JP6666423B2 - 高インデックスコントラストのフォトニックデバイスおよびその応用 - Google Patents

高インデックスコントラストのフォトニックデバイスおよびその応用 Download PDF

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Description

本願発明は、フォトニックデバイスに関し、特に、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）および他の共振構造を含む他のインデックスコントラストのフォトニックデバイス並びに、このデバイスおよび構造の応用に関する。
シリコンベース技術は、長い間、近代のマイクロエレクトロニクスの主要なドライバであった。最初の数十年で初歩的なシリコン電子デバイスが示され、続く進歩は、より小さく、より高速で、かつ、より高集積なコンポーネントおよび回路を生み出した。
最近、情報が電子信号ではなく光を通じて運ばれるところのフォトニック技術が、特に、長距離光ファイバー通信システムの形式で、情報送信の技術として成熟してきた。基本的なフォトニックシステムは、光源（例えば、レーザー）、光信号に情報を加えるためのモジュレータ、ウエーブガイド、および光検知器を含む。しかし、すべてのコンポーネントが単一のチップ内に集積されるシリコンエレクトロニクスとは対照的に、現世代のフォトニックシステムは主に、離散的コンポーネントおよび連続的組立に基づいている。フォトニックデバイスおよび電子コンポーネントの両方を組み合わせた集積回路の発達を含め、成熟したシリコン製造技術の利益をフォトニックデバイスに応用したいという要望が長い間あった。光伝送は、電磁波干渉に関連する問題を起こすことなく、金属導体より非常に高速のデータ通信を達成することができる。したがって、集積フォトニクス／電子回路は、機能的に新しく、回路ボード間、ボード上のチップ間、および、単一チップ上の異なるエレメント間でさえ高速な通信を提供できる。
シリコンフォトニクス技術は、また、スイッチング、フィルタリングなどの光通信システム、および、光チャネルのマルチプレキシングおよびデマルチプレキシングのような波長ベース処理において光処理機能を与えるのにも有用である。フォトニクス回路の応用はまた検知器の技術分野においても見られる。
成熟した製造プロセスの有用性に加え、シリコン自身は、多くの所望の物理的特性を有する。例えば、シリコンは高い熱伝導性および高い光ダメージ閾値を有する。したがって、シリコンはフォトニックデバイス応用の材料として有利な選択である。シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハは比較的低コストで入手可能であり、高品質で、ＣＭＯＳコンパチブルな平面光波回路の効率的かつ低コストの製造を約束する。
同様の考察は、他の確立された技術、および、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などの材料、ＩｎＰおよび他のＩＩＩ−Ｖ半導体のような半導体材料、および、カルコゲニドおよびテルライトガラスのような高屈折率ガラスにも応用可能できる。
広範囲の光学回路応用の重要エレメントは、共振器である。共振器は、波長フィルタリング、分散エンジニアリング、および電場強化などの範囲の応用に使用可能である。
したがって、ＳＯＩ技術において効果的に製造可能な新しい共振器構造の開発に対する絶え間ない要求が存在し、それは、コンパクトで、光学および光電子信号処理、通信、検知、および、他の応用の範囲で採用可能である。本願発明の実施形態は、これらの要求に応える新規な範囲のデバイスを与える。
ひとつの態様において、本願発明は、フォトニック処理モジュールを与え、当該フォトニック処理モジュールは、
高インデックスコントラストのウエーブガイドであって、基板、第１屈折率を有する基板上に配置された第１層と、第１層に高インデックスコントラストを与える第２の屈折率を有する第１層上に配置された比較的薄い第２層を有し、当該デバイスは、長手方向にガイドされたモードをサポートする第２層内に形成された少なくともひとつの細リッジのウエーブガイドエレメントを含む、ところのウエーブガイドと、
第２層のスラブモード内に入力ビームを方向付けるように構成された光学入力ポートであって、ビームは、細リッジのウエーブガイドエレメントの長手方向に対して所定の角度θで伝搬するように方向付けられており、所定の角度θは、第２層のスラブモードと、細リッジウエーブガイドエレメントのガイドされたモードとの間の共振器結合に関連しており、それにより、入力ビームが共振器結合に対応するひとつ以上の光学成分を有するとき、出力ビームが生成される、ところの光学入力ポートと、
出力ビームを受信するように構成された第１光学出力ポートと
を有する。
特定の実施形態において、第２屈折率と第１屈折率との間で、例えば、１５％〜２０％またはそれ以上のインデックスコントラストが、本願発明の利点を達成するのに適している。所望の実施形態において、ウエーブガイドデバイスは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）デバイスであり、ここで第１層は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁層、第２層は、シリコン層（ＳＯＩ層）である。しかし、代替的実施形態において、高インデックスコントラストのウエーブガイドは、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などの他の適当な材料、ＩｎＰおよび他のＩＩＩ−Ｖ半導体のような半導体材料、および、カルコゲニドおよびテルライトガラスのような高屈折率ガラスから形成されてもよい。
本願発明を実施するフォトニクス処理モジュールは、本願発明者らによって発見された高インデックスコントラストの細リッジのウエーブガイドの驚くべき特性を利用する。特に、電気的横波（ＴＥ）光ビームが、強くガイドされた磁気的横波（ＴＭ）モードをサポートする細リッジのウエーブガイドエレメントに入射したとき、ＴＥスラブモードがガイドされたＴＭモードと位相一致するところの入射角度が存在する。したがって、エネルギーは、ＴＥスラブモードから、ＴＭガイドモードへと結合するが、驚くべきことにこのエネルギーは反射したＴＥビームに再結合する。ＴＥビームの反射係数は、入射角度、波長、および、ウエーブガイド構造／ジオメトリを含むパラメートに依存して見いだされる。相互作用は強い共振である。
本明細書において、光学“ポート”または、特定的に“入力ポート”または“出力ポート”との記載は、本願発明を実施する関連処理の構成によって光学ビームが通過するところの良く形成された体積または領域を含むように広義に解釈されるべきである。光学ポートは、ウエーブガイド構造、視準レンズ、および／または、光学ビームに対する特定の入力または出力経路を画定する他の物理的コンポーネントを含んでよい。しかし、光学ポートは、ＳＯＩ（または他の高インデックスコントラスト）デバイスのスラブ領域、または、光学モジュールおよび／またはフォトニック回路またはシステムの他のコンポーネント間を伝搬するときに、光学ビームが通過する自由空間の領域を含んでよい。また、モジュール、回路またはデバイスの特定の構成によって他に制限されなければ、光学フィールドの伝搬は概して、可逆的または双方向である。したがって、“入力”および“出力”ポートの特定の標記は、デバイス、モジュールまたはシステムの特定の応用における光学ビームの伝搬の実際の方向に関連する一般性の喪失を意図せずに、理解を容易にするために与えられる。
本願発明のいくつかの実施形態において、ウエーブガイドデバイスは、複数の、並列結合された細リッジのウエーブガイドエレメントを含む。複数のウエーブガイドエレメントの数および関連する寸法は、ＳＯＩウエーブガイドデバイスの所望の特性のスペクトル応答を達成するように選択可能である。細リッジのウエーブガイドエレメントの適切な設計および製造を通じて、特定のスペクトル応答が、バターワースフィルタ応答、チェビシェフフィルタ応答、または、楕円フィルタ応答などの従来のＲＦフィルタ設計の特性を近似する。
ある態様において、ウエーブガイドはさらに、ウエーブガイドエレメントに隣接しかつ離隔して配置された複数の誘電体負荷エレメントを有し、並列結合された細リッジのウエーブガイドエレメントの数および関連寸法、および、誘電負荷エレメントの数、関連寸法およびウエーブガイドエレメントからの間隔は、高インデックスコントラストのウエーブガイドデバイスの所望の特性スペクトル応答を達成するように選択される。
本願発明を実施するフォトニック処理モジュールは、さらに、透過したビームを受信するように構成された第２の光学出力ポートを有し、それは、共振器結合に対応しないひとつ以上のコンポーネントを有する。この構成において、例えば、“共振状態”の入力ビームの周波数成分は、第１の出力ポートへ反射され、“非共振状態”の周波数成分は第２の出力ポートへ透過される。
本願発明のいくつかの実施形態に従い、ＳＯＩウエーブガイドデバイスは、さらにＳＯＩ層の少なくとも一部の屈折率を摂動することができる屈折率変調手段を有する。屈折率変調手段は、加熱エレメントであってよい。代替的に、屈折率変調手段は、細リッジのウエーブガイドエレメントのトップに適用された、細リッジのウエーブガイドエレメントと異なる屈折率を有する流体であってよい。ある実施形態において、液晶構造が変調手段として使用されてもよい。
さらに他の実施形態において、屈折率変調手段は、電気入力信号に応答して細リッジのウエーブガイドエレメント内の自由キャリア濃度を変更するように構成された電子光モジュレータである。電子光モジュレータは、ＰＩＮダイオードを有してよい。ここで、細リッジのウエーブガイドエレメントは、ＰＩＮダイオードの真性領域（Ｉ）内に形成される。
他の実施形態において、光学入力ポートが入力ビームを方向付けるように構成されるところの角度は、１．０度、２．０度、または類似のオーダーの範囲にわたって適用可能に作成されてよく、それにより、共振器結合の特性波長がチューニング可能となる。
本願発明の実施形態は、多くの異なる応用を採用することができる。例えば、以下のものを含む。
・波長選択光学フィルタ
・波長選択マルチプレクサ／デマルチプレクサコンポーネント
・チューニング可能な光学フィルタ
・センサー
・ビームスプリッタ
・干渉計
・分散補償デバイスを含む分散エンジニアリングデバイス
本願発明の動作原理の詳細、さまざまな応用および構成、並びに、その関連する利点および長所は、以下で説明するさまざまな実施形態の開示から明らかとなる。しかし、これらの実施形態は、例示に過ぎず、特許請求の範囲および上述した説明に記載された発明の範囲を限定するものではない。
本願発明の実施形態は、添付する図面を参照して説明される。ここで、同様の特徴に対して同じ符号が付される。
図１Ａは、本願発明を実施するシリコンベースのフォトニック処理モジュールの断面図である。 図１Ｂは、本願発明を実施するシリコンベースのフォトニック処理モジュールの平面図である。 図２は、ＳＯＩ細リッジのウエーブガイド構造からの横方向のリークを示す。 図３Ａは、本願発明の実施形態に従う入射ビームの透過を示す。 図３Ｂは、本願発明の実施形態に従う入射ビームの反射を示す。 図４は、本願発明の実施形態の、入射角度の関数として、ＴＥ反射率を示すグラフである。 図５は、本願発明の実施形態の、波長の関数として、ＴＥ反射率を示すグラフである。 図６は、複数の並列結合された細リッジのウエーブガイドエレメントを含むシリコンベースのフォトニック処理モジュールの略示図である。 図７は、異なる数のウエーブガイドエレメントに対する、図６に示したモジュールのスペクトル応答を示すグラフである。 図８Ａは、本願発明を実施する単一のウエーブガイドモジュールに対する計算したフィールド強度の例である。 図８Ｂは、本願発明を実施する単一のウエーブガイドモジュールに対する計算したフィールド強度の例である。 図８Ｃは、本願発明を実施する単一のウエーブガイドモジュールに対する計算したフィールド強度の例である。 図９Ａは、本願発明を実施する５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントの断面略示図である。 図９Ｂは、本願発明の他の実施形態に従う３次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントの断面略示図である。 図１０Ａは、バターワースフィルタ特性を近似するように設計された５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントに対する計算したフィールド強度の例を示す。 図１０Ｂは、バターワースフィルタ特性を近似するように設計された５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントに対する計算したフィールド強度の例を示す。 図１０Ｃは、バターワースフィルタ特性を近似するように設計された５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントに対する計算したフィールド強度の例を示す。 図１１Ａは、図１０に示すレフレクタに対応する反射スペクトルを例示するグラフを示す。 図１１Ｂは、図９Ｂに示す実施形態を含むレフレクタに対応する反射スペクトルを例示するグラフを示す。 図１１Ｃは、図９Ｃに示す実施形態への光ビームの入射角度を変更したチューニング効果を示すグラフである。 図１２Ａは、チェビシェフフィルタ特性を近似するように設計された５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントに対する計算したフィールド強度の例である。 図１２Ｂは、チェビシェフフィルタ特性を近似するように設計された５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントに対する計算したフィールド強度の例である。 図１２Ｃは、チェビシェフフィルタ特性を近似するように設計された５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントに対する計算したフィールド強度の例である。 図１３は、図１２に示すレフレクタに対応する反射スペクトルの例を示すグラフである。 図１４は、本願発明を実施するフォトニック処理モジュールに基づく波長マルチプレキシング／デマルチプレキシングデバイスの略示図である。 図１５Ａは、本願発明を実施するフォトニック処理モジュールに基づく干渉計装置の略示図である。 図１５Ｂは、本願発明を実施するフォトニック処理モジュールに基づく干渉計装置の略示図である。 図１５Ｃは、本願発明を実施するフォトニック処理モジュールに基づく干渉計装置の略示図である。 図１６は、本願発明を実施するフォトニック処理モジュールに基づく分散補償デバイスの例の略示図である。
図１Ａは、本願発明を実施するシリコンベースのフォトニック処理モジュール１００の略示断面図であり、図１Ｂはそれの平面図である。モジュールは、シリコン基板のような基板１０２を有するシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエーブガイドデバイスを有する。二酸化シリコン層のような絶縁層１０４が、基板１０２上に配置される。最後に、比較的薄いシリコン層１０６（ＳＯＩ層）が絶縁層１０４上に配置される。細リッジのウエーブガイドエレメント１０８がＳＯＩ層に形成される。細リッジのウエーブガイドエレメント１０８は、エッチングまたは電子ビームリソグラフィーのような従来のシリコン処理工程を使って形成されてよい。
シリコンリッジの１０８の高さは、数十ナノメートルのオーダーであり、例えば、１０ｎｍのオーダー、または、約１０ｎｍと約１２０ｎｍの間のいずれかであってよい。細リッジのウエーブガイドエレメント１０８は、図１Ｂにおいて左から右へ、または、右から左の長手方向に伝搬する磁気的横波（ＴＭ）ガイドモードをサポートする。
細リッジのウエーブガイド１０８によってガイドされるＴＭモードに加え、薄いシリコン膜層１０６はまたスラブモードをサポートし、それは、電気的横波（ＴＥ）偏向で方向付けられ、垂直方向に集約され、リッジ１０８の領域の外側横方向に放射する。
ウエーブガイド１０８のような細リッジのウエーブガイドに対して、ガイドされたＴＭモードの有効インデックスは、ＴＥスラブモードのものより低い。その結果、ガイドされたＴＭモードは、ガイドされたＴＭモードに対して有意な角度で伝搬している放射ＴＥスラブモードに長手方向で位相一致する。これは、図２の略示図２００によって示される。ガイドされたＴＭモード２０２は、ウエーブガイド１０８に沿って長手方向に伝搬する。細リッジにおいてインデックスされた不連続性は、ガイドされたＴＭモードのパワーを、位相一致したＴＥスラブモードに結合させる。結果として、ガイドされたＴＭモードは、ＴＥスラブモードに対して連続的にパワーを損失し（例えば、２０４、２０６）、それは、ガイドされたＴＭモードの伝搬方向へ角度θで伝搬する。角度θは、以下のように表現される。

ここで、Ｎｅｆｆ ＴＭは、ガイドされたＴＭモードの有効インデックスであり、Ｎｓｌａｂ ＴＥは放射するＴＥスラブモードの有効インデックスである。
典型的な細リッジのウエーブガイド寸法に対して、放射するＴＥスラブモードの伝搬角度は、約５０度である。
単純な直線細リッジ型ＳＯＩウエーブガイドからの横方向のリークは、実験的に観測され、Websterらによる、‘Width-dependence of inherent TM mode lateral leakage loss in silicon on insulator ridge waveguides,’ IEEE Photonics Technology Letters, Volume 19, No. 6, pages 429-431, 15 March 2007に記載されている。この現象の解析は、Nguyen らによる, ‘Rigorous modelling of lateral leakage loss in SOI thin-ridge waveguides and couplers,’ IEEE Photonics Technology Letters, Volume 21, No. 7, pages 486-488, 1 April 2009に記載されている。
本願発明の実施形態および応用は、本願発明者らの新規かつ予想しなかった発見に基づいている。細リッジのウエーブガイド１０８へ角度θで入力ポート１１０を通じて適用される入射ＴＥビームが、入射ＴＥモードからウエーブガイド１０８のガイドされたＴＭモードへ徐々にパワーを結合させることは予想できたが、本願発明者らは、驚くべき共振性質を同定した。特に、適切に決定した角度θ、および、入射光ビームの対応する波長（または同等の周波数）に対して、実際に入射ビームは、対応して配置された出力ポート１１２の方向にウエーブガイド１０８から反射される。これらの共振条件が満足されなければ、入射ビームはスラブモードを介して、対応して配置された第２の光学出力ポート１１４へ透過する。
これらの処理はさらに図３に示されている。本願発明の実施形態に従い、図３Ａは、入射ビームの透過を略示したものであり、図３Ｂは、入射ビームの反射を略示したものである。ここに図示した現象は、以下で詳細に説明される。
ＴＥ波１１０は、ガイドされたＴＭモードのＴＥ放射角度に等しい角度θで、左側（図３における）からウエーブガイド１０８に入射されるとき、ＴＥ波のエネルギーの一部は、ガイドモードに結合する。ＴＥ波の残りは、右側へウエーブガイド領域を通過する。同時に、ウエーブガイド１０８内でガイドされたＴＭモードはウエーブガイドの両側でＴＥ波のリークを生成する。ガイドされたＴＭモードからリークする生成されたＴＥ波と、ウエーブガイドを通じて透過するＴＥ波との間の位相差は、ウエーブガイド１０８の右側のＴＥ波が破壊的に干渉する結果、ウエーブガイドの右側に現れるＴＥ場を生じさせないものである。逆に、ウエーブガイド１０８の左手側では建設的な干渉が生じ、それにより、反射ビーム１１２が生成される。したがって、ＴＥスラブ波１１０用の共振器として横リークウエーブガイド１０８が採用されてよい。
本願発明を実施する構造の厳格な数値モデリングは、とても異常な性質を示した。典型的に、強い共振は、より長い経路長（リング共振器のような）または非常に強いインデックスコントラスト（フォトニック結晶内のホールのような）を要求する。しかし、本願発明の新規な共振器構造は、非常にコンパクト（ウエーブガイドの幅は、１μｍまたはそれ以下のオーダーであってよい）でありながら非常に強い共振を達成している。これにより、本願発明を実施するモジュールの高レベルの集積が可能となり、例えば、複数の共振器構造が、単一のチップ上で洗練されたスーパーストラクチャーで製造可能となる。
図４および５は、それぞれ入射角度および波長の関数として、ＴＥ反射率を例示する。グラフ４００は、横軸４０２が入射角度を示し、縦軸４０４がＴＥ反射率を示す。グラフ４００の４つの曲線は、ウエーブガイド１０８に対する４つの異なる幅に対応する。これらの幅は１．４０μｍ（４０６）、０．９μｍ（４０８）、０．８μｍ（４１０）、および、０．７μｍ（４１２）である。図からわかるように、共振に必要な入射角度には小さい変動が存在し、それはウエーブガイド幅に依存している。また、より狭い幅のウエーブガイドは、より鋭い共振を示している。
図５のグラフ５００は、横軸５０２が波長を示し、縦軸５０４がＴＥ反射率を示す。再び、４つの異なるウエーブガイド幅が、１．０４μｍ（５０６）、０．９μｍ（５０８）、０．８μｍ（５１０）、および、０．７μｍ（５１２）として示されている。
図４および５は、単一のウエーブガイドが本願発明を実施するモジュール内で採用され、波長選択フィルタまたは、この場合ウエーブガイドの幅によって定義されるＱファクタを有する共振器を提供することを明確に示している。概して、高さおよび組成物のようなウエーブガイドの他のパラメータもまたＱファクタに影響を与える。
本願発明の他の実施形態に従い、ＳＯＩウエーブガイドデバイスは、複数の結合された、細リッジのウエーブガイドエレメントを有する。最も単純な構成において、ウエーブガイドエレメントは、図６に示す構成６００に略示されるように並列に整列している。この構成において、ウエーブガイド６０２のアレイが与えられ、ここで、デバイス６００の全体的特性（例えば、反射および透過スペクトル）を制御するべく、多くの物理的なパラメータが使用可能である。制御可能なパラメータは、各ウエーブガイドの幅、ウエーブガイドの間隔、および、各ウエーブガイドの高さを含んでよい。好適には、すべてのウエーブガイドを通じてＴＥモードとＴＭモードとの間の結合を最大化するべく、すべてのウエーブガイドによってサポートされるＴＭモードの有効インデックスは、同じ角度θに対して同一である。したがって、異なる幅のウエーブガイドが使用される場合、有効インデックスと一致させるひとつのメカニズムは、ウエーブガイドの高さを調節することである。しかし実際には、さまざまな高さを有するデバイスを製造することは、従来の周知なシリコン製造プロセスを使っては困難である。したがって、有効インデックスと一致させるための他の技術、例えば、材料の屈折率を変化させるべくウエーブガイドの選択ドープ、ウエーブガイドの頂部への付加的層の適用、誘電負荷エレメントの付加、ウエーブガイド内へのディンプルまたは他の構造の組み込み等が採用されてよい。
図７は、図６に示すような、並列結合された、細リッジのウエーブガイドエレメントを採用するモジュールのスペクトル応答を示すグラフ７００である。横軸７０２は、波長を示し、縦軸７０４は入力ビーム１１０と出力ビーム１１２との間のＴＥモード反射率を示す。３つの異なる構造、すなわち、間隔がひとつ７０６、間隔が５つ７０８、および、間隔が１０個７１０のそれぞれについて結果が示されている。注目すべきは、細リッジのウエーブガイドエレメントの数が増加すると、パスバンドのフラッタリングが生じるが、ストップバンド内のスペクトルリップルは信号ウエーブガイド応答によって包囲されたまま残る点である。
同様の性質は、マイクロ波エンジニアリングの技術分野において採用される共振器結合アレイフィルタにおいても観測される。このようなフィルタを合成するための技術は周知であり、同様の技術は、結合リング共振器光学ウエーブガイドの合成に採用されてきた（Yarivらによる, ‘Coupled Resonator Optical Waveguide: A proposal and analysis,’ Optics Letters, Volume 24, page 711 (1999)参照）。フィルタ合成において、各共振器のサイズが動作ウエーブガイドより小さいことが好ましく、それは、マイクロ波ドメインでは容易に達成されるが、光学ドメインでは実際的ではない。しかし、図５のグラフ５００に示す結果は、例えば、１．５５μｍの波長で動作するフィルタは、幅が１μｍ以下の細リッジのウエーブガイドを使って本願発明の原理に従って製造可能であることを示している。したがって、本願発明を採用するモジュールは、マイクロ波エンジニアリングの技術分野で導入される技術を使って合成されてもよい。
したがって、例えば、バターワース、チェビシェフ、または、楕円フィルタのような通常のマイクロ波フィルタタイプを近似するスペクトル応答を有するフィルタが、マイクロ波技術分野で使用するように開発されたフィルタ設計テーブルの使用に基づいて合成されてもよい。したがって、設計者は、フィルタのオーダー、所望のパスおよび／またはストップバンドリップル（フィルタタイプに応じて）を選択し、その後、各共振器の要求されるＱファクタを決定するべく、対応するフィルタ設計テーブルを探すことができる。所与のスラブ厚さに対して、意図した動作ウエーブガイドにおける要求される有効インデックスが、要求される入射角度（式（１）および図４、５を参照）と関連して決定される。各ウエーブガイドのパラメータ（例えば、幅、高さ、または他の制御可能な物理的パラメータ）が、その後、正しいＱファクタを与えるべく決定され、同時に、要求される有効インデックス値が達成される。
この設計アプローチの有用性が、図８から１３を参照して説明される。図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、単一のウエーブガイド共振器を採用するモジュールに対して計算したフィールド強度の例を示す。フィールド強度プロット８００は、１０ｎｍのバンド幅、１５５０ｎｍの波長（ウエーブガイド共振器に対応する）および２００μｍの半値幅（ＦＷＨＭ）のガウス分布を有する入射ビーム８０２に対応している。図示されるように、この共振ビームのエネルギーの大部分は、反射されかつ出力ビーム８０４として伝搬する。
計算したフィールド強度８０６は、同様のビームに対応するが、１５５５ｎｍの中央波長を有しており、したがって、ウエーブガイド共振器のバンドエッジと対応している。入力ビーム８０８は部分的に反射し（８１０）、部分的に透過する（８１２）。すなわち、ウエーブガイド共振器はビームスプリッタとして機能する。
計算したフィールド強度８１４は、１５６０ｎｍの中央波長を有する入力ビーム８１６と対応し、したがってそれはウエーブガイドと非共振状態である。ビーム内の光の大部分は、透過し（８２０）、残りのわずかが反射する（８１８）。
図９Ａは、本願発明を採用する５次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメントの断面略示図である。レフレクタエレメント９００の５つのウエーブガイド９０２の間隔、幅、および、高さは、上述した合成方法に従って決定される。第１の例に従い、５次のオーダーのバターワースフィルタが設計され、その寸法は、ｗ１＝５１１．５ｎｍ、ｈ１＝２２４．５ｎｍ、ｓ１＝２．２９８μｍ、ｗ２＝３９５ｎｍ、ｈ２＝２２９．５ｎｍ、ｓ２＝２．３７７μｍ、ｗ３＝３６５．６．５ｎｍ、ｈ３＝２３２ｎｍ、スラブ厚さは２００ｎｍ、および、基板の厚さは１．５μｍのように決定された。基板の厚さは、重要ではないが、基板リークが大きくないことを補償するために、少なくとも１．５μｍを与えられる。
上述したように、ウエーブガイドの高さを変化させる代替案は、ウエーブガイドレフレクタエレメント内に誘電負荷構造を導入することを含む。このアプローチの例は、図９Ｂに示されており、それは、本願発明を実施する３次のオーダーの細リッジのウエーブガイドレフレクタエレメント９１０の断面略示図を示す。３つのウエーブガイド９１２ａ、９１２ｂ、９１２ｃは、同じ高さ（ｈ＝２２０ｎｍ）を有し、スラブ厚さは１５０ｎｍであり、基板厚さは１．５μｍである。２つの外側のウエーブガイドの幅は、ｗ１＝６６２ｎｍであり、中央のウエーブガイド幅はｗ２＝５７８ｎｍである。ポリシリコン誘電負荷ストリップのペア９１４ａ、９１４ｂ、９１４ｃが、ＳｉＯ２層９１６内で、各ウエーブガイドの外側に配置されている。負荷ストリップの断面寸法は、ｈｌ＝１６０ｎｍ、ｗｌ＝２００ｎｍである。実施形態９００で採用されたウエーブガイドの高さ変更の代替案は、ウエーブガイド９１２ａ、９１２ｂ、９１２ｃと負荷ストリップ９１４ａ、９１４ｂ、９１４ｃとの間の間隔を選択することによって達成される。図示した実施形態９１０において、外側ウエーブガイドからの間隔はｏ１＝２５４ｎｍであり、一方、中央ウエーブガイドからの間隔はｏ２＝１４３ｎｍである。隣接するウエーブガイドに関連する負荷ストリップ間の分離は、ｓ＝１４０４ｎｍである。
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃは、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃにも示すシナリオに対応する５次のオーダーのバターワースフィルタ９００に対する計算したフィールド強度の例を示す。計算したフィールド強度１０００は、中央波長が１５５０ｎｍの入力ビーム１００２を示し、ウエーブガイドアレイから反射して、出力ビーム１００４を生成する。計算したフィールド強度１００６は中央波長が１５５５ｎｍである入力ビーム１００８を示し、反射ビーム１０１０および透過ビーム１０１２に分割される。計算したフィールド強度１０１４は、中央波長が１５６０ｎｍである入力ビーム１０１６を示し、実質的に出力ビーム１０２０に透過され、わずかな残りが反射（１０１８）する。
図１１Ａは、５次のオーダーのバターワースフィルタ設計９００に対応する反射スペクトルを例示するグラフ１１００を示す。横軸１１０２は波長を示し、縦軸１１０４は反射係数（ｄＢで表す）を示す。３つの曲線、すなわち、理想的なバターワースフィルタ応答１１０６、平面波入力フィールドに対して計算した応答１１０８、および、ガウス分布を有するビームを含む入力フィールドに対して計算した応答１１１０が示されている。グラフ１１００に示す結果は、５次のオーダーのバターワースフィルタ応答を近似するためのフィルタ合成技術の有効性が確かであることを示す。図からわかるように、構造体のスペクトル性質はビームのプロファイルによって影響される。代替的な実施形態において、スペクトル応答は、さまざまな方法、例えば、長さに沿ってウエーブガイドの共振強度を調節することによって、または、ビームのプロファイルを調節することによって制御可能である（例えば、シンクプロファイルビームが、矩形スペクトル応答を近似するために採用されてよい）。同様に、ウエーブガイド応答特性の変調を生じさせる構造は、スペクトル応答を制御するべく設計されてよい。例えば、ウエーブガイドのＱに対するシンク関数変調は、矩形応答を近似するための代替手段として採用されてもよい。
図１１Ｂは、３次のオーダーの誘電負荷バターワースフィルタ設計９１０に対応する反射スペクトルを例示するグラフ１１２０を示す。横軸１１２２は波長を示し、縦軸１１２４は反射係数（ｄＢで表す）を示す。応答１１２６は、４１．７９度の入射ビーム角度に対するシミュレーション結果である。これは、異なるウエーブガイド高さを採用する代替案として、誘電負荷が有効であることを示している。
図１１Ｃは、３次のオーダーの誘電負荷バターワースフィルタ設計９１０に対するビーム光の入射角度を変更するチューニング効果を表すグラフ１１３０を示す。横軸１１３２は波長を示し、縦軸１１３４は反射係数（ｄＢで表す）を示す。例えば、応答１１２６は４１．７９度の入射設計角度を示す。わずかな回転が微細チューニングメカニズムとして採用されてよい。例えば、＋０．５度（４２．２９度まで）の回転は、応答１１３６を生じさせ、そこでパスバンド波長は約２５ｎｍだけ上方にシフトされた。同様に、−０．５度（４１．２９度まで）の回転は、応答１１３８を生じさせ、パスバンド波長は下方に約２０ｎｍだけシフトされた。さらなる回転、例えば、＋１．０度または−１．０度だけの回転は、対応する応答１１４０、１１４２に示すように、さらなる波長シフトを生じさせる。波長シフトとともに、パスバンドおよびストップバンド特性の変化もまた観測され、この設計９１０に対して、要求されたフィルタパラメータおよびパフォーマンスに応じて、制限された角度チューニング範囲が有用であることが示された。
同様の技術が１０ｎｍのバンド幅および０．５ｄＢのストップバンドリップルを有する５次のオーダーのチェビシェフフィルタを合成するために採用された。再び図９を参照して、合成フィルタ用のパラメータは、ｗ１＝３８６．５ｎｍ、ｈ１＝２３０ｎｍ、ｓ１＝２．３４１μｍ、ｗ２＝４３５．５ｎｍ、ｈ２＝２２７．５ｎｍ、ｓ２＝２．３９０μｍ、ｗ３＝２９６ｎｍ、ｈ３＝２３６．５ｎｍ、スラブ厚は２００ｎｍ、および基板の厚さは１．５μｍである。
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃは、合成された５次のオーダーのチェビシェフフィルタに対応する計算したフィールド強度を示す。計算したフィールド強度１２００は、中央波長が１５５０ｎｍである入力ビーム１２０２が実質的に反射され、出力ビーム１２０４を生成することを示す。フィールド強度１２０６は、中央波長が１５５５ｎｍである入力ビーム１２０８が部分的に透過（１２１２）し、ウエーブガイドアレイによって部分的に反射（１２１０）することを示す。フィールド強度１２１４は、中央波長が１５６０ｎｍの入力ビームが実質的にウエーブガイドアレイによって透過（１２２０）され、わずかな残りが反射ビーム（１２１８）となることを示している。
図１３は、合成された５次のオーダーのチェビシェフフィルタに対する対応する反射スペクトルを示すグラフ１３００である。横軸１３０２は波長を示し、縦軸１３０４は反射係（ｄＢで表す）を示す。グラフ１３００は、３つの曲線、すなわち、理想的なフィルタ応答１３０６、平面波入力に対して計算した応答１３０８、および、ガウス分布を有する入力ビームに対して計算した応答１３１０を示す。再び、この結果は、所望の５次のオーダーのチェビシェフフィルタ応答を近似するウエーブガイドアレイを生成するためのフィルタ合成技術の有効性を示している。
本願発明を使用するモジュールおよびウエーブガイドデバイスは、光学信号処理、データ通信、検知等において多くの応用を有する。これらの多くの潜在的な応用が、例示して説明される。これは、すべての可能な応用の排他的リストであることを意図せず、本願発明を使用するデバイスおよびモジュールの他の使用は当業者にとって明らかである。
本願発明を採用する単一モジュールは、波長選択光学フィルタで採用されてもよい。波長／周波数の範囲を有する入力ＴＥビームは、単一のウエーブガイド共振器によって、または、上述したように、ウエーブガイド共振器のアレイによって選択的にフィルタリングされてよい。チューニング可能なフィルタは、グレーティング構造の反射係数を摂動させるためのメカニズムを与えることにより実行されてよい。例えば、加熱エレメントが、熱光効果を通じて、反射係数特性を変化させるべく採用されて良い。代替的に、スペクトル応答をチューニングするべく、シリコン層と異なる反射係数を有する流体がグレーティングの頂上に適用されてもよい。静電効果が、グレーティングの領域に流体を制御可能に適用または除去するべく使用されてもよい。周知のように、シリコンの反射係数は、自由キャリア濃度が電気的入力信号に応答して変更される設計によって達成される。例えば、ウエーブガイドは、ダイオードの真性領域（Ｉ）内部に形成されたウエーブガイドエレメントを有するＰＩＮダイオード構造内に組み込まれてよい。電気入力信号、すなわち、電圧のダイオード端子への印加は、ウエーブガイド領域内に自由キャリア濃度の変化を生じさせる。
他の応用において、本願発明を実施するウエーブガイド共振器を有するモジュールは、偏光フィルタまたはスプリッタとして使用されても良い。ＴＭおよびＴＥ偏光の両方からなる入力フィールドに対して、ウエーブガイド構造は、ＴＥビームを強く反射し、ＴＭビームを透過させる。それにより、モジュールの第１および第２出力の間で２つの偏光状態が分離される。逆方向に動作されると、モジュールは偏光結合器として作用する。
本願発明を実施するモジュールの他の応用は、センサーデバイスである。このデバイスは、ウエーブガイドアレイのパスバンドとストップバンドとの間に到達可能な急勾配のスペクトルスロープを使用してよい。この遷移領域の波長はガイドされたＴＭモードの反射係数によって影響される。このＴＭモードは、強い一過性のフィールドを有し、したがってその有効インデックスは外部環境に強く依存する。結果として、遷移波長はウエーブガイド上に配置された材料の小さい変化によって強く影響される。フィルタ遷移（例えば、ストップバンドのちょうど内部、または、パスバンドのちょうど内部）に対応する波長を有する入力光ビームが使用された場合、モジュールの第１および／または第２出力における出力信号は、ガイドされたＴＭモードの有効インデックスに従って生成または抑制され、したがってそれは、周囲環境において小さい変化を検知するのに使用可能である。
本願発明を使用するモジュールの他の応用は、波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムに対する追加／ドロップフィルタである。図１４は、この構造１４００の略示図である。複数の波長チャネルを有する入力ビーム１４０２が、本願発明を実施するウエーブガイドアレイデバイスのカスケードに入射される。第１アレイ１４０４は第１波長１４０６を反射し、他の波長１４０８を透過するように設計されている。続いて、第２ウエーブガイドアレイ１４１０は、第２波長１４１２を反射し、残りの波長１４１４を透過する。第３のアレイ１４１６は第３波長１４２０を反射する。構成１４００もまた逆に動作可能であり、波長マルチプレキシングおよびデマルチプレキシングに使用可能である。グレーティング構造１４０４、１４１０、１４１６のカスケードは、付加的波長をマルチプレクスまたはデマルチプレクスするべく、連続配置されてよい。
本願発明を実施するモジュールは、ビームスプリッタとして使用されてもよい。例えば、ウエーブガイドエレメントの設計エンジニアリングにより、グレーティングカプラーが実装され、それにより、多くの入力ＴＥフィールドが反射され、残りのフィールドエネルギーがグレーティングを通じて透過する。これは、図８、１０および１２に示すバンドエッジフィールド強度計算で示したシナリオに類似する。
ビームスプリッタおよびレフレクタを実装するよう本願発明を実施するモジュールの能力に鑑みれば、さまざまなタイプの干渉計を実装する構造を製造することも可能である。図１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、その３つの例を示したものである。例えば、対称マッハ・ツェンダー干渉計１５００は、レフレクタ１５０６、１５０８に向かう２つの経路の間で入力ビームを分割するビームスプリッタ１５０４に入射する入力１５０２を有するように設計される。反射されたビームは、さらにビームスプリッタ１５１０に入射され、２つの干渉計出力１５１２、１５１４が生じる。
入力ビーム１５２２を有する非対称マッハ・ツェンダー干渉計１５２０は、異なる構成で対応するコンポーネントを採用する。第１ビームスプリッタ１５２４は、入力ビーム１５２２を２つの経路に分割し、そのひとつは、２つの反射アレイ１５２６、１５２８を介して、第２ビームスプリッタ１５３０へ伝搬する。ビームスプリッタ１５２４からの第２出力は、より短い経路を介して、第２ビームスプリッタ１５３０へ直接的に伝搬する。干渉計１５２０は、出力１５３２、１５３４を生じさせる。
最後に、図１５Ｃは、サニャックループ干渉計１５４０を示す。入力ビーム１５４２はビームスプリッタ１５２４に入射される。ビームスプリッタ１５２４からの出力は、３つのレフレクタ１５２６、１５２８、１５３０を含むループの回りで両方向に伝搬する。対向伝搬ビームはスプリッタ１５２４で再結合され、２つの干渉計出力１５５２、１５５４が生成される。
理解されるように、他の干渉計構造もまた実行可能である。さらに、その構造は、フィルタ、センサーおよびスイッチのようなコンポーネントおよびデバイスを実装するべく採用されてよい。
図１６は、分散補償器１６００を実行するべく本願発明を実施するモジュールの応用を示す。入力ビーム１６０２は、分散による遅延差を経験した多くの成分を有する。３つの波長選択レフレクタ１６０４、１６０６、１６０８がＷＤＭマルチプレクサ構成１４００と同様の方法で構成されている。したがって、ビーム１６１０、１６１２、１６１４で示すように、各々のスペクトル成分は反射する前に異なる距離を移動する。レフレクタ１６１６、１６１８、１６２０のさらなるカスケードは、各成分を単一の出力ビーム１６２２へ再結合する。異なる波長経路間の遅延差は、入力ビーム１６０２内に存在する分散の補償を生じさせる。
さらに、図１６に示すタイプの構造は、任意の所望の分散プロファイルを与えるように設計可能である。分散プロファイルは、ウエーブガイドエレメントの屈折率を摂動するためにすでに説明した技術を使ってチューニングまたは再構成されてよい。
上述したように、本願発明を実施するモジュールの上記応用は、排他的なものではない。他の潜在的な応用は、一次元および二次元フォトニック結晶デバイスの製造を含む。例えば、生成されるモジュールがフォトニック結晶と類似して振る舞うように、同一のウエーブガイドが、周期的構造で配置されてもよい。例えば、ひとつ以上のウエーブガイドを除去することによって、このアレイに欠陥が導入されてもよい。それによって、ＴＥ偏光に対するフォトニック結晶ウエーブガイドが作成される。一次元のアレイではなく、２次元で細リッジのウエーブガイドを形成することも可能である。この構造は、二次元フォトニック結晶を形成するのに使用可能である。これらは、従来のディープエッチングフォトニック結晶の機能を実行することができるが、製造がより単純でかつ、強化ＴＭモードと強く相互作用する。
さらに、本願発明を実施する構造の他の潜在的な応用において、ＴＥからＴＭ偏光への変換が実行されてよい。例えば、グレーティングの長さを制限することによって、入力ビーム内のエネルギーは、並列細リッジのウエーブガイドのアレイ内でガイドされたＴＭモードへ実質的に変換されてよい。制限された長さは、ＴＭモードがＴＥスラブモードへ逆変換されるのを防止し、出力ＴＭ偏光ビームが生成される。この構造は、ＴＭビームをＴＥビームへ変換するべく、逆に動作可能である。グレーティング構造は、楕円形状のような異なる形状を有するように実装されてよく、偏光状態間の変換を最大化するべくアポダイズされてよい。
本願発明のさまざまな実施形態、構造および応用が説明されてきたが、これらは、本願発明の原理および動作を例示するものであり、すべての可能な実施形態および／または応用の排他的な議論を意図したものではない。したがって、本願発明の態様は、開示された実施形態に限定されず、特許請求の範囲によって画定されるべきである。
Websterらによる、‘Width-dependence of inherent TM mode lateral leakage loss in silicon on insulator ridge waveguides,’ IEEE Photonics Technology Letters, Volume 19, No. 6, pages 429-431, 15 March 2007 Nguyenらによる, ‘Rigorous modelling of lateral leakage loss in SOI thin-ridge waveguides and couplers,’ IEEE Photonics Technology Letters, Volume 21, No. 7, pages 486-488, 1 April 2009 Yarivらによる, ‘Coupled Resonator Optical Waveguide: A proposal and analysis,’ Optics Letters, Volume 24, page 711 (1999)

Claims (25)

  1. 高インデックスコントラストのウエーブガイドデバイスであって、基板、前記基板上に配置された第１の屈折率を有する第１層と、前記第１層上に配置された前記第１層に高インデックスコントラストを与える第２屈折率を有する比較的薄い第２層を有し、前記デバイスは、長手方向にガイドモードをサポートする前記第２層に形成された少なくともひとつの細リッジのウエーブガイドエレメントを含む、ところのウエーブガイドデバイスと、
    入力ビームを前記第２層のスラブモードに方向付けるように構成された光学入力ポートであって、前記ビームは前記細リッジのウエーブガイドエレメントの前記長手方向に対して、所定の角度θで伝搬するように方向付けられており、前記所定の角度θは、前記第２層の前記スラブモードと前記細リッジのウエーブガイドエレメントの前記ガイドモードとの間の共振器結合と関連しており、前記入力ビームが前記共振器結合に対応するひとつ以上の光学成分を有するとき出力ビームが生成される、ところの光学入力ポートと、
    前記出力ビームを受信するように構成された第１光学出力ポートと
    を備えるフォトニック処理モジュール。
  2. 前記フォトニック処理モジュールはシリコンベースのフォトニック処理モジュールであり、
    前記第１層は絶縁層を有し、
    前記第２層はシリコン層（ＳＯＩ層）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック処理モジュール。
  3. 前記細リッジのウエーブガイドエレメントの前記ガイドモードは磁気的横波（ＴＭ）モードであり、前記スラブモードは電気的横波（ＴＥ）モードである、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック処理モジュール。
  4. 前記出力ビームは、反射ビームであり、前記細リッジのウエーブガイドエレメントの前記長手方向に対する反射角は、前記所定の角度θと同一である、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック処理モジュール。
  5. 前記所定の角度θは、以下の式により定義され、

    ここで、Ｎｅｆｆ ＴＭは、ガイドされたＴＭモードの有効インデックスであり、Ｎｓｌａｂ ＴＥはＴＥスラブモードの有効インデックスである、ことを特徴とする請求項４に記載のフォトニック処理モジュール。
  6. 前記ウエーブガイドデバイスは、複数の並列結合された細リッジのウエーブガイドエレメントを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック処理モジュール。
  7. 前記並列結合された前記細リッジのウエーブガイドエレメントの数および関連寸法は、前記高インデックスコントラストのウエーブガイドデバイスの所望の特性スペクトル応答を達成するように選択される、ことを特徴とする請求項６に記載のフォトニック処理モジュール。
  8. 前記ウエーブガイドデバイスは、前記ウエーブガイドエレメントに隣接し、かつ、離隔されて配置された複数の誘電負荷エレメントをさらに有し、前記並列結合された前記細リッジのウエーブガイドエレメントの数および関連寸法、および、前記誘電負荷エレメントの数、関連寸法、および前記ウエーブガイドエレメントからの間隔は、前記高インデックスコントラストのウエーブガイドデバイスの所望の特性スペクトル応答を達成するよう選択される、ことを特徴とする請求項６に記載のフォトニック処理モジュール。
  9. 前記特性スペクトル応答は、バターワースフィルタ、チェビシェフフィルタ、または楕円フィルタを近似する、ことを特徴とする請求項７に記載のフォトニック処理モジュール。
  10. 前記特性スペクトル応答は、バターワースフィルタ、チェビシェフフィルタ、または楕円フィルタを近似する、ことを特徴とする請求項８に記載のフォトニック処理モジュール。
  11. 前記共振器結合に対応しないひとつ以上の成分を有する透過ビームを受信するように構成された第２光学出力ポートをさらに備える、請求項４に記載のフォトニック処理モジュール。
  12. 前記高インデックスコントラストのウエーブガイドデバイスは、前記第２層の少なくとも一部の屈折率を摂動できるように適応された屈折率変調手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック処理モジュール。
  13. 前記屈折率変調手段は加熱エレメントである、ことを特徴とする請求項１２に記載のフォトニック処理モジュール。
  14. 前記屈折率変調手段は流体である、ことを特徴とする請求項１２に記載のフォトニック処理モジュール。
  15. 前記第２層は半導体材料からなり、前記屈折率変調手段は電気入力信号に応答して前記細リッジのウエーブガイドエレメント内の自由キャリア濃度を変更するように構成された電気光学モジュレータである、ことを特徴とする請求項１２に記載のフォトニック処理モジュール。
  16. 前記電気光学モジュレータはＰＩＮダイオードからなり、前記細リッジのウエーブガイドエレメントは、前記ダイオードの真性領域（Ｉ）内部に形成される、ことを特徴とする請求項１５に記載のフォトニック処理モジュール。
  17. 前記光学入力ポートが前記入力ビームを方向付けるように構成される角度は、範囲にわたって適応可能であり、それにより前記共振器結合の特性波長がチューニング可能となる、ことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック処理モジュール。
  18. 請求項１に記載のフォトニック処理モジュールを有する波長選択光学フィルタ。
  19. 請求項１１に記載のフォトニック処理モジュールをひとつ以上備える波長選択マルチプレクサ／デマルチプレクサ。
  20. 請求項１２に記載のフォトニック処理モジュールを備えるチューニング可能な光学フィルタ。
  21. 請求項１に記載のフォトニック処理モジュールを備える偏光ビームスプリッタ。
  22. 請求項１に記載のフォトニック処理モジュールを備えるセンサー。
  23. 請求項１１に記載のフォトニック処理モジュールを備えるビームスプリッタ。
  24. 請求項１に記載のフォトニック処理モジュールを複数備える干渉計。
  25. 請求項１に記載のフォトニック処理モジュールを複数備える分散エンジニアリングデバイス。
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