JP7318864B2 - トポロジカル光回路 - Google Patents
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Description
本発明に係るトポロジカル光回路は、前記所定単位セルは、C 6v 対称性を有するナノホールを用いる場合、セルの中心(Γ点)からナノホールの中心までの距離r、ナノホールの1辺の長さのいずれかのパラメータを、前記フォトニック構造体および前記トポロジカルフォトニック構造体の前記パラメータと異ならせて、前記第2トポロジカル伝送路に分岐する光渦の分岐比率を変えるものであってもよい。
本発明に係るトポロジカル光回路は、前記フォトニック構造体のセルと前記トポロジカルフォトニック構造体のセルと前記所定単位セルとの間で、前記パラメータを変化させて、光渦の各出力ポートに分岐する磁界強度を制御するものであってもよい。
(原理説明)
トポロジカル絶縁体(Topological insulator)やワイル半金属(Weyl Semimetal)などにおける電子系のトポロジーをフォトンの系にトレースする試みは、トポロジカルフォトニクスと呼ばれ、近年急速に進展している。トポロジカル絶縁体は、バルクにはエネルギギャップを持つ絶縁体でありながら、エッジ(2次元系では端、3次元系では表面)にギャップレスの金属状態が生じている物質をいう。
SiやInPで作製された光回路の適当な領域にC6v対称性を有する誘電体が蜂の巣格子状に配列された構造を導入し、光渦制御が可能な回路を提供する。
トポロジカル光回路における光渦の伝送・制御のための基本要素として、以下の4つを含む。
1.特定の光渦を一意に伝送させる“トポロジカル伝送路”
2.光渦を任意の強度に合分波させる“トポロジカルスプリッタ/コンバイナ”
3.TE/TMモード伝送から光渦伝送へ変換させる“トポロジカルコンバータ”
4.特定の光渦を生成する“トポロジカルレーザ”
<トポロジカルエッジ伝送路の設計>
図1は、本発明の実施形態に係るトポロジカル光回路におけるトポロジカルエッジ伝送路の設計を説明する図である。
図1に示すように、蜂の巣格子状のセル121,122(図2参照)に対応するヘックスシート上に伝送路10を設定する。設定した伝送路10の両側のヘックス(ヘックスA,ヘックスB)に適当なTopological,Trivial構造を配置する。例えば、図1のヘックスAは、Trivial Ph.C.11(自明なフォトニック構造体)のセル121(図2参照)であり、図1のヘックスBは、Topological Ph.C.12(トポロジカルフォトニック構造体)のセル122(図2参照)である。
ここまでの設計で、入力された光渦をTrivial Ph.C.11とTopological Ph.C.12の境界のトポロジカルエッジ13の導波路上で光渦伝送させるトポロジカル伝送路が構成される。
図2は、トポロジカルエッジ伝送路(Topological edge state waveguide)20の構造の上面図(Si-based topological edge state waveguide we used in simulation)である。図3は、図2のトポロジカルエッジ伝送路20の構造の断面図(Cross section of topological edge state waveguide)である。
Trivial Ph.C.11は、C6v対称性を有する第1誘電体111が蜂の巣格子状(周期a=800nm)に配列された構造である。
Topological Ph.C.12は、C6v対称性を有する第2誘電体112が蜂の巣格子状(周期a=800nm)に配列された構造である。
Si膜133には、Si基板131に向かって、C6v対称性を有するナノホール111aとナノホール112aとが開孔され、残存Si膜133と当該Si膜133に開孔したナノホール111aからなるフォトニック構造は、Trivial Ph.C.11を形成する。また、残存Si膜133と当該Si膜133に開孔したナノホール112aからなるフォトニック構造は、Topological Ph.C.12を形成する。
Trivial Ph.C.11とTopological Ph.C.12の境界のトポロジカルエッジ13には、トポロジカルエッジモード(Topological edge mode)が発現している(図3の破線囲み参照)。
図4の右図に示すように、蜂の巣格子のセル121の中心をブリルアンゾーンの中心(原点)Γ点とする。また、ブリルアンゾーンの高対称点として、M点(長方形面の中心)、K点(2つの長方形面をつなぐ辺の中心)、A点(六角形面の中心)、H点(端点)、L点(六角形面と長方形面をつなぐ辺の中心)がある。
図4の左図のナノホール111aは、蜂の巣格子のセル121の中心(Γ点)からナノホール111aの中心までの距離r、ナノホール111aの1辺の長さlをパラメータとする。隣り合うナノホール111aのセル121の中心角は、π/3である。
Trivial Ph.C.11のナノホール111aの場合、例えばr=240nm,l=240nmである。
また、Topological Ph.C.12のナノホール112aの場合、例えばr=290nm,l=250nmである。
さらに、図4の左図に示すように、隣り合う蜂の巣格子のセル121同士の中心(Γ点)間距離a1、a2は、同じ(ここでは、a1,a2=800nm)である。
図7の濃淡は、磁界分布(Hy)の強度(濃いほど強度が大きい)を表わしている。図7に示すように、電磁場は、Trivial Ph.C.11とTopological Ph.C.12の境界のエッジ13に局在している。
トポロジカルエッジ伝送路20において適切な設計を行うことで、l=-2からl=+2までのチャージ数を持った光渦を一意的に伝送可能にする。特定のチャージ数を持った光渦を選択的に伝送する。
チャージ数l=±1は、1周して2πとなる光渦である。また、チャージ数l=±2は、2周して2πとなる光渦である。ここで、チャージ数lの正負の符号は、光渦伝搬方向により変わる。
図11は、図10の矩形で囲んだTrivial Ph.C.11の伝送路周囲の単位セルのモード分布の拡大図である。図11に示すように、チャージ数l=+1を持った光渦が伝搬していることが確認できた。
以上、特定の光渦を一意に伝送させる「トポロジカル伝送路」について説明した。次に、光渦を任意の強度に合分波させる「トポロジカルスプリッタ/コンバイナ」について説明する。
<トポロジカルスプリッタ/コンバイナの設計>
図16は、本発明の実施形態に係るトポロジカル光回路におけるトポロジカルスプリッタ/コンバイナ(Splitter/Combiner)の設計を説明する図である。
図16に示すように、分岐させたい伝送路を決め、エッジにある任意のセルを選択し、選択したセルの後部のセルの構造を逆転させる。
ここでは、光渦を分岐させたい位置におけるヘックスB(Topological Ph.C.12のセル122)を、ヘックスXに置き換える。また、ヘックスXにおいて分岐される光渦の伝搬方向のヘックスBをヘックスAに置き換える。ヘックスXは、ヘックスAおよびヘックスBの誘電体とは、異なる誘電体を有するセルである(後記)。ヘックスXは、例えば、C6v対称性を有するナノホールを用いる場合、セルの中心(Γ点)からナノホールの中心までの距離r、ナノホールの1辺の長さのいずれかのパラメータを、ヘックスAおよびヘックスBのパラメータと異ならせる。
図16に示すように、伝搬光を、ヘックスXの配置位置で2方向(図22のPort1,Port2参照)に分岐するトポロジカルスプリッタが構成される。
図17は、本発明の実施形態に係るトポロジカル光回路におけるトポロジカルスプリッタ/コンバイナで用いるTrivial Ph.C.11とTopological Ph.C.12のバンドダイヤグラムの概要図(Band diagram for optical vortex propagation with charge number of ±2)である。図18は、図17のTrivial Ph.C.11とTopological Ph.C.12のバンド図(Typical photonic bands for (left) trivial and (right) topological photonic crystals)である。図18の横軸にWave vector(2π/a)をとり、縦軸にNormalized frequency(ωa/2πc a/λ)をとる。横軸のWave vector(2π/a)のΓ点は、蜂の巣格子状のセル121(図2参照)のブリルアンゾーンの中心、K点は2つの長方形面をつなぐ辺の中心、M点は長方形面の中心である(図4の右図参照)。
本実施形態では、これらの構造を用いてトポロジカルエッジ伝送路におけるカプラを形成する。
図19に示すように、トポロジカルスプリッタ/コンバイナ30は、2つのトポロジカル伝送路の間に複数個の単位セル(ヘックスX)で構成されたナノカプラを配置した構造となっている。図18のバンド図に示すように、ヘックスXのセルに配置する構造を調整することにより、2方向(図19のPort1,Port2参照)に分岐する光渦の分岐比率を変えることができる。
以上は、トポロジカルスプリッタ/コンバイナの場合であるが、第1誘電体および第2誘電体を調整することにより、コンバイナにおける混合比率を変えることができる。
また、各ポートで光渦が維持されていることを確認した。
図23に示すように、構造Aと構造Bの間でパラメータr,lを変化させることで、各ポートに分岐する磁界強度を制御することが可能であることが確認できた。
(1)トポロジカルカプラ領域Xに構造A~構造Cの構造を配置することで、トポロジカル光の分岐を確認した。
(2)1:1分岐(ヘックスXに構造Cを配置)の際、各ポートで光渦が維持されていることを確認した。
(3)構造A~構造Cの間でパラメータr,lを変化させることで、各ポートに分岐する磁界強度を制御することが可能である。
以上、光渦を任意の強度に合分波させる「トポロジカルスプリッタ/コンバイナ」について説明した。次に、TE/TMモード伝送から光渦伝送へ変換させる「トポロジカルコンバータ」について説明する。
<トポロジカルコンバータの設計>
図24および図25は、本発明の実施形態に係るトポロジカル光回路におけるトポロジカルコンバータ40の設計を説明する図である。図24は、導波路をトポロジカルフォトニック構造10から離隔配置したトポロジカルコンバータ40の構造を示す図であり、図25は、図24のトポロジカルコンバータ40における光渦伝送への変換のシミュレーション結果を示す図である。
Input用Si系導波路41およびMonitor用Si系導波路42は、例えばc-Si(Crystal silicon)からなるc-Si導波路、またはa-Si(amorphous silicon):Hからなるa-Si:H導波路である。
ここで、Input用Si系導波路41およびMonitor用Si系導波路42の材料として、a-Si:Hを用いると、a-Si:Hは低温で積層できるのでInput用Si系導波路41およびMonitor用Si系導波路42に繋がるトポロジカルフォトニック構造10にダメージを与えないので好ましい。
Input用Si系導波路41およびMonitor用Si系導波路42は、先端に向かって幅が狭くなるテーパ(taper)41a,42aを有する。テーパ41a,42aは、実行屈折率を基に、光の反射を許容するテーパ形状である。実行屈折率とは、実効的に光のモード全体がどの屈折率を感じているかを示す指標である。実行屈折率が低ければ低い程、結合長を短くできる。結合長は、ある%で結合効率をとるために必要な長さである。通常、70~80%の結合効率をとる場合のテーパ長の長さで表される。
トポロジカルフォトニック構造10は、Input用Si系導波路41およびMonitor用Si系導波路42を挿入する、Trivial Ph.C.11とTopological Ph.C.12の対抗面にそれぞれテーパ11aと12aが形成されている。
以上、TE/TMモード伝送から光渦伝送へ変換させる「トポロジカルコンバータ」について説明した。次に、特定の光渦を生成する、「トポロジカルレーザ」について説明する。
<トポロジカルレーザの設計>
図26および図27は、トポロジカルレーザ50の構造を示す図である。図26は、トポロジカルレーザ50の構造の上面図、図27は、図26のA-A断面を90°回転して示す断面図である。図3と同一構成部分には、同一符号を付している。
図26に示すように、トポロジカルレーザ50は、Siチップ上にZ2トポロジー構造により設計(Designed Z2 topological structure)された、トポロジー構造体であるTopological Ph.C.12(図26破線囲み参照)と、Trivial構造体であるTrivial Ph.C.11(図26破線囲み参照)と、Topological Ph.C.12とTrivial Ph.C.11との境界のトポロジカルエッジ13と、Siチップ上に開口され、レーザ発振光を通すキャビティ付きゲイン領域(gain region with cavity)51と、を備える。
InGaAsP膜233には、Si基板131に向かって、C6v対称性を有するナノホール112a(図2参照)が開孔され、残存InGaAsP膜233と当該InGaAsP膜233に開孔したナノホール112aのフォトニック構造は、Topological Ph.C.12を形成する。
Topological Ph.C.12とTrivial Ph.C.11との境界のトポロジカルエッジ13には、トポロジカルエッジモード(Topological edge mode)が発現している。
また、InGaAsP膜233に形成されたキャビティ付きゲイン領域51には、レーザ発振光が通される。
C6v対称性を有する誘電体が蜂の巣格子状に配列された構造におけるZ2トポロジーの発現によって、光渦の伝送とともに、その制御が可能なトポロジカルエッジ状態を実現できる。光渦は、波面のらせん周期に情報を乗せることができ、理論上無限チャネル多重化に途を拓くことが期待できる。
光渦の伝送は、光の軌道角運動量を反映しているので、散乱なく光の透過を制御できる。
なお、Trivial Ph.C.11(自明なフォトニック構造体)における「自明な」(Trivial)とは、Topological Ph.C.12(トポロジカルフォトニック構造体)と区別(対比)するためのものとして記載しており、「自明な」それ自体を厳格に定義するものではない。このため、「自明な」を削除することも可能である。
また、上記実施の形態では、トポロジカル光回路という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、光回路、光渦伝送回路等であってもよい。
10 トポロジカルフォトニック構造
11 フォトニック結晶(Trivial Ph.C.)(自明なフォトニック構造体)
12 トポロジカルなフォトニック結晶(Topological Ph.C.)(トポロジカルフォトニック構造体)
13 トポロジカルエッジ
20 トポロジカルエッジ伝送路
30 トポロジカルスプリッタ/コンバイナ
40 トポロジカルコンバータ
41 Input用Si系導波路
42 Monitor用Si系導波路
50 トポロジカルレーザ
111 第1誘電体
112 第2誘電体
121 Trivial Ph.C.のセル
122 Topological Ph.C.のセル
150 光渦
Claims (14)
- バルクがエネルギギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体と、
内部がエネルギギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体と、
前記フォトニック構造体と前記トポロジカルフォトニック構造体の境界において光渦伝搬が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジと、を有し、
前記フォトニック構造体は、C 6v 対称性を有するナノホールを含む第1誘電体が蜂の巣格子状セルに配列される構造を備え、
前記トポロジカルフォトニック構造体は、C 6v 対称性を有するナノホールを含む第2誘電体が蜂の巣格子状セルに配列される構造を備え、
前記フォトニック構造体および前記トポロジカルフォトニック構造体は、
前記蜂の巣格子の中心から前記ナノホールの中心までの距離、前記ナノホール1辺の長さの少なくともいずれかをパラメータとし、当該パラメータを調整して、前記フォトニック構造体および前記トポロジカルフォトニック構造体のバンドエッジを対象波長に近接させる
ことを特徴とするトポロジカル光回路。 - 前記フォトニック構造体は、配列されたセル内でC 6v 対称性を有する第1誘電体を備え、
前記トポロジカルフォトニック構造体は、配列されたセル内でC 6v 対称性を有する第2誘電体を備える
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - 前記トポロジカルフォトニック構造体は、Z2トポロジーで表わされるトポロジカル構造である
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - 前記パラメータを調整して、特定のチャージ数を持った光渦を伝送させる
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - 前記チャージ数は、1周して2πとなる光渦の伝搬を許容する-1から+1までのチャージ数と、2周して2πとなる光渦の伝搬を許容する-2から+2までのチャージ数と、を含む
ことを特徴とする請求項4に記載のトポロジカル光回路。 - 前記トポロジカルエッジは、特定の光渦を伝送させるトポロジカル伝送路を構成する
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - 光渦を任意の強度に合分波させるトポロジカルスプリッタおよびコンバイナを備え、
前記トポロジカルスプリッタおよびコンバイナは、
前記フォトニック構造体と前記トポロジカルフォトニック構造体の境界においてトポロジカルエッジ状態を発現する第1トポロジカル伝送路と、前記第1トポロジカル伝送路から光渦を分岐させる位置における前記トポロジカルフォトニック構造体の複数個のセルを、前記フォトニック構造体のセルおよび前記トポロジカルフォトニック構造体のセルの誘電体とは、異なる誘電体を有するセルに置き換えた所定単位セルと、前記所定単位セルにおいて分岐される光渦の伝搬方向の当該所定単位セルを、前記フォトニック構造体のセルの誘電体に置き換えた第2トポロジカル伝送路セルと、前記所定単位セルおよび第2トポロジカル伝送路セルと前記トポロジカルフォトニック構造体の境界においてトポロジカルエッジ状態を発現する第2トポロジカル伝送路と、を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - 前記所定単位セルは、C 6v 対称性を有するナノホールを用いる場合、セルの中心(Γ点)からナノホールの中心までの距離r、ナノホールの1辺の長さのいずれかのパラメータを、前記フォトニック構造体および前記トポロジカルフォトニック構造体の前記パラメータと異ならせて、前記第2トポロジカル伝送路に分岐する光渦の分岐比率を変える
ことを特徴とする請求項7に記載のトポロジカル光回路。 - 前記フォトニック構造体のセルと前記トポロジカルフォトニック構造体のセルと前記所定単位セルとの間で、前記パラメータを変化させて、光渦の各出力ポートに分岐する磁界強度を制御する
ことを特徴とする請求項7に記載のトポロジカル光回路。 - 光渦を任意の強度に合分波させるトポロジカルスプリッタおよびコンバイナを備え、
前記トポロジカルスプリッタおよびコンバイナは、
分岐位置のフォトニック構造体の誘電体を、前記フォトニック構造体の前記第1誘電体および前記トポロジカルフォトニック構造体の前記第2誘電体と異ならせて、前記分岐位置においてトポロジカル伝送路を分岐する、
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - 光渦を任意の強度に合分波させるトポロジカルスプリッタおよびコンバイナを備え、
前記トポロジカルスプリッタおよびコンバイナは、
前記蜂の巣格子の中心から前記ナノホールの中心までの距離、前記ナノホール1辺の長さの少なくともいずれかをパラメータとし、当該パラメータを、
分岐位置のフォトニック構造体の誘電体、前記フォトニック構造体の前記第1誘電体、前記トポロジカルフォトニック構造体の前記第2誘電体について、それぞれ調整して、各トポロジカル伝送路を伝搬する光渦の出力強度を変える、
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - TE(Transverse Electric)/TM(Transverse Magnetic)モードの光を光渦伝送へ変換するトポロジカルコンバータを備え、
前記トポロジカルコンバータは、
TE/TMモードの光を伝送する導波路を備え、
前記導波路に入れたTE/TM波を前記トポロジカルエッジに入力し、トポロジカルエッジ状態で光渦に変換する、
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。 - TE(Transverse Electric)/TM(Transverse Magnetic)モードの光を伝送するInput用導波路と、TE/TMモードの光を伝送するOutput用導波路と、前記トポロジカルエッジを有するトポロジカルフォトニック構造と、からなるトポロジカルコンバータを備え、
前記トポロジカルエッジは、
Input用導波路に入れたTE/TM波を光渦に変換して前記トポロジカル伝送路上を光渦伝送し、前記トポロジカル伝送路上を伝送した光渦をTE/TM波に変換してOutput用導波路に導く、
ことを特徴とする請求項6に記載のトポロジカル光回路。 - 特定の光渦を生成するトポロジカルレーザを備え、
前記トポロジカルレーザは、
レーザ発振光を前記トポロジカルエッジに通して、当該トポロジカルエッジに沿って、特定の光渦を生成する、
ことを特徴とする請求項1に記載のトポロジカル光回路。
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