(57)【要約】本発明は、誘電性ガイドとフォトニック結晶ガイドとの間の信号のカップリングを最適化する方法に関する。この発明方法は、双方のガイドの間の幅を適合させる必要があるカップリング構造に点欠陥を導入することに基づく。欠陥の数や特徴は、カップリング構造および、フォトニック結晶ガイドと誘電性ガイドの双方に依存する。欠陥を上述の構造に導入することにより、カップリングが広範囲の周波数で最適化され、これにより、効率の悪いカップリングによる性能の低下なく、光信号が、フォトニック結晶から形成されたデバイスに入射され、またはデバイスから出射される。
2005535926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電性光ガイドとプレーナフォトニック結晶ガイドとの間のカップリングシステムであって、
双方のガイド間の幅を適合させる必要のあるすべてのカップリング構造への点欠陥の導入からなり、いくつかの欠陥を有すると考えられ、それらの特徴が、半径、誘電率、相対位置および高さにあることを特徴とするカップリングシステム。
【請求項２】
誘電性光ガイドとプレーナフォトニック結晶ガイドとの間のカップリングシステムであって、
双方のガイド間の幅を適合させるカップリング構造が、誘電性ガイドとフォトミック結晶ガイドの双方の特徴に依存した長さ、幅、および形状であることを特徴とする請求項１のカップリングシステム。
【請求項３】
誘電性光ガイドとプレーナフォトニック結晶ガイドとの間のカップリングシステムであって、
フォトニック結晶が、三角形または正方形の格子を有し、更に、柱の格子定数、半径、および高さの値、並びに柱の材料、柱を囲む材料、および結晶の上下の材料の間の屈折率のコントラストを許容することを特徴とする請求項１のカップリングシステム。
【請求項４】
誘電性光ガイドとプレーナフォトニック結晶ガイドとの間のカップリングシステムであって、
誘電性ガイドが、光ファイバを含む、いずれの外観（核の幅や高さ、それを囲む層）や屈折率でも良くことを特徴とする請求項１のカップリングシステム。
【請求項５】
誘電性光ガイドとプレーナフォトニック結晶ガイドとの間のカップリングシステムであって、
フォトニック結晶ガイドが、結合キャビティ（ＣＲＯＷ）に基づくガイドを含む、いずれの幅やタイプでも良くことを特徴とする請求項１のカップリングシステム。
【請求項６】
誘電性光ガイドとプレーナフォトニック結晶ガイドとの間のカップリングシステムであって、
誘電性ガイドからフォトニック結晶ガイドに光を導入するためと、フォトニック結晶から誘電性ガイドに光を取り出すための双方のために、欠陥のそれぞれの特徴と共に欠陥の最適数を選択する方法を含むことを特徴とする請求項１のカップリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の目的】
【０００１】
本発明は、誘電性光ガイドと、プレーナフォトニック結晶から形成された光ガイドとの間の信号カップリングの効率を最適化する技術からなる。この技術は、フォトニック結晶から形成されたカップリング構造の内側の適当な位置への、点欠陥の導入に基づく。このカップリング構造は、誘電性入力（又は出力）の幅を、フォトニック結晶から形成されたガイドに単に合わせる。提案された技術は、誘電性光ガイドとフォトニック結晶ガイドとの間の、光パワーの伝送効率を最適化する。欠陥の数は、その特性と同様に、カップリング構造の特性と、誘電性ガイドおよびフォトニック結晶ガイドの特性の、双方に依存する。
【０００２】
本発明の出願の分野は、２次元フォトニック結晶に基づくすべてのデバイスである。本発明は、文献と他の特許の双方で先に提案された他の構造に関すると同様に、欠陥の無いカップリング構造に関しても、結合効率を高める範囲において、新規性と十分な優位性の本質的な特徴を提供する。
【発明の背景】
【０００３】
フォトニック結晶は、１次元（１Ｄ）、２次元（２Ｄ）、または３次元（３Ｄ）の周期的な基底において変化する誘電率を備えた材料からなる。この周期性は、信号伝送が結晶の内側で許容されない周波数帯を発生させる。それらの禁制帯は、英語で、一般に、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれる。光の伝送の制御は、結晶の周期性を破壊する欠陥の形成を通して達成される。線欠陥の形成は、形成された欠陥中のみを光が伝送される導波モードが、禁制帯中に現れることを意味する。光の全体制御は、３Ｄ結晶を用いて達成されるが、３次元の光の制御は２Ｄプレーナフォトニック結晶を用いても達成でき、これにより製造コストや複雑さを低減できる。この場合、結晶の上下の材料の誘電率が結晶中に形成された欠陥の誘電率より小さい時、光は結晶の表面に垂直な方向に閉じ込められる。
【０００４】
プレーナ（２Ｄ）フォトニック結晶で、材料の屈折率は、表面上の特定の２次元グリッドに従って周期的に変化し、一方、平面に垂直な方向には、周期性を有しない。伝送される信号の波動ベクトルは、結晶面の中に含まれ、それに垂直な成分は有しない、ということが考慮される。更に、結晶面に垂直な方向には、場（フィールド）が変化しないことも考慮される。最も一般的な装置は、空気より十分に大きな屈折率を備えた土台の上の空隙からなり、または、格子定数毎の一定の間隔で配置された誘電性の柱のネットワークから形成される。禁制帯の特徴は、格子定数の値と同様に、半径、高さ、および空隙の間または柱とこれらを囲む土台との間の屈折率のコントラストにより規定される。禁制帯の幅は、屈折率のコントラストが増加するほど大きくなる。線欠陥の形成は、空隙や柱の線を削り、フォトニック結晶ガイドを形成することにより行われる。線欠陥は、周波数が禁制帯の内側である閉じ込めモードを形成する。この周波数は、線欠陥中でのみ許容され、他の結晶中では許容されないため、このモードは、導波路として働く欠陥の領域中でのみ存在する。
【０００５】
フォトニック結晶に基づく主な長所は、高レベルに集積された光回路の開発を可能とし、重大な損失なしに信号の波長のオーダーの半径で曲げられたガイドを実現できる、そのサイズの小型化である。これは、マイクロフォトニクスの開発の本質である。しかしながら、重要な側面の一つは、光が誘電性ガイドに向かって出射される場合と、誘電性ガイドの手段によりフォトニック結晶中に光りを導入しようとする場合との双方で現れる高い結合損失を含む。それらの損失の原因は、光伝送メカニズムの異なる性質と同様に、異なった空間の幅や、双方の構造の中を伝送されるモードのインピーダンスによるものである。誘電性ガイド中の光の伝送は、核とそれを囲み層との間の屈折率の違いによる、全体の内部反射により達成される。一方、フォトニック結晶ガイド中の光の伝送は、欠陥に沿って導かれるブロッホモードにより達成される。こと違いは、双方のガイドのインピーダンスの間の不連続として理解され、それらの間にインターフェースにおける反射を増加させ、入力及び出力の双方におけるカップリング効率を弱める。
【０００６】
カップリング効率を改良するために、近年、異なった構造が提案されてきた。米国特許６３８１３８９には、欠陥の無いプリズム型フォトニック結晶の使用に基づくカップリング技術および構造が開示されている。このカップリング技術は、スーパープリズムとして知られる現象を引き起こす、高度に分散された結晶の特性の活用に基づき、光のビーム幅を十分に低減（又は、望まれる場合は増加）させる。しかしながら、この構造の主な欠陥は、それが表す高いカップリング損失である。
【０００７】
提案された更なる構造は、光ファイバーの光をフォトニクス結晶ガイドに接合する回折格子を備えたカプラを使用する。この技術の主な欠点は、光が、デバイスに対して垂直な面に入射又は出射しなければならない点であり、集積化の妨げとなる。更なる提案は誘電性ガイドの幅をゼロまで漸次狭くし、くさび型の構造を形成するものを含む。この構造は、フォトニック結晶ガイド中に挿入され、これにより信号が、あたかも誘電性ガイドの外からフォトニック結晶ガイド中に照射されるようになる。しかしながら、この解決は、誘電性ガイドの屈折率が、フォトニック結晶ガイドの材料の屈折率と異ならなければならないことを意味する。更に、くさび型構造は、高いコントラストの屈折率を有する誘電体ガイド間のカップリングを許容しない。
【０００８】
これらの問題を解決するために、フォトニック結晶から直接形成された構造を用いてカップリングを行うことが提案されてきた。提案され、良い結果が達成された技術の１つは、結晶柱の半径を漸次変化させるものである。しかしながら、この系欠は、誘電性ガイドの幅と、フォトニック結晶ガイドの幅とが、近似することを要求する。加えて、構造の形成が複雑で、非常に高い製造精度が要求される。
【０００９】
更に融通のきく構造は、フォトニック結晶ガイドの幅が漸次変化するものであり、誘電性ガイドの幅に、ガイドの柱の幅を合わせる必要性を無くする。この構造では、広帯域の周波数で光をカップリングさせ、更に、カップリング長も非常に短くなる。しかしながら、モードの横幅は適用されるが、モードのインピーダンスの適用な無く、動作帯でのカップリング効率は比較的低い。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、１又はそれ以上の特定の特徴を有する点欠陥を上述のカップリング構造に導入することに基づいたカップリング技術である。欠陥の導入は、インピーダンス整合器として働き、誘電性ガイドとフォトニック結晶ガイドとの間のカップリング効率を最適化する。
【００１１】
欠陥のそれぞれ１つずつの特徴と同様に、欠陥の数は、誘電性ガイドとフォトニック結晶ガイドとの特徴と、双方のガイドの間の幅に適用されるカップリング構造の特徴との、双方に依存する。この技術は、欠陥の無い構造に関して広い周波数帯において、カップリング効率を大きく改良し、更に、プレーナフォトニック結晶から形成されたデバイスに光を導入し、デバイスから光を取り出す双方に役に立つ。更に、この技術は、標準的なフォトニック結晶ガイドのみならず、結合キャビッティ（結合共振器光導波路：Coupled-Resonator Optical Waveguide, CROW）のような他の種類のフォトニック結晶に基づくガイドも最適化する。
【発明の好適な具体例】
【００１２】
本発明の好適な具体例に続く詳細を保証するために、図面に対して一定の参照が行われる。同一番号は、同一又は類似部分に使用される。
【００１３】
図１は、欠陥（６）を長さＬのカップリング構造（２）に導入した特定のケースのためのカップリング構造の模式図であり、誘電性ガイド（１）とフォトニック結晶ガイド（３）との間に幅の適合を達成するために必要である。カップリング構造（２）が、フォトニック結晶ガイドの幅を、誘電性ガイドの幅まで増加させるために、適当な円筒を削除することにより、どのように形成されたかは留意すべきである。フォトニック結晶は、２次元の三角形の、格子定数ａの周期的な格子に従って配置された一連の円筒（４）からなる。円筒の半径はＲであり、柱を囲む媒体（５）の屈折率とは異なった屈折率を有する。カップリング技術は、誘電性ガイドからフォトニック結晶ガイドに光を挿入するためと、フォトニック結晶ガイドから誘電性ガイドに光りを出射するための、双方に効果的である。同様に、ここで記載された特定の構造が、低い屈折率を有するプレーナ下層の上の、高い屈折率を有する円筒の２次元格子を含むが、カップリング技術は、高い屈折率を有する下層中の、２次元格子のエアギャップから形成された構造でも、同様の効果的である。カップリング技術の基礎となる物理的原理が同じだからである。双方の場合において、入力又は出力誘電性光ガイドは、フォトニック結晶の下層を含む同じ材料から形成される。
【００１４】
欠陥の数と配置は、図１に示したものと異なるかもしれない。同様に、屈折率の値は、欠陥のそれぞれにおいて異なってもかまわない。欠陥の代わりの分布の一例を、３次元の描写で図２に示す。この場合、２つの欠陥（７、８）が、カップリングを最大にするために導入されたことがわかる。結晶は、上部の誘電性層（９）と、下層の他の層（１０）を有する。それらの２つの層の屈折率は、対称の理由から同一で、結晶中の導波路を含む材料（５）の屈折率より小さくなければならない。制限がこのように信号の横方向に行われ、信号は結晶中に形成されたガイドに沿って伝送される。柱の高さは、フォトニック結晶の特定の性質に依存する設計パラメータである。
【００１５】
誘電性ガイドの断面図を図３に示す。誘電性ガイドは、上層（１３）と下層（１２）で囲まれた核（１１）からなる。全反射により導波を確実にするために、核（１１）の屈折率は、上層（１３）や下層（１２）の屈折率より大きくなければならない。更に、上層（１３）と下層（１２）の屈折率は、上述の条件が満たされるように異なっている。
【００１６】
図４は、図２に示された構造の３次元断面図である。この場合、半径がｒ１とｒ２の２つの欠陥（７、８）が導入されていることがわかる。更に、カップリング構造中の相対位置は、欠陥（７）が（Ｘdef 1，Ｚdef 1）、欠陥（８）が（Ｘdef 2，Ｚdef 2）で異なっている。その特徴と同様に欠陥の数は、整合構造ＬＴとその幅ＷＴの双方に依存する。
【００１７】
欠陥の最も適当な数や位置を選択するための可能な方法は、１つの欠陥を、ガイドの対称の反射軸の上を維持しながらｚ軸の上を、図４に示す軸方向の走査することにより行う。得られた伝送応答は、ｚ軸上で異なった大きさの一連のピークを有する発振形状を有する。カップリング効率は、欠陥をそれらの位置に適当に配置し、続いてそれらのそれぞれに対して最適な半径を得ることにより、最大となる。
【００１８】
技術の動作を示すために、図１の場合に得られた結果を示す。図５および６は、差分時間領域（finite-difference time-domain:FDTD）で行ったシミュレーションで得られた結果である。カップリング長Ｌは０．５μｍである。考慮される波長は１．５５μｍであり、光通信に一般的に使用されるものである。結晶は、屈折率が、考慮される波長に対して酸化（Ｓｉ）材料に相当する３．４である柱からなる。柱を囲む材料は、考慮される波長に対して酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料と一致する１．４５の屈折率を有する。柱は格子定数ａが４６５ｎｍ、半径が０．２ａである三角形の格子状に配置される。それらの特徴を備えた結晶は、０．２６ａ／λと０．３６ａ／λとの間の規格化された周波数帯に、禁制帯を示す。入力誘電性ガイドは、１．４５の屈折率を有する。ガイドの上層および下層の材料は、空気である。
【００１９】
図５は、格子定数で規格化された誘電性ガイドの幅（１４−１６）、結晶を形成する柱の半径により規格化された欠陥の半径（１７）、および格子定数により規格化されたｚ軸状の欠陥の相対位置、に対する伝送応答を示す。入力信号は、平坦な単色の、波長が１．５５μｍの波として考慮される。この波長では、誘電性ガイドとフォトニック結晶ガイドの双方で、導波モードを有する。格子定数で幅が規格化された場合の、カップリング構造が、欠陥あり（１４）、欠陥なし（１５）、そしてカップリング構造を使用しない直接結合（１６）について示される。（１４）の伝送が、他の２つの場合を超え、誘電性ガイドへの入力で、幅の値の広範囲で８０％上回った。３．２ａにおいて最適化が達成され、これは考慮された格子定数値で１．５μｍ幅になる。
【００２０】
欠陥のための最適半径は、先に得られた最適な誘電性ガイドの幅を考慮した欠陥半径を備えた伝送の変化を見ることができるグラフ（１７）に基づいて得られる。伝送ピークは、先の結果（１４−１６）を見出すのに使用された値である０．５Ｒにおいて得られることが観察される。
【００２１】
欠陥の最適半径の値と誘電性ガイドの幅に基づいて、図１に示されたような方向を備えた、ｘおよびｚ軸上で、格子定数により規格化された最適位置が得られる。グラフ（１８）に示すように、ｘ軸上の最適位置は、構造の対称の反射軸に一致する。一方、（１９）に示された座標の原点を考慮すると、ｚ軸上の最適位置は０．６ａとなる。この場合、先に考慮に入れた０．５ａ値に関して、伝送は８４．６％から８７．５％に改良された。
【００２２】
それにもかかわらず、上記結果は、単一波長、即ち１．５５μｍに対して得られたものである。図６は、伝送（２０、２１）中と、線形ユニットで規格化された反射（２２、２３）中の、応答の周波数スペクトルであり、後者においてのみ、誘電性ガイドでの反射を考慮する。欠陥を備えたカップリング構造の結果が（２０）と（２２）に対応し、一方、（２１）と（２３）の結果は、欠陥の無いカップリング構造に対応する。欠陥の導入が、欠陥を有さない場合（２１）に比較して、伝送（２０）を十分に改良していることがわかる。その結果、誘電性ガイドでの反射も、欠陥（２２）を有するカップリング構造において、欠陥の無い構造（２３）よりもずっと低くなっている。伝送は、結晶の禁制帯中で現れるモードが存在し、フォトニック結晶ガイド中を伝わる規格化された周波数の全範囲を含む。この周波数マージン中での平均伝送が、７８．５％であり、これは欠陥の無いカップリング構造の手段で得られた値を３０％改良するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
ここに提供された記載を補足するために、および発明の特徴をより理解するために、具体例の実際の実施の好適な具体例毎に、１組の図面の記載の集積された部分としてまとめられ、図示を目的とし、非限定的な目的の記載が、以下の通り行われる。
【図１】幅ｗの誘電性ガイドと、格子定数ａで円筒半径Ｒのフォトニック結晶ガイドとの間のカップリングを示す。カップリングデバイスは、結晶の柱の半径とは異なった半径の欠陥とからなり、誘電性ガイドとフォトニック結晶ガイドとの幅を整合することが必要なカップリング構造中に挿入される。
【図２】ここでは２つの欠陥ではあるが、提出されたカップリング技術を備えた３次元描写である。
【図３】誘電性ガイドの水平断面を示す。
【図４】図２の垂直断面であり、２つの欠陥が異なった位置に、異なった半径を備えて観察される。
【図５】格子定数で規格化された誘電性ガイドの幅と、結晶の柱の半径により規格化された欠陥の半径と、結晶グリッド定数により規格化されたｚ軸の相対位置に関する、図１に示された装置に対する伝送の応答を示す。最後の図では、挿入されたグラフが適用された原点を示す。
【図６】図１に示された装置での伝送と反射の、規格化された周波数中の応答を示す。測定された反射されたパワーは、誘電性ガイドで反射されたものである。
【符号の説明】
【００２４】
１...誘電性ガイド、２...カップリング構造、３...フォトニック結晶ガイド、４...円筒、５...媒体、６、７、８...欠陥、９...誘電性層、１０...下層の他の層、１１...核、１２...下層、１３...上層。
【図１】
2005535926.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2005535926.tif 000009
2005535926.tif 000010
2005535926.tif 000011
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