JP6341874B2 - 多モード干渉（ｍｍｉ）デバイス及び光信号を操作する方法 - Google Patents

Description

本発明は包括的には光デバイスに関し、より詳細には、光信号を伝搬し、操作する多モード干渉（ＭＭＩ：multi-mode interference）デバイスに関する。

光通信では、光搬送波内で光信号の波長及び偏光を多重化することができる。電気通信ネットワークは柔軟性及び構成可能性に益々焦点を合わせつつあり、それには光通信用のフォトニック集積回路（ＰＩＣ：photonic integrated circuit）の機能を高めること、及びコンパクトなデバイスが必要とされる。多モード干渉（ＭＭＩ）に基づく光デバイスは、広い帯域幅を有し、偏光の影響を受けにくく、作製公差が大きい。

幾つかの応用形態の場合に、光信号を操作するＭＭＩデバイスの長さを最小化することが望ましい。例えば、１つのＭＭＩデバイスでは、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（成分ｙ＝０．４）のようなインジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）コアが、インジウムリン（ＩｎＰ）基板と上側クラッディングとの間に挟持される。

コアは高い屈折率を有するので、光信号はコア内に集中する。クラッディングは相対的に低い屈折率を有し、デバイスの深さに沿って光信号を導波する。ＭＭＩデバイスの長さＬは、短い波長のビート長及び長い波長のビート長の一連の繰返し数を必要とする。ビート長は偏光が３６０度回転するのに必要とされる長さである。

例えば、以下の式が成り立つ。

ただし、

及び

はそれぞれ波長λ_１及びλ_２におけるビート長であり、Ｍは整数である。幅ＷのＭＭＩデバイスの場合、波長λにおいて、Ｌ_π∝Ｗ^２／λであり、Ｗ＝８μｍを有する通常の１．２７／１．２９μｍ波長スプリッターの場合に必要とされる長さＬは５ｍｍよりも長い。

しかしながら、４０／１００Ｇイーサネット（登録商標）の場合の波長分離は通常２０ｎｍ以下である。小さなデバイス内で類似の波長で振動している光信号を合成及び分離するのは難しい。

例えば、Yao他による非特許文献１において、１つのＭＭＩ利用波長スプリッター／コンバイナーが記述されている。しかしながら、そのデバイスを動作させるために、波長分離は非常に大きくなければならない（例えば、１．３μｍ及び１．５５μｍ）。別の光マニピュレーターがJiao他の非特許文献２によって記述されている。しかしながら、そのマニピュレーターによって用いられる方法は、フォトニック結晶にしか適用されず、そのようなマニピュレーターは製造するのが難しい。特許文献１に記載されている別の方法は外部制御信号を用いて光信号を多重化又は逆多重化するが、応用形態の中には適していないものもある。

米国特許第７，３４９，６２８号

Chen Yao et al., "An ultracompact multimode interference wavelength splitter employing asymmetrical multi-section structures", Optics Express Vol. 20, No. 16, p.18248-18253, 2012年 Yang Jiao et al., "Systematic Photonic Crystal Device Design: Global and Local Optimization and Sensitivity Analysis", IEEE J. Quantum Electronics, Vol.42, No.3, p.266-279, 2006年

光デバイスの長さを短くし、作製が複雑にならないようにしながら、複数の波長又は偏光を有する光信号を操作することが必要とされている。

本発明の種々の実施形態は、異なる波長又は偏光からなる光信号が光デバイス内の１段階の屈折率変化によって異なる影響を受けるという認識に基づく。１段階の屈折率変化に対する信号の応答だけでは通常、異なる波長の信号を合成又は分割することのような、信号の所望の操作を行うには不十分である。複数の屈折率段階を合わせると所望の効果を達成することができる。

したがって、本発明の幾つかの実施形態は、多モード干渉（ＭＭＩ）を、ＭＭＩデバイス内の屈折率分布を不均一にして用いることによって光信号を操作する。通常、その不均一な屈折率分布は、所定の波長を有する信号を合成又は分割することのような、特定の作業を行うように選択される。幾つかの実施形態は、最適化技法を用いて、例えば複数の波長を組み合わせて、特定の作業に関する不均一な屈折率分布を決定する。

本発明の種々の実施形態によるＭＭＩデバイスは、ＭＭＩデバイス内に不均一な、すなわち、不規則なパターンに配列されるパッチを含む。均一なパターンとは対照的に、不均一なパターンをなすパッチは、均等な間隔をおいて配置されない。各パッチは１段階の屈折率を形成し、不均一なパッチパターンによって、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布が生じるようにする。一実施形態では、パッチは異なる寸法を有するが、同一の形状、例えば、長方形の形状と、同一の厚みとを有する。さらに、パッチはＭＭＩデバイス内の同一の深さに配列することができ、同じ屈折率を有する材料によって形成することができる。代替の実施形態では、パッチはパターン、間隔、形状、サイズ、材料、厚み又は深さが様々である。

本発明の幾つかの実施形態は、不均一なパッチパターンを用いることに加えて、又はその代わりに、不均一な形状を有する少ない数のパッチを用いて、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を与えることができるという別の認識に基づく。本明細書において、不均一なパッチ形状は、異なるタイプの幾何プリミティブの組み合わせによって形成される。例えば、不均一な形状は、曲率が零でない少なくとも１つの曲線を含む、複数の曲線の交差によって形成することができる。異なる実施形態では、交差する曲線は、異なる曲率及び／又はタイプを有することができる。一般的に、複数の曲線は、平角でない角度（すなわち、１８０°でない角度）で交差する一対の曲線を含む。場合によっては、不均一な形状は、ＭＭＩデバイスの作製を簡単にすることができ、及び／又はその長さを更に短縮することができる。

したがって、一実施形態は、基板層と、基板上に配置され、光信号を伝搬するコア層と、コア層上に配置され、光信号を導波するクラッディング層とを備える多モード干渉（ＭＭＩ）デバイスを開示する。ＭＭＩデバイスは、複数の曲線の交差によって形成される不均一な形状を有し、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成するパッチを含み、複数の曲線は、曲率が零でない少なくとも１つの曲線を含む。

別の実施形態は、多モード干渉（ＭＭＩ）デバイスによって所定の作業に従って光信号を操作する方法を開示する。本方法は、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成する不均一なパッチパターンを決定することであって、所定の作業に従って不均一なパッチパターンが光信号を操作するようにし、ここで、不均一なパッチパターンは、複数の曲線の交差によって形成される不均一な形状を有するパッチを含み、複数の曲線内の少なくとも２つの曲線は異なる曲率を有することと、不均一なパッチパターンを有するＭＭＩデバイスを作製することとを含む。

本発明の一実施形態による、例示的な多モード干渉（ＭＭＩ）デバイスの等角図である。 本発明の一実施形態による、不均一なパッチパターンを含むＭＭＩデバイスの断面図である。 図２のデバイスの不均一な屈折率分布の平面図である。 本発明の種々の実施形態のうちの１つによる、図１のデバイスの平面図である。 本発明の種々の実施形態のうちの１つによる、図１のデバイスの平面図である。 本発明の一実施形態による、不均一なパッチパターンを決定する方法のブロック図である。 本発明の一実施形態によるＭＭＩデバイスの断面図である。 本発明の別の実施形態によるＭＭＩデバイスの断面図である。 本発明の更に別の実施形態によるＭＭＩデバイスの断面図である。 本発明の更に別の実施形態によるＭＭＩデバイスの断面図である。 本発明の様々な実施形態のうちの１つによる不均一な形状のパッチを含むデバイスの平面図である。 本発明の様々な実施形態のうちの１つによる不均一な形状のパッチを含むデバイスの平面図である。 本発明の様々な実施形態のうちの１つによる不均一な形状のパッチを含むデバイスの平面図である。

図１は、本発明の一実施形態による、所定の作業に応じて光信号を操作する例示的な多モード干渉（ＭＭＩ）デバイス１００の等角図を示す。

以下に示されるように、そのＭＭＩデバイスは、基板層と、コア層と、クラッディング層とを有するエピタキシャル成長構造として実現することができる。例えば、一実施形態では、ＭＭＩデバイスはインジウムリン（ＩｎＰ）／インジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）構造であり、その構造は、ＩｎＰ基板と、例えば、ＩｎＰに６０％格子整合したＡｓ組成を有するＩｎＧａＡｓＰコア層と、ＩｎＰクラッディング層とを含む。別の実施形態では、そのＭＭＩデバイスは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）／アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）を含むことができる。他の変形形態も可能であり、本発明の実施形態の範囲内にある。

例えば、ＭＭＩデバイス１００は、基板層、例えば、ＩｎＰ層１０１と、基板層上に成長し、光信号を伝搬するコア層、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ層１０２と、コア層上に成長し、光信号を導波するクラッディング層、例えば、ＩｎＰ層１０３とを含む。

ＭＭＩデバイス１００は光信号１２０を入力する入力導波路１１０と、２つの信号を出力する出力導波路１３０及び１３５とを含む。一実施形態では、光信号は異なる波長を有する２つの信号を含む。例えば、光信号は第１の波長λ_１を有する第１の信号と、第２の波長λ_２を有する第２の信号とを含む。この実施形態では、所定の作業は、光信号を第１の信号及び第２の信号に分割することを含む。

所定の作業は実施形態によって異なる。例えば、一実施形態では、所定の作業は、複数の信号を合成して１つの信号にすることを含む。別の実施形態では、所定の作業は、信号の偏光に基づいて複数の信号を合成又は分割することを含む。また、種々の実施形態において、信号の波長及び／又は偏光は異なる可能性がある。

本発明の種々の実施形態は、異なる波長又は偏光からなる信号が光マニピュレーター内の１回の屈折率変化、例えば、１段階の屈折率によって異なる影響を受けるという認識に基づく。１回の屈折率変化に対する信号の応答だけでは通常、異なる波長の信号を合成又は分割することのような、信号の所望の操作を行うには不十分である。しかしながら、複数の屈折率段階を合わせると所望の効果を達成することができる。したがって、種々の実施形態において、ＭＭＩデバイスは、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成する不均一なパッチパターン含む。

図２は、不均一なパッチパターンを含むＭＭＩデバイス２００の断面を示す。一例では、コア層２０２は、ＩｎＰ基板２０１と、ＩｎＰクラッディング層２０３との間のＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（ｙ＝０．４）である。光信号はクラッディング層の屈折率よりも高い屈折率を有するコア層内に集中する。クラッディング層の低い屈折率は、ＭＭＩデバイスの深さに沿った光信号伝搬を支援する役割を果たす。

この実施形態では、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙは４元材料である。ただし、ｘ（０≦ｘ≦１）はＧａの割合であり、ｙ（０≦ｙ≦１）はＡｓの割合である。例えば、ｘ＝０及びｙ＝０である場合には、その４元材料はＩｎＰである。同様に、ｘ＝１及びｙ＝１である場合には、その４元材料はＧａＡｓである。

ＩｎＰ層上にＩｎＧａＡｓＰを堆積するために、格子整合条件が、ｘ＝−０．４２ｙのような、ｘとｙとの間の関係を定義する。１つの成分の値、例えば、ｙ＝０．４を指定することによって、その材料の完全な組成を決定することができる。

ＭＭＩデバイス２００はパッチ２１０及び別のパッチ２２０を含む。パッチ２１０及び２２０は不均一なパターンに配列され、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成する。この例では、各パッチは長方形の形状を有し、一定の厚みＴｇ２３０だけ、クラッディング層を貫通してコア層の中まで延在する。２つのパッチの寸法、例えば、パッチの幅Ｗ_１及びＷ_２は異なる。代替の実施形態では、パッチは形状、サイズ、材料及び深さに関して異なる。

図３はデバイス２００の不均一な屈折率分布の平面図を示す。この実施形態では、パッチ領域の屈折率、例えば、領域３１０及び３２０の屈折率ｎ_ｌｏｗは、非パッチ領域の屈折率、例えば、領域３３０の屈折率ｎ_ｈｉｇｈよりも低い。代替の実施形態では、この関係は逆にすることができる。また、一実施形態では、パッチの材料は金属材料を含み、それにより、屈折率の虚数部が所定の偏光機能をもたらす。

幾つかの実施形態は、最適化方法を用いて、結果として短いデバイスでも所望の波長が選択されるようにする不均一なパッチパターンを決定する。しかしながら、不均一な屈折率分布を用いる波長操作の根底にある理論が依然として発展過程にあるので、最適化パラメーターを選択するのは難しい。したがって、幾つかの実施形態は、屈折率分布をランダム化するパッチの１組のパラメーターを決定し、所定の作業に応じて、そのパラメーターを最適化する。

例えば、一実施形態は、最適化のために、共分散行列適応進化戦略（ＣＭＡ−ＥＳ）を用いる。ＣＭＡ−ＥＳ最適化は、事前に１つの入力しか必要としないので、自己適応にとって好都合である。

不均一パターンの最適化
図４Ａは、本発明の一実施形態による、最適化方法を用いて決定された不均一な屈折率分布を有する図１のデバイス１００の平面図を示す。その最適化方法によれば、ＭＭＩデバイスの横幅Ｗ、及びデバイスの長さＬは、最適化中に或る特定の制約下で可変のパラメーターである。屈折率分布は、所定の数の長方形パッチを利用することによってランダム化される。この例では、その方法は５つのパッチを用いる。各パッチは４つのパラメーター、すなわち、パッチの横幅Ｗ_ｐと、パッチのオフセットＯ_ｐと、パッチの位置Ｐ_ｐと、パッチの長さＬ_ｐとによって特定される。入力導波路１１０並びに出力導波路１３０及び１３５の位置は、横軸オフセット、Ｏ_ｉｎ、Ｏ_ｏｕｔ１及びＯ_ｏｕｔ２によって特定される。３つ全ての導波路の幅Ｗ_ｐｏｒｔは任意選択で同じであるか又は可変である。

図４は、不均一なパターンを形成する５つのパッチを示す。１つのパッチの１組のパラメーターは、それらのパッチが重なり合い、少なくとも部分的にＭＭＩデバイスの内部に存在することができるように小さな制約及び大きな制約を指定される。この例では、上記の最適化問題の変数の全数は少なくともＮ_ｖａｒ＝４×Ｎ_ｐ＋５である。ただし、Ｎ_ｐは初期のパッチ数である。

均一なパターンとは対照的に、不均一なパターンをなすパッチは、均等な間隔で配置されない。例えば、パッチ４１０、４２０、４３０、４４０及び４５０は、異なる、例えば、ランダムな配列、向き及び互いの距離を有する。例えば、パッチ４２０及び４３０は互いに交わり、パッチ４３０及び４４０は互いに隣接し、パッチ４１０及び４５０は互いから距離をおいて位置する。そのような不均一性は、本発明の幾つかの実施形態によって利用される最適化方法によって少なくとも部分的に形成される。

図４Ｂは、本発明の別の実施形態による図１のデバイス１００の平面図である。この実施形態は、デバイス内から入力ポートに戻る反射によって、不安定になり、レーザデバイスからの雑音が増加するので、この反射を最小限に抑える必要があるという認識に基づく。この実施形態では、ＭＭＩ入力／出力ポートのパッチ及び壁は、入力ポートに戻る反射が最小限に抑えられるように傾けられる。

図５は、所定の作業に応じて不均一なパッチパターンが光信号を操作するように、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成する不均一なパッチパターンを決定する一実施形態の方法５００のブロック図を示す。その方法は、プロセッサ５０１を用いて実施することができる。

その方法は、不均一なパッチパターンのランダムな１組のパラメーター５２５を決定する。例えば、その方法は、パッチの数５１５を決定し（５１０）、パッチごとにパラメーター値をランダムに決定する（５２０）。次に、所定の作業を実行するＭＭＩデバイスの動作を定義するパラメーターの距離関数５５０を最適化して（５３０）、最適な１組のパラメーター５３５を生成する。最適な１組のパラメーター５３５を用いて、不均一なパッチパターン５４５が決定される（５４０）。

例えば、ＣＭＡ−ＥＳ法を利用する実施形態は、幾つかの候補点に基づいて関数空間内の大域的最適を探索する。発展していく超楕円上に分布する関数評価の履歴が次の繰返しにおけるその方法の方向を決定する。候補点の数Ｎ_ｐａｒｔはその問題による。一実施形態では、候補点の数は以下の通りである。

最適化プロセスの別の態様は、所与の繰返しにおけるオプティマイザーの挙動を評価するのに用いられる距離関数、すなわち、各繰返しにおいて各候補点によって返される値である。波長コンバイナー／スプリッターは、所定の作業に向けて、例えば、クロストークを抑圧しながら、波長λ_１及びλ_２のビームをそれぞれの出力ポートに結合するように設計される。それゆえ、それに応じて、距離関数が、例えば、所定の作業を実行するＭＭＩデバイスの動作を定義するように選択される。種々の実施形態によって用いられる幾つかの距離関数の中でも、１つの距離関数はＣＭＡ−ＥＳの平均収束を最大化する。この距離関数は以下の通りである。

ただし、

は波長λ_ｎにおける第ｍの出力導波路の第ｍのモード出力であり、ｎ＝１，２、ｍ＝１，２である。幾つかの実施形態は、以下の式に従って、入力導波路内に存在し、かつＭＭＩデバイスに結合する基本横電磁（ＴＥ）モードの出力に対して正規化された関数出力を用いる。

ただし、ｎ＝１，２、ｍ＝１，２である。

及び

はそれぞれ入力導波路、第１の出力導波路及び第２の出力導波路内に存在し、波長λ_ｎにおける基本ＴＥモードである。（４）における距離関数の取り得る最大値は０であり、両方の波長においてクロストークがない理想的な場合に生じる。

不均一なパターンの作製
ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成する不均一なパッチパターンが決定された後に、不均一なパッチパターンを有するＭＭＩデバイスが作製される。

図６は本発明の一実施形態に従って作製されたＭＭＩデバイス６１０を示す。その実施形態は、上側クラッディング層又はコア層をエッチングし、空気又は誘電体材料、例えば、ＳｉＮｘ及びＳｉＯ２のような二酸化シリコンがパッチ６２０及び６３０を形成する。この実施形態は実施するのが容易であるが、パターンの正確な形成を制御するのは難しい。具体的には、この実施形態は、エッチングの停止を制御する必要があり、製造上の課題をもたらす可能性がある。

図７は、別の実施形態に従って作製されたＭＭＩデバイス７００を示す。その作製は、基板７０１上にＭＭＩデバイスのコア層７０２を堆積する、例えば、成長させることと、不均一なパッチパターンに従ってコア層をエッチングし、エッチング部７１０及び７２０の不均一なパターンを形成することと、エッチング部の不均一なパターンを充填するクラッディング層７０３を堆積することとを含む。この実施形態の作製プロセスは制御するのが容易である。

導波路の有効屈折率はエッチング深さによって決まる。エッチングは、不要な材料を除去するプロセスである。エッチングの例はウエットエッチング及びドライエッチングを含む。ウエットエッチングは、化学的ミリングとしても知られており、酸、塩基又は他の化学物質を用いて、金属、半導体材料又はガラスのような不要な材料を溶解するプロセスである。ドライエッチングは、露出した表面から材料の一部を除去するイオンの衝撃に材料を曝すことによって材料を除去することを指している。いずれのタイプのエッチングプロセスの場合も、エッチング深さの制御は困難である可能性があり、エッチング深さの変動が製造されたデバイス間の性能変動の一因になる可能性がある。

図８は、更に別の実施形態に従って作製されたＭＭＩデバイス８００を示す。その作製は、基板８０１上にＭＭＩデバイス８００の第１のコア層８０２を成長させることと、第１のコア層上にＭＭＩデバイスの第１のクラッディング層８０３を成長させることと、第１のクラッディング層上にＭＭＩデバイスの第２のコア層８０４を成長させることとを含む。不均一なパッチパターンに従って第２のコア層をエッチングし、エッチング部８１０及び８２０の不均一なパターンを形成する。エッチング部の不均一なパターンを充填する第２のクラッディング層８０５を成長させる。この実施形態では、エッチングは、第２のコア層が完全にエッチングされ、第１のクラッディング層が部分的にのみエッチングされるように制御される。第２のクラッディング層８０５は第１のクラッディング層８０３と同じ材料からなり、２つのクラッディング層はエッチングの差を補償するように合体する。そのように、エッチング速度にばらつきがあってもデバイス性能に影響を及ぼすことはなく、本実施形態によるその作製は、エッチング深さの変動を最小限に抑える。

図９は、更に別の実施形態に従って作製されたＭＭＩデバイス９００を示す。この実施形態はエッチング停止層を用いて、異なるパッチのエッチングの変動を最小限に抑える。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ材料の場合のエッチング速度は、組成（ｙ）及びエッチング溶液（ウエットエッチングの場合）又はガス（ドライエッチングの場合）によって決まる。特定の組成を選択することによって、ＩｎＧａＡｓＰ層は、層の材料に対して遅いエッチング速度を有するエッチング停止層としての役割を果たすことができる。この場合、エッチング条件変動にかかわらず、エッチング停止層がエッチングを減速し、エッチング深さの変動を低減する。

その作製は、基板９０１上にＭＭＩデバイス９００の第１のコア層９０２を成長させることと、第１のコア層上にＭＭＩデバイスのエッチング停止層９０３を成長させることと、エッチング停止層上にＭＭＩデバイスの第２のコア層９０４を成長させることと、不均一なパッチパターンに従って第２のコア層をエッチングし、エッチング部の不均一なパターンを形成することと、エッチング部の不均一なパターンを充填するクラッディング層９０５を成長させることとを含む。この実施形態による作製は、エッチング深さの変動を最小限に抑える。

不均一な形状を有するパッチ
本発明の幾つかの実施形態は、不均一なパッチパターンを用いることに加えて、又はその代わりに、不均一な形状を有する少ない数のパッチを用いて、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を与えることができるという別の認識に基づく。本明細書において、不均一なパッチ形状は、異なるタイプの幾何プリミティブの組み合わせによって形成される。例えば、不均一な形状は、曲率が零でない少なくとも１つの曲線を含む、複数の曲線の交差によって形成することができる。異なる実施形態では、交差する曲線は、異なる曲率及び／又はタイプを有することができる。一般的に、複数の曲線は、平角でない角度（すなわち、１８０°でない角度）で交差する一対の曲線を含む。場合によっては、不均一な形状は、ＭＭＩデバイスの作製を簡単にすることができ、及び／又はその長さを更に短縮することができる。

図１０は、不均一な形状のパッチによって形成されるデバイスの不均一な屈折率分布の平面図である。この実施形態では、パッチ１０１０及び１０２０の領域の場合の屈折率ｎ_ｌｏｗが、非パッチ領域１０３０の場合の屈折率ｎ_ｈｉｇｈより低い。代替の実施形態では、この関係を逆にすることができる。

パッチ１０１０及び１０２０は、異なる曲率を有する曲線の交差によって形成される不均一な形状を有する。この実施形態では、パッチ１０１０は、曲率が零でない曲線１０６０と、まっすぐな線分１０７０、すなわち、曲率が零である曲線とによって形成される。同様に、パッチ１０１０は、曲線１０５０と、まっすぐな線分１０８０とによって形成される。他のタイプ及び他の数の曲線の組み合わせも可能である。

図１１は、不均一な形状のパッチ１１１０及び１１２０によって形成されるデバイスの不均一な屈折率分布の平面図を示す。幾つかの実施形態において、複数の曲線からの１つの曲線がＭＭＩデバイスの側壁と一致する。幾つかの状況では、そのような構成は、ＭＭＩデバイスの作製を簡単にし、不均一な屈折率分布の生成を更に改善することができる。

例えば、パッチ１１２０の形状は、交差する曲線１１６０及び１１７０によって形成され、曲率が零である曲線１１７０が、ＭＭＩデバイスの側壁１１７５と一致し、すなわち、側壁の一部を形成する。同様に、パッチ１１１０の形状は、曲率が零でない２つの交差する曲線１１５０及び１１８０によって形成される。この例では、曲率が零でない曲線１１８０は、ＭＭＩデバイスの側壁と一致し、側壁のこの部分を湾曲させる。

幾つかの実施態様では、パッチは、ＭＭＩ内で、滑らかに湾曲した形状であるか、又は区分的に線形の形状をなす。幾つかの制御点と、スプライン補間、線形補間、多項式補間及びベジエ補間を含むことができる種々の補間法のうちの１つとによって、溝の形状を特徴付けることができる。幾つかの実現形態は、所定の作業に従って、屈折率分布をランダム化する、パッチ及び傾斜接合部の１組のパラメーターを決定し、これらのパラメーターを最適化する。一例として、１つの実現形態は、最適化のためにＣＭＡ−ＥＳを用いる。

図１２は、本発明の別の実施形態による、ＭＭＩデバイスの不均一なパッチの平面図である。この実施形態では、複数の曲線は、複数のスプライン、例えば、１２２１、１２２２、１２２６及び１２２８を含む。スプラインは、区分的に定義される十分に滑らかな多項式関数であり、節点としても知られる、例えば、点１２３８及び１２３６において、高い度合いの滑らかさを有し、これらの節点において、多項式区分、例えば弧１２３４及び１２３２がつながる。幾つかの実施形態では、スプラインは、異なる曲率を有する少なくとも２つの多項式部分を含む。

本発明のこの実施形態は、パッチのスプライン形状をエッチングすることによって、不均一なパッチ形状を製造する複雑さと、ＭＭＩデバイスの種々の部分における屈折率の変化の分布との間の都合の良いバランスを与えることができるという認識に基づく。例えば、ＭＭＩデバイスにわたってスプラインをエッチングすることは、スプラインの形状に基づいて不均一に屈折率を変化させる。したがって、特定の作業に対して、複数のスプラインの形状を選択し、及び／又は最適化することができる。

図１２において、パッチ１２１０の形状は、スプライン１２２２、１２２６及び１２２８と、曲線１２２０及び１２２４との交差によって形成される。一般的に、複数の曲線は、交差し、平角でない角度（すなわち、１８０°でない角度）で交差している一対の曲線を含む。例えば、曲線１２２４及び１２２０は直角で交差するが、角度は鋭角又は鈍角にすることもできる。

曲率が零でない曲線が交差する角度は、それらの交点における曲線への接線角度によって決定することができる。例えば、曲線１２２１及び１２２２が交差する角度は、交点１２４０における曲線１２２１及び１２２２への接線１２４２及び１２４４によって形成される角度１２４８によって決定することができる。

代替の実施形態は、種々の種類の不均一な形状を用いることによって、ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成する。例えば、幾つかの実施形態では、不均一なパターン内の少なくとも１つのパッチの少なくとも２つのエッジが、異なる寸法の同じ幾何プリミティブによって形成される。そのような形状の一例が、異なる長さの辺を有する三角形である。別の実施形態は、異なるパッチの中で形状及び寸法を変更する。１つの実施形態は、ＭＭＩ構造の湾曲した形状の側壁をテーパーとして使用し、それにより、伝搬していくにつれて不均一になるモード干渉パターンを作り出す。

Claims (19)

1. 多モード干渉（ＭＭＩ）デバイスであって、
   基板層と、
   前記基板層上に配置され、光信号を伝搬するコア層と、
   前記コア層上に配置され、前記光信号を導波するクラッディング層と
   を備え、
   該ＭＭＩデバイスは、複数の曲線の交差によって形成される不均一な形状を有して、前記ＭＭＩデバイス内に、前記曲線を境にして非連続的に屈折率が変化する不均一な屈折率分布を形成するパッチを含み、
   前記複数の曲線は、少なくとも１つのスプラインを含むとともに、曲率が零でない少なくとも１つの曲線を含む、
   多モード干渉デバイス。
2. 前記複数の曲線は、異なる曲率を有する少なくとも２つの曲線を含む、請求項１に記載のＭＭＩデバイス。
3. 前記複数の曲線は、曲率が零である少なくとも１つの曲線を含む、請求項２に記載のＭＭＩデバイス。
4. 前記スプラインは、異なる曲率を有する少なくとも２つの多項式部分を含む、請求項１に記載のＭＭＩデバイス。
5. 前記複数の曲線は、複数のスプラインを含む、請求項１に記載のＭＭＩデバイス。
6. 前記複数の曲線は、平角でない角度で交差する一対の曲線を含む、請求項１に記載のＭＭＩデバイス。
7. 前記一対の曲線は、直角又は鋭角で交点において交差し、該直角又は鋭角は該交点における前記一対の曲線への接線によって形成される、請求項６に記載のＭＭＩデバイス。
8. 前記複数の曲線からの１つの曲線が前記ＭＭＩデバイスの側壁と一致する、請求項１に記載のＭＭＩデバイス。
9. 前記１つの曲線は、零でない曲率を有し、前記ＭＭＩデバイスの湾曲した側壁を形成する、請求項８に記載のＭＭＩデバイス。
10. 前記ＭＭＩデバイスは、前記クラッディング層を貫通して、前記コア層の中に一定の厚みまでエッチングされた不均一なパッチパターンを含み、前記不均一なパターン内の少なくとも２つのパッチの寸法は異なる、請求項１に記載のＭＭＩデバイス。
11. 前記不均一なパターン内の少なくとも２つのパッチは互いに重なり合う、請求項１０に記載のＭＭＩデバイス。
12. 前記不均一なパターン内の少なくとも２つのパッチは、形状又は材料が異なる、請求項１０に記載のＭＭＩデバイス。
13. 前記不均一なパターン内の少なくとも１つのパッチのエッジは、前記ＭＭＩの入力面に対して傾斜する、請求項１０に記載のＭＭＩデバイス。
14. 多モード干渉（ＭＭＩ）デバイスを用いて所定の作業に従って光信号を操作する方法であって、
    前記ＭＭＩデバイス内に不均一な屈折率分布を形成する不均一なパッチパターンを決定することであって、前記所定の作業に従って前記不均一なパッチパターンが前記光信号を操作するようにし、前記不均一なパッチパターンは複数の曲線の交差によって形成される不均一な形状を有するパッチを含み、前記複数の曲線は少なくとも１つのスプラインを含み、前記複数の曲線内の少なくとも２つの曲線は異なる曲率を有することと、
    前記不均一なパッチパターンを有する前記ＭＭＩデバイスを作製することと
    を含み、
    前記パッチにより形成される前記不均一な屈折率分布は、前記曲線を境にして非連続的に屈折率が変化する、
    光信号を操作する方法。
15. 前記２つの曲線は、曲率が零である１つの曲線と、曲率が零でない１つの曲線とを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記作製することは、
    前記パッチの前記曲率が零である曲線又は前記曲率が零でない曲線が前記ＭＭＩデバイスの側壁と一致するように、前記ＭＭＩデバイスのコア層内に前記パッチをエッチングすること
    を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記作製することは、
    前記ＭＭＩデバイスのコア層を堆積することと、
    前記不均一なパッチパターンに従って前記コア層をエッチングして、エッチングの不均一なパターンを形成することと、
    前記エッチングの不均一なパターンを充填するクラッディング層を堆積することと
    を含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記作製することは、
    前記ＭＭＩデバイスの第１のコア層を成長させることと、
    前記第１のコア層上に、前記ＭＭＩデバイスの第１のクラッディング層を成長させることと、
    前記第１のクラッディング層上に、前記ＭＭＩデバイスの第２のコア層を成長させることと、
    前記不均一なパッチパターンに従って前記第２のコア層をエッチングして、エッチングの不均一なパターンを形成することと、
    前記エッチングの不均一なパターンを充填する第２のクラッディング層を成長させることと
    を含む、請求項１４に記載の方法。
19. 前記作製することは、
    前記ＭＭＩデバイスの第１のコア層を成長させることと、
    前記ＭＭＩデバイスのエッチング停止層を成長させることと、
    前記エッチング停止層上に堆積した前記ＭＭＩデバイスの第２のコア層を成長させることと、
    前記不均一なパッチパターンに従って前記第２のコア層をエッチングして、エッチングの不均一なパターンを形成することであって、前記エッチング停止層のエッチング速度は、前記第２のコア層のエッチング速度よりも遅いことと、
    前記エッチングの不均一なパターンを充填するクラッディング層を成長させることと、
    を含む
    請求項１４に記載の方法。

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