(57)【要約】光ビームの光モードを変換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、モード変換器と、第１のビームを透過させる第２のポートとを備える。モード変換器は、第１のビームを広げて第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る。
2021505964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項４】
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、
【数１】
2021505964.tif 000004
式中、ｎｅｆｆは、前記導波材料の導波路モードの最高実効屈折率であり、λは、前記第１のビームの波長である、請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項５】
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、
【数２】
2021505964.tif 000005
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
前記第１のモード及び前記第２のモードが、それぞれ、ＴＥｍ及びＴＥｎ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およそ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。
【請求項８】
前記第１のモード及び前記第２のモードが、それぞれ、ＴＥｍ及びＴＥｎ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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
前記同一の材料はケイ素である、請求項９に記載のフォトニックデバイス。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
前記同一の厚さは、およそ０．２μｍ〜およそ０．５μｍである、請求項１に記載のフォトニックデバイス。
【請求項１４】
前記同一の材料は窒化ケイ素である、請求項９に記載のフォトニックデバイス。
【請求項１５】
前記同一の材料はＩｎＧａＡｓＰである、請求項９に記載のフォトニックデバイス。
【請求項１６】
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、該変換器の各々は、
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、前記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のポートの前記幅より大きく、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、
を備える、変換器と、
クロスガイドであって、
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２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の入力変換器の前記第２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デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（ＴＥ０）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。
【発明の概要】
【０００３】
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。ＴＥ０モードビーム、ＴＥ１モードビーム及びＴＥ２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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】関連技術のモード次数変換器の図である。
【図１Ｂ】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。
【図２Ａ】本開示の実施形態によるＴＥ０−ＴＥ１モード次数変換器を示す図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＴＥ０−ＴＥ１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２Ｃ】デバイスの効率を示すＦＤＴＤスペクトルを示す図である。
【図３Ａ】本開示の実施形態によるＴＥ０−ＴＥ２変換器の一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３ＡのＴＥ０−ＴＥ２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３Ｃ】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。
【図４Ａ】本開示の実施形態によるＴＥ１−ＴＥ２変換器のジオメトリーを示す図である。
【図４Ｂ】ＴＥ１−ＴＥ２変換器の主電界成分（Ｅｙ）分布プロットである。
【図４Ｃ】ＴＥ１−ＴＥ２変換器のＦＤＴＤスペクトルを示す図である。
【図５Ａ】本開示の実施形態によるＴＥ１｜ＴＥ２−ＴＥ０変換器を示す概略図である。
【図５Ｂ】本開示の実施形態によるＴＥ２｜ＴＥ２−ＴＥ０変換器を示す概略図である。
【図６Ａ】本開示の実施形態によるＴＥ２９０度クロス変換器の一例を示す図である。
【図６Ｂ】ＴＥ２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。
【図６Ｃ】ＴＥ２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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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（ＴＥ１、ＴＥ２、...）を基本モード（ＴＥ０）に変換するように開発されている。
【００１４】
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ＴＥ０モード部分に均一に分離するというものであり、ＴＥ０モード部分はその後、適切な位相関係で合成される。
【００１５】
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、ＴＥ２モードをＴＥ０モードに変換することができることが示される。
【００１６】
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ＴＥ０−ＴＥ１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ＴＥ０−ＴＥ１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。
【００１７】
図２Ａは、本開示の実施形態によるＴＥ０−ＴＥ１モード変換器２００を示す。ＴＥ０−ＴＥ１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、ＴＥ０−ＴＥ１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。
【００１８】
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、ＴＥ０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。
【００１９】
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、ＴＥ０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、ＴＥ１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。
【００２０】
さらに、第１のモード及び第２のモードが、それぞれ、ＴＥｍ及びＴＥｎ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。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、ＴＥ０−ＴＥ１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。ＴＥ０−ＴＥ１モード変換器２００は、ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２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ＴＥ０モード又はＴＥ１モードを発射する場合、ＴＥ０モード、ＴＥ１モード又はＴＥ２モードへの透過及び反射が別個に計算される。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図２Ｂは、ＴＥ０−ＴＥ１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。
【００２５】
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ＴＥ０−ＴＥ１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。
【００２６】
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、
【数１】
2021505964.tif 000003
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。
【００２７】
さらに、上述したものと同様の手順で、ＴＥ０−ＴＥ２変換器を設計することができる。この場合、ＴＥ２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。
【００２８】
図３Ａは、本開示の実施形態によるＴＥ０−ＴＥ２モード変換器３００の一例を示す。図に、最適化の後のＴＥ０−ＴＥ２変換器３００の最終決定したジオメトリーの一例を示す。
【００２９】
ＴＥ０−ＴＥ２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。ＴＥ０−ＴＥ２モード変換器３００の構造は、ＴＥ０−ＴＥ１モード変換器２００の構造と同様である。
【００３０】
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。
【００３１】
さらに、第１のモード及び第２のモードが、それぞれ、ＴＥｍ及びＴＥｎ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。
【００３２】
ＴＥ０−ＴＥ２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、ＴＥ０モード及びＴＥ２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。
【００３３】
図３Ｂは、ＴＥ０−ＴＥ２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ＴＥ０の大部分は等しく２つの外側ルートに分かれ、ＴＥ０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。
【００３４】
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。ＴＥ０入力は水平対称構造に沿ってＴＥ１を励起することができないため、ＴＥ１クロストークパワーはここでは略ごくわずかである。
【００３５】
図４Ａは、本開示の実施形態によるＴＥ１−ＴＥ２モード変換器４００を示す。ＴＥ１−ＴＥ２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。
【００３６】
電界プロット図４Ｂは、ＴＥ１とＴＥ２との間の直接変換は、足掛かりとしてのＴＥ０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ＴＥ０及びＴＥ１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ＴＥ０−高次モード変換器を使用するのとは異なり、この直接ＴＥ１−ＴＥ２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。
【００３７】
図５Ａは、本開示の実施形態によるＴＥ１｜ＴＥ２−ＴＥ０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。ＴＥ１｜ＴＥ２−ＴＥ０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、ＴＥ１又はＴＥ２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。
【００３８】
図５Ｂは、本開示の実施形態によるＴＥ２｜ＴＥ２−ＴＥ０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。ＴＥ２｜ＴＥ２−ＴＥ０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、ＴＥ１又はＴＥ２等、別の光モード次数を有することができる。
【００３９】
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ＴＥ０モードに変換し、その後、複数のＴＥ０モードを単一のＴＥ０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、ＴＥ０モードに変換することができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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ＴＥ０−ＴＥ２変換器を従来のＴＥ０９０度クロスに４つのポートにおいてカスケード接続する、ＴＥ２モード９０度クロス６００の一例を示す。
【００４３】
ＴＥ２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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
ＴＥ２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。
【００４７】
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。
【００４８】
図６Ａにおいて、図例は、ＴＥ２９０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、ＴＥ２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ＴＥ２モード光信号を受信して、第１のＴＥ０モード光信号に変換する。第１のＴＥ０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ＴＥ０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ＴＥ２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、ＴＥ２−ＴＥ０−ＴＥ２モード変換が適切に行われることを示す。第１のＴＥ０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。
【００４９】
同様に、第２のＴＥ２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ＴＥ０モード光信号に変換されると、第２のＴＥ０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ＴＥ０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ＴＥ０モード光信号を第２のＴＥ２モード光信号に変換する。この場合、第２のＴＥ０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ＴＥ２モード光信号及び第２のＴＥ２モード光信号を第１のＴＥ０モード光信号及び第２のＴＥ０モード光信号に変換することにより、変換された第１のＴＥ０モード光信号及び第２のＴＥ０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ＴＥ２モード光信号及び第２のＴＥ２モード光信号から変換された第１のＴＥ０モード光信号及び第２のＴＥ０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、ＴＥ２モード９０度クロス６００は、ＴＥ２９０度クロスガイドを交差している間の第１のＴＥ２モード光信号及び第２のＴＥ２モード光信号の低信号損失を提供することができる。
【００５０】
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ＴＥ０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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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ＴＥ０モード入力を有し、第２のポートがＴＥ２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ＴＥ２入力を第１のポートからのＴＥ０出力に変換するように十分等しく作用する。
【図１Ａ】
2021505964.tif 000006
【図１Ｂ】
2021505964.tif 000007
【図２Ａ】
2021505964.tif 000008
【図２Ｂ】
2021505964.tif 000009
【図２Ｃ】
2021505964.tif 000010
【図３Ａ】
2021505964.tif 000011
【図３Ｂ】
2021505964.tif 000012
【図３Ｃ】
2021505964.tif 000013
【図４Ａ】
2021505964.tif 000014
【図４Ｂ】
2021505964.tif 000015
【図４Ｃ】
2021505964.tif 000016
【図５Ａ】
2021505964.tif 000017
【図５Ｂ】
2021505964.tif 000018
【図６Ａ】
2021505964.tif 000019
【図６Ｂ】
2021505964.tif 000020
【図６Ｃ】
2021505964.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月9日(2020.6.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、
【数１】
2021505964.tif 000022
式中、ｎｅｆｆは、前記導波材料の導波路モードの最高実効屈折率であり、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項６】
前記第１のモード及び前記第２のモードが、それぞれ、ＴＥｍ及びＴＥｎ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。
【請求項７】
前記第１のモード及び前記第２のモードが、それぞれ、ＴＥｍ及びＴＥｎ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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２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の入力変換器の前記第２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。
【国際調査報告】
2021505964.tif 000023
2021505964.tif 000024
2021505964.tif 000025