JP7142730B2 - 光学ビームを分割するフォトニックデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、包括的には、コンパクトなナノ構造フォトニックデバイスに関し、より詳細には、ブロードバンドパワースプリッタのためのコンパクトなフォトニックデバイスに関する。
光パワーを有する単一チャネルの光学ビームを任意のパワー比率で２つ以上の光導波路に分割する、オンチップでの任意比率のパワー分割が長年にわたって研究されてきた。
マルチモード干渉計（ＭＭＩ）ベースのパワースプリッタ、Ｙ形状パワースプリッタ、又は入力ポート及び出力ポートにおいて５００ｎｍ幅の導波路を有するナノ構造パワースプリッタを含む、数多くのパワースプリッタデバイスが開発されてきた。しかしながら、全体伝送効率は約８０％（概ね－１ｄＢ）が限度であり、入力ポート（又は近傍の出力ポート）に戻る後方反射値が無視できない。後方反射を低減する１つの理論的な方法は、２つの出力の交差部において無限に鋭いＹスプリッタを使用することである。しかしながら、そのような極度に鋭い縁部を有するスプリッタを製造する際の公差は小さいため、結果として、実際には入力ポートに大きな後方反射が生じる。
入力における後方反射を最小限にしながら、コンパクトなナノ構造デバイスにおいて所定のパワー比率に従い、光学ビームの光パワーを複数の出力ビームに効率的に分割することが可能なパワースプリッタに用いられる、新規のコンパクトなフォトニックデバイスを開発する必要がある。
本開示のいくつかの実施の形態は、マシンラーニングに支援された最適化手法を用いた設計最適化に従って、超コンパクトな（約２．６μｍ長）ＳＯＩパワースプリッタの系統に基づくコンパクトなフォトニックデバイスを得ることができるという認識に基づいている。本開示では、１００ｎｍの帯域幅にわたる伝送効率が９０％を超え、反射が無視でき、１：１、１：２及び１：３等の任意の分割比を達成することができる。原理上、最適化手法を用いて、複数の入力及び出力ポートを有する任意のパワースプリッタを設計することができる。さらに、この方法を用いたトポロジ最適化されたナノ構造集積フォトニックデバイスは、コンパクトな実装面積内でスペクトル分割、モード変換及び導波路の曲げ等の機能を確立することに役立つ。
実施の形態によれば、４５ｎｍ以上のナノ構造摂動セグメントを用いて入力ポートにおける後方反射を－２０ｄＢ未満に最小化しながら、コンパクトなナノ構造デバイスにおける所定のパワー比に従って、光学ビームの光パワーを複数の出力ビームに効率的に分割することが可能なパワースプリッタのために用いられる、新規のコンパクトなフォトニックデバイスを実現することが可能である。
本開示のいくつかの実施の形態によれば、光パワーを別個のチャネルに分割するフォトニックデバイスが提供される。光学ビームを分割するフォトニックデバイスは、入力パワーを有する入力ビームを受信するように構成された入力ポートと、第１の屈折率を有するガイド材料の第１の領域及び第２の領域内に配置された摂動セグメントを含むパワースプリッタであって、各セグメントは第２の屈折率を有し、第１の領域は、入力ビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成され、第２の領域は、第１のビーム及び第２のビームを別個にガイドするように構成され、第１の屈折率は第２の屈折率よりも高い、パワースプリッタと、それぞれ第１のビーム及び第２のビームを受信及び送信するようにパワースプリッタに接続された第１の出力ポート及び第２の出力ポートを含む出力ポートとを備える。
さらに、本発明のいくつかの実施の形態は、光学ビームを分割するフォトニックデバイスが、入力パワーを有する入力ビームを受信するように構成された入力ポートと、第１の屈折率を有するガイド材料の第１の領域及び第２の領域内に配置された摂動セグメントを含むパワースプリッタであって、各セグメントは第２の屈折率を有し、第１の領域は、入力ビームを広げるように構成され、第２の領域は、広げられた入力ビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成され、第１の屈折率は第２の屈折率よりも高い、パワースプリッタと、それぞれ第１のビーム及び第２のビームを送信するようにパワースプリッタに接続された第１の出力ポート及び第２の出力ポートを含む出力ポートとを備えるという認識に基づく。
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。
関連技術のパワースプリッタを示す図である。 本開示の実施形態による、１：１パワースプリッタの上面図である。 本開示の実施形態による、１：１パワースプリッタの側面図である。 図２Ａの１：１パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 図２Ｂの１：１パワースプリッタの効率を示すＦＤＴＤスペクトルの図である。 入力から出力までの直接経路から離れたナノ構造パワースプリッタの左側の縁部付近に図２Ａと異なる形で１２個の孔が位置決めされた、本開示の実施形態による１：１パワースプリッタを示す図である。 図２Ｅの１：１パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 図２Ｅの１：１パワースプリッタの効率を示すＦＤＴＤスペクトルの図である。 本開示の実施形態による１：２パワースプリッタを示す図である。 図３Ａの１：２パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 図３Ａの１：２パワースプリッタの効率を示すＦＤＴＤスペクトルの図である。 本開示の実施形態による１：３パワースプリッタを示す図である。 図４Ａの１：３パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 図４Ａの１：３パワースプリッタの効率を示すＦＤＴＤスペクトルの図である。 本開示の実施形態による１：３パワースプリッタを示す図である。 図５Ａの１：３パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 図５Ａの１：３パワースプリッタの効率を示すｄＢ単位のＦＤＴＤスペクトルの図である。 ナノ構造パワースプリッタの近くで広がらない直線状の入力ポート及び出力ポートを有する本開示の実施形態による１：３パワースプリッタを示す図である。 図５Ｄの１：３パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 図５Ｄの１：３パワースプリッタの効率を示すｄＢ単位のＦＤＴＤスペクトルの図である。 本開示の実施形態による１：３パワースプリッタを示す図である。 １．３μｍ～１．８μｍのブロードバンド範囲における図６Ａの１：３パワースプリッタの効率を示すブロードバンド伝送及び反射スペクトルを示す図である。 １．３μｍにおける図６Ａの１：３パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 １．５５μｍにおける図６Ａの１：３パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 １．８μｍにおける図６Ａの１：３パワースプリッタのＥ場分布プロットである。 パワースプリッタを介して入力ポートから出力ポートに伝播する光波を示す図である。 パワースプリッタを介して入力ポートから出力ポートに伝播する光波を示す図である。 パワースプリッタを介して入力ポートから出力ポートに伝播する光波を示す図である。 本開示の実施形態によるフォトニックデバイスの他の例の図である。 本開示の実施形態によるフォトニックデバイスの他の例の図である。 本開示の実施形態によるフォトニックデバイスの他の例の図である。 本開示の実施形態によるフォトニックデバイスの他の例の図である。 本開示の実施形態によるフォトニックデバイスの他の例の図である。 本開示の実施形態によるフォトニックデバイスの他の例の図である。
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。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可能な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、実施形態を不必要に詳細に記すことによって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を省いて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。さらに、これらの動作の順序は、順序を変えることができる。プロセスは、その動作が完了したときに終了することが可能であるが、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。
概観
オンチップパワースプリッタは、集積フォトニックシステムの重要な構成要素である。パワースプリッタは、単一のビームを、予め設計された分割比で複数のビームに分けるのに用いられる。数多くのパワースプリッタデバイスが開発され、Ｙ形状パワースプリッタ、ＭＭＩベースのパワースプリッタ、又は高速応答（ＱＲ）コード状のナノ構造パワースプリッタの伝送効率は、８０％までに制限されてきた。
シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）パワースプリッタは、集積フォトニックシステムの構成要素のための重要な候補の１つとすることができる。最も理解しやすいパワースプリッタは、マルチモード干渉（ＭＭＩ）構造の形状を調整することによって、従来のＭＭＩパワースプリッタの対称性をなくして任意の分割比を達成しようとするものである。
図１は、関連技術によるマルチモード干渉（ＭＭＩ）パワースプリッタ１００を示す。例えば、パワースプリッタ１００は、長さ約数十μｍでデバイス上に形成することができる。パワースプリッタ１００は、入力ポート１１０と、パワースプリッタ１２０と、２つの出力ポート、すなわち第１の出力ポート１３０及び第２の出力ポート１４０とを備える。第１の出力ポート１３０は、第１の出力パワーを有する第１の出力ビームを送信し、第２の出力ポート１４０は、第２の出力パワーを有する第２の出力ビームを送信する。
パワースプリッタ１００が１：１パワースプリッタとして設計されるとき、入力光学ビームは、パワースプリッタ１２０において２つのビーム（第１の出力ビームＴ１及び第２の出力ビームＴ２）に分割される。これらの２つのビームは、第１の出力ビーム及び第２の出力ビームの光パワー比１：１（Ｔ１：Ｔ２＝１：１）で、それぞれ第１の出力ポート１３０及び第２の出力ポート１４０にガイドされる。図において、いくつかのデバイスの形状はシンボルＷ１、Ｄｘ及びＤｙを用いて示されている。
ＭＭＩに基づくパワースプリッタ１００の作動原理は非常によく研究されており、対称性をなくしたことにより、任意の分割比の達成も可能である。しかしながら、デバイスサイズが小さくなるにつれ、ＭＭＩ幅における小さな変化がデバイス特性を大きく変化させる。加えて、ＭＭＩの原理はデバイス内の結合長に依存し、デバイス特性は波長の影響を本質的に受けやすい。したがって、非常にブロードバンドなＭＭＩベースのスプリッタを達成することは非常に困難である。
上述した問題を解決するために、光学（光）ビームを効率的に分割するフォトニックデバイスを新規に設計することが依然として必要とされている。したがって、上記問題に関する解決を提供するいくつかの実施形態が、光学ビームを分割するフォトニックデバイスが、入力パワーを有する入力ビームを受信するように構成された入力ポートと、第１の屈折率を有するガイド材料の第１の領域及び第２の領域内に配置された摂動セグメントを含むパワースプリッタであって、各セグメントは第２の屈折率を有し、第１の領域は、入力ビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成され、第２の領域は、第１のビーム及び第２のビームを別個にガイドするように構成され、第１の屈折率は第２の屈折率よりも高い、パワースプリッタと、それぞれ第１のビーム及び第２のビームを受信及び送信するようにパワースプリッタに接続された第１の出力ポート及び第２の出力ポートを含む出力ポートとを備えるという認識に基づいて、実施形態を以下に説明する。
さらに、パワースプリッタが、予め設計されたビーム経路に沿って出力ポートに向けて入力光学ビームを効率的にガイドするようにガイド材料内に配置されるナノ構造セグメントから形成されることに留意すべきである。この場合、ナノ構造セグメントは、ナノメートルサイズの円筒、又はパワースプリッタのガイド材料の屈折率より小さい屈折率を有するあらゆる任意の形状とすることができる。いくつかの場合、ナノ構造セグメントは、卵形、矩形、正方形、三角形、又はそれらのうちのいくつかの組み合わせ等の断面形状を有するナノ構造サイズのロッドとすることができる。例えば、ガイド材料がシリコンであるとき、セグメントは、二酸化シリコン、又は孔中の空間によって形成することができる。いくつかの場合、ナノ構造セグメントは、摂動セグメントと呼ぶことができる。本発明の実施形態によれば、摂動セグメントの屈折率は、ガイド材料の屈折率よりも小さい。摂動セグメントを配置するために、セグメント間の最小距離は、ｄ＜λ／（２ｎｅｆｆ）の条件を満たすように決定される。ここで、ｄは摂動セグメント間の最小ピッチ又は距離であり、ｎｅｆｆはガイド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。フォトニックデバイスを設計する方法に関して、詳細な論考を以下に行う。
図２Ａは、本開示の実施形態による、１：１パワースプリッタ２００の上面図を示す。これは、１：１パワースプリッタのための最適化された形状を示す例である。１：１パワースプリッタ２００は、入力ポート２１０と、パワースプリッタ２２０と、２つの出力ポート２３０及び２４０とを備える。これらは、１：１の入力パワー比に等しい光パワーの出力モードをガイドする。さらに、入力ポート２１０の側は前側と呼ばれ、出力ポート２３０及び２４０の側は後側と呼ばれる。以下の論考において、前側及び後側の定義は、更に説明することなく、本開示に記載のパワースプリッタ又はフォトニックデバイスと同様に適用される。
パワースプリッタ２００は、２．６×２．６μｍ２のコンパクトなデバイス実装面積によって実現することができる。そのようなデバイスは、ナノ構造導波路内で最適化することができ、１００ｎｍの帯域幅で９０％の分割伝送効率を与える。
入力ポート２１０は、第１のモードを有する第１のビーム（図面において矢印によって示される入力光学ビーム）を受信する。パワースプリッタ２２０は、入力ビームの第１の入力幅及び第２の入力幅を決定する分割セグメント（Ｓセグメント）を含む。Ｓセグメントは、入力光学ビームを第１のビーム及び第２のビームに分割する。
第１の入力幅があることで、第１のビームを第１の出力ポート２３０にガイドすることが可能になり、第２の入力幅があることで、第２のビームを第２の出力ポート２４０にガイドすることが可能になる。
この場合、第１の入力幅及び第２の入力幅は、パワースプリッタ２２０におけるＳセグメント部分の位置によって定義することができる。ここで、Ｓセグメント部分は、入力ポートから出力ポート２３０及び２４０に向かう方向に配置される。
第１の出力ポート及び第２の出力ポートにおける出力パワー比が１：１になるように設計される場合、パワースプリッタ２２０における第１の入力幅及び第２の入力幅を、概ね同一の距離になるように配置することができる。いくつかの場合、第１の入力幅と第２の入力幅との間の数％の差は、製造誤差が蓄積するため、実際の使用においては受容可能とすることができる。
さらに、例えば、第１の出力ポート２３０及び第２の出力ポート２４０における第１の出力パワー及び第２の出力パワーのパワー比がＴ１：Ｔ２によって表され、Ｔ１＜Ｔ２であるとき、入力ビームの一部を第１の出力ポートにガイドする第１の入力幅は、入力ビームの残りを第２の出力ポートにガイドするため、第２の入力幅未満となるように設計される。換言すれば、第１の出力パワーが第２の出力パワーよりも大きくなるように設計されるとき、Ｓセグメントを第２の幅の側に配置することによって、第１の入力幅は第２の入力幅より大きくなるように設定される。さらに、第１の出力パワーが第２の出力パワー未満になるように設計されるとき、Ｓセグメントを第１の幅の側に配置することによって、第１の入力幅が第２の入力幅未満になるように設定される。
いくつかの例を図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図５Ｄ及び図６Ａに示す。
本発明のいくつかの例によれば、パワースプリッタの第１の領域及び第２の領域の機能は交換することができる。例えば、パワースプリッタ２２０は、第１の領域における第１のビームを広げ、パワースプリッタ２２０の第２の領域においてパワーを２つに分割するように構成することができる。さらに、パワースプリッタ２２０は、別個のビームの波ベクトルを方向付け、広げられたビームを中心合わせし、パワースプリッタ２００の出力ポートまでガイドし、これによりビームの相対的パワーを分割する。パワースプリッタ２２０における上述した機能の全てが分散方式で行われる。パワースプリッタ２２０は、第１の屈折率を有するガイド材料２２１と、第２の屈折率を有する摂動セグメント２２２とを備える。この場合、摂動セグメント２２２のそれぞれは、より低い屈折率を有し、摂動セグメント２２２間の最小ピッチは、局所実効屈折率を決定する図面におけるピッチｄによって示される。
第１の屈折率は第２の屈折率よりも高く、摂動セグメント２２２は、第１のビームを横切るようにガイド材料２２１内に配置される。さらに、第１の出力ポート２３０及び第２の出力ポート２４０は、第１のビームの同じモードを有する部分を送信するように構成される。この場合、パワースプリッタ２２０の幅は、入力ポート２１０並びに出力ポート２３０及び２４０の幅よりも大きくなるように配置される。第１のポート２１０の幅は、ＴＥ０モードをサポートするように選択される。出力ポート２３０及び２４０の幅は、同じＴＥ０モードをサポートするために、第１のポート２１０の幅と等しくなるように配置される。入力ポート２１０並びに出力ポート２３０及び２４０と、パワースプリッタ２２０とは、同一の厚みを有するように構成される。
さらに、分割比が非対称であるとき、摂動セグメント２２２は、入力ポート２１０から出力ポート２３０及び２４０まで描かれたビーム方向中心線につい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、１：１パワースプリッタ２００は、２．６×２．６μｍ２のシリコン領域において最適化することができる。このシリコン領域は、２０×２０の摂動セグメント２２２（正方格子）バイナリ問題に離散化される。各摂動セグメント２２２は、１３０ｎｍの格子定数（又はピッチ）ｄにおける４５ｎｍの半径を有する完全にエッチングされた孔を表す。ここで、「１」はエッチングされた孔を表し、「０」は孔がないことを意味する。１：１パワースプリッタ２００は、ＳｉＯ２上部クラッド処理によってカバーすることができる。摂動セグメント２２２に対応する円筒形の孔もＳｉＯ２が充填される。
いくつかの摂動セグメントは、図面においてセグメント２２２’として示される摂動セグメント２２２の群からピッチｄよりも離して配置することができることに留意すべきである。
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。方法の１つは、直接バイナリ探索（ＤＢＳ）を用いることであり、別の方法はマシンラーニングを用いることである。双方の方法において、局所屈折率変化又は固定サイズ孔がバイナリ問題として説明される。その代わり、より小さな粒度、すなわち、全体サイズの連続値、又は形状の連続変化を用いることができ、より詳細に説明することができる。
図２Ｃは、１：１パワースプリッタ２００のＥ場（電界）分布プロットを示す。電界分布から、入力ビームが分割され、次に出力ポート２３０及び２３０において狭められていることがわかる。摂動セグメント２２２の平均屈折率はガイド材料２２１（Ｓｉ領域）の平均屈折率よりも小さいため、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（ガイド材料２２１）と比較して、ビームの位相速度を増大させる。
図２Ｄは、１００ｎｍの帯域幅にわたって取得された－２０ｄＢ未満の反射を有する約９０％の伝送効率を示す、スプリッタ２００における周波数に対する各ポートの伝送及び反射である。フォトニック結晶に基づく関連技術のパワースプリッタと比較して、図２Ｄでは、スプリッタ２００がフォトニック結晶において観測されるブラッグ反射ゾーンを回避するため、スプリッタ２００が実質的により広い帯域幅にわたって機能することを示している。より大きな実装面積及びより大きな計算労力を必要とするが、スプリッタ２００の効率は、より大きな行列を用いることによって潜在的に改善することができる。
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、特定の共鳴条件に頼ることなく、コンパクトな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、小構造の局所平均を感知する。小構造は摂動セグメント又はピクセルと呼ぶことができる。サブ波長デバイスの条件は以下のように表される。
Figure 0007142730000001
 ここで、ｄは摂動セグメント間の最小ピッチ又は距離であり、ｎｅｆｆはガイド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。一般的なＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）構造が用いられるとき、ｎｅｆｆは約１５５０ｎｍの波長で約２．８５である。このため、ｄは、２７０ｎｍ未満となるように設定されなければならない。
サブ波長構造を用いる利点には２つの要素がある。第１に、バイナリ屈折率材料から任意の屈折率分布を生成することができ、電界は局所平均屈折率を感知する。第２に、式（１）に記載のブラッグ条件よりも小さなピッチによって、共鳴効果が存在せず、ブロードバンド動作が達成可能である。
図２Ｅは、本開示の実施形態による、１：１パワースプリッタ２５０の上面図を示す。これは、１：１パワースプリッタのための最適化された形状を示す別の例である。１：１パワースプリッタ２５０は、入力ポート２６０と、パワースプリッタ２７０と、２つの出力ポート２８０及び２９０とを備え、これらは、１：１の入力パワー比に等しい光パワーの出力モードをガイドする。摂動セグメント２７２’（正方格子）は、図２Ａのように２０×２０のフォーマットで配置される。ここで、摂動セグメント２７２’は、入力側の左上及び左下の角を除いて、図２Ａにおける摂動セグメントとほぼ同一である。それは中心水平軸に対し厳密に対称ではないが、概ね対称である。
図２Ｆは、１：１パワースプリッタ２５０のＥ場（電界）分布プロットを示す。電界分布から、入力ビームが分割され、次に図２Ｃのように狭められていることがわかる。
図２Ｇは、１００ｎｍの帯域幅にわたって取得された－２０ｄＢ未満の反射を有する約９０％の伝送効率を示す、スプリッタ２５０における周波数に対する各ポートの伝送及び反射である。図２Ｄと比較して、図２Ｇは、スプリッタ２５０が、図２Ｄに示すパワースプリッタとほぼ同じだけ良好な１：１パワースプリッタとして機能することを示す。これは、摂動セグメント配置が概ね対称である限り、１：１のスプリッタを設計することができることを示す。換言すれば、或る特定の所望の特性を達成するための複数の設計が存在する。
さらに、上述した類似の手順を用いて１：２パワースプリッタを設計することができる。この場合、形成された２つの導波路経路は非対称であるように見える。
図３Ａは、本開示の実施形態による１：２パワースプリッタ３００の例を示す。最適化後の１：２のスプリッタ３００の最終ジオメトリの例が図面に示されている。
１：２パワースプリッタ３００は、入力ポート３１０と、パワースプリッタ３２０と、２つの出力ポート３３０及び３４０とを備える。１：２パワースプリッタ３００の構造は、１：１パワースプリッタ２００の構造に類似している。
パワースプリッタ３２０は、第１の屈折率を有するガイド材料３２１と、摂動セグメント３２２とを備える。摂動セグメント３２２のそれぞれが第２の屈折率を有し、摂動セグメント３２２間の最小ピッチは、図面に示されるようにピッチｄを有するように配置される。いくつかの摂動セグメントは、図面においてセグメント３２２’として示される摂動セグメント３２２の群からピッチｄよりも離して配置することができることに留意すべきである。１：２のパワー分割比に起因して、第１の入力幅は第２の入力幅よりも小さいことに留意されたい。
さらに、第１の分割比及び第２の分割比は、それぞれ、Ｔｍ％及びＴｎ％によって表されるｍ分の１及びｎ分の１であり、ｍ及びｎが等しい数であるとき、摂動セグメント３２１は、入力ポート３１０から出力ポート３３０及び３４０の中央までのビーム方向中心線に沿って非対称となるように配置される。
１：２パワースプリッタ３００を設計するために、水平方向に非対称の２０×２０の構造が、２．６×２．６μｍ２の正方形シリコン領域において評価されている。
図３Ｂは、スプリッタ３２０の前半において入力の大部分が１：２の比で２つの出力ルートに分割され、後半において分割ビームは再び焦点を合わせられ、各出力導波路の中央に沿って中心を合わせられることを示す、１：２パワースプリッタ３００の主要Ｅ場分布プロットを示す。
図３Ｃは、１％未満の反射で９０％を超える伝送効率を示す完成デバイスの伝送及び反射を示す。
図４Ａは、本開示の実施形態による１：３パワースプリッタ４００を示す。１：３パワースプリッタ４００は、図２Ａ及び図３Ａに示すのと同様にして実現することができる。上記で論考したように、いくつかの場合、パワースプリッタの設計最適化に従って、いくつかの摂動セグメントは、摂動セグメントの群からピッチｄよりも離して配置することができる。１：３のパワー分割比に起因して、第１の入力幅は第２の入力幅よりも小さいことに留意されたい。
図４Ｂは、スプリッタ４２０の前半において入力の大部分が１：３の比で２つの出力ルートに分割され、後半において分割ビームは再び焦点を合わせられ、各出力導波路の中央に沿って中心を合わせられることを示す、１：３パワースプリッタ４００の主要Ｅ場分布プロットを示す。
図４Ｃは、最適化されたデバイスが、１％未満の後方反射で９０％の伝送効率を得ることができることを示す。
図５Ａは、入力ポート及び出力ポートにおける導波路幅の拡張を伴わない同じパワースプリッタを示す図５Ｄの概略図と比較した、本開示の実施形態による１：３パワースプリッタ５００を示す概略図を示す。
図５Ｃは、より高い後方反射及びより低い伝送効率を示す図５Ｆと比較して、１００ｎｍの帯域幅にわたる－２５ｄＢ未満の後方反射が得られることを示すシミュレーション結果を示す。これは、出力ポートを広げ、これにより出力ビーム方向に対し垂直方向の壁の幅を低減することで、伝送効率が増大し、反射が低減することを示す。
上記の例において、パワースプリッタの入力側は、入力ビームを所望の分割比に分割する摂動セグメントを有する一方で、分割ビームは、パワースプリッタの出力側において、再び焦点を合わせられ、出力ポートに対し平行に再び方向付けされ、各出力導波路の中央に沿って中心を合わせられる。ここで、パワーの５０％超がガイド材料５２１内をガイドされる。
図６Ａは、パワースプリッタのブロードバンドスペクトル応答の範囲を調査するために、本開示の実施形態よる１：３（パワー比）のパワースプリッタ６００を示す概略図を示す。
図６Ｂは、最適化されたデバイスが、１．４５μｍ～１．６５μｍのスペクトル範囲における－０．４６±０．０５ｄＢの一定のブロードバンド伝送効率と、より広い１．３μｍ～１．８μｍのスペクトル範囲における－０．９７ｄＢの伝送効率とを示すことを示す。
図６Ｃ、図６Ｄ及び図６Ｅは、１．３μｍ、１．５５μｍ及び１．８μｍにおける図６Ａの１：３パワースプリッタのＥ場（電界）分布プロットを示す。１．３μｍ、１．５５μｍ及び１．８μｍの波長を有する光ビームが、出力ポートにおいて１：３の予め設計されたパワー比に従ってパワースプリッタによって適切に分布していることがわかる。単一のフォトニックデバイスを、異なる波長を有する入力光学（光）ビームを所定のパワー比に分割することを可能にするパワースプリッタとして用いることができることが有利である。
本発明の上記の実施形態は、機能を分割する利点を示した。第１の領域は、入力ビームを分割して、目標分割比にすることに集中する。第２の領域は、第１のビーム及び第２のビームを、それらの出力ポートへの結合が効率的になるように再成形することに集中する。各領域は、その領域の機能を最大にするように最適化することができる。
さらに、本発明の他の実施形態によれば、出力ポートにおける所定の（予め設計された）パワー比に従って入力光学ビームの光パワーを複数の出力ビームに効率的に分割することができるパワースプリッタのための新規のフォトニックデバイスを開示する。この場合、フォトニックデバイスは、入力パワーを有する入力ビームを受信するように構成された入力ポートと、第１の屈折率を有するガイド材料の第１の領域及び第２の領域内に配置された摂動セグメントを含むパワースプリッタであって、各セグメントは第２の屈折率を有し、第１の領域は、入力ビームを広げるように構成され、第２の領域は、広げられた入力ビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成され、第１の屈折率は第２の屈折率よりも高い、パワースプリッタと、それぞれ第１のビーム及び第２のビームを送信するようにパワースプリッタに接続された第１の出力ポート及び第２の出力ポートを含む出力ポートとを備える。上記の概念によるいくつかの例が以下で説明される。
図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、パワースプリッタを介して入力ポートから出力ポートまでフォトニックデバイスを通って伝播する光波を示す。図７Ａは、他の実施形態によるフォトニックデバイス７００の例を示す。フォトニックデバイス７００は、第１の屈折率ｎ１を有するガイド材料７２１の第１の領域及び第２の領域内に配置された摂動セグメント７２２を含むパワースプリッタ７２０を備え、各セグメントは第２の屈折率ｎ２を有し、第１の領域は入力ビームを広げるように構成され、第２の領域は、広げられた入力ビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成される。さらに、フォトニックデバイス７００は、それぞれ第１のビーム及び第２のビームを送信する第１の出力ポート７３０及び第２の出力ポート７４０を備える。図７Ａにおけるフォトニックデバイスの第１の領域において、摂動セグメントは、摂動セグメントの第２の領域の前に入力ビームを広げるように機能し、摂動セグメントの第２の領域において、広げられた入力ビームは２つの出力ビーム（第１の出力ビーム及び第２の出力ビーム）に分割され、分割された出力ビームは、それぞれ第１の出力ポート及び第２の出力ポートを通って伝送するように位置合わせされることに留意すべきである。
他方で、図７Ｂ及び図７Ｃは、第１の屈折率を有するガイド材料の第１の領域及び第２の領域内に配置された摂動セグメントを含むパワースプリッタを有するフォトニックデバイスの例を示し、各セグメントは第２の屈折率を有し、第１の領域は、入力ビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成され、第２の領域は、第１のビーム及び第２のビームを別個にガイドするように構成される。図７Ｂ及び図７Ｃにおけるフォトニックデバイスの第１の領域における摂動セグメントは、摂動セグメントの第２の領域の前に入力ビームを２つのビームに分割するように機能することに留意すべきである。
図７Ａは、入力光を１：１のパワー比で２つの光ビームに分割する１：１パワースプリッタ７２０を有するフォトニックデバイス７００Ａを示す。図７Ｂは、入力光を１：２のパワー比で２つの光に分割する１：２パワースプリッタを有する別のフォトニックデバイス７００Ｂを示す。図７Ｃは、入力光を１：３のパワー比で２つの光に分割する１：３パワースプリッタを有する他のフォトニックデバイス７００Ｃを示す。
フォトニックデバイスのそれぞれが、入力ポート、パワースプリッタ及び出力ポートを備える。パワースプリッタは、図において円で示される第１の屈折率材料及び第２の屈折率材料（開口（孔）又は周囲エリアの材料と異なる材料、例えば二酸化シリコン：ＳｉＯ２）からなる摂動セグメントを含む。例えば、第１の屈折率材料の第１の屈折率は、第２の屈折率材料の屈折率よりも高い場合がある。さらに、入力ポートと、出力ポートの材料と、円の周囲エリアとは、同一の材料とすることができる。
パワースプリッタのそれぞれが、少なくとも２つの機能領域、すなわち第１の領域及び第２の領域を含む。図７Ａにおいて、第１の領域における摂動セグメントは、入力ビームをパワースプリッタの第２の領域に渡す前に入力光学ビームを広げる役割を果たすことができる。
全ての場合に、入力ビームは、広げられた入力導波路ポートを通ってパワースプリッタ（ナノ構造パワースプリッタ）に入る。パワースプリッタの第１の領域において摂動セグメントと相互作用した後、分割パワー比が決定され、パワースプリッタの第２の領域を通って伝播した後、伝播するビームの波ベクトルが方向付けられ、対応する出力ポートの中心に位置合わせされる。いくつかの場合、第１の領域及び第２の領域の長さの比は、５０％～６５％とすることができる。これらの比は、１．４５μｍ～１．６５μｍの波長の伝送の線形性をもたらすことができる。そのような伝送特性は、実際の使用（産業的使用）において有利である。
さらに、超コンパクトパワースプリッタは、他のデバイスとカスケード接続して、任意の数の分割ルート及び比を処理することもできる。図８は、７つのパワースプリッタを用いる、１つの入力から８つの出力へのパワースプリッタの例を示す。
入力ポート及び出力ポート並びにパワースプリッタは、様々な材料系において実施することができる。上記の例はＳＯＩを用いた。代替的に、二酸化シリコン上に堆積された窒化シリコンを用いることができる。さらに、インジウム燐（ＩｎＰ）基板上に成長したインジウムガリウムヒ素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）材料層も用いることができる。
いくつかの場合、入力ポートの幅又は出力ポートの各幅は、フォトニックデバイス全体にわたる入力ビームの単一モードの伝播をサポートするように０．５μｍよりも広い。
さらに、フォトニックデバイスは、入力側又は出力ポート側に配置された１つ以上のポートを含むことができ、全てのポートの幅は同一である。
フォトニックデバイスの場合、第１のポートからの後方反射は、－２０ｄＢ未満となるように構成される。さらに、パワースプリッタにおける摂動セグメントは、入力ビームの伝播方向に沿った第１のビーム及び第２のビームの導波路状の経路を形成するように配置することができる。
本発明の上述した実施形態は、ＴＥモードのみを説明した。しかしながら、デバイスは、磁気的横波（ＴＭ）モードのために設計することもできる。
また、本発明の実施形態は方法として具現することができ、その一例が提供されてきた。その方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法において順序化することができる。したがって、例示的な実施形態において順次の動作として示される場合であっても、例示されるのとは異なる順序において動作が実行される実施形態を構成することもでき、異なる順序は、いくつかの動作を同時に実行することを含むことができる。
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、相反原理に起因して、スプリッタがポート２及び３において入力の光パワーを２つの任意の光パワーに分割する場合、デバイスは、ポート２及び３からの光パワーをポート１に結合するために等しく良好に機能する。

Claims (13)

  1. 光学ビームを分割するフォトニックデバイスであって、
    入力パワーを有する入力ビームを受信するように構成された入力ポートと、
    第１の屈折率を有するガイド材料の第１の領域及び第２の領域内に配置された分割セグメントおよび摂動セグメントを含むパワースプリッタであって、
    前記分割セグメントおよび前記摂動セグメントはナノ構造セグメントの群により構成され、
    前記分割セグメントおよび前記摂動セグメントは第２の屈折率を有し、
    前記第１の領域は、前記分割セグメントが前記ガイド材料の領域内で設けられる位置によって定義される第１の入力幅および第２の入力幅によって決められる比率に基づいて、前記入力ビームを前記第１の入力幅によってガイドされる第１のビーム及び前記第２の入力幅によってガイドされる第２のビームに分割するように構成され、
    前記第２の領域は、前記第１のビーム及び前記第２のビームを別個にガイドするように構成され、
    前記第１の屈折率は前記第２の屈折率よりも高く、前記摂動セグメントの間の最小ピッチｄは、以下の条件を満たすように配置され、
    Figure 0007142730000002
     ここで、ｎｅｆｆは前記ガイド材料の導波路モードの最高実効屈折率であり、λは前記入力ビームの波長である、
    パワースプリッタと、
    それぞれ前記第１のビーム及び前記第２のビームを受信及び送信するように前記パワースプリッタに接続された第１の出力ポート及び第２の出力ポートを含む出力ポートと、
    を備え、
    前記分割セグメントは、前記入力ポートから前記出力ポートに向かう方向に配置される、フォトニックデバイス。
  2. 前記出力ポートは出力材料から形成され、
    前記入力ポートは入力材料から形成され、
    前記第１の出力ポート及び前記第２の出力ポートの幅は同一であり、
    前記パワースプリッタの幅は、前記入力ポート並びに前記第１の出力ポート及び前記第２の出力ポートの幅よりも大きい、
    請求項１に記載のフォトニックデバイス。
  3. 前記入力材料、前記ガイド材料及び前記出力材料は同一の厚みを有する、
    請求項２に記載のフォトニックデバイス。
  4. 前記入力ポート及び前記出力ポートの幅のそれぞれは、前記パワースプリッタに向かって広がるように構成される、
    請求項１に記載のフォトニックデバイス。
  5. 前記入力材料、前記出力材料及び前記ガイド材料は同一の材料である、
    請求項２に記載のフォトニックデバイス。
  6. 前記同一の材料はシリコンである、
    請求項５に記載のフォトニックデバイス。
  7. 前記同一の材料はＩｎＧａＡｓＰである、
    請求項５に記載のフォトニックデバイス。
  8. 前記フォトニックデバイスは、最上層及び最下層を更に備え、
    第３の屈折率を有する前記最上層及び前記最下層は、前記入力ポート、前記パワースプリッタ及び前記出力ポートを挟持するように構成され、
    前記第１の屈折率は前記第３の屈折率よりも高い、
    請求項１に記載のフォトニックデバイス。
  9. 前記最上層及び前記最下層は、二酸化ケイ素層である、
    請求項８に記載のフォトニックデバイス。
  10. 前記摂動セグメントのそれぞれは、前記ガイド材料における孔によって形成される、
    請求項１に記載のフォトニックデバイス。
  11. 前記摂動セグメントのうちの少なくとも１つは、前記最小ピッチｄよりも大きな距離だけ他の摂動セグメントから離れ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。
  12. 前記入力材料及び前記出力材料の屈折率は、前記第１の屈折率と同一である、
    請求項２に記載のフォトニックデバイス。
  13. 前記第１の出力ポートのパワー及び前記第２の出力ポートのパワーのパワー比がＴ１：Ｔ２によって表され、
    Ｔ１＜Ｔ２であるとき、前記第１の出力ポートに対応する第１の入力幅は、前記第２の出力ポートに対応する第２の入力幅未満にな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。
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