JP6964778B2 - 光ビームの光モードを変換するフォトニックデバイス - Google Patents

光ビームの光モードを変換するフォトニックデバイス Download PDF

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Description

本発明は、包括的には小型フォトニックデバイスに関し、より詳細には広帯域モード変換器に関する。
オンチップモード多重分割(MDM)は、何十年にもわたり多くの研究がなされてきており、伝送容量を拡大するために1つの共有マルチモードバス導波路で複数のチャネルを伝送する。マルチプレクサー/デマルチプレクサー(MUX/DEMUX)、モード次数フィルター及びモード次数変換器を含む、多くのMDMデバイスが開発されている。モード次数変換器は、処理の前に最初に高次モードを横電界基本モード(TE)に変換するために使用され、高次モード変換プロセスは、オンチップMDMの1つの主な課題である。したがって、小型サイズで高次モード変換器を具現化することが望まれる。
本開示の幾つかの実施形態は、超小型(〜4μm長)SOIモード次数変換器のファミリーに基づく小型フォトニックデバイスは、機械学習支援最適化法を使用することにより設計最適化に従って得ることができる、という認識に基づく。TEモードビーム、TEモードビーム及びTEモードビームは、100nm帯域幅にわたり約85%の効率で相互に変換することができる。原則的に、最適化技法を用いて、任意のモード次数変換器を設計することができる。さらに、トポロジー最適化モード次数変換器は、小型フットプリントで高次モードのための代替機能(交差及び屈折等)を確立するのに役立つことができる。
本開示の幾つかの実施形態によれば、光ビームの光モードを変換するフォトニックデバイスを提供する。フォトニックデバイスは、第1のモードを有する第1のビームを受光する第1のポートと、モード変換器であって、第1のビームを広げてモード変換器の中間部で第1のモードを第2のモードに変換し、モード変換器の出力側で、広げた第1のビームを狭くするように構成され、第1の屈折率を有する導波材料と、各々が第2の屈折率を有する摂動セグメントとを備え、第1の屈折率は第2の屈折率より大きく、摂動セグメントは導波材料において第1のビームと交差するように配置されている、モード変換器と、第2のモードを有する第1のビームを透過させる第2のポートであって、モード変換器の幅は第1のポート及び第2のポートの幅より大きく、第2のポートの幅は第1のポートの幅より大きく、第1のポート及び第2のポート並びにモード変換器は同一の厚さを有する、第2のポートとを備える。
さらに、本開示の一実施形態は、光ビームの光モードを変換するフォトニックデバイスを提供する。フォトニックデバイスは、第1の入力変換器及び第1の出力変換器並びに第2の入力変換器及び第2の出力変換器を備える。変換器の各々は、第1のモードを有するビームを受光する第1のポートと、モード変換器であって、ビームを広げてモード変換器の中間部で第1のモードを第2のモードに変換し、モード変換器の出力側で、広げたビームを狭くするように構成され、第1の屈折率を有する導波材料と、各々が第2の屈折率を有する摂動セグメントとを備え、第1の屈折率は第2の屈折率より大きく、摂動セグメントは導波材料においてビームと交差するように配置されている、モード変換器と、第2のモードを有するビームを透過させる第2のポートであって、モード変換器の幅は第1のポート及び第2のポートの幅より大きく、第2のポートの幅は第1のポートの幅より大きく、第1のポート及び第2のポート並びにモード変換器は同一の厚さを有する、第2のポートとを備える。さらに、フォトニックデバイスは、第1のクロス入力ポート及び第1のクロス出力ポートを有する第1のクロスガイドと、第2のクロス入力ポート及び第2のクロス出力ポートを有する第2のクロスガイドとを含むクロスガイドを備え、第1のクロスガイドは、直角で第2のクロスガイドと交差し、第1のクロスガイド及び第2のクロスガイドの各ポートはクロスポート幅を有し、第1のクロス入力ポートは第1の入力変換器の第2のポートに接続され、第1のクロス出力ポートは第1の出力変換器の第1のポートに接続され、第2のクロス入力ポートは第2の入力変換器の第2のポートに接続され、第2のクロス出力ポートは第2の出力変換器の第1のポートに接続されている。
ここに開示されている実施形態は、添付図面を参照して更に説明される。示されている図面は、必ずしも一律の縮尺というわけではなく、その代わり、一般的に、ここに開示されている実施形態の原理を示すことに強調が置かれている。
関連技術のモード次数変換器の図である。 図1Aにおけるモード変換器の主電界成分(Ey)分布プロットである。 本開示の実施形態によるTE−TEモード次数変換器を示す図である。 図2AのTE−TEモード次数変換器の主電界成分(Ey)分布プロットである。 デバイスの効率を示すFDTDスペクトルを示す図である。 本開示の実施形態によるTE−TE変換器の一例を示す図である。 図3AのTE−TEモード次数変換器の主電界成分(Ey)分布プロットである。 図3Aのデバイスの効率を示すFDTDスペクトルを示す図である。 本開示の実施形態によるTE−TE変換器のジオメトリーを示す図である。 TE−TE変換器の主電界成分(Ey)分布プロットである。 TE−TE変換器のFDTDスペクトルを示す図である。 本開示の実施形態によるTE|TE−TE変換器を示す概略図である。 本開示の実施形態によるTE|TE−TE変換器を示す概略図である。 本開示の実施形態によるTE90度クロス変換器の一例を示す図である。 TEモード90度クロス変換器の主電界成分(Ey)分布プロットである。 TEモード90度クロス変換器のFDTDスペクトルを示す図である。
以下の説明は、例示的な実施形態のみを提供し、本開示の範囲も、適用範囲も、構成も限定することを意図していない。そうではなく、例示的な実施形態の以下の説明は1つ以上の例示的な実施形態を実施することを可能にする説明を当業者に提供する。添付の特許請求の範囲に明記されているような開示された主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく要素の機能及び配置に行うことができる様々な変更が意図されている。
以下の説明では、実施形態の十分な理解を提供するために、具体的な詳細が与えられる。しかしながら、当業者は、これらの具体的な詳細がなくても実施形態を実施することができることを理解することができる。例えば、開示された主題におけるシステム、プロセス、及び他の要素は、実施形態を不必要な詳細で不明瞭にしないように、ブロック図形式の構成要素として示される場合がある。それ以外の場合において、よく知られたプロセス、構造、及び技法は、実施形態を不明瞭にしないように不必要な詳細なしで示される場合がある。さらに、様々な図面における同様の参照符号及び名称は、同様の要素を示す。
また、個々の実施形態は、フローチャート、フロー図、データフロー図、構造図、又はブロック図として描かれるプロセスとして説明される場合がある。フローチャートは、動作を逐次的なプロセスとして説明することができるが、これらの動作の多くは、並列又は同時に実行することができる。加えて、これらの動作の順序は、再配列することができる。プロセスは、その動作が完了したときに終了することができるが、論述されない又は図に含まれない追加のステップを有する場合がある。さらに、特に説明される任意のプロセスにおける全ての動作が全ての実施形態において行われ得るとは限らない。プロセスは、方法、関数、手順、サブルーチン、サブプログラム等に対応することができる。プロセスが関数に対応するとき、その関数の終了は、呼び出し側関数又はメイン関数へのその機能の復帰に対応することができる。
さらに、開示された主題の実施形態は、少なくとも一部は手動又は自動のいずれかで実施することができる。手動実施又は自動実施は、マシン、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、又はそれらの任意の組み合わせを用いて実行することもできるし、少なくとも援助することができる。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア又はマイクロコードで実施されるとき、必要なタスクを実行するプログラムコード又はプログラムコードセグメントは、マシン可読媒体に記憶することができる。プロセッサが、それらの必要なタスクを実行することができる。
本開示の実施形態の概要
オンチップモード分割多重(MDM)により、伝送容量を拡大するように1つの共有マルチモードバス導波路において複数の光チャネルの伝送が可能になる。ここで、モードという用語は、光空間モードを意味する。
マルチプレクサー/デマルチプレクサー(MUX/DEMUX)、モード次数フィルター及びモード次数変換器を含む、多くのMDMデバイスが開発されている。オンチップMDMの1つの主な課題は、屈折及び交差等、高次モード処理である。その結果、モード次数変換器は、通常、処理の前に最初に高次モード(TE、TE、...)を基本モード(TE)に変換するように開発されている。
シリコンオンインシュレーター(SOI)モード次数変換器が提案されている。最も直観的な変換器は、高次モードを複数のTEモード部分に均一に分離するというものであり、TEモード部分はその後、適切な位相関係で合成される。
図1Aは、関連技術のモード次数変換器100を示す。図1Bは、図1Aのモード変換器の主電界成分(Ey)分布プロットを示す。図1Aに示す30μm長フットプリントにおける断熱テーパーに基づく超低損失のモード次数変換器は、図1Bに示すように、TEモードをTEモードに変換することができることが示される。
さらに、逆の設計を用いて、より小型のフットプリント(〜6μm長)のTE−TE変換器を具現化することができる。こうしたデバイスは、フォトニック結晶導波路内部で最適化することができ、40nm帯域幅にわたり70%のTE−TE変換効率を与える。モード次数変換器のサイズは重要な因子であり、限られたサイズにおいてどれくらいの機能が詰め込まれるかを決定する。フォトニック結晶により小型デバイスサイズが可能になるが、フォトニック結晶は固有共振条件を使用するため、動作帯域幅は比較的狭くなる。さらに、モード次数変換器は、モード変換器と呼ぶことができる。
図2Aは、本開示の実施形態によるTE−TEモード変換器200を示す。TE−TEモード変換器200は、第1のポート210、モード変換器220及び第2のポート230を備える。図2Aは、TE−TEモード変換器に対する最適化されたジオメトリーを示す一例である。
第1のポート210は、第1のモードを有する第1のビーム(図において矢印によって示された入力ビーム)を受光する。モード変換器220は、第1のビームを広げて、モード変換器220の中間部で第1のモードを第2のモードに変換する。さらに、モード変換器220は、ビーム部分のうちの一方の位相を他方に対して遅らせ、モード変換器200の出力側で、広げた第1のビームを狭くし、したがって、TEモードを生成する。モード変換器220における上述した機能の全てが、分散されて行われる。モード変換器220は、第1の屈折率を有する導波材料221と、摂動セグメント222とを備える。この場合、摂動セグメント222の各々は第2の屈折率を有し、摂動セグメント222の間の最小ピッチは、図においてピッチdによって示す。
第1の屈折率は第2の屈折率より大きく、摂動セグメント222は、導波材料221において第1のビームと交差するように配置されている。さらに、第2のポート230は、第2のモードを有する第1のビームを透過させるように構成されている。この場合、モード変換器220の幅は、第1のポート210及び第2のポート230の幅より大きいように構成されている。第1のポート210の幅は、TEモードのみをサポートするように選択されている。第2のポート230の幅は、TEモードをサポートするために第1のポート210の幅より大きいように構成されており、第1のポート210及び第2のポート230並びにモード変換器220は、同一の厚さを有するように構成されている。
さらに、第1のモード及び第2のモードが、それぞれ、TE及びTEによって表される第mのモード及び第nのモードである場合、かつ、m及びnのうちの少なくとも一方が奇数である場合、摂動セグメント222は、第1のポート210から第2のポート230まで引かれるビーム方向中心線211に沿って非対称であるように配置される。
いくつかの実施形態によれば、TE−TE変換器200は、3.85μm×2.35μmシリコン領域で最適化することができ、この領域は、15×25摂動セグメント222(矩形格子)二値問題に離散化される。各摂動セグメント222は、150nm格子定数(又はピッチ)dで50nm半径の完全にエッチングされた孔を表し、ここで、「1」はエッチングされた孔を意味し、「0」は孔がないことを意味する。150nmピッチdは、上述した基準(270nm未満)を満足させる。TE−TEモード変換器200は、SiO上部クラッド層によって覆うことができる。摂動セグメント222に対応する円筒状孔もまた、SiOで充填される。入力モード源が、1.55μmを中心とする100nm帯域幅にわたってTEモード又はTEモードを発射する場合、TEモード、TEモード又はTEモードへの透過及び反射が別個に計算される。
いくつかの摂動セグメントは、図においてセグメント222’として示す摂動セグメント222の群から、ピッチdを超えて間隔を空けて配置することができることが留意されるべきである。
局所屈折率プロファイルは、数値的に最適化することができる。この方法のうちの1つは、直接二分探索(DBS:direct binary search)を用いることであり、別の方法は、機械学習を用いることである。両方法において、局所屈折率変化又は固定サイズ孔は、二値問題として記述される。代替的に、そうした変化は、より小さい粒度、すなわち孔サイズの連続した値又は形状の連続した変化で更に記述することができる。
図2Bは、TE−TEモード次数変換器200の主電界成分(Ey)分布プロットを示す。電界分布から、入力ビームが分離され、その後、上部ビームが下部ビームに対してπ位相シフトだけ遅延して、出力ポート(第2のポート230)において合成されることが分かる。摂動セグメント222の平均屈折率が導波材料221(Si領域)の平均屈折率より小さいため、摂動セグメント222と呼ぶことができる分散した孔は、孔(摂動セグメント222)のないSi領域(導波材料221)と比較して、ビームの位相速度を上昇させる。
図2Cは、周波数に応じた変換器200の各モードの透過及び反射であり、100nm帯域幅にわたって得られた約0.5%クロストーク及び反射での約85%の透過効率を示す。フォトニック結晶に基づく関連技術によるTE−TE変換器と比較すると、図2Cは、変換器200が、ブラッグ反射ゾーンを回避するため、実質的により広い帯域幅にわたって作用することを示す。変換器200の効率は、より大きいマトリックスを用いることによって改善することができる可能性があるが、より大きいフットプリント及びより高い計算量が必要となる。
さらに、本開示のいくつかの実施形態は、サブ波長デバイスが、固有共振条件に頼ることなく小型フォトニックデバイスを提供することができるという認識に基づく。光場は、小さい構造体の局所平均を感知する。小さい構造体は、摂動セグメント又はピクセルと呼ぶことができる。サブ波長デバイスに対する条件は、
Figure 0006964778
として表され、式中、dは、摂動セグメント間の最小ピッチ又は距離であり、neffは、導波材料の導波路モードの最高実効屈折率であり、λは、入力信号の波長である。典型的なSOI(シリコンオンインシュレーター)構造が使用される場合、neffは、1550nmの波長の周囲で約2.85である。そのため、dは、270nm未満であるように決定されるべきである。
さらに、上述したものと同様の手順で、TE−TE変換器を設計することができる。この場合、TEの2つの外側ローブは、等しく遅延し、中心ローブと合成されるべきである。
図3Aは、本開示の実施形態によるTE−TEモード変換器300の一例を示す。図に、最適化の後のTE−TE変換器300の最終決定したジオメトリーの一例を示す。
TE−TEモード変換器300は、第1のポート310、モード変換器320及び第2のポート330を備える。TE−TEモード変換器300の構造は、TE−TEモード変換器200の構造と同様である。
モード変換器320は、第1の屈折率を有する導波材料321と、摂動セグメント322とを備える。摂動セグメント322の各々は第2の屈折率を有し、摂動セグメント222の間の最小ピッチは、図に示すようにピッチdを有するように構成されている。いくつかの摂動セグメントは、図においてセグメント322’として示す摂動セグメント322の群から、ピッチdを超えて間隔を空けて配置することができることが留意されるべきである。
さらに、第1のモード及び第2のモードが、それぞれ、TE及びTEによって表される第mのモード及び第nのモードである場合、かつ、m及びnが偶数である場合、摂動セグメント322は、第1のポート310から第2のポート330まで引かれるビーム方向中心線311に沿っておよそ対称であるように配置される。
TE−TEモード変換器300を設計するために、水平対称構造(20×30)が、4.6μm×3.1μmの矩形シリコン領域で評価されている。逆の設計中、TEモード及びTEモードはともに対称であるため、10×30マトリックス(ジオメトリーの上半分)は最適化され、Si領域の下半分にミラーリングされる。
図3Bは、TE−TEモード変換器300の主電界成分(Ey)分布プロットを示し、入力TEの大部分は等しく2つの外側ルートに分かれ、TEの幾分かの部分は、中間ルートに沿って回折し出力導波路において再集束する、ということを示す。
図3Cは、1%未満のクロストーク及び反射での85%を超える透過効率を示す、最終決定したデバイスの透過及び反射を示す。TE入力は水平対称構造に沿ってTEを励起することができないため、TEクロストークパワーはここでは略ごくわずかである。
図4Aは、本開示の実施形態によるTE−TEモード変換器400を示す。TE−TEモード変換器400は、図2A及び図3Aに示したものと同様に具現化することができる。上で考察したように、場合によっては、いくつかの摂動セグメントは、モード変換器の設計最適化に従って、摂動セグメントの群からピッチdを超えて間隔を空けて配置することができる。
電界プロット図4Bは、TEとTEとの間の直接変換は、足掛かりとしてのTEを介する変換を必要としないことを示す。図4Cは、最適化されたデバイスが、ともに1%未満のTE及びTEへのクロストーク/反射でおよそ87%の透過効率を得ることができることを示す。断熱テーパーに基づいて60μm長のカスケード接続されたTE−高次モード変換器を使用するのとは異なり、この直接TE−TE変換器は、4μm未満のデバイス長で87%の効率を達成することができる。
図5Aは、本開示の実施形態によるTE|TE−TEハイブリッドモード変換器−結合器500を例示する概略図を示す。TE|TE−TE変換器−結合器500は、第1の光モード入力510、第2の光モード入力520、モード変換器530及び出力540を備える。場合によっては、出力540は、TE又はTE等、別の光モード次数を有することができる。最適化アルゴリズムはこれらの機能を具現化することができる。入力信号のモード次数が異なるため、入力510及び入力520の幅は異なる。
図5Bは、本開示の実施形態によるTE|TE−TEハイブリッドモード変換器−結合器550を例示する概略図を示す。TE|TE−TE変換器−結合器550は、第1の光モード入力515、第2の光モード入力525、モード変換器560及び出力545を備える。モード次数が同じであるため、入力515及び入力525の幅は通常同じである。場合によっては、出力545は、TE又はTE等、別の光モード次数を有することができる。
図5A及び図5Bの両方において、ハイブリッドモード変換器−結合器は、最初に、相対的に高次の入力モードをTEモードに変換し、その後、複数のTEモードを単一のTEモードに結合することができる。代替的に、相対的に高次のモードは、同じ次数である場合、最初に結合し、その後、TEモードに変換することができる。
複数の機能を単一のデバイスに結合することには、2つの主な利点がある。2つの別個のデバイスを接続する導波路をなくすことにより、省スペースとなる。さらに、導波路と光学デバイスとの間の接合部は光学的損失の主な原因であるため、光学的挿入損失を低くすることができる。
上述したように、図2A、図3A及び図4Aに示す摂動セグメント222、322及び422に対応する孔は、周期的に(格子状に)配置されているが、そのように配置することは必須ではない。
さらに、高次数モードを処理するために、超小型モード次数変換器を他のデバイスとカスケード接続することもできる。図6Aは、4つのTE−TE変換器を従来のTE90度クロスに4つのポートにおいてカスケード接続する、TEモード90度クロス600の一例を示す。
TEモード90度クロス600は、第1の入力変換器610及び第1の出力変換器620と、第2の入力変換器630及び第2の出力変換器640とを備える。変換器610、620、630及び640の各々は、第1のモードを有するビームを受光する第1のポート、モード変換器を備え、モード変換器は、ビームを広げて、モード変換器の中間部で第1のモードを第2のモードに変換し、モード変換器の出力側で、広がったビームを狭くするように構成されている。
さらに、モード変換器は、第1の屈折率を有する導波材料と、摂動セグメントとを備える。各摂動セグメントは第2の屈折率を有し、第1の屈折率は第2の屈折率より大きい。この場合、摂動セグメントは、導波材料において第1のビームと交差するように配置されている。
変換器610、620、630及び640の各々は、第2のモードを有するビームを透過させる第2のポートを更に備え、モード変換器610、620、630及び640の各々の幅は、第1のポート及び第2のポートの幅より大きい。この場合、第2のポートの幅は第1のポートの幅より大きく、さらに、第1のポート及び第2のポート並びにポート変換器は同一の厚さを有する。
TEモード90度クロス600はクロスガイド650を備える。クロスガイド650は、第1のクロス入力ポート651及び第1のクロス出力ポート652を有する第1のクロスガイドと、第2のクロス入力ポート653及び第2のクロス出力ポート654を有する第2のクロスガイドとを備える。第1の出力ポート652及び第2の出力ポート654は、第1のスルーポート652及び第2のスルーポート654と呼ぶことができる。
第1のクロスガイドは、直角で第2のクロスガイドと交差する。第2のクロスガイドと交差する第1のクロスガイドの交差部分は、面取り角部655を有する。面取り角部655のうちの1つを、図6Aにおいて矢印655によって示す。第1のクロスガイド及び第2のクロスガイドの各ポートは、クロスポート幅wを有する。第1のクロスガイド及び第2のクロスガイドの過渡的勾配Sを介して、第1の入力クロスポート651は第1の入力変換器610の第2のポートに接続され、第1の出力クロスポート652は、第1の出力変換器620の第1のポートに接続されている。第2の入力クロスポート653は、第2の入力変換器630の第2のポートに接続され、第2の出力クロスポート654は、第2の出力変換器640の第1のポートに接続されている。
図6Aにおいて、図例は、TE90度クロスの総フットプリントが23μm×23μmであることを示す。図6Bは、TEモード90度クロス600の主電界成分(Ey)分布プロットを示す。この場合、第1の入力変換器610は、第1のTEモード光信号を受信して、第1のTEモード光信号に変換する。第1のTEモード光信号は、第1のクロス入力ポート651及び第1のクロス出力ポート652を介してクロスガイド650を伝播する。さらに、第1のTEモード光信号は、第1の出力変換器620によって受信され、第1の出力変換器620の出力ポートにおいて第1のTEモード光信号に変換される。これは、第1の入力変換器610及び第1の出力変換器620を通して、TE−TE−TEモード変換が適切に行われることを示す。第1のTEモード光信号は、相対的に低い挿入損失でクロスガイド650を伝播することができる。
同様に、第2のTEモード光信号が、第2の入力変換器630によって受信され、第2のTEモード光信号に変換されると、第2のTEモード光信号は、クロスガイド650の第2のクロス入力ポート653及び第2のクロス出力ポート654を介して第2の出力変換器640によって受信される。第2の出力変換器640は、クロスガイド650から第2のTEモード光信号を受信すると、第2の出力変換器640の出力ポートにおいて、第2のTEモード光信号を第2のTEモード光信号に変換する。この場合、第2のTEモード光信号は、相対的に低い挿入損失でクロスガイド650を伝播することができる。第1のTEモード光信号及び第2のTEモード光信号を第1のTEモード光信号及び第2のTEモード光信号に変換することにより、変換された第1のTEモード光信号及び第2のTEモード光信号は、クロスガイド650を交差しながら、相対的に低い損失でクロスガイド650を伝播することができる。したがって、第1のTEモード光信号及び第2のTEモード光信号から変換された第1のTEモード光信号及び第2のTEモード光信号が、相対的に低い損失でクロスガイド650を伝播することができるため、TEモード90度クロス600は、TE90度クロスガイドを交差している間の第1のTEモード光信号及び第2のTEモード光信号の低信号損失を提供することができる。
図6Cは、100nm帯域幅にわたる1.5dB未満の挿入損失が得られることを示す、模擬結果を示す。80nm帯域幅にわたり、スルーポートにおいて、−30dBのTEクロストークのみが励起され、クロスポートにおいて励起された全てのモードが、図に示すように十分に−40dB未満である。
本発明の上記で説明した実施形態は、多数の方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせを用いて実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピューターに設けられるのか又は複数のコンピューター間に分散されるのかにかかわらず、任意の適したプロセッサ又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは、1つ以上のプロセッサを集積回路部品に有する集積回路として実装することができる。ただし、プロセッサは、任意の適したフォーマットの回路類を用いて実装することができる。
入力ポート及び出力ポート並びにモード変換器は、様々な材料系で実施することができる。上記例はSOIを使用した。代替的に、二酸化ケイ素の上に堆積させた窒化ケイ素を使用することができる。さらに、インジウムリン(InP)基板上で成長させたインジウムガリウムヒ素リン(InGaAsP)材料層も使用することができる。
本発明の上述した実施形態は、TEモードのみを記載した。しかしながら、デバイスは、横磁界(TM)モードに対して設計することもできる。
また、本発明の実施形態は、例が提供された方法として実施することができる。この方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けすることができる。したがって、動作が示したものと異なる順序で実行される実施形態を構築することができ、これには、例示の実施形態では一連の動作として示されたにもかかわらず、いくつかの動作を同時に実行することを含めることもできる。
請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第1」、「第2」等の序数の使用は、それ自体で、1つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する1つの請求項の要素を、同じ(序数の用語の使用を除く)名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。例えば、第1のポートがTEモード入力を有し、第2のポートがTE出力を有する場合、相反原理により、デバイスは、第2のポートからのTE入力を第1のポートからのTE出力に変換するように十分等しく作用する。

Claims (15)

  1. 第1のモードを有する第1のビームを受光する第1のポートと、
    モード変換器であって、前記第1のビームを広げて前記第1のモードを第2のモードに変換し、該モード変換器の出力側で、前記広げた第1のビームを狭くするように構成され、第1の屈折率を有する導波材料と、各々が第2の屈折率を有する摂動セグメントとを備え、前記第1の屈折率は前記第2の屈折率より大きく、前記摂動セグメントは前記導波材料において前記第1のビームと交差するように配置されている、モード変換器と、
    前記第2のモードを有する前記第1のビームを透過させる第2のポートであって、前記モード変換器の幅は前記第1のポート及び該第2のポートの幅より大きく、該第2のポートの前記幅は前記第1のポートの前記幅と同一ではなく、前記第1のポート及び該第2のポート並びに前記モード変換器は同一の厚さを有する、第2のポートと、
    を備え、
    前記摂動セグメントの間の最小ピッチdは、以下の条件を満足させるように決定され、
    Figure 0006964778
    式中、neffは、前記摂動セグメントがないと仮定した場合に前記モード変換器に発生し得るそれぞれの導波路モードの実効屈折率の最大値であり、λは、前記第1のビームの波長である、
    光ビームの光モードを変換するフォトニックデバイス。
  2. 上層と下層とを更に備え、第3の屈折率を有する前記上層及び前記下層は、前記第1のポート及び前記第2のポート並びに前記モード変換器を挟装し、前記第1の屈折率は前記第3の屈折率より大きい、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  3. 前記摂動セグメントの各々は、前記導波材料の孔によって表されている、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  4. 前記摂動セグメントは非周期的に配置されている、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  5. 前記第1の屈折率は、前記第1のポート及び前記第2のポートの屈折率と同一である、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  6. 前記第1のモード及び前記第2のモードが、それぞれ、TE及びTEによって表される第mのモード及び第nのモードであり、m及びnが偶数である場合、前記摂動セグメントは、前記第1のポートから前記第2のポートまで引かれるビーム方向中心線に沿って対称であるように配置される、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  7. 前記第1のモード及び前記第2のモードが、それぞれ、TE及びTEによって表される第mのモード及び第nのモードであり、m及びnのうちの少なくとも一方が奇数である場合、前記摂動セグメントは、前記第1のポートから前記第2のポートまで引かれるビーム方向中心線に沿って非対称であるように配置される、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  8. 前記第1のポート及び前記第2のポート並びに前記モード変換器は、同一の材料である、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  9. 前記第1のポート又は前記第2のポートの側に配置された1つ以上のポートを更に備え、該1つ以上のポートの幅は、前記第1のポート又は前記第2のポートと同じか又は異なる、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  10. 前記同一の材料はケイ素である、請求項8に記載のフォトニックデバイス。
  11. 前記第1のポート及び前記第2のポート並びに前記モード変換器はケイ素材料であり、前記上層及び前記下層は二酸化ケイ素材料である、請求項2に記載のフォトニックデバイス。
  12. 前記同一の厚さは、0.2μm〜0.5μmである、請求項1に記載のフォトニックデバイス。
  13. 前記同一の材料は窒化ケイ素である、請求項8に記載のフォトニックデバイス。
  14. 前記同一の材料はInGaAsPである、請求項8に記載のフォトニックデバイス。
  15. 第1の入力変換器及び第1の出力変換器並びに第2の入力変換器及び第2の出力変換器であって、変換器の各々は、
    請求項1に記載のフォトニックデバイスと、
    クロスガイドと、
    を備え、
    前記フォトニックデバイスの該第2のポートの前記幅は、前記フォトニックデバイスの前記第1のポートの前記幅より大きく、
    前記クロスガイドは、
    第1のクロス入力ポート及び第1のクロス出力ポートを有する第1のクロスガイドと、
    第2のクロス入力ポート及び第2のクロス出力ポートを有する第2のクロスガイドであって、前記第1のクロスガイドは、直角で該第2のクロスガイドと交差し、前記第1のクロスガイド及び該第2のクロスガイドの各ポートはクロスポート幅を有し、前記第1のクロス入力ポートは前記第1の入力変換器の前記第のポートに接続され、前記第1のクロス出力ポートは前記第1の出力変換器の前記第1のポートに接続され、前記第2のクロス入力ポートは前記第2の出力変換器の前記第のポートに接続され、前記第2のクロス出力ポートは前記第2の出力変換器の前記第1のポートに接続されている、第2のクロスガイドと、
    を備える、
    光ビームの光モードを変換するフォトニックシステム。
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