である。 図３の金属層の前面が照射されるのに応答して、その金属層の裏面に誘起される電界強度を示す図である。 図３の金属層の前面に入射する様々な光構成について、この金属層の裏面に沿った電界強度を示す階調プロットである。 図３の金属層の前面に入射する様々な光構成について、この金属層の裏面に沿った電界強度を示す階調プロットである。 図３の金属層の前面に入射する様々な光構成について、この金属層の裏面に沿った電界強度を示す階調プロットである。 図３の金属層の前面に入射する様々な光構成について、この金属層の裏面に沿った電界強度を示す階調プロットである。 図３の金属層の前面に入射する様々な光構成について、この金属層の裏面に沿った電界強度を示す階調プロットである。 周波数選択光ルーティングを行う光ルータを示すそれぞれの透視断面図である。 周波数選択光ルーティングを行う光ルータを示す裏面図である。 図８および９の光ルータで光を光学的にルーティングする方法を示す図である。 周波数選択光ルーティングを行うために、ファイバ・バンドルの端面を使用する簡単な光ルータを示す図である。 周波数選択光ルーティングを行うために、ファイバ・バンドルの端面を使用する簡単な光ルータを示す図である。

Claims (9)

1. 光ルーティングを行うための装置であって、
   第１および第２の側面を有する金属層と、
   前記第１の側面に沿って位置付けされた構造の規則的な配列と、
   前記第１の側面の一部を照らすように位置付けされた入力光導波路であって、前記一部が前記構造のうちのいくつかのすぐ近傍にある、入力光導波路と、
   前記入力光導波路で照らされない前記金属層の部分から放射される光を受け取るように位置付けされた複数の出力光導波路とを備え、
   前記入力光導波路からの光の第1及び第2の波長が、照らされる部分を異なる方向に沿って外出する表面プラズモンを生成するように、前記配列が構成されている装置。
   
2. 前記規則的な配列内の構造が、2つの方向に規則的に配置されており、
   前記出力光導波路のうちの第１および第２の出力光導波路が、前記金属層の異なる部分から放射される光を受け取るように位置付けされ、前記異なる部分が前記規則的な配列内にある点のまわりの異なる角度位置を有する、請求項１に記載の装置。
   
3. さらに、前記第１の側面に沿って構造の別の規則的な配列を備え、前記別の規則的な配列は、表面プラズモンが前記出力光導波路の１つに向かって光を放射するように位置付けされている、請求項１に記載の装置。
   
4. さらに、前記金属層の前記第１の側面と接触している実質的に透明な誘電体層を備える、請求項１に記載の装置。
   
5. さらに、前記誘電体層の誘電率を変えることができるデバイスを備える、請求項４に記載の装置。
   
6. 入力光導波路からの光信号の受信に応答して金属表面に表面プラズモンを生成するステップと、
   第１の波長を有する前記受信された光信号に応答した前記生成された表面プラズモンから、第１の出力光導波路の方向に選択的に光信号を生成するステップと、
   異なる第２の波長を有する前記受信された光信号に応答した前記生成された表面プラズモンから、第２の出力光導波路の方向に選択的に光信号を生成するステップとを備え、
   前記光信号の受信が、前記第1の波長を有する信号に応答して、一つの方向に沿った運動量を有する表面プラズモンを生成し、前記第2の波長を有する信号に応答して、異なる方向に沿った運動量を有する表面プラズモンを生成する方法。
   
7. 前記表面プラズモンの生成が、前記金属表面に沿った変形の規則的な配列の一部に前記光信号の光を当てることを含む、請求項６に記載の方法。
   
8. 光ルータであって、
   実質的に透明な誘電体基板と、
   前記誘電体基板と界面を形成する第１の側面を有する金属層と、
   前記界面の一部を照らすように位置付けされた入力光導波路と、
   出力光導波路とを備え、
   前記界面は、前記入力導波路からの第1の波長の光が前記出力光導波路への光を放射する表面プラズモンを生成するように構成されており、
   前記界面の一部は、前記入力光導波路からの第2の波長の光が、前記第1の波長の光により生成される表面プラズモンとは異なる方向に沿って前記界面の一部から外出する表面プラズモンを生成するように構成されている光ルータ。
   
9. さらに、前記第2の波長の光により生成された表面プラズモンによって生成される光を受け取るように位置付けされた第２の出力光導波路を備えている、請求項8に記載の装置。

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