JP5324565B2 - 光ビームを曲げることのできる導波路配列 - Google Patents

Description

本発明は、結合した導波路の配列(array（英語）、reseau(仏語）)の分野に関するものであり、より詳細には、ほぼ平行で導波方向を向いた結合した一群の導波路を含んでいて、この一群の導波路が、第１の結合係数で結合した導波路で形成された第１の領域を含んでいる導波路配列に関する。

このような導波路配列は、例えば非特許文献１に記載されている。この論文では、配列の導波路は、配列内で一様に結合している。配列内での結合の一様性は、隣り合った２つの導波路が、配列において同じ結合係数で結合していることによって得られる。

光ビームはこのような導波路配列の中をガイドされて伝播できることが知られている。著者たちは、このような導波路配列の中を伝播する光ビームを“フロケ−ブロッホ波”または“超モード”または“シュレーディンガー離散モード”と呼んでいる。結合した導波路の配列の中を光ビームをガイドすることは、特に通信の分野において非常に有利である。
結合した導波路のこのような配列では、光ビームは主として直線的に伝播するか、自然に発散する。

ところで特に光通信のためのスイッチング部品の分野において、光ビームを方向づけたり、反射させたり、集束させたりできると有利である。
そうするため、多数の解決法が考えられた。

最初に、導波路配列から光ビームを取り出し、そのビームを公知の機械的手段（例えば鏡、屈折光学装置、レンズ）によって方向づけることが可能である。
しかしこの解決法は、導波路配列の外で実現せねばならないという欠点を持つ。そのため光ビームはガイドされなくなる。したがって導波路配列を含む部品を統合してもほとんど効果がない。

導波路配列の中でビームを静的に曲げるため、非特許文献２から、平行で導波方向を向いた結合した一群の導波路を備える導波路配列が知られている。一群の導波路は、第１の結合係数で結合した導波路から形成される第１の領域と、第１の結合係数とは異なる第２の結合係数で結合した導波路から形成される第２の領域を含んでいる。
この論文では、配列の１つの領域は、配列の残りの部分とは異なる結合係数で結合した導波路の２つまたは３つの帯で形成されているため、光ビームを配列のこの領域に限定することができる。

この論文では、導波路は平行で１つの導波方向を向いている。Ｙがこの方向であり、Ｘがそれと垂直な方向であるとすると、結合係数は、結合が異なる領域の位置ではＸ方向に変化するが、導波方向に対応するＹ方向では結合領域は一定である。
その結果、全面的に導波方向Ｙに向かう光ビームは曲がらず、それと垂直な方向Ｘでの結合係数の差による影響は受けない。
したがって、上記文献の導波路配列だと光ビームを曲げる可能性が制限される。

逆に、非特許文献３により、導波路が平行で導波方向を向いた導波路配列も知られている。前の場合と同様にＹがこの方向であり、Ｘがそれと垂直な方向であるとすると、結合係数は、今度は結合領域の位置でＹ方向に変化するが、導波方向に垂直な方向に対応するＸ方向では結合係数は一定である。
Ｙ方向だけで結合係数がこのように変化していると、Ｙ方向で曲げることは困難であり、曲げるためには調節がほとんどできない重装備が必要となる。

「非線形導波路アレイにおける空間的フォトニクス」（Ｆｌｅｉｓｃｈｅｒ他、 Ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ、第１３巻、第６号、２００５年） 「結合した導波路アレイのための固有モード問題のおおまかな解決法」（Ｒｉｃｈａｒｄ、Ｒ．Ａ．Ｓｙｍｓ、 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１９８７年） 「フォトニック結晶導波路アレイにおける離散した負の屈折」（Ｌｏｃａｔｅｌｌｉ他、 Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００６年） 「回折の制御」（Ｈ．Ｓ．Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇ、 Ｙ．Ｓｉｌｖｅｒｂｅｒｇ、 Ｒ．Ｍｏｒａｎｄｏｔｔｉ、 Ｊ．Ｓ．Ａｉｔｃｈｉｓｏｎ、 Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第８５／９巻、１８６３〜１８６６ページ、２０００年）

本発明は、導波路配列内で光ビームをよりよく曲げられるようにすることを特に目的とする。

この目的は、本発明により、導波方向と、その導波方向に垂直な方向で、第２の結合係数が第１の結合係数とは異なるようにされていることにより達成される。
その結果、本発明によれば、導波路配列は、その導波路配列への光ビームの入射方向に関係なく、あらゆるタイプの光ビームが曲がる構成にすることができる。
さらに、Ｘ方向とＹ方向で同時に結合係数が変化することにより、第２の結合係数を持つ第２の領域を非常に多くの形態にできるため、光ビームの曲がりが正確に制御される。

本発明は独立に組み合わされた領域を単に並置しただけではない。逆に、本発明によれば、第１の領域は第２の領域と接触しており、結合した導波路の結合係数は、第１の領域と第２の領域の界面において、導波方向と、その導波方向に垂直な方向で変化する。するとこの界面を通過するときにビームを曲げることが大いに可能になる。

本発明の望ましい実施態様は、従属請求項に記載されている。
特に、第２の領域は、導波路配列内で光ビームが集束または発散するように構成できる。
さらに、第２の結合係数と第１の結合係数の中から選択した少なくとも１つの結合係数は、外部パラメータに応じて変えられるようにすることができる。
その結果、本発明の導波路配列の曲がり特性をダイナミックに変化させることができる。
例えば第２の結合係数と第１の結合係数の中から選択した少なくとも１つの結合係数は、導波路配列に入る光ビームの波長に応じて変えることができる。

さらに、第２の領域は、導波路配列内で光ビームを曲げる構成にできる。
さらに、上述の導波路配列は、その導波路配列の中で光ビームを増幅するための利得領域を備えることができる。

第２の領域は、第１の領域との間に湾曲した界面、すなわち非直線的な界面を持つことができる。本発明では、この曲率を変化させることによって第２の領域をさまざまな形状にし、その第２の領域が、望む特徴に合わせて光ビームを曲げるいろいろな屈折光学装置として機能するようにできる。
例えば第２の領域と第１の領域の界面は、楕円または放物線の形状を取ることができる。しかし湾曲した他の形状も可能である。

本発明は、上述のような導波路配列を利用してこの導波路配列内で光ビームを曲げる方法にも関する。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施態様を説明する。

公知のタイプの導波路配列を示す。 本発明の第１の実施態様による導波路配列を示す。 本発明の第２の実施態様による導波路配列を示す。 本発明の第３の実施態様による導波路配列を示す。 図１〜図４の実施態様における第１の領域と第２の領域の界面の概略図である。

図１に示されるように、導波路配列１は、平行で導波方向Ｙを向いた結合した導波路を含んでいる。導波方向Ｙに垂直な方向をＸで示す。
導波路配列１の導波路は、個別に考える場合には、例えば単一モードの導波路である。モードのサイズは、導波路１の中の光を移動させたり取り出したりすることのできる光学部品と適合するように決定される。導波路配列に関して知られているように、このようにして導波路配列の個々の導波路について台地部分（ｍｅｓａ）の幅と層の重なりを決定する。

導波路配列１は、結合した導波路の第１の領域２と、結合した導波路の第２の領域３を備えている。導波路配列１では、配列の全長にわたって導波方向Ｙに延びるのは同じ導波路だが、このＹ方向に沿った結合係数は変化する。配列１の領域２と領域３の間に共通の界面９を規定することができる。

第１の領域２は、強く結合した第２の領域３の導波路よりも弱く結合した導波路を備えている。Ｃ１が第１の領域２の導波路の結合係数であり、Ｃ２が第２の領域３の導波路の結合係数であるとして、例えばＣ２＝２×Ｃ１となるように選択する。これら結合係数は、例えば２つの領域にとって基準係数よりも小さな係数にできる。
このような結合係数にすると、光ビーム４が第１の領域２と第２の領域３の界面に到達したとき、反射されて反射されたビーム６になるとともに、屈折して屈折したビーム５になる。たとえ光ビーム４がＹ方向を向いている場合でもそうなる。

現状の導波路配列において一定の結合係数にすることが問題である場合には、結合が強い領域３と結合が弱い領域２で結合に違いがあるようにするため、当業者は、公知のいろいろな方法を利用することができる。
特に、導波路配列にとって望ましいヘテロ構造を再現するエッチング・マスクによって規定されるモチーフに従い、導波路の間に溝を掘ることが可能である。この場合、エッチングは、局所的により小さな結合係数を望むほど、できるだけ深くなければならない。
望む係数を得るのに必要なエッチングの計算は、“ビーム伝播法”と呼ばれる公知の数値シミュレーションによって実現できる。やはり公知のように、エッチングの後、ビームが確かに望む構造に対応しているかどうかを確認するテストを行なう。

個々の導波路を考案するのに当業者は公知のいろいろな方法を利用することができる。特に、ＩＩＩ−Ｖ型半導体で“浅リッジ(shallow ridge)”と呼ばれる構造を利用できる。その一例が、非特許文献４に詳細に記載されている。１．５５μｍで動作するよう考えられたこの特別な構造では、結合係数は０．１５ｍｍ^−１である。

これから図２を参照して本発明の第１の実施態様を説明する。この図２では、導波方向Ｙに垂直な方向Ｘでも、第２の領域３の第２の結合係数Ｃ２が第１の領域２の結合係数Ｃ１とは異なっている。
導波路配列１は、第１の領域２と第２の領域３の境界によって規定される斜めになった界面９を有する。

動作中は、光ビーム４が第１の領域２の中を伝播し、第２の領域３との斜めの界面９に到達すると、反射されて反射されたビーム６になるとともに、屈折して屈折したビーム５になる。入射ビームは例えば広がりが限られているが、方向が明確に決まるのに十分な幅である。ビームの特徴的な幅は、例えば導波路相互間の距離の１０倍である。屈折と反射の方向は、斜めになった界面９の方向と、入射ビーム４の方向に依存する。

図３を参照すると、第２の実施態様によれば、導波路配列１は、結合係数Ｃ１で結合した導波路を含む第１の領域２と、結合係数Ｃ２（例えばＣ２＝２×Ｃ１）で結合した導波路を含む第２の領域３を備えている。
第２の領域３は楕円形の界面９によって規定されているため、結合係数Ｃ２は、導波方向Ｙと、導波方向Ｙに垂直な方向Ｘで、第１の領域２の結合係数Ｃ１とは異なっている。

楕円によって規定されるこの第２の領域３は、楕円形の屈折光学装置として機能することがわかったため、光ビームが領域３に向かって進むとき、ビームは集束される。このような屈折光学装置の焦点距離は、導波路配列に関するスネル−デカルトの公式と同等な公式に従って計算することができる。これらの公式は、結合係数が異なる領域内を通過するときのエネルギー保存を表わしている。

動作中は、図３では、光ビーム４が第１の領域２の中を例えば導波方向Ｙに沿って伝播する。このビームは第２の領域３の中に入り、その領域３の中で集束されて光ビーム５となる。第２の領域３を規定する楕円のパラメータを変化させることで、光ビーム５の集束状態を変えることができる。

図４は、第２の領域３の別の形態を示している。
図４では、導波路配列１は、結合係数Ｃ１で結合した導波路を含む第１の領域２と、結合係数Ｃ２で結合した導波路を含む第２の領域３を備えている。
第２の領域３は、古典的なレンズのように平凸領域によって規定されている。したがって結合係数Ｃ２は、導波方向Ｙと、導波方向Ｙに垂直な方向Ｘで、第１の領域２の第１の結合係数Ｃ１とは異なっている。

動作中は、光ビームが第１の領域２の中を導波方向Ｙに伝播する。このビームは第２の領域３を横断し、この領域３のおかげで集束されて光ビーム５になる。平凹領域のパラメータが変化すること、特に第２の領域３を規定する凹部を変化させることで、光ビーム５の集束状態を変えることができる。

第２の領域３の別の形態ももちろん考えられる。光ビームの軌跡をうまく制御できるようにするため、これらの形態は、導波方向Ｙと、場合によっては導波方向Ｙに垂直なＸ方向に沿って、第２の領域３の結合係数Ｃ２が第１の領域２の結合係数Ｃ１と異なるようにされている。特に、光ビームが決められた軌跡に従うよう、第２の領域３と第１の領域２の界面を曲線にすることができる。

本発明の導波路配列１では、結合係数Ｃ１とＣ２は、第２の領域３に入射する光ビーム４に関して予想される曲がりの特徴に応じて決まる。
結合係数の変化は、例えば導波路の間の距離ｄを、導波方向と、この導波方向に垂直な方向で変化させることによって実現される。そこで２つの導波路の結合係数に対応する関数Ｃ（ｄ）を、導波路の間の距離の関数として定義する。

この結合係数は、個々の導波路のモードの重なりに依存する。モードのこの重なりはほぼ指数関数的な形状を持つため、関数Ｃ（ｄ）もほぼ指数関数的に減少する。したがって、導波路の間の距離をわずかに変化させることで結合係数を大きく変化させることができる。

上述のように、どの実施態様でも、導波路にとって望ましいヘテロ構造を再現するエッチング・マスクによって規定されるモチーフに従い、導波路の間に溝を掘ることができる。この場合、エッチングは、局所的により小さな結合係数を望むほど、できるだけ深くなければならない。

図５は、上記の実施態様における第１の領域２と第２の領域３の界面９の概略図であり、個々の導波路１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが考慮されている。
結合が小さい領域２では、導波路１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは距離ｄ１だけ離れている。界面９の位置では、導波路１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの間の距離が例えばエッチングによって変更されている。結合が強い領域３では、導波路１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、距離ｄ１よりも小さい距離ｄ２だけ離れている。そのため第２の領域３における導波路の結合係数Ｃ２を、第１の領域２における導波路の結合係数Ｃ１よりも大きくすることができる。

伝播をモデル化するソフトウエアを用いると、導波路配列にとって望ましい機能に合うように導波路の分布を決定することができる。

以下に本発明の変形例を説明する。
上記の実施態様では、導波方向での結合係数の差は固定されていて、外部パラメータによる影響を受けない。
一変形例によれば、第１の領域２または第２の領域３の結合係数は、外部パラメータ（例えば電圧、温度、機械的応力、光ポンピング、ビームの波長）に応じて変化する。
したがって結合係数がビームの波長に依存するのであれば、導波路配列１は、波長選択装置として、またはマルチプレクサとして、またはデマルチプレクサとして使用できる。

さらに、導波路配列１は、利得用の第３の領域を備えることができるため、配列内を伝播するビームが増幅される。この変形例によれば、ビームを増幅しながら曲げることが可能である。すると共鳴器を形成することが可能になり、レーザー・タイプの効果が得られる。

さらに、導波路配列１は、他のタイプの波動（例えば光波）をガイドできる導波路を備えることができる。したがってマイクロ波、超音波、音波を曲げることができる。

導波路配列１は、導波路の二次元配列となることもできる。

Claims (9)

1. 導波路配列であって、
   ほぼ平行で導波方向（Ｙ）を向いた結合した一群の導波路を具備し、
   この一群の導波路は、
   第１の結合係数で結合した導波路で形成された第１の領域（２）と、
   第１の結合係数とは異なる第２の結合係数で結合した導波路で形成された第２の領域（３）と、
   前記第１の領域（２）と前記第２の領域（３）との間の境界によって規定される界面（９）と、を含んでいる、ものにおいて、
   前記界面（９）において、第２の結合係数が、導波方向と、この導波方向に垂直な方向（Ｘ）との双方で、第１の結合係数とは異なっている、
   ことを特徴とする導波路配列。
2. 第２の領域が、この導波路配列の中で光ビームを集束または発散させる構成にされている、ことを特徴とする請求項１に記載の導波路配列。
3. 第２の結合係数と第１の結合係数の中から選択した少なくとも１つの結合係数が、外部パラメータに応じて変化する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の導波路配列。
4. 第２の結合係数と第１の結合係数の中から選択した少なくとも１つの結合係数が、この導波路配列に入るビームの波長に応じて変化する、ことを特徴とする請求項３に記載の導波路配列。
5. 第２の領域が、この導波路配列の中で光ビームを曲げる構成にされている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の導波路配列。
6. 導波路配列内で光ビームを増幅する構成の利得領域を備える、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の導波路配列。
7. 前記界面（９）は、湾曲している、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の導波路配列。
8. 前記界面が、楕円または放物線の形状である、ことを特徴とする請求項７に記載の導波路配列。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の導波路配列を利用してその導波路配列内で光ビームを曲げる方法。

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