JP7449374B2 - マルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ - Google Patents
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Description
[0001] 本出願は、2019年11月11日に出願された米国特許出願第16/679579号に基づき、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[0002] 本開示は、概して、フォトニックデバイスに関し、具体的には、排他的ではなく、光マルチプレクサ及びデマルチプレクサに関する。
[0003] 光ファイバ通信は、典型的には、情報を搬送するために変調されている光を介して、ある場所から別の場所に情報を送信するために採用される。例えば、多くの電気通信会社は、光ファイバを使用して、電話信号、インターネット通信及びケーブルテレビ信号を送信する。しかし、光ファイバ通信用の光ファイバを配備するためのコストは、法外なものであり得る。従って、単一の光ファイバ内で利用可能な帯域幅をより効率的に使用するための技法が開発されてきた。そのような技法の1つは、異なる波長を使用して多数の光搬送波信号を単一の光ファイバにまとめる、波長分割多重化である。
[0004] 本発明の非限定的且つ非包括的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、別段の指定がない限り、様々な図全体を通じて、同様の参照番号は、同様の部分を指す。適切な場合には、図面が乱雑にならないようにするため、必ずしもすべての要素の例にラベルが付けられているとは限らない。図面は必ずしも原寸に比例するとは限らず、代わりに、説明されている原理を示すことに重点を置く。
[0017] 本明細書では、マルチチャネルフォトニックデマルチプレクサを含むフォトニック集積回路の実施形態及びフォトニック集積回路の設計を生成するための方法について説明する。以下の説明では、実施形態の完全な理解を提供するため、多くの特定の詳細について記載する。しかし、当業者であれば、特定の詳細のうちの1つ若しくは複数がなくとも、又は、他の方法、コンポーネント、材料などを用いても、本明細書で説明される技法を実践できることが認識されよう。他の例では、ある態様を曖昧にすることを避けるため、周知の構造、材料又は動作については、詳細に示すことも説明することもしない。
φ(xi,bi,z)=A(z)xi+B(z)bi (1)
として記述できることに留意されたい。すなわち、FDTD更新は、フィールド及びソース項に関して線形である。具体的には、
及び
は、構造パラメータzに依存し、且つ、フィールドxi及びソースbiのそれぞれに作用する線形演算子である。ここでは、
と想定され、Nは、動作シミュレーションにおけるFDTDフィールド成分の数である。それに加えて、損失演算(例えば、損失関数)は、L=f(xi,...,xn)によって与えることができ、演算されたフィールドを入力として取り入れ、低減及び/又は最小化することができる単一の実数値スカラー(例えば、損失メトリクス)を生成するものである。
であり、これは、損失値に対する構造パラメータの変化の影響を説明するために使用され、図7Aに示される構造勾配768として示される。
の演算に関与する動作及び随伴シミュレーション関係を要約するものであり、
及び
が含まれる。動作シミュレーションの更新演算714は、i番目の時間ステップにおける複数のボクセルのフィールド値713(xi)を次の時間ステップ(すなわち、i+1時間ステップ)に更新し、それは、フィールド値715(xi+1)に対応する。勾配755は、逆伝播(例えば、時間の逆行に伴う更新演算356)に対する
を決定するために利用され、これは勾配769と組み合わされて、少なくとも部分的に構造勾配
を計算するために使用される。
は、損失メトリクスLへの各フィールドの寄与である。これは偏導関数であるため、xi→xi+1の因果関係を考慮しないことに留意されたい。従って、xi→xi+1関係を包含する
が利用される。また、損失勾配
は、構造勾配
を演算するために使用することもでき、損失値Lに関するフィールドの全導関数に対応する。特定の時間ステップiにおける損失勾配
は、
の総和に等しい。最後に、フィールド勾配に対応する
が使用されるが、これは、各時間/更新ステップから
への寄与である。
及び
を直接演算するためのメモリフットプリントは非常に大きいため、手に余る数の状態テンソルを格納することは難しい。状態テンソルは、単一のシミュレーション時間ステップに対するFDTDセル(例えば、複数のボクセル)のすべての値の格納に対応する。「テンソル」という用語は、数学的な意味でのテンソル又はAlphabet,Incによって開発されたTensorFlowフレームワークによって説明されるようなテンソルを指し得ることが理解されている。いくつかの実施形態では、「テンソル」という用語は、特定の変換法則に従う多次元アレイに対応する数学的なテンソルを指す。しかし、大部分の実施形態では、「テンソル」という用語は、TensorFlowテンソルを指し、潜在的により高い次元(例えば、ベースデータタイプのn次元アレイ)へのベクトル及び行列の一般化として説明され、必ずしも特定の変換法則に限定されるとは限らない。例えば、一般的な損失関数fの場合、すべての時間ステップiに対するフィールドxiを格納する必要があり得る。この理由は、fの大部分の選択に対して、勾配がfの独立変数の関数であるためである。この難易度は、フィールド応答の漸進的な更新が原因で及び/又は損失メトリクスの逆伝播を通じて、より大きな値のiに対する
の値が、より小さな値のiに対する値の前に必要とされるという事実によって悪化し、それにより、即時の時間ステップにおける
の値のみの格納を試みるスキームを使用することができなくなる。
を演算する際にさらに示され、次式によって与えられる:
完全を期すため、
の総和の第1の項の完全な形態は、次式として表される:
方程式(1)によって説明されるようなφの定義に基づくと、
であり、これは、方程式(3)に代入して、逆伝播の随伴更新(例えば、更新演算756などの更新演算)に到達させることができ、それは以下の式として表せることに留意されたい:
又は
に対するバックワードソルブと呼ぶこともできる。より具体的には、損失勾配は、最初は、損失関数を用いて動作シミュレーションから決定された損失メトリクスの逆伝播に基づき得る。構造勾配
の総和の第2の項はフィールド勾配に対応し、次式として示される:
[0074] 方程式(1)によって説明されるφの特定の形態に対して。従って、
と関連付けられた総和の各項は、
(i≧i0)と
(i<i0)の両方に依存する。これらの2つの項の依存性の連鎖は相対する方向にあるため、
をこのように演算するためには、すべてのiに対するxi値を格納する必要があると結論付けられる。いくつかの実施形態では、すべてのフィールド値を格納する必要性は、フィールド表現を低減することによって軽減することができる。
Claims (13)
- 4つの異なる波長チャネルを含むマルチチャネル光信号を受信するための入力領域と、
各々が前記マルチチャネル光信号から逆多重化された前記4つの異なる波長チャネルの対応するものを受信するための4つの出力領域と、
前記入力領域と前記4つの出力領域との間に光学的に配置された分散領域と、
を含み、
前記分散領域が、第1の材料及び第2の材料を含み、前記第1の材料及び第2の材料が、複数の界面を形成するように不均一に散在し、前記複数の界面の各々が、前記分散領域の屈折率の変化に対応し、及び前記分散領域を集合的に構造化して、前記入力領域が前記マルチチャネル光信号を受信すると、前記マルチチャネル光信号から前記4つの異なる波長チャネルの各々を光学的に分離し、前記4つの異なる波長チャネルの各々を前記4つの出力領域の対応するものにそれぞれ誘導するものであり、
前記複数の界面が、前記第2の材料を含む周辺領域によって少なくとも部分的に囲まれる前記分散領域の平面に沿った材料界面パターンを形成しており、
前記材料界面パターンが、複数のアイランドを含み、前記複数のアイランドに含まれる第1のアイランドが、前記第1の材料から形成され、前記第2の材料によって囲まれ、前記複数のアイランドに含まれる第2のアイランドが、前記第2の材料から形成され、前記第1の材料によって囲まれる、マルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。 - 前記材料界面パターンが、前記周辺領域から前記分散領域へと延伸する、前記第2の材料から形成された突出部を含む、請求項1に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記材料界面パターンが、1つ又は複数の樹枝状の形状を含み、前記1つ又は複数の樹枝状の形状の各々が、前記第1の材料又は前記第2の材料から形成され、対応する方向に沿ってサイズが交互に増減される幅を有する分岐構造として定義される、請求項1に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記第1の材料及び前記第2の材料が、前記材料界面パターンが反復最適化に基づく逆設計プロセスで得られる設計に実質的に比例するように、前記分散領域内に配列及び成形される、請求項1に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記逆設計プロセスが、前記反復最適化を通じて調整される性能損失及び製作損失を組み込む損失関数に少なくとも部分的に基づく、請求項4に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記マルチチャネル光信号から前記4つの異なる波長チャネルの各々を光学的に分離することが、100μm×100μm又はそれ未満の既定のエリア内で行われるように構成
された、請求項1に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。 - 前記分散領域が、前記4つの異なる波長チャネルの各々に対して共通の帯域幅に対応するように構造化され、前記4つの異なる波長チャネルの各々が、異なる中心波長を有し、前記共通の帯域幅が、およそ13nm幅であり、前記異なる中心波長が、1271nm、1291nm、1311nm、1331nm、1511nm、1531nm、1551nm又は1571nmの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記分散領域が、前記4つの異なる波長チャネルのうちの1つの波長チャネル内の所定の波長に対して、前記入力領域から、前記分散領域を通じて、前記4つの出力領域の前記対応するものに至るまで、-2dB以上のパワー伝送を有するように構造化される、請求項1に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記分散領域が、前記入力領域から前記4つの出力領域の前記対応するもの以外の前記4つの出力領域のいずれかへの前記所定の波長に対する好ましくないパワー伝送が-30dB以下であるか、前記4つの異なる波長チャネルの各々の帯域通過領域内のリップルが1dB以下であるか、又は、前記マルチチャネル光信号の最大パワー反射が-40dB以下であるかの少なくとも1つを有するようにさらに構造化される、請求項8に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記分散領域が、第1の側部と、前記第1の側部の反対側の第2の側部とを含み、前記入力領域が、前記第1の側部のすぐ近くに配置され、前記4つの出力領域が、前記第2の側部のすぐ近くに配置され、前記4つの出力領域の各々が、前記4つの出力領域の他の各々と平行に位置決めされる、請求項1に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 前記4つの出力領域の隣接する対が、共通の離隔距離だけ互いに離隔される、請求項10に記載のマルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
- 複数の異なる波長チャネルを含むマルチチャネル光信号を受信するための入力領域と、
各々が前記マルチチャネル光信号から逆多重化された前記複数の異なる波長チャネルの対応するものを受信するための複数の出力領域と、
前記入力領域と前記複数の出力領域との間に光学的に配置された分散領域と、
を含み、
前記分散領域が、第1の材料及び第2の材料を含み、前記第1の材料及び第2の材料が、複数の界面を形成するように不均一に散在し、前記複数の界面の各々が、前記分散領域の屈折率の変化に対応し、及び前記分散領域を集合的に構造化して、前記入力領域が前記マルチチャネル光信号を受信すると、前記マルチチャネル光信号から前記複数の異なる波長チャネルの各々を光学的に分離し、前記複数の異なる波長チャネルの各々を前記複数の出力領域の対応するものにそれぞれ誘導するものであり、
前記複数の界面が、前記第2の材料を含む周辺領域によって少なくとも部分的に囲まれる前記分散領域の平面に沿った材料界面パターンを形成しており、前記材料界面パターンが樹枝状形状を含み、前記樹枝状形状が、第1の材料又は第2の材料から形成される分岐構造として定義され、前記樹枝状形状が、対応する方向に沿ってサイズが交互に増減される幅を有する、マルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。 - 複数の異なる波長チャネルを含むマルチチャネル光信号を受信するための入力領域と、
各々が前記マルチチャネル光信号から逆多重化された複数の異なる波長チャネルの対応するものを受信するための複数の出力領域と、
前記入力領域と前記複数の出力領域との間に光学的に配置された分散領域と、
を含み、
前記分散領域が、第1の材料及び第2の材料を含み、前記第1の材料及び第2の材料が、複数の界面を形成するように不均一に散在し、前記複数の界面の各々が、前記分散領域の屈折率の変化に対応し、及び前記分散領域を集合的に構造化して、前記入力領域が前記マルチチャネル光信号を受信すると、前記マルチチャネル光信号から前記複数の異なる波長チャネルの各々を光学的に分離し、前記複数の異なる波長チャネルの各々を前記複数の出力領域の対応するものにそれぞれ誘導するものであり、
前記分散領域が、前記複数の異なる波長チャネルのうちの1つの波長チャネル内の所定の波長に対して、前記入力領域から、前記分散領域を通じて、前記複数の出力領域の前記対応するものに至るまで、-2dB以上のパワー伝送を有するように構造化され、
前記分散領域が、前記入力領域から前記複数の出力領域の前記対応するもの以外の前記複数の出力領域のいずれかへの前記所定の波長に対する好ましくないパワー伝送が-30dB以下であるか、前記複数の異なる波長チャネルの各々の帯域通過領域内のリップルが1dB以下であるか、又は、前記マルチチャネル光信号の最大パワー反射が-40dB以下であるかの少なくとも1つを有するようにさらに構造化され、
前記複数の界面が、前記第2の材料を含む周辺領域によって少なくとも部分的に囲まれる前記分散領域の平面に沿った材料界面パターンを形成しており、
前記材料界面パターンが、複数のアイランドを含み、前記複数のアイランドに含まれる第1のアイランドが、前記第1の材料から形成され、前記第2の材料によって囲まれ、前記複数のアイランドに含まれる第2のアイランドが、前記第2の材料から形成され、前記第1の材料によって囲まれる、マルチチャネルフォトニックデマルチプレクサ。
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