(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
６つの導波路および共振空洞が挿入されている二次元フォトニック結晶からなる、光磁気共振器に基づく非相反三方分配器であって、入力ポート中に存在する信号のパワーが、３つの出力ポート間に、前記３つの出力ポートに対する前記入力ポートの高いアイソレーションレベルを伴って分配され、アイソレートされたポートの伝送レベルが略２９ｄＢであり、前記３つの出力ポートの伝送レベルが、範囲（−６．４±０．４）ｄＢ内であり、アイソレーションレベル−２０ｄＢについての帯域幅が２１９ＧＨｚであり、前記共振空洞内で励起されるダイポールモードが、整合負荷が接続している２つの導波路と整列したノードを有する、光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
【請求項２】
配向が前記ダイポールモードのノードと整列している２つの導波路が、前記分配器の前記３つの出力ポートに接続された不整合素子に起因して発生する寄生反射のほとんどの部分を受け取る、請求項１に記載の光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
【請求項３】
ダイポールモードのノードの２つの導波路との整列に起因して、３つの残りの導波路（出力導波路）の各々が、入力信号のパワーのおよそ３分の１を受け取る、請求項１又は２に記載の光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
本発明は、入力チャネル中に存在する信号を３つの出力チャネル間に分割することができる光磁気共振器に基づく非相反三方分配器（nonreciprocal three-way divider）に関する。これは、入力ポートと出力ポート間のアイソレーション機能も特徴として備える。
【０００２】
産業分野、特に、光学分野産業では、相反デバイス、なかでもパワー分配器、および非相反デバイス、なかでもアイソレータ、の両方が要求されている。
【０００３】
パワー分配器の機能は、入力信号のパワーを２つ以上の出力チャネル間に分割することである。アイソレータは、主に、干渉に関連した信号源の問題を回避するために、所与の方向にのみ信号を伝播させるように使用される。
【０００４】
マイクロ波技術で広く使用されているこれらの２つのデバイスは、光回路および光チップで使用するために禁制周波数バンドを有する構造に基づいて開発することもできる。フォトニックバンドギャップとしても知られるこのバンド内に位置した周波数を有する電磁波は、結晶格子内を伝播することができない。
【０００５】
これらの構造は、「フォトニック結晶」としても知られ、構成材料の誘電率または透磁率の周期変調によって光の流れの成形を可能にする。これらは、いくつかの進行中の研究の対象である。結晶格子内部の制御された欠陥の作出は、フォトニック結晶に基づく光学デバイスのほとんどの動作原理に関連する。
【０００６】
光学産業で使用するためのフォトニック結晶ベースデバイスに関連したいくつかの特許が出願されている。
【０００７】
例えば、特許ＵＳ２００４００８９４５は、３つの導波路が非円形の孔を作出することによって周期構造上に挿入されている、六角形格子を有する二次元フォトニック結晶に基づくパワー分配器に関する。導波路は、デバイスの中心に位置した共振器空洞に接続されている。直線導波路は、文字Ｙの形に類似して角度１２０°によって分離され、導波路の１つ（入力）に印加される信号が、残りの２つの導波路（出力）間に同等に分配される。
【０００８】
一方、特許ＣＮ１０１５６１５３１は、正方形格子を有する二次元フォトニック結晶に基づくパワー分配器に関する。先の分配器と同様に、この分配器は、３つのポートおよびその中心に位置した共振器空洞を有する。最終的なアレイは、文字Ｔの構成に類似し、１つの入力導波路および２つの出力導波路を有するが、この場合、導波路の位置は、このデバイスの対称性の低減に起因して変更することができない（出力による入力、または逆の場合も同様に）。
【０００９】
４つの出力チャネルおよび１つの入力チャネルを有するパワー分配器に関する特許ＣＮ１０２３２３６４１によって記載された発明も注目すべきである。これは、六角形格子を有する二次元フォトニック結晶に基づき、分配の２つの段階を特徴として備える。分配器の各段階は、特許ＵＳ２００４００８９４５に関連する分配器に類似し、すなわち、入力導波路を励起する信号は、２つの中間導波路（これらは、１２０°の角度によって分離され、文字Ｙの構成に類似する）の間で分配され、各中間導波路は、２つの出力導波路に接続され、この２つの出力導波路もこれらの間で１２０°の角度を形成する。したがって、各出力導波路は、入力導波路中の信号パワーの２５％におよそ等しいパワーを有する信号を伝える。
【００１０】
さらに、特許ＵＳ２００６１４０５３９は、六角形格子を有するフォトニック結晶に基づく光アイソレータに関する。信号伝播が所与の方向にのみ起こるように、欠陥が結晶構造中に挿入されている。反対方向では、アイソレータは、信号を伝播させない。アイソレータは、伝播経路に沿った反射によって引き起こされる望まれない干渉から信号源を保護するのに主に使用される。
【００１１】
特許ＵＳ２００４０８０８０５に記載されたもののような他のデバイスは、磁性材料で構築されたフォトニック結晶中のファラデー回転効果を制御することによって信号の一方向伝播を可能にする。
【００１２】
上述のデバイスは、以下の機能、すなわち、パワー分配またはアイソレーションの１つのみを達成する。光学産業において使用するためのパワー分配器は、２つ以上の出力間に入力信号のパワーを分割し、一方、アイソレータは、所与の方向内で信号を伝播させない。
【００１３】
高集積密度を有する通信ネットワークの需要が増大している。それは、光チップのレベルでのコンポーネントのコンパクト化を必要とし、このことが一連の研究活動に動機を与えている。
【００１４】
本発明は、主な利点として、単一デバイス中の相反パワー分配器および非相反アイソレータの機能の集積を有する。本発明のデバイスは、同じ機能を実施するのに２つの別個のデバイスを使用することと比較した場合、低減された寸法を有し、それは、光回路内のより高い集積密度に好都合である。
【００１５】
当該デバイスは、均一な磁化で働き、それは、励磁回路構造の構築を促進する。さらに、これは、良好な帯域幅および入力ポートと出力ポートとの間の高いアイソレーションを有する。
【００１６】
一般的に言えば、構造体は、６つの導波路が結晶のいくつかの孔を除去することによって挿入されている、六角形格子を有するフォトニック結晶からなる。導波路は、構造体の中心部に位置した孔の半径および位置を変更することによって構築された共振空洞によって構造体の中心に接続されている。導波路の１つに印加される信号は、３つの他の導波路間に分配されるそのパワーを有する。２つの残りの導波路は、不整合（unmatched）回路素子からの反射によって引き起こされる信号源に対するインパクトを低減するために、入力導波路からアイソレートされており、反射波を吸収する機能を果たす。
【００１７】
具体的な様式では、デバイスは、以下の特徴を有する：
−  デバイスが基づくフォトニック結晶は、磁性半導体中にエッチングされた空気孔の三角形格子を含み；
−  空気孔の半径は、０．３ａ（ａは、結晶格子定数である）であり；
−  ６つの導波路が直線で空気孔を除去することによってフォトニック結晶中に挿入されている。導波路は、光磁気共振器に対称的に接続され、６０°の角度によって互いに分離しており；
−  １つの均一に磁化された光磁気共振器が、デバイスの中心部に位置したいくつかの空気孔の半径および位置を変更することによって二次元フォトニック結晶中に作製され；
−  ダイポールモードが共振空洞内で励起され、そのノードが、信号を吸収するために機能する整合負荷（matched loads）を有する２つの導波路と整列され；
−  空気孔が挿入されている光磁気材料は、異方性であり、誘電率および透磁率についての以下の表現によって記述され：
【００１８】
【数１】
0006651442.tif 000002
【００１９】
式中、
−  εは、材料の誘電率であり（１メートル当たりのファラドでの）；
−  ε0は、自由空間の誘電率であり（１メートル当たりのファラドでの）；−  μは、材料の透磁率であり（１メートル当たりのヘンリーでの）；−  μ0は、自由空間の透磁率である（１メートル当たりのヘンリーでの）。
【００２０】
以下に、本発明を、その動作を例示するために詳細に記載し、かつ図面を示す。したがって、デバイスの動作およびその潜在的な用途を十分に理解することができることが予期される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、共振器中に６つのポートおよびダイポールモードを有する構成を概略的に示す。項目（ａ）は、提案した分配器、および６０°による回転の動作（これは、デバイスを特徴付ける対称性群の要素の中である）を概略的に示す。項目（ｂ）は、磁化が印加されていないダイポールモードを示す。項目（ｃ）は、外部ＤＣ磁場Ｈ0の印加に起因して時計回りに角度３０°によって回転されたダイポールモードを示す。項目（ｄ）は、外部ＤＣ磁場−Ｈ0の印加に起因して反時計回りの方向に角度３０°によって回転されたダイポールモードを示す。
【図２】図２は、２つの整合負荷（７）および（８）を有する図１（ｃ）の分配器の詳細を示す。共振器内の矢印は、入射波の分配を示す。
【図３】図３は、ポート（２）、（４）、および（５）を通じて励起されている図２の分配器  −  それぞれ、項目（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）を示す。
【図４】図４は、ポート（１）上の励起の印加を考慮する分配器の周波数応答を示す。
【図５】図５は、フォトニック結晶の周期構造、６つの直線導波路、共振空洞、および中心正規化周波数ωａ／２πｃ＝０．３０３５でポート（１）において励起するための分配器内部の電磁場のＨz成分を示すデバイスの上面図であり、式中、ωは、角周波数（１秒当たりのラジアンでの）であり；ａは、フォトニック結晶の格子定数（メートルでの）であり、；ｃは、自由空間中の光の速度（１秒当たり約３００，０００，０００メートル）である。
【００２２】
ＤＣ磁場Ｈ0が印加されず、励起が６つの導波路の１つ（１）内である場合を考慮すると、分配器の共振器は、反対方向に回転する２つの縮退モードを支持する。これらの２つの縮退モードの重ね合せにより、図１（ｂ）に示したように静止ダイポールモードが作出される。このモードの電磁場は、すべての残りの導波路（２）、（３）、（４）、（５）、および（６）中の電磁波を励起する。この場合、分配は等しくなく、分配器は相反性である。
【００２３】
ＤＣ磁場Ｈ0を印加することによって、静止ダイポールモードは、時計回りの様式でｚ軸周りに角度３０°によって回転される。この場合、光磁気材料に関連した誘電率テンソルの非対角パラメータは、０．３に等しい。図１（ｃ）で分かるように、ダイポールのノードは、導波路（３）および（６）と整列される。したがって、これらの２つの導波路は、励起されない。図２から、導波路（２）、（４）、および（５）では、磁界強度は、比率１／３：１／３：１／３で等しいことが分かる。ダイポールモードの回転は、共振器の光磁気特性に起因して起こり、これは、共振器の幾何学的パラメータおよび磁場ＤＣ  Ｈ0を修正することによって調整することができる。
【００２４】
ＤＣ磁場が、図１（ｄ）に示したように、反対方向に印加される、すなわち−Ｈ0である場合、電磁界パターンも、角度３０°によって、しかし反対方向（反時計回り）に回転される。したがって、導波路（２）および（５）がアイソレートされ、電磁波のパワー分配は、導波路（３）、（４）、および（６）の間で起こる。
【００２５】
構造体のアイソレーション特性は、出力ポート（図２中のポート（２）、（４）、および（５））を励起することによって観察することができる。これらのポートの励起は、これらのポートに接続された不整合素子によって引き起こされる信号反射に関連している。この構造体の６０°による回転の対称性に起因して、分配器の特性を得るために、６つのポートのうちの１つのみ、例えばポート（１）における励起の印加が十分である。他のポートについて、該当する特性は、ポートの環状の並べ換え（ポートの再番号割当）によって得ることができる。これらの３つの場合が図３（ａ）、３（ｂ）、および３（ｃ）に示されており、これらは、それぞれ、３０°、１８０°、および２１０°による図２のダイポールモードの単純な回転によって得られる。
【００２６】
図３のすべての場合において、定常波のノードが位置している２つのポートは、励起ポートに関してデカップルされている。ポート（２）、（４）、および（５）に由来するポート（１）への反射パワーは、非常に小さく（ポート（４）での反射パワーのわずか３分の１）、すなわち、出力ポートに由来する反射パワーのほとんどは、ポート（３）および（６）中に接続された理想的に整合した負荷（７）および（８）によって吸収される。したがって、不整合負荷に由来する寄生反射の影響の著しい低減があり、これは、該当する発明の本旨に対応する。
【００２７】
ＤＣ磁場Ｈ0を印加すると、反対方向に回転する２つの縮退したモードの周波数ω+とω-との分離が促進される。これらの２つのモードは、共振器のダイポールモードを含む。この分離の強度は、パラメータｇ（光磁気材料の誘電率テンソルの非対角項）に依存する。本発明は、ｇ＝０．３で動作するように設計されている。
【００２８】
分配器の動作可能な周波数バンドは、反対方向に回転する２つのダイポールモードに関連した周波数ω+とω-との分離に比例する。ｇ値が高いほど、分配器の動作可能な周波数バンドが広い。パラメータｇは、磁性材料の磁化Ｍに比例する。
【００２９】
導波路損失は、デバイスのポート間の伝達係数から割り引かれる。−２ｄＢの程度であるこれらの損失は、分配器自体に関連した損失のみを明白にするために割り引かれる。
【００３０】
入力としてのポート（１）および出力ポートとしてのポート（２）〜（６）を考慮する分配器の周波数応答を、図４に示す。正規化中心周波数ωａ／２πｃ＝０．３０３５で、出力ポート（２）、（４）、および（５）間のパワー分配は、約−６．４ｄＢである。理想的に整合した負荷（７）および（８）が接続されているポート（３）および（６）は、およそ−２９ｄＢで入力ポートからアイソレートされており、すなわち、これらのポート中に最小限のパワー損失がある。
【００３１】
分配器の帯域幅は、アイソレーションレベル−２０ｄＢにおいて、２１９ＧＨｚに等しく、このバンドにおいて、分配レベルの変動は、（−６．４±０．４）ｄＢに等しい。図５は、中心周波数におけるＨｚ磁界成分の分布を示す。ダイポールモードのノードは、ポート（３）および（６）の方向に配向している。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］  ６つの導波路および共振空洞が挿入されている二次元フォトニック結晶からなる、光磁気共振器に基づく非相反三方分配器であって、入力ポート中に存在する信号を３つの出力ポート間に、前記出力ポートに対する前記入力ポートの高いアイソレーションを伴って分配する、光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
［２］  前記共振器空洞内で励起されるダイポールモードが、整合負荷が位置している２つの導波路と整列したそのノードを有する、［１］に記載の光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
［３］  配向が前記ダイポールモードのノードと整列している２つの導波路が、前記デバイスの前記出力ポート中の不整合素子に起因して発生する寄生反射のほとんどの部分を受け取る、［１］または［２］に記載の光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
［４］  ダイポールモードのノードの２つの導波路との整列に起因して、３つの残りの導波路（出力導波路）が、入力信号のパワーのおよそ３分の１を受け取る、［１］から［３］のいずれか１項に記載の光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
［５］  アイソレートされたポートの伝送レベルが、約−２９ｄＢであり、前記出力ポートの伝送レベルが、範囲（−６．４±０．４）ｄＢ内であり、アイソレーションレベル−２０ｄＢについての帯域幅が、２１９ＧＨｚである、［１］から［４］のいずれか１項に記載の光磁気共振器に基づく非相反三方分配器。
【図１】
0006651442.tif 000003
【図２】
0006651442.tif 000004
【図３】
0006651442.tif 000005
【図４】
0006651442.tif 000006
【図５】
0006651442.tif 000007