(57)【要約】【課題】周波数間の良好な弁別を達成するように精密にチューニングされ得る光共振器、このような光共振器を一時的にチューニングさせる方法、このような光共振器を含む光デマルチプレクサを提供すること。【解決手段】基板と、入力側導波路と、基板上に形成された光共振器導波路とを有するチューニングされた光共振器。光共振器導波路は、共振周波数を有し、第１の屈折率を呈し、レーザエネルギーの付与に応答して第２の屈折率を一時的に呈し、レーザエネルギーが付与されている間、一時的に共振周波数で共振する。【選択図】　図１
2004004871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成された入力側導波路と、
該入力導波路に光学的に結合され、該基板上に形成され、ベース共振周波数を有する光共振器導波路と、
を備え、
該光共振器が第１の屈折率を呈し、
該光共振器が、第１の量のレーザエネルギーに照射されている間に一時的に第２の屈折率を呈し、それにより該ベース共振周波数とは異なる所望の周波数で共振する、
光共振器。
【請求項２】
前記光共振器導波路が呈する前記第１の屈折率が、第２の量のレーザエネルギーを付与することにより、該光共振器導波路の初期屈折率に対して変更される、請求項１に記載の光共振器。
【請求項３】
前記第１の屈折率が、前記第２の量のレーザエネルギーを付与することにより恒久的に変更される、請求項２に記載の光共振器。
【請求項４】
前記光共振器導波路に前記第１の量のレーザエネルギーを一時的に付与する超高速レーザをさらに備えた、請求項１に記載の光共振器。
【請求項５】
リング共振器がレーザエネルギーの光学破壊閾値範囲を呈し、該光学破壊閾値範囲を超えると前記第１の屈折率が恒久的に変化し、
前記第１の量のレーザエネルギーは該光学破壊閾値範囲未満である、請求項１に記載の光共振器。
【請求項６】
基板と、入力側導波路と、第１の屈折率を呈して該入力導波路に光学的に結合された光共振器導波路とを備えた光共振器を一時的にチューニングさせる方法であって、
該光共振器の共振特性を測定する工程と、
少なくとも該光共振器導波路にレーザエネルギーを一時的に付与することにより、該第１の屈折率を第２の屈折率に一時的に変化させ、それにより、該レーザエネルギーが少なくとも該光共振器に付与されている間に該光共振器を所望の共振周波数にチューニングさせる工程と、
を包含する方法。
【請求項７】
基板上に形成されて入力側導波路に結合された光共振器を、所望の周波数で一時的に共振するようにチューニングさせる方法であって、光共振器導波路が初期屈折率を呈し、該方法は、
該光共振器の共振特性を測定する工程と、
少なくとも該光共振器導波路に第１の量のレーザエネルギーを付与することにより、該初期屈折率を第１の屈折率に恒久的に変化させる工程と、
少なくとも該光共振器導波路に第２の量のレーザエネルギーを付与することにより、該第１の屈折率を第２の屈折率に一時的に変化させ、かつ、レーザエネルギーが少なくとも該光共振器に付与されている間に、該光共振器を該所望の周波数で共振するように一時的にチューニングさせる工程と、
を包含する方法。
【請求項８】
前記第１の量のレーザエネルギーを付与する工程が、前記屈折率を恒久的に変化させる光学破壊閾値範囲に少なくともほぼ等しい量のレーザエネルギーを付与する工程を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
リング共振器が、該リング共振器の固有の屈折率を恒久的に変化させるレーザエネルギーの光学破壊閾値範囲を示し、
前記第２の量のレーザエネルギーを付与する工程が、該光学破壊閾値範囲未満の該第２の量のレーザエネルギーを付与する工程を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
基板と、
該基板上に形成され、少なくとも１つの周波数の光を有する多重化された光ビームをガイドする、第１の光導波路と、
入力側光導波路に光学的に結合され、該基板上に形成され、共振器周波数を有する光共振器導波路と、
を備え、
光共振器が、第１の屈折率を呈し、レーザエネルギーによって照射されている間に一時的に第２の屈折率を呈して該少なくとも１つの周波数で共振する、
光デマルチプレクサであって、
該基板上に形成されて、該少なくとも１つの周波数の光を該光共振器から一時的に受け取るように構成された第２の光導波路をさらに備えた、
光デマルチプレクサ。
【請求項１１】
前記光共振器が、漏れモード結合によって前記第１の光導波路から光を受け取るように構成されている、請求項１０に記載の光デマルチプレクサ。
【請求項１２】
前記光共振器が、エバネセント結合によって前記第１の光導波路から光を受け取るように構成されている、請求項１０に記載の光デマルチプレクサ。
【請求項１３】
複数の周波数の光を伝送する多重化された光ビームをガイドする入力側光導波路と、
該入力側光導波路から該光ビームを受け取るように構成され、レーザエネルギーによって照射されるように構成された複数の光共振器であって、該レーザエネルギーに照射されている間に該複数の周波数の光のうちの対応する周波数の光でそれぞれ一時的に共振する、複数の光共振器と、
該複数の光共振器のうちの各々に光学的に結合されて、該光共振器が該レーザエネルギーによって照射されている間にそれぞれの光共振器から光を一時的に受け取る、複数の出力側光導波路と、
を備えた、光デマルチプレクサ。
【請求項１４】
前記複数の出力側導波路の各々がチューニングされておらず、
レーザエネルギーを、前記共振器のうちの選択された共振器に選択的かつ一時的に付与する手段であって、該レーザエネルギーが少なくとも該光共振器に付与されている間に、該選択された共振器が光の該複数の周波数で一時的に共振するようにする手段をさらに備えた、請求項１３に記載の光デマルチプレクサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光共振器に関し、特に、レーザエネルギーの付与により選択された周波数で共振するように一時的にチューニングされ得るリング型共振器を用いた光共振器に関する。本発明はさらに、共振が起こる周波数を調整する光共振器をチューニングさせる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願は、２００２年５月３１日に出願された米国仮出願第６０／３８４，５７５号に基づき、米国特許法第１１９条（ｅ）による優先権を主張する。
【０００３】
技術が進歩するにつれ、世界中のデータ量が指数関数的に増えている。グローバル情報ネットワーク（例えばインターネット）からビデオ会議、さらには移動式電話までのあらゆるものの使用の増加が、効率的なデータ伝送に依存している。電子が移動しなければならないコンポーネント内およびコンポーネント間の距離が減少したことにより、デバイスの速度が急激に上昇している。１９８０年代および１９９０年代の電子デバイスの速度上昇はほとんど、マイクロエレクトロニクスコンポーネントの小型化によって起こった。しかし、マイクロエレクトロニクス通信ネットワークは、伝送が可能なデータ量を事実上制限する物理的限界を有している。デバイスがコンポーネントの密度および複雑さの物理的限界に近づくにつれ、デバイスの信頼性および新しいデバイスの速度の上昇が低下している。
【０００４】
データの光通信（例えば、ワイヤを介して電子を送るのではなく、光ファイバを介して光子を送る）は、ある種の接続および通信にはすでに広く実施されている。光接続、光スイッチング、および全光学回路は、電子が電子回路内を移動する代わりに、光子が移動してルーティングされる路を提供する。波長分割多重化（ＷＤＭ）は、光学コンポーネント（ファイバなど）を介して同一のファイバ内の異なる周波数の光を混合することにより、さらに多くのデータを送信する方法を提供する。デマルチプレクサは、ファイバから特定周波数の光を分離させる。
【０００５】
光子デバイスおよびマイクロフォトニクスは、歴史的にマイクロエレクトロニクスによって提供されてきた技術デバイスの進歩をさらに進める大きな可能性を提供する。なぜなら光子デバイスおよびマイクロフォトニクスは、大量のデータが光ファイバに沿って移動し最終目的地にルーティングされることをも可能にするからである。全光学回路がまだ実施されていない１つの主な理由は、光子デバイスに関する製造上の問題点、例えば、これらの光子デバイスを製造する際に屈折率の仕様を満たすことに問題があることである。光子デバイスには小さいフィーチャーサイズが必要とされ、かつ、光子デバイスの物理的仕様の許容量も小さいために、これらのデバイスを大量生産する技術の発見および使用が遅れている。
【０００６】
リング型共振器は、特定周波数の光で共振するように設計されたデバイスであり、これによりリング型共振器は入力側導波路から出力側導波路まで、その共振周波数で選択的に光を結合させることが可能になる。典型的には、光エネルギーはエバネセント結合を介してリング型共振器に結合される。この結合モードにおいてリング型共振器は入力側導波路または出力側導波路に近いがこれらに触れることはない位置に置かれる。しかし別の一般的な構成では、リング型共振器は入力側導波路および出力側導波路の一方または両方に触れており、この場合、光は漏れモード結合を介して伝送される。共振器内にない入力側導波路の光は、リング型共振器を通過する際に僅かな透過損失しか出さない。この手法を用いると、リング型共振器は、個々の周波数の光（すなわち共振器周波数）を入力側導波路から別々の出力側導波路にルーティングする受動的ルータとして機能する。複数のリング型共振器が用いられる場合、これらは、ＷＤＭ光信号の複数の周波数を入力側導波路から別々の出力側導波路まで同一の周波数でルーティングする複数の受動ルータとして機能する。
【０００７】
このようにリング型共振器は、光通信の２つの重要な属性、すなわち、機能性と小型性とを有する。機能性とは、複数の共振器を結合させることによって広範囲の所望のフィルタ特性が合成され得るという事実を指す。小型性とは、２５μｍ未満の半径を有するリング型共振器は、１ｃｍ２内に１０４〜１０５のオーダーの密度を有する大規模集積デバイスにつながり得るという事実を指す。
【０００８】
リング型共振器が周波数間の良好な弁別を達成するように精密にチューニングすることが望ましい。リング型共振器は、特定周波数で共振するように設計され得る。これは、リング型共振器が入力側導波路から出力側導波路までその周波数で光信号を結合することができるようにするためである。リング型共振器を備えたデマルチプレクサを用いると、光がデマルチプレクサに入射したときに様々な周波数の光が分離され得る。離散した周波数の光を分離し、かつ、離散した周波数をデータの取扱および処理用の特定のデバイスにルーティングするために、一連のリング型共振器が用いられ得る。
【０００９】
リング型共振器は、Ｘ線または光学リソグラフィーなどの公知の方法を用いて製造され得る。Ｘ線および光学リソグラフィーは、製造者が、リング型共振器をインプラントするために用いられる非常に小型のフィーチャーサイズを作成することを可能にする。リング型共振器が製造された後、共振器をチューニングさせてその共振周波数を調整することが望まれ得る。１つの可能性のあるチューニング方法として温度調整が用いられてきた。しかし温度変化は、空間的に近接するデバイスを別々にチューニングさせるには十分局地化されないことがあり得る。共振器をチューニングさせるために、スピンコートされた感光ポリマーの紫外光誘導屈折率変化もまた用いられてきた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、周波数間の良好な弁別を達成するように精密にチューニングされ得る光共振器、このような光共振器を一時的にチューニングさせる方法、このような光共振器を含む光デマルチプレクサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態は、基板と、基板上に形成された入力側導波路と、基板上の形成された光共振器導波路とを含む、チューニングされた光共振器である。光共振器導波路は、共振周波数を有し、第１の屈折率を呈し、レーザエネルギーの付与に応答して第２の屈折率を一時的に呈し、レーザエネルギーが付与されている共振周波数で一時的に共振する。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、基板と、入力側導波路と、固有の屈折率を呈して入力側導波路に結合された光共振器導波路とを有する光共振器を一時的にチューニングさせる方法である。方法は、光共振器の共振特性を測定する工程と、光導波路に第１の量のレーザエネルギーを付与することにより、固有屈折率を第１の屈折率に恒久的に変化させる工程と、第２の量のレーザエネルギーで共振器を一時的に照射することにより、光共振器を所望の共振特性に一時的にチューニングさせるために、光共振器が照射されている間に第１の屈折率を第２の屈折率に変化させる工程とを含む。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態は、基板と、基板上に形成された第１の光導波路とを含む光デマルチプレクサである。第１の光導波路は、少なくとも１つの周波数の光を有する多重化された光ビームをガイドする。光デバイスは、第１の光導波路からの光ビームを受け取るように構成される。さらに光デバイスは、光の少なくとも１つの周波数を受け取りその周波数で共振するように一時的にチューニングされ、かつ、少なくとも１つの周波数の光を一時的にルーティングするように構成されている。光デバイスは、基板上に形成された光共振器を含む。光共振器は、レーザエネルギーの付与によって一時的に変更されて、光共振器の共振周波数を、光の少なくとも１つの周波数にチューニングする。光デバイスはさらに、基板上に形成された第２の光導波路を含み、第２の光導波路は、光共振器からの少なくとも１つの周波数の光を一時的に受け取るように構成されている。
【００１４】
さらなる実施形態は、複数の周波数の光を伝搬する入力側光導波路と、入力側光導波路から光ビームを受け取るように構成された複数の光デバイスとを含む、光デマルチプレクサである。光デバイスの各々は、光の複数の周波数のうちの少なくとも１つで一時的に共振する。さらに、光デバイスに光学的に結合されて、各々の共振周波数の光を一時的に受け取る、複数の出力光導波路がある。
【００１５】
本発明による光共振器は、基板と、該基板上に形成された入力側導波路と、該入力導波路に光学的に結合され、該基板上に形成され、ベース共振周波数を有する光共振器導波路とを備え、該光共振器が第１の屈折率を呈し、該光共振器が、第１の量のレーザエネルギーに照射されている間に一時的に第２の屈折率を呈し、それにより該ベース共振周波数とは異なる所望の周波数で共振する。これにより上記目的が達成される。
【００１６】
一実施形態において、前記光共振器導波路が呈する前記第１の屈折率が、第２の量のレーザエネルギーを付与することにより、該光共振器導波路の初期屈折率に対して変更される。
【００１７】
一実施形態において、前記第１の屈折率が、前記第２の量のレーザエネルギーを付与することにより恒久的に変更される。
【００１８】
一実施形態において、光共振器は、前記光共振器導波路に前記第１の量のレーザエネルギーを一時的に付与する超高速レーザをさらに備える。
【００１９】
一実施形態において、リング共振器がレーザエネルギーの光学破壊閾値範囲を呈し、該光学破壊閾値範囲を超えると前記第１の屈折率が恒久的に変化し、前記第１の量のレーザエネルギーは該光学破壊閾値範囲未満である。
【００２０】
本発明による、基板と、入力側導波路と、第１の屈折率を呈して該入力導波路に光学的に結合された光共振器導波路とを備えた光共振器を一時的にチューニングさせる方法は、該光共振器の共振特性を測定する工程と、少なくとも該光共振器導波路にレーザエネルギーを一時的に付与することにより、該第１の屈折率を第２の屈折率に一時的に変化させ、それにより、該レーザエネルギーが少なくとも該光共振器に付与されている間に該光共振器を所望の共振周波数にチューニングさせる工程とを包含する。これにより上記目的が達成される。
【００２１】
本発明による、基板上に形成されて入力側導波路に結合された光共振器を、所望の周波数で一時的に共振するようにチューニングさせる方法では、光共振器導波路が初期屈折率を呈し、該方法は、該光共振器の共振特性を測定する工程と、少なくとも該光共振器導波路に第１の量のレーザエネルギーを付与することにより、該初期屈折率を第１の屈折率に恒久的に変化させる工程と、少なくとも該光共振器導波路に第２の量のレーザエネルギーを付与することにより、該第１の屈折率を第２の屈折率に一時的に変化させ、かつ、レーザエネルギーが少なくとも該光共振器に付与されている間に、該光共振器を該所望の周波数で共振するように一時的にチューニングさせる工程とを包含する。これにより上記目的が達成される。
【００２２】
一実施形態において、前記第１の量のレーザエネルギーを付与する工程が、前記屈折率を恒久的に変化させる光学破壊閾値範囲に少なくともほぼ等しい量のレーザエネルギーを付与する工程を含む。
【００２３】
一実施形態において、リング共振器が、該リング共振器の固有の屈折率を恒久的に変化させるレーザエネルギーの光学破壊閾値範囲を示し、前記第２の量のレーザエネルギーを付与する工程が、該光学破壊閾値範囲未満の該第２の量のレーザエネルギーを付与する工程を含む。
【００２４】
本発明による光デマルチプレクサは、基板と、該基板上に形成され、少なくとも１つの周波数の光を有する多重化された光ビームをガイドする、第１の光導波路と、入力側光導波路に光学的に結合され、該基板上に形成され、共振器周波数を有する光共振器導波路とを備え、光共振器が、第１の屈折率を呈し、レーザエネルギーによって照射されている間に一時的に第２の屈折率を呈して該少なくとも１つの周波数で共振する。該光デマルチプレクサは、該基板上に形成されて、該少なくとも１つの周波数の光を該光共振器から一時的に受け取るように構成された第２の光導波路をさらに備える。これにより上記目的が達成される。
【００２５】
一実施形態において、前記光共振器が、漏れモード結合によって前記第１の光導波路から光を受け取るように構成されている。
【００２６】
一実施形態において、前記光共振器が、エバネセント結合によって前記第１の光導波路から光を受け取るように構成されている。
【００２７】
本発明による光デマルチプレクサは、複数の周波数の光を伝送する多重化された光ビームをガイドする入力側光導波路と、該入力側光導波路から該光ビームを受け取るように構成され、レーザエネルギーによって照射されるように構成された複数の光共振器であって、該レーザエネルギーに照射されている間に該複数の周波数の光のうちの対応する周波数の光でそれぞれ一時的に共振する、複数の光共振器と、該複数の光共振器のうちの各々に光学的に結合されて、該光共振器が該レーザエネルギーによって照射されている間にそれぞれの光共振器から光を一時的に受け取る、複数の出力側光導波路とを備える。これにより上記目的が達成される。
【００２８】
一実施形態において、前記複数の出力側導波路の各々がチューニングされておらず、光デマルチプレクサは、レーザエネルギーを、前記共振器のうちの選択された共振器に選択的かつ一時的に付与する手段であって、該レーザエネルギーが少なくとも該光共振器に付与されている間に、該選択された共振器が光の該複数の周波数で一時的に共振するようにする手段をさらに備える。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本明細書において本発明を、特定の実施形態に照らして例示し記載するが、本発明はここに記載する詳細には限定されない。特許請求の範囲の均等物の範囲内であり特許請求の範囲から逸脱しない限り、詳細の様々な改変がなされ得る。
【００３０】
本発明は、内部電界を調整することにより、従って共振器の屈折率を調整することにより、光共振器（例えば、リング形状、ディスク形状または他の形状）を一時的にチューニングさせる方法を提供する。共振器を形成する材料の内部電界の変化およびその結果起こる屈折率の変化は、上記材料内の光の挙動の変化を引き起こす。これらの変化は、光が共振器内を伝搬する速度に影響を与え、従って、その共振周波数に影響を与える。以下に示すように、材料の屈折率は、その格子構造を変更することによっても変化し得る。結晶材料の格子構造は、ガラス相または金属相に変化し得る。アモルファスまたはガラス材料の格子構造は、金属相に変化し得る。これらの相変化は、瞬時にして起こるのではない。むしろ、ある相から別の相への変化が起こる前にピコ秒の範囲の遅延がある。この遅延は、相変化の方向にかかわらず起こる。例えば、結晶材料がガラス相に変化する際に遅延があり、ガラス相が結晶材料構造に戻る際に遅延がある。ガラス相から金属相への変化、および金属相からガラス相への変化に対して、同一の遅延が起こる。これらの材料のいずれかの格子構造は、材料をアブレートすることによっても変化し得る。
【００３１】
リング、ディスク、または他の形状の共振器の屈折率は、共振が狭い周波数帯域の光のみに対して存在するように、精密にチューニングされ得る。以下に述べるように、リング型共振器を形成する材料の屈折率は、正確かつ精密に調整され得る。
【００３２】
図１は、リング型共振器１１０と、センタ１０５と、基板１１５と、第１の導波路１５０と、第２の導波路１５５とを含む光子デバイスの一部分１００の平面図である。本発明をリング型共振器を例にとって説明するが、本発明は、異なる形状、例えば、ディスク形状または多角形状などを有する共振器を用いても実施され得る。リングまたはディスク共振器において、共振する光の主モードはウィスパリングギャラリーモードであると考えられる。しかし多角形共振器においては、光は、例えば八角形構造の１つおきの面から複数の反射を介して伝搬し得る。
【００３３】
図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った、部分１００の断面図であり、部分１００はリング型共振器１１０を含む。図２は、リング型共振器１１０の上層１２０と、基層１２５と中央１０５とを示す。図２はさらに、第１の導波路１５０と第２の導波路１５５と基板１１５をと示す。一実施形態において、上層１２０はシリコン（Ｓｉ）により形成され、基層１２５はＳｉＯ２により形成され得る。別の実施形態において、上層１２０はＧａＡｓにより形成され、基層１２５はＡｌＧａＡｓにより形成される。部分１００の一実施形態において、リング型共振器１１０は、環状であり得る。別の実施形態においては、リング型共振器１１０は、環状である必要はない。他の形状は当該分野で公知であり文献に示されている。別の形状は例えば、卵形状、楕円形状、またはスタジアム形状であり得る。
【００３４】
リング型共振器が環状であり得る実施形態において、センタ１０５は約３〜５ミクロンの直径を有し得る。さらに一実施形態において、上層１２０は単結晶Ｓｉの薄い層であり得、０．２ミクロンの厚みおよび０．５〜０．７ミクロンの幅を有し得る。一実施形態において、基層１２５はＳｉＯ２により形成され得、０．５ミクロンを超える厚みを有し得る。ＳｉＯ２層は低屈折率層を形成するに十分厚くなければならず、０．５ミクロンは、基層１２５にとって最低必要な厚みである。この層の最大厚みはプロセスの実施方法によってのみ左右される。
【００３５】
一実施形態においてリング型共振器１１０を製造するためにＳｉおよびＳｉＯ２を用いる理由が少なくとも３つある。第１に、Ｓｉは光通信で用いられる赤外線周波数（１．４〜１．６ミクロン）に対して透過率が高い。第２に、ＳｉとＳｉＯ２との屈折率のコントラストが比較的大きい（約２）。屈折率のコントラストが大きいために、光はＳｉ層１２０内に閉じ込められる。第３に、Ｓｉベースのデバイス製造では、産業界において大量の知見、ツール、および経験がある。
【００３６】
基板１１５は、基層１２５と同一の材料の少なくとも１つの層を含み得る。別の実施形態では、基板１１５は上層１２０および底層１２５を形成する材料とは異なる材料により形成され得る。各材料は、異なる格子構造を有し、異なる屈折率を有し得る。他の実施形態では、基板１１５を形成する複数の異なる材料により形成される複数の追加の層があり得る。基層１２５は、従来の、マスキングとエッチングとを用いるプロセスまたはレーザアブレーションを用いて、基板１１５の上部から材料を除去することにより形成され得る。第１の導波路１５０および第２の導波路１５５は、上層１２０と同一の材料により形成され得る従来の導波路である。これらの導波路は、光通信システム内で光を伝搬させるために用いられ得る。
【００３７】
本発明によるリング型共振器は、以下のように動作する。チューニングされた光共振器の部分１００は、光学デバイス内で特定周波数の光をルーティングする方法を提供する。ＷＤＭは、従来のＷＤＭ技術により複数の周波数の光が第１の導波路１５０内で移動することを可能にする。ある周波数の光がリング型共振器１１０の共振周波数と同一である場合、光は第１の導波路１５０内を移動しリング型共振器１１０に結合される。リング型共振器１１０内の光が共振するため、そのパワーは光を共振器から第２の導波路１５５に結合するに十分なレベルにまで増加する。光の周波数がリング型共振器１１０と共振しない場合、光は第１の導波路１５０内を移動してリング型共振器１１０を通過するが、その際には、ほとんどまたは全く透過損失はない。それぞれが異なる周波数で共振する一連の異なるリング型共振器１１０を用いることにより、デマルチプレクシングが達成され得る。第１の導波路１５０および第２の導波路１５５は基板１１５上にマウントされ得る。第１の導波路１５０および第２の導波路１５５はエバネセント結合または漏れモード結合によりリング型共振器１１０に結合され得る。
【００３８】
本発明者らは、リング型共振器の電子分布または格子構造を調整するためにレーザエネルギーが用いられ得、したがってその屈折率を調整するためにレーザエネルギーが用いられ得ると判断した。強力なフェムト秒レーザパルスは、ある材料内の高密度の電子−ホールプラズマを励起し、そのことがその帯域構造を変化させ構造遷移を引き起こし得る。ＧａＡｓなどの材料は、様々なレベルのレーザエネルギーに曝され得る。ＧａＡｓ材料に対する、様々なレベルのレーザエネルギーのインパクトに関する研究は、材料に対する恒久的ダメージのフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）閾値Ｆｔｈが１．０ｋＪ／ｍ２であることを示している。すなわち、閾値Ｆｔｈ以上のレーザエネルギーが材料に付与されると、材料は恒久的ダメージを受ける。他のレベルのレーザエネルギーは、材料に対して異なる影響を引き起こすことになる。例えば、Ｆｔｈよりかなり高いレーザエネルギーは材料を蒸発（アブレート）させ、それにより蒸発した材料の部分に穴があいたり、あるいは材料の形状が変化したりする。
【００３９】
本発明は、光共振器１００をチューニングさせる方法を提供する。この方法の一例では、リング型共振器１１０をレーザエネルギーに曝すことにより恒久的にリング型共振器１１０の屈折率を変化させる。別の実施形態においては、リング型共振器１１０の一部がレーザエネルギーに曝される。両方の実施形態において、付与されるエネルギーの量は、リング型共振器が形成されている材料のエネルギー閾値Ｆｔｈ未満である。付与されるエネルギーの量は屈折率の変化を引き起こすに十分であり得るが、リング型共振器１１０の一部にダメージを与えたりアブレートしたりするには不十分であり得る。
【００４０】
上層１２０は、光通信において用いられる周波数に対しては透過率が高いが、ほとんどのタイプの超高速エネルギーを高度に吸収し得る。ある実施形態において、０．８マイクロンの波長を有するフェムト秒パルスレーザ（図示せず）は、上層１２０の共振構造をチューニングさせるために用いられ得る。この実施形態において、チューニングは、リング型共振器１１０の屈折率を０．１％だけ変更し得る。別の実施形態において、レーザビームは、リング型共振器の一部分を照射し得る。さらに別の実施形態において、レーザエネルギーは層１２５に付与され得る。さらに別の実施形態において、レーザビームはリング型共振器１１０全体を一度に照射し得、それによりリング型共振器１１０全体に均一な変化を引き起こす。
【００４１】
本発明者らは、リング型共振器の一時的なＯＮ／ＯＦＦ切り換え性能をいかにして向上させるかを発見した。誘電体に対するレーザエネルギーの影響を説明する論文が、テネシー大学の物理および天文学部のウェブサイトで公開されている。この論文は、屈折率は以下の式で表され得ると述べている。
【００４２】
【数１】
2004004871.tif 000003
【００４３】
上記式において、ｃ（１）は磁化率を表し、ｃ（３）は第３次非線形光学的相互作用を表し、Ｅは電界を表し、Ｉは材料を照射する光の強度を表す。この式は、任意の材料の屈折率の値ｎを示すが、以下のように簡略化され得る。
【００４４】
ｎ＝ｎ０＋ｎ２＊Ｉ＋．．．
上記式において、ｎ０およびｎ２は、屈折率の各次数の展開定数である。この式において、ｎ２の値は非常に小さい。したがって、通常の動作条件において、値ｎ２＊Ｉは、無視できる。誘電体に入射する照射光がない場合、Ｉはゼロでありｎはｎ０である。ｎ０は、材料の屈折率のベース値である。材料が光エネルギーに曝された場合、Ｉは非ゼロであり項ｎ２＊Ｉは値を有する。少量の光エネルギーが材料に付与された場合、項ｎ２＊Ｉは非常に小さく従って無視できる。
【００４５】
しかし高強度のレーザビームエネルギーが材料に照射された場合、ｎ２とＩとの積が重要になる。したがって、材料が、非常に高いピーク強度を有する超高速フェムト秒レーザからのレーザエネルギーによって照射される場合、項ｎ２＊Ｉは非常に重要になり得る。上記式は、材料が高強度のレーザエネルギーで照射されている間、および、照射終了後ピコ秒のオーダーの期間、ｎ２とＩとの積が屈折率ｎの値にインパクトを与える。したがって、超高速レーザからの光が材料に入射すると、屈折率は即座に屈折率を、式ｎ＝ｎ０およびｎ２＊１によって表される値に変化させる。高強度ビームを用いる結果、屈折率の変化が大幅になり得る。強力なレーザエネルギービームが材料から除去されてからピコ秒後に、屈折率はｎ＝ｎ０に戻る。なぜなら、Ｉ＝０であり、そのためにｎ２項が式からなくなり屈折率の値に影響を与えないからである。
【００４６】
これらのコンセプトを用いると、レーザエネルギーが材料に入射する限り、材料の屈折率を一時的に変化させるために、超高速レーザからのパルスがダメージ閾値Ｆｔｈ未満の強度でリング型共振器１００に付与され得る。一実施形態において、５００ｆｓのパルスが用いられ得る。別の実施形態において、１ｐｓ（１０００ｆｓ）のパルスが用いられ得る。本発明の実施形態は、導波路１５０を介して伝搬するビームのエネルギーレベルおよび波長として、リング型共振器を照射するために用いられるものとは異なるものを用い得る。より特定すると、導波路１５０を介して伝搬するエネルギーは、リング型共振器を照射するために用いられるものよりもはるかに低くてもよく、したがって伝搬する光エネルギーがリング型共振器の屈折率を誤って変更することはない。さらに、導波路１５０を介して伝搬する光の周波数は、リング共振器を照射するために用いられるビームの周波数とは大幅に異なり得、その結果、共振器は照射する波長の光では共振せず、２つの光ビーム間に相互変調はない。
【００４７】
ある実施形態において、強力なパルスのレーザ光が５００ｆｓ用のリング型共振器に入射する場合、材料の屈折率が実質的に即座にパルス長、すなわち５００ｆｓに合うように変化し、その後ピコ秒のオーダーでの遅延で屈折率の初期値に戻る。５００ｆｓのパルスがリング型共振器に入射している間、およびパルスの終了後短期間の間、リング型共振器は光エネルギーを、調整された共振周波数で導波路１５５に伝送する。このインターバルの後、リング型共振器は、共振光エネルギーを導波路１５５に伝送することを停止する。したがって、リング型共振器１１０は、少なくとも５００ｆｓパルスの間、ＡＤＤ／ＤＲＯＰスイッチとして用いられ得る。
【００４８】
ある実施形態において、上記の方法のいずれかによってリング共振器の屈折率が恒久的に変化された後、屈折率の一時的変更が実施され得る。ある実施形態では、この方法を用いて、リング型共振器が、リング型共振器が一時的にチューニングされている間に伝送すべき周波数の１％以内である周波数を伝送するようにチューニングされる。別の実施形態においては、リング型共振器の屈折率がそれまでに恒久的に変化しなかった状態で、屈折率の一時的変化が実行され得る。
【００４９】
屈折率の一時的変化を用いる実施形態において、リング型共振器１１０は、リアルタイムベースでＷＤＭ内のＡＤＤ／ＤＲＯＰチャネルフィルタとして機能する。この手法は、現行のＷＤＭチャネルフィルタに対して大幅な向上を提供する。この実施形態において、レーザ光が共振器に照射されている間のみ、共振器は入力からの光を出力に結合させる。上記したように、共振器は、共振周波数未満であるが所望の共振周波数の１％以内である周波数で、まず光を伝送するように構築され得る。所望の周波数の光を伝送することが望まれる場合、レーザエネルギーは一時的に共振器に付与され、それにより共振器はその後、初期にチューニングされた周波数の１％以内であり得る所望の周波数で光を伝送する。
【００５０】
本実施形態は、異なる周波数で共振する１以上の光共振器が入力側導波路を介して伝搬する多重化された光に結合されている場合に、光デマルチプレクサの要素として用いられ得る。図３は、１より多くの共振器を用いる実施形態を示す。図３を参照すると、複数の周波数の光が従来のＷＤＭ技術により入力側導波路３５０内で移動する。導波路３５０に沿って位置するのは、共振器３１０および３２０である。この実施形態では、共振器はディスク型共振器である。別の実施形態では、さらなる共振器が導波路３５０に沿って設けられ得る。出力側導波路３４０は、共振器３１０に沿って設けられ、出力側導波路３４５は共振器３２０に沿って設けられている。共振器３１０および３２０は各々異なる周波数で一時的に共振するようにチューニングされ得る。追加の共振器が用いられる別の実施形態では、追加の共振器の各々が異なる周波数で一時的に共振し得る。
【００５１】
初期に、共振器３１０および３２０の各々はチューニングされていない。すなわち、共振器３１０および３２０の各々が、光をそれぞれの出力側導波路３４０および３４５に共振させないように、チューニングされていない共振状態である。多重化された光が入力側導波路３５０を介して伝搬すると、レーザ光は一時的に、共振器３１０および３２０の一方または両方に選択的に照射され、それによりこれらの一方または両方を一時的にチューニングさせる。適切な量のレーザエネルギーを共振器３１０および／または３２０に一時的に付与することにより、これらの一方または両方がそれぞれの共振周波数で一時的に共振するようにチューニングされ得る。それにより、これらの一方または他方が、光を、それぞれの共振周波数で対応する出力側導波路３４０または３４５に伝送する。
【００５２】
別の実施形態では、基板１１５の一部が、基板の格子構造に恒久的および／または一時的変化を引き起こす、従って基板の屈折率に恒久的および／または一時的変化を引き起こす、に十分であり得る１以上の量のレーザエネルギーに曝され得る。恒久的変化のためには、基板１１５がレーザエネルギーに曝される前に、リング型共振器１１０が従来の方法でマスキングされる。これは、共振器が基板に付与されているレーザエネルギーに曝されることを防ぐためである。基板１１５に付与されるレーザエネルギーの量は、基板にダメージを与えるに十分でなくてもよい。一実施形態において、レーザエネルギーは基板１１５の中心１０５に集束する。
【００５３】
さらなる実施形態において、光共振器１００の屈折率は、他の方法を組み合わせた方法を実施することにより変化し得る。第１の工程では、リング型共振器１１０の屈折率が、Ｆｔｈ以上の第１のレーザエネルギー量に上層１２０を曝すことによって恒久的に変化し得る。第２の工程では、基板１１５の屈折率が、Ｆｔｈ以上の第２のレーザエネルギー量に基板１１５の一部を曝すことにより恒久的に変化し得る。リング型共振器１１０に付与される第１のレーザエネルギー量は、基板１１５に付与される第２のレーザエネルギー量よりも大きくてもよい。第１のレーザエネルギー量は、光共振器の全屈折率に、比較的大きい、すなわち「粗い」変化を与える。第２のレーザエネルギー量が与える変化はこれよりも小さくてもよく、これにより光共振器１００の全屈折率を「微調整」する。本実施形態において、各工程で付与されるエネルギー量は、各々の材料のＦｔｈ以上であり得る。
【００５４】
上記の恒久的変化がなされた後、一時的変化を加えるという形態でさらなる工程が実施され得る。これらの追加の工程は、Ｆｔｈ未満の量の光エネルギーを材料に付与することを含み得る。強い光エネルギーがＦｔｈ未満の量で材料に付与されると、材料の格子構造が時間遅延の後に変化し得る。時間遅延はピコ秒の範囲内であり得る。このように強力な光エネルギーを付与することにより、材料の相が変化し得る。上述したように、相は、結晶相からガラス相へ、および／またはガラス相から金属相へ変化し得る。格子構造が異なる相に変化した材料から強力な光エネルギーが除去されると、これもまたピコ秒の範囲内の時間遅延の後、材料の格子構造は元の、すなわち固有の格子構造に戻り得る。
【００５５】
第３の工程では、材料の格子構造または電子分布が変化する前または後に、光エネルギーが付与され得る。第３の工程で付与される光は、上述したように即座に材料の電界を調整し、したがって即座に共振器の屈折率を変化する。この第３の工程は、前のチューニング工程が行われた後に共振器をさらに微調整するために用いられ得る。
【００５６】
リング型共振器をチューニングさせるプロセスにおいて、最初の２つの工程は随意である。材料の電界構造を変化させることによって引き起こされる屈折率の瞬間的変化が共振器を所望の周波数で共振させるに十分である場合、第３の工程のみを用いてもよい。しかし、この変化が十分でない場合、材料の格子構造を恒久的または一時的に変化させてその屈折率を変化させ、それにより、第３の工程の光エネルギーが付与されたときに、共振器の屈折率がリングが所望の周波数で共振することを可能にするに十分なだけ変化するようにしておくことが望まれ得る。
【００５７】
本発明のさらなる実施形態において、リング型共振器１１０の異なる部分は、異なる量のレーザエネルギーに曝され得る。上層１２０の異なる部分は、異なる量のレーザエネルギーに曝され得る。底層１２５の異なる部分は、異なる量のレーザエネルギーに曝され得る。基板１１５の異なる部分は、異なる量のレーザエネルギーに曝され得る。これらの実施形態のすべてにおいて、材料の第１の部分が第１の量のレーザエネルギーに曝されたとき、上記第１の部分は、レーザエネルギーに曝されていない部分に比べて変更された格子構造を呈する。同様に、材料の第２の部分が第２の量のレーザエネルギーに曝されたとき、上記第２の部分もまた、変更された格子構造を呈する。各部分の格子構造に対する変化は同時に、それぞれの材料の屈折率に対して関連した変化をもたらす。
【００５８】
本発明のさらなる実施形態において、リング型共振器１１０の屈折率は、リング型共振器の一部をアブレートするに十分な量のレーザエネルギーにリング型共振器１１０を曝すことによって変化し得る。レーザエネルギーの量は、アブレーションを引き起こすＦｔｈより十分高くてもよい。
【００５９】
様々な実施形態が以下のように用いられ得る。材料のいずれの部分がレーザエネルギーに照射され得るかということと、その部分に付与され得るレーザエネルギーの量が一旦決定されると、光共振器の初期共振特性が測定され得る。測定値が、共振器が所望の周波数で共振し得ることを示す場合、共振器は修正する必要がない。他方、共振器が所望の周波数で共振しないかもしれない場合、選択された量のレーザエネルギーが、材料の選択された部分に付与され得、これにより所望の共振特性に近い特性を有するように光共振器をチューニングさせる。したがって、選択された量のレーザエネルギーが、第１の層、第２の層、または基板に付与され得る。あるいは、選択された異なる量のレーザエネルギーが、２以上の層と基板との任意の組み合わせに付与され得る。
【００６０】
選択された量のレーザエネルギーが付与される前に、光共振器の入力側導波路に光が付与され得る。本実施形態において、光は導波路１５０を介して付与され得る。導波路１５０に付与された光は、所定のモニタ周波数を有し得る。光が導波路１５０に付与される際、光共振器１００の共振周波数を有していても良いし、有していなくてもよい。モニタ周波数の光が導波路１５０および光共振器１００を伝搬している間、出力側導波路１５５内の光がモニタされ、いつ共振するかが判断される。出力側導波路１５５の光がモニタされている間、所定のモニタ周波数での共振が導波路１５５内での共振出力によって示されるような形で達成されるまで、追加の量のレーザエネルギーが光共振器に付与され得る。レーザエネルギーが光共振器の任意の部分、すなわち、上層１２０、底層１２５、または基板１１５に付与され得ることが理解される。基板１１５が１より多い層によって構成される実施形態において、レーザエネルギーは基板の層のいずれかに付与され得る。
【００６１】
リング型共振器に粗いチューニングおよび／または微調整がなされた後、かつ、上記のモニタ手順がなされた後、レーザエネルギーが、一時的にのみ屈折率をさらに変更させるに十分な量で、リング型共振器に付与され得る。過渡期間の終了時に、格子構造、したがって屈折率が、レーザエネルギーの付与前に存在した状態に戻る。過渡状態の場合、リング型共振器１１０が、フルエンス、すなわち１．０Ｆｔｈ未満のレーザエネルギーに曝され得る。このような量のレーザエネルギーがリング型共振器１１０の少なくとも一部分に付与されると、リング型共振器の一部分の格子構造および屈折率が一時的に変化する。
【００６２】
上述したように、閾値レベルＦｔｈ未満の量のレーザエネルギーの付与は、付与されるレーザエネルギーの量に依存して、材料に対して様々な変化をもたらす。一実施形態において、約０．５Ｆｔｈのレーザエネルギーは、上層１２０および／または底層１２５および／または基板１１５を含む材料の１つに付与され得る。別の実施形態において、ほぼ０．６〜０．８Ｆｔｈの範囲のレーザエネルギーが１以上の結晶材料に付与され得、それにより結晶材料をガラス相に一時的に変化させる。さらに別の実施形態では、ほぼ０．８〜１．０Ｆｔｈの範囲のレーザエネルギーが１以上の材料に付与され得、それにより材料を金属相に一時的に変化させる。
【００６３】
本発明を実施形態に照らして説明してきたが、本発明は上述したように、特許請求の範囲から逸脱することなく様々な改変により実施することができる。
【００６４】
【発明の効果】
上記したように、本発明によると、周波数間の良好な弁別を達成するように精密にチューニングされ得る光共振器、このような光共振器を一時的にチューニングさせる方法、このような光共振器を含む光デマルチプレクサが提供される。
【００６５】
本発明は、以上の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読むことにより最も良く理解できる。図面に記載する様々な要素は、通常の実務に従って、実際のサイズに比例していない。むしろ、様々な特徴部の寸法は、明確さのために、任意に拡大まはた縮小されている。図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、リング型共振器を有する光子デバイスの一例の一部分の平面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】図３は、２つのリング型共振器を有する光子デマルチプレクサの一例の一部分の平面図である。
【符号の説明】
１００　光子デバイスの一部分
１１０　光共振器
１５０　第１の導波路
１５５　第２の導波路
１１５　基板
【図１】
2004004871.tif 000004
【図２】
2004004871.tif 000005
【図３】
2004004871.tif 000006