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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022117842
(43)【公開日】2022-08-12
(54)【発明の名称】トポロジカル垂直結合器
(51)【国際特許分類】
G02B 6/122 20060101AFI20220804BHJP
【ＦＩ】
G02B6/122 301
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021014576
(22)【出願日】2021-02-01
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り １．２０２０年第８１回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集、講演番号：１０ｐ－Ｚ１８－１０、発行年月日：令和２年８月２６日 ２．２０２０年第８１回応用物理学会秋季学術講演会 口頭発表、講演番号：１０ｐ－Ｚ１８－１０ オンライン講演のウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｍｅｅｔｉｎｇ．ｊｓａｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｊｓａｐ２０２０ａ／ 開催日 令和２年９月８日～１１日（発表日：令和２年９月１０日）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）、「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」、「人工グラフェンに基づくトポロジカル状態創成と新規特性開発」、「トポロジカルフォトニクスの光通信デバイス応用」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】雨宮 智宏
(72)【発明者】
【氏名】各務 響
(72)【発明者】
【氏名】古月 暁
【テーマコード（参考）】
2H147
【Ｆターム（参考）】
2H147AB15
2H147AB21
2H147AB31
2H147BF03
2H147BF06
2H147BF08
2H147BF10
2H147BF14
2H147BG01
2H147EA13A
2H147EA13C
2H147EA14B
(57)【要約】
【課題】垂直結合効率を大幅に向上させることができるトポロジカル垂直結合器を提供する。
【解決手段】トポロジカル垂直結合器３０は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体１１と、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３と、フォトニック構造体１１またはトポロジカルフォトニック構造体１２から、１または複数個の格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０と、を有する
【選択図】図７
【解決手段】トポロジカル垂直結合器３０は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体１１と、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３と、フォトニック構造体１１またはトポロジカルフォトニック構造体１２から、１または複数個の格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０と、を有する
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）と、
内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）と、
前記フォトニック構造体と前記トポロジカルフォトニック構造体の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）と、
前記フォトニック構造体または前記トポロジカルフォトニック構造体から、１または
複数個の格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティと、を有する
ことを特徴とするトポロジカル垂直結合器。
内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）と、
前記フォトニック構造体と前記トポロジカルフォトニック構造体の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）と、
前記フォトニック構造体または前記トポロジカルフォトニック構造体から、１または
複数個の格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティと、を有する
ことを特徴とするトポロジカル垂直結合器。
【請求項2】
前記キャビティの周囲を取り囲む波長選択用格子と、
前記キャビティと波長選択用格子との中心間の距離を変えて、垂直結合効率のピーク周波数を調整する調整手段と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
前記キャビティと波長選択用格子との中心間の距離を変えて、垂直結合効率のピーク周波数を調整する調整手段と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
【請求項3】
前記キャビティは、前記トポロジカルエッジ近傍の前記フォトニック構造体または前記トポロジカルフォトニック構造体に配置される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル垂直結合器。
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトポロジカル垂直結合器。
【請求項4】
前記キャビティは、垂直結合入射光を受光する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトポロジカル垂直結合器。
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のトポロジカル垂直結合器。
【請求項5】
前記トポロジカルフォトニック構造体は、配列されたセル内で対称性を有する誘電体を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
【請求項6】
前記トポロジカルフォトニック構造体は、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールを含む誘電体が蜂の巣格子状セルに配列される構造を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
【請求項7】
前記トポロジカルフォトニック構造体は、Ｚ２トポロジーで表わされるトポロジカル構造である
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
ことを特徴とする請求項１に記載のトポロジカル垂直結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、シリコン光回路上に集積可能なトポロジカル垂直結合器に関する。
【背景技術】
【0002】
光ネットワークに用いられている各種光素子には、レーザ、変調器、多重化素子、光スイッチ等がある。光集積回路は、光通信で必須とされる種々の機能をワンチップ上に一括集積したものである。単一機能の光デバイスに比べて、実装コスト・消費電力・サイズなどの低減が可能なことから、数多くのモジュールが実用化されており、現在の光市場を席巻している。
一般的な光集積回路においては、伝搬光のモードは、ＴＥモード（Transverse Electric mode）またはＴＭモード（Transverse Magnetic mode）に固定される。そのため、光回路上に集積された各種デバイスは、それらのモードに対して動作するように設計されている。
一般的な光集積回路においては、伝搬光のモードは、ＴＥモード（Transverse Electric mode）またはＴＭモード（Transverse Magnetic mode）に固定される。そのため、光回路上に集積された各種デバイスは、それらのモードに対して動作するように設計されている。
【0003】
近年、光の自由度を積極的に利用した通信方式に関心が集まっている。特に、光渦（光の軌道角運動量）には、未開拓の領域が多く残っていることから研究が盛んになっている。光渦は、波面のらせん周期に情報を乗せることで、理論上無限チャネル多重化が可能であり、光通信との親和性が極めて良いとされている。
【0004】
特許文献１には、第１層と、第１層に対向する第２層とを備え、第１層は、各々が光学異方性を有する複数の第１構造体を含み、第２層は、第１層から入射した光を反射する際は、光の入射時と反射時とで光の偏光状態を維持したまま光を反射する、光学素子が記載されている。特許文献１の段落[０２５８]には、「光ＬＴ２は、光渦として出射される。光渦とは、特異点を有し、等位相面が螺旋面を形成する光のことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１８－８４６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、一般的な光回路においては、その構成要素の導波路型デバイス群がＴＥ／ＴＭモード光でのみ動作するため、光渦との親和性は決して高くない。例えば、ＴＥモード／ＴＭモードしか扱えず、ＴＥ／ＴＭモードで動作する光集積回路では、光渦を制御することはできないという課題がある。
【0007】
従来型の光回路の一部をトポロジカルフォトニクス系に置き換えることで、光回路内において光渦伝搬をはじめとした各種制御を行うことを目指している（TPICs : Topological Photonic Integrated Circuits）。
TPICsにおいて重要な要素の一つは、トポロジカルフォトニクス系への高効率な結合を、水平・垂直の両方向に対して実現することが課題としてある。
TPICsにおいて重要な要素の一つは、トポロジカルフォトニクス系への高効率な結合を、水平・垂直の両方向に対して実現することが課題としてある。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、垂直結合効率を大幅に向上させることができるトポロジカル垂直結合器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記した課題を解決するため、本発明に係るトポロジカル垂直結合器は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）と、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）と、前記フォトニック構造体と前記トポロジカルフォトニック構造体の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）と、前記フォトニック構造体または前記トポロジカルフォトニック構造体から、１または複数個の格子内の構造を取り除いたキャビティと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、垂直結合効率を大幅に向上させることができるトポロジカル垂直結合器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器に用いるトポロジカルエッジ伝送路（Topological edge state waveguide）の構造を説明する図である。
【図2】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器におけるＣ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーンの図である。
【図7】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器の垂直結合位置Ａにキャビティを有する構造を示す図である。
【図8】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器の垂直結合位置Ｂにキャビティを有する構造を示す図である。
【図9】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器の垂直結合位置Ｃにキャビティを有する構造を示す図である。
【図10】本発明の第１の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器の垂直結合位置Ｄにキャビティを有する構造を示す図である。
【図13】本発明の第２の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（原理説明）
トポロジカル絶縁体（Topological insulator）やワイル半金属（Weyl Semimetal）などにおける電子系のトポロジーをフォトンの系にトレースする試みは、トポロジカルフォトニクスと呼ばれ、近年急速に進展している。トポロジカル絶縁体は、バルクはエネルギーギャップを持つ絶縁体でありながら、エッジ（２次元系では端、３次元系では表面）にギャップレスの金属状態が生じている物質をいう。
（原理説明）
トポロジカル絶縁体（Topological insulator）やワイル半金属（Weyl Semimetal）などにおける電子系のトポロジーをフォトンの系にトレースする試みは、トポロジカルフォトニクスと呼ばれ、近年急速に進展している。トポロジカル絶縁体は、バルクはエネルギーギャップを持つ絶縁体でありながら、エッジ（２次元系では端、３次元系では表面）にギャップレスの金属状態が生じている物質をいう。
【0013】
特に、Ｃ６ｖ対称性（６０°回転させると重なる対称性）を有する誘電体が蜂の巣格子状に配列された構造におけるＺ２トポロジー（電子波動関数のもつトポロジカルな構造の分類における一つのクラス）の発現は、光渦の伝送が可能なトポロジカルエッジ状態の実現を可能にする。
【0014】
<トポロジカルエッジ伝送路の設計>
図１は、本発明の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器に用いるトポロジカルエッジ伝送路（Topological edge state waveguide）２０の構造を説明する図（Si-based topological edge state waveguide we used in simulation）である。
図１に示すように、トポロジカルエッジ伝送路２０は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）１１と、トポロジカルエッジ伝送路２０は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）１３と、を有する。
図１は、本発明の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器に用いるトポロジカルエッジ伝送路（Topological edge state waveguide）２０の構造を説明する図（Si-based topological edge state waveguide we used in simulation）である。
図１に示すように、トポロジカルエッジ伝送路２０は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体（Trivial photonic structure）１１と、トポロジカルエッジ伝送路２０は、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ（Topological edge）１３と、を有する。
【0015】
<フォトニック構造体>
フォトニック構造体（Trivial Ph.C.）１１は、Ｃ６ｖ対称性を有する第１誘電体１１１が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
トポロジカルフォトニック構造体（Topological Ph.C.）１２は、Ｃ６ｖ対称性を有する第２誘電体１１２が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
フォトニック構造体（Trivial Ph.C.）１１は、Ｃ６ｖ対称性を有する第１誘電体１１１が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
トポロジカルフォトニック構造体（Topological Ph.C.）１２は、Ｃ６ｖ対称性を有する第２誘電体１１２が蜂の巣格子状（例えば、周期ａ＝８００ｎｍ）に配列された構造である。
【0016】
第１誘電体１１１は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハ上に、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル（unit cell）１２１に配列したナノ（ｎｍ，１ｎｍ＝１０－９ｍ）構造を用いる。
第２誘電体１１２は、ＳＯＩウェハ（例えばＳｉ膜厚２２０ｎｍ）１３１上に、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホール１１２ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル１２２に配列したナノ構造を用いる。
第１誘電体１１１のナノホール１１１ａと第２誘電体１１２のナノホール１１２ａは、蜂の巣格子のセル１２１，１２２中心からナノホール１１１ａ，１１２ａの中心までの距離ｒおよびナノホール１辺の長さｌのパラメータがそれぞれ異なる（後記）。
第２誘電体１１２は、ＳＯＩウェハ（例えばＳｉ膜厚２２０ｎｍ）１３１上に、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホール１１２ａを蜂の巣格子状（周期ａ＝８００ｎｍ）のセル１２２に配列したナノ構造を用いる。
第１誘電体１１１のナノホール１１１ａと第２誘電体１１２のナノホール１１２ａは、蜂の巣格子のセル１２１，１２２中心からナノホール１１１ａ，１１２ａの中心までの距離ｒおよびナノホール１辺の長さｌのパラメータがそれぞれ異なる（後記）。
【0017】
トポロジカルフォトニクス系では、誘電体がハチの巣状誘電体部の△の一辺の長さと、セルの中心からの距離がわずかに異なる２種類のフォトニック構造の界面にトポロエッジ状態が発生し、そこを光が伝搬する。光渦の回転の向きにより、左か右の一方向のみにしか伝搬しない。図１では、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界のトポロジカルエッジ１３には、トポロジカルエッジモード（Topological edge mode）が発現している。
トポロジカルフォトニック構造体１２によって作られた２つの領域の界面に生じる光状態（トポロジカルエッジ状態）は、特定の偏光・光渦を有する光のみを許容し、これら特定の偏光・光渦は伝播方向依存性を有する。
トポロジカルフォトニック構造体１２によって作られた２つの領域の界面に生じる光状態（トポロジカルエッジ状態）は、特定の偏光・光渦を有する光のみを許容し、これら特定の偏光・光渦は伝播方向依存性を有する。
【0018】
<Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールの構造>
図２は、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーンの図（Schematic image of a unit cell in the reciprocal space）である。フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１のナノホール１１１ａを例に採る。トポロジカルフォトニック構造体１２の第２誘電体１１２のナノホール１１２ａについても同様の構造である。
図２の右図に示すように、蜂の巣格子のセル１２１の中心をブリルアンゾーンの中心（原点）Γ点とする。また、ブリルアンゾーンの高対称点として、Ｍ点（長方形面の中心）、Ｋ点（２つの長方形面をつなぐ辺の中心）、Ａ点（六角形面の中心）、Ｈ点（端点）、Ｌ点（六角形面と長方形面をつなぐ辺の中心）がある。
図２は、Ｃ６ｖ対称性を有するナノホールの構造を示すブリルアンゾーンの図（Schematic image of a unit cell in the reciprocal space）である。フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１のナノホール１１１ａを例に採る。トポロジカルフォトニック構造体１２の第２誘電体１１２のナノホール１１２ａについても同様の構造である。
図２の右図に示すように、蜂の巣格子のセル１２１の中心をブリルアンゾーンの中心（原点）Γ点とする。また、ブリルアンゾーンの高対称点として、Ｍ点（長方形面の中心）、Ｋ点（２つの長方形面をつなぐ辺の中心）、Ａ点（六角形面の中心）、Ｈ点（端点）、Ｌ点（六角形面と長方形面をつなぐ辺の中心）がある。
【0019】
図２の左図に示すように、Ｓｉ膜１３３は、蜂の巣格子状のセル１２１とセル１２１に配列されたＣ６ｖ対称性を有するナノホール１１１ａとが形成される。残存Ｓｉ膜１３３と当該Ｓｉ膜１３３に開孔したナノホール１１１ａからなるフォトニック構造は、フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１を形成する。図２の左図は、フォトニック構造体１１のセル１２１を上面手前の斜め上から見た図であり、開孔したナノホール１１１ａの下のＳｉＯ２絶縁膜１３２が露出している。
図２の左図のナノホール１１１ａは、蜂の巣格子のセル１２１の中心（Γ点）からナノホール１１１ａの中心までの距離ｒ、ナノホール１１１ａの１辺の長さｌをパラメータとする。隣り合うナノホール１１１ａのセル１２１の中心角は、π／３である。
フォトニック構造体１１のナノホール１１１ａの場合、例えばｒ＝２４０ｎｍ，ｌ＝２４０ｎｍである。
また、トポロジカルフォトニック構造体１２のナノホール１１２ａの場合、例えばｒ＝２９０ｎｍ，ｌ＝２５０ｎｍである。
さらに、図２の左図に示すように、隣り合う蜂の巣格子のセル１２１同士の中心（Γ点）間距離ａ１、ａ２は、同じ（ここでは、ａ１＝ａ２＝８００ｎｍ≡ａ）である。
図２の左図のナノホール１１１ａは、蜂の巣格子のセル１２１の中心（Γ点）からナノホール１１１ａの中心までの距離ｒ、ナノホール１１１ａの１辺の長さｌをパラメータとする。隣り合うナノホール１１１ａのセル１２１の中心角は、π／３である。
フォトニック構造体１１のナノホール１１１ａの場合、例えばｒ＝２４０ｎｍ，ｌ＝２４０ｎｍである。
また、トポロジカルフォトニック構造体１２のナノホール１１２ａの場合、例えばｒ＝２９０ｎｍ，ｌ＝２５０ｎｍである。
さらに、図２の左図に示すように、隣り合う蜂の巣格子のセル１２１同士の中心（Γ点）間距離ａ１、ａ２は、同じ（ここでは、ａ１＝ａ２＝８００ｎｍ≡ａ）である。
【0020】
<トポロジカル系への垂直結合>
図３は、図１のトポロジカルエッジ伝送路２０に光１０を垂直入射する場合の模式図である。
トポロジカルエッジ伝送路２０に、垂直入射する場合の光１０は、平面波（電界Ｅと磁場Ｈが伝播する方向に直交）である。また、偏光は円偏光（circular polarization）である。
図３は、図１のトポロジカルエッジ伝送路２０に光１０を垂直入射する場合の模式図である。
トポロジカルエッジ伝送路２０に、垂直入射する場合の光１０は、平面波（電界Ｅと磁場Ｈが伝播する方向に直交）である。また、偏光は円偏光（circular polarization）である。
【0021】
図４は、トポロジカルエッジ伝送路２０における垂直結合（入射）位置依存性を説明する図である。図４は、図３に示す平面波（円偏光１０）のスポットを、トポロジカルエッジ伝送路２０の各垂直結合位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに垂直入射した場合を示している。例えば、トポロジカルエッジ伝送路２０の垂直結合位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにそれぞれ平面波のスポットを垂直入射した場合、Port1の出力をみると、垂直結合位置Ａに光を垂直入射したときに出力がもっとも大きい。このため、垂直結合された光をPort1に出力する場合、トポロジカルエッジ伝送路２０の垂直結合位置Ａに、キャビティ４０（後記）を設けることが望ましい。
【0022】
本発明者らは、フォトニック構造体１１側では、トポロジカルエッジ１３から１セル離れた垂直結合位置Ａへの光の入射が、トポロジカルエッジ１３に近い垂直結合位置Ｂよりも垂直結合効率が高いことを見出した。また、トポロジカルフォトニック構造体１２側では、トポロジカルエッジ１３に近い垂直結合位置Ｃが、それよりも１セル離れた垂直結合位置Ｄより垂直結合効率が高いことを見出した。さらに、図４の構造例では、垂直結合位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうち、垂直結合位置Ａがもっとも垂直結合効率が高い知見を得た。
【0023】
<円偏光入射時のポート分岐>
図５は、図４のトポロジカルエッジ伝送路２０の各垂直結合位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに円偏光を垂直入射した場合のPort1の波長に対する出力強度（面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２）の解析結果を示す図（Output power of port 1 as a function of wavelength of vertical incident light.）である。横軸に波長（wavelength）(μｍ)、縦軸にPort1での面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２をとる。ただし、円偏光入射光の強度はＨｙ２としている。
図５は、図４のトポロジカルエッジ伝送路２０の各垂直結合位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに円偏光を垂直入射した場合のPort1の波長に対する出力強度（面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２）の解析結果を示す図（Output power of port 1 as a function of wavelength of vertical incident light.）である。横軸に波長（wavelength）(μｍ)、縦軸にPort1での面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２をとる。ただし、円偏光入射光の強度はＨｙ２としている。
【0024】
図５に示すように、トポロジカルエッジ伝送路２０に円偏光を垂直入射する。Port1の出力（縦軸）が最大となる垂直結合位置Ａに入射した場合であっても、垂直結合効率は、１０％にも満たない。すなわち、図４に示すトポロジカルエッジ伝送路２０を用いて、トポロジカル垂直結合器を構成する場合、垂直結合効率が悪いことが想定される。
【0025】
図６は、図４のトポロジカルエッジ伝送路２０の垂直結合位置Ａに円偏光を垂直入射した場合のPort1およびPort2の波長に対する出力強度（磁界分布（Ｈｚ）の解析結果を示す図（Output power of port 1,2 as a function of wavelength of vertical incident light.）である。横軸に波長（wavelength）(μｍ)、縦軸に磁界分布（Ｈｚ）をとる。
【0026】
図６に示すように、トポロジカルエッジ伝送路２０に円偏光を垂直入射した場合、１．５４μｍの波長では、Port2の出力は最小となる。
【0027】
（第１の実施形態）
図７～図１０は、本発明の第１実施形態に係るトポロジカル垂直結合器３０の構造を示す図（Schematic image of proposed device.）である。図７のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）は、図４の垂直結合位置Ａにキャビティ４０を有する構造を示し、図８のトポロジカル垂直結合器３０Ｂ（３０）は、図４の垂直結合位置Ｂにキャビティ４０を有する構造を示し、図９のトポロジカル垂直結合器３０Ｃ（３０）は、図４の垂直結合位置Ｃにキャビティ４０を有する構造を示し、図１０のトポロジカル垂直結合器３０Ｄ（３０）は、図４の垂直結合位置Ｄにキャビティ４０を有する構造を示す。トポロジカル垂直結合器３０Ａ～３０Ｄを区別しない場合は、トポロジカル垂直結合器３０という。なお、図１と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図７～図１０は、本発明の第１実施形態に係るトポロジカル垂直結合器３０の構造を示す図（Schematic image of proposed device.）である。図７のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）は、図４の垂直結合位置Ａにキャビティ４０を有する構造を示し、図８のトポロジカル垂直結合器３０Ｂ（３０）は、図４の垂直結合位置Ｂにキャビティ４０を有する構造を示し、図９のトポロジカル垂直結合器３０Ｃ（３０）は、図４の垂直結合位置Ｃにキャビティ４０を有する構造を示し、図１０のトポロジカル垂直結合器３０Ｄ（３０）は、図４の垂直結合位置Ｄにキャビティ４０を有する構造を示す。トポロジカル垂直結合器３０Ａ～３０Ｄを区別しない場合は、トポロジカル垂直結合器３０という。なお、図１と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【0028】
図７～図１０に示すように、トポロジカル垂直結合器３０は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体１１と、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３と、トポロジカル伝送路（光渦伝送路）において、１または複数個の格子単位胞内の構造を取り除くキャビティ（Cavity）４０と、を有する。
【0029】
換言すれば、トポロジカル垂直結合器３０は、図１に示すトポロジカルエッジ伝送路２０において、垂直結合に向けて、トポロジカル伝送路近傍の１つまたは複数個の格子単位胞内の構造を取り除くキャビティ４０を有する。
【0030】
トポロジカル垂直結合器３０は、膜厚３００ｎｍのＳｉコア層を空気クラッドで挟んだエアブリッジ構造とし、Ｃ６ｖ対称性を有する三角ナノホールを蜂の巣格子状（格子間隔７７５ｎｍ）に配置するトポロジカル伝送路２０（図１参照）を構成した。トポロジカル伝送路２０は、バンド解析により、フォトニック構造体１１およびトポロジカルフォトニック構造体１２におけるフォトニック構造のＲ／Ｌは、それぞれ２２５／２６５ｎｍ，２７０／２６５ｎｍとした。
そして、トポロジカル垂直結合器３０は、トポロジカル伝送路近傍の１格子単位胞内の誘電体を全て取り除いたキャビティ構造（キャビティ４０）を有する。
そして、トポロジカル垂直結合器３０は、トポロジカル伝送路近傍の１格子単位胞内の誘電体を全て取り除いたキャビティ構造（キャビティ４０）を有する。
【0031】
<キャビティ>
キャビティ４０は、トポロジカル伝送路近傍の１つまたは複数個の格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ構造である。ここでは、キャビティ４０は、Ａｉｒ部をＳｉで埋める構造を採る。
図７に示すトポロジカル垂直結合器３０Ａは、フォトニック構造体１１上で、トポロジカルエッジ１３から１格子単位胞離れた１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
図８に示すトポロジカル垂直結合器３０Ｂは、フォトニック構造体１１上で、トポロジカルエッジ１３に接する１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
図９に示すトポロジカル垂直結合器３０Ｃは、トポロジカルフォトニック構造体１２上で、トポロジカルエッジ１３に接する１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
図１０に示すトポロジカル垂直結合器３０Ｄは、トポロジカルフォトニック構造体１２上で、トポロジカルエッジ１３から１セル離れた１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
キャビティ４０は、トポロジカル伝送路近傍の１つまたは複数個の格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ構造である。ここでは、キャビティ４０は、Ａｉｒ部をＳｉで埋める構造を採る。
図７に示すトポロジカル垂直結合器３０Ａは、フォトニック構造体１１上で、トポロジカルエッジ１３から１格子単位胞離れた１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
図８に示すトポロジカル垂直結合器３０Ｂは、フォトニック構造体１１上で、トポロジカルエッジ１３に接する１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
図９に示すトポロジカル垂直結合器３０Ｃは、トポロジカルフォトニック構造体１２上で、トポロジカルエッジ１３に接する１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
図１０に示すトポロジカル垂直結合器３０Ｄは、トポロジカルフォトニック構造体１２上で、トポロジカルエッジ１３から１セル離れた１つの格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０を有する。
【0032】
［シミュレーション］
<キャビティによる高効率結合>
図１１は、図７のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）に右円偏光を垂直入射した場合のPort1の波長に対する出力強度（面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２）の解析結果を示す図（Output power of port 1 as a function of wavelength of vertical incident light.）である。横軸に波長（wavelength）(μｍ)、縦軸に面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２をとる。
図１１の太実線は、右円偏光入射時におけるport1の出力強度の解析結果を示し、図１１の細実線は、キャビティがない通常のトポロジカル伝送路（図４のトポロジカル伝送路２０参照）の解析結果を示す。
<キャビティによる高効率結合>
図１１は、図７のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）に右円偏光を垂直入射した場合のPort1の波長に対する出力強度（面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２）の解析結果を示す図（Output power of port 1 as a function of wavelength of vertical incident light.）である。横軸に波長（wavelength）(μｍ)、縦軸に面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２をとる。
図１１の太実線は、右円偏光入射時におけるport1の出力強度の解析結果を示し、図１１の細実線は、キャビティがない通常のトポロジカル伝送路（図４のトポロジカル伝送路２０参照）の解析結果を示す。
【0033】
右円偏光入射時におけるport1の出力強度を解析することで、トポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）の垂直結合効率を判定することができる。
【0034】
シミュレーションにおいては、図７のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）の１．５μｍ上部にフォーカルレンズ（focal length lens）を配置し、ビームウェスト径１μｍで、図７に示すキャビティ構造（トポロジカル垂直結合器３０Ａのキャビティ４０）を中心とする領域に光が入射されるように設定する。また、入射光は、平面波とし、偏光は左右円偏光の２種類で変化させる。
【0035】
図１１の矢印ａに示すように、トポロジカル垂直結合器３０（キャビティ４０を有するトポロジカルエッジ伝送路）は、キャビティ４０を有しない通常のトポロジカルエッジ伝送路に比べて、垂直結合効率に大幅な改善が見られ、トポロジカルエッジ状態が生じるバンド内において、最大で８７６％（波長１５４０ｎｍ）の出力強度の向上が確認された。Port1の出力（Port1に出力される強度）が１桁弱以上向上している。
【0036】
<キャビティによる結合モード分布>
図１２は、図７のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）に右円偏光を垂直入射した場合、
トポロジカルエッジ状態が生じるバンド内の各波長（１５４０ｎｍ、１５６０ｎｍ、１５８０ｎｍ）におけるモード分布を示す図（Mode distribution at each wavelength.）である。横軸にZ軸（z axis）(μｍ)（Z軸左端がPort1、Z軸右端がPort2）をとり、縦軸にPort1およびPort2の各波長に対する出力強度（面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ）をとる。図１２の濃淡は、磁界成分強度分布Ｈｙの強度（濃いほど強度が大きい）を表わしている。
図１２は、図７のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）に右円偏光を垂直入射した場合、
トポロジカルエッジ状態が生じるバンド内の各波長（１５４０ｎｍ、１５６０ｎｍ、１５８０ｎｍ）におけるモード分布を示す図（Mode distribution at each wavelength.）である。横軸にZ軸（z axis）(μｍ)（Z軸左端がPort1、Z軸右端がPort2）をとり、縦軸にPort1およびPort2の各波長に対する出力強度（面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ）をとる。図１２の濃淡は、磁界成分強度分布Ｈｙの強度（濃いほど強度が大きい）を表わしている。
【0037】
バンドの中心において、顕著に見られるスピン-スピン散乱によるエッジ状態の消失が予想され、このときは伝送路への結合は完全に遮断されている。
図１２に示すように、スピン-スピン散乱が起こる波長（１５６０ｎｍ）では、両方方向共に散乱（遮断）することが確認された。
スピン-スピン散乱が起こる波長（１５６０ｎｍ）の両側の波長（１５４０ｎｍ、１５８０ｎｍ）では、光渦向きに応じて一方向のみに伝播する。
図１２に示すように、スピン-スピン散乱が起こる波長（１５６０ｎｍ）では、両方方向共に散乱（遮断）することが確認された。
スピン-スピン散乱が起こる波長（１５６０ｎｍ）の両側の波長（１５４０ｎｍ、１５８０ｎｍ）では、光渦向きに応じて一方向のみに伝播する。
【0038】
（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器３０の構造を示す図である。図１３のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）は、図４の垂直結合位置Ａにキャビティ４０を有する構造である。図７と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図１３に示すように、トポロジカル垂直結合器３０は、キャビティ４０周辺の誘電体の配置を変えた格子単位胞５０を有する。図１３では、キャビティ４０を取り囲む６個の格子単位胞５０のキャビティ４０の中心から当該格子単位胞の中心までの距離ａを変える。中心間の距離ａを変えることで、各格子単位胞５０の大きさは変わらずに、６個の三角形の位置が変わる。
図１３は、本発明の第２の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器３０の構造を示す図である。図１３のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）は、図４の垂直結合位置Ａにキャビティ４０を有する構造である。図７と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図１３に示すように、トポロジカル垂直結合器３０は、キャビティ４０周辺の誘電体の配置を変えた格子単位胞５０を有する。図１３では、キャビティ４０を取り囲む６個の格子単位胞５０のキャビティ４０の中心から当該格子単位胞の中心までの距離ａを変える。中心間の距離ａを変えることで、各格子単位胞５０の大きさは変わらずに、６個の三角形の位置が変わる。
【0039】
図１４は、図１３のトポロジカル垂直結合器３０Ａ（３０）に右円偏光を垂直入射した場合のPort1の波長に対する出力強度（面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２）の解析結果を示す図（Output power of port 1 as a function of wavelength of vertical incident light.）である。横軸に波長（wavelength）(μｍ)、縦軸に面直（ｙ軸）方向の磁界成分強度分布Ｈｙ２をとる。
図１４は、キャビティ４０の中心から当該セルの中心までの距離ａを、７７５ｎｍ、８００ｎｍ、８０５ｎｍ、８１５ｎｍに変えた場合を表わしている。例えば、フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１を、距離ａ＝７７５ｎｍに構成することで、垂直結合の効率のピーク周波数を１．５４μｍに調整することができる。また、距離ａ＝８００ｎｍに変えることで、垂直結合効率のピーク周波数を１．５８μｍに調整することができる。
このように、距離ａを変えることで、垂直結合効率のピーク周波数をシフトさせることができ、波長をコントロールすることができる。
図１４は、キャビティ４０の中心から当該セルの中心までの距離ａを、７７５ｎｍ、８００ｎｍ、８０５ｎｍ、８１５ｎｍに変えた場合を表わしている。例えば、フォトニック構造体１１の第１誘電体１１１を、距離ａ＝７７５ｎｍに構成することで、垂直結合の効率のピーク周波数を１．５４μｍに調整することができる。また、距離ａ＝８００ｎｍに変えることで、垂直結合効率のピーク周波数を１．５８μｍに調整することができる。
このように、距離ａを変えることで、垂直結合効率のピーク周波数をシフトさせることができ、波長をコントロールすることができる。
【0040】
以上説明したように、第１の実施形態に係るトポロジカル垂直結合器３０（図７参照）は、バルクがエネルギーギャップを持つ絶縁体であるフォトニック構造体１１と、内部がエネルギーギャップを持つ絶縁体であり、そのエッジがギャップレスの金属状態であるトポロジカルフォトニック構造体１２と、フォトニック構造体１１とトポロジカルフォトニック構造体１２の境界において光渦伝播が可能なトポロジカルエッジ状態を発現するトポロジカルエッジ１３と、フォトニック構造体１１またはトポロジカルフォトニック構造体１２から、１または複数個の格子単位胞内の構造を取り除いたキャビティ４０と、を有する。
【0041】
この構成により、垂直結合効率を大幅に向上させることができるトポロジカル垂直結合器を提供することができる。これにより、トポロジカルシリコン光回路（Topological photonic integrated circuits：T-PICs）上に集積可能なトポロジカル垂直結合器を実現することができる。
【0042】
第２の実施形態では、トポロジカル垂直結合器３０は、キャビティ４０の周囲を取り囲む波長選択用格子５０と、キャビティ４０と波長選択用格子５０との中心間の距離ａを変えて、垂直結合効率のピーク周波数を調整する調整手段と、を有する。
このように、距離ａを変えることで、垂直結合効率のピーク周波数をシフトさせることができ、波長をコントロールすることができる。
このように、距離ａを変えることで、垂直結合効率のピーク周波数をシフトさせることができ、波長をコントロールすることができる。
【0043】
トポロジカル垂直結合器１０は、トポロジカル特性の光回路への応用が可能である。光渦の伝送を用いたトポロジカル垂直結合器は、半導体基板（シリコン，ＩｎＰなど）上に形成することができ、半導体レーザや大容量伝送のキーコンポーネントであるマルチコアファイバとの整合性にも優れていることから光通信との親和性の向上も期待できる。
【0044】
本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、キャビティ４０は、トポロジカルエッジ伝送路２０に配置されるものであれば、どのような配置でもよい。
例えば、キャビティ４０は、トポロジカルエッジ伝送路２０に配置されるものであれば、どのような配置でもよい。
【0045】
また、キャビティ４０の構造、配列、寸法、個数、材質は、実施形態・変形例には限定されない。キャビティ４０は、２個以上でもよい。キャビティ４０は、Ａｉｒ部をＳｉで埋める構造のほか、誘電体を形成しない構造でもよい。
【符号の説明】
【0046】
１１ フォトニック構造体（Trivial photonic structure）
１２ トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）
１３ トポロジカルエッジ（Topological edge）
２０ トポロジカルエッジ伝送路
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ トポロジカル垂直結合器
４０ キャビティ（Cavity）
５０ セル（波長選択用格子単位胞）
１１１ 第１誘電体
１１２ 第２誘電体
１２１ フォトニック構造体のセル
１２２ トポロジカルフォトニック構造体のセル
１２ トポロジカルフォトニック構造体（Topological photonic structure）
１３ トポロジカルエッジ（Topological edge）
２０ トポロジカルエッジ伝送路
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ トポロジカル垂直結合器
４０ キャビティ（Cavity）
５０ セル（波長選択用格子単位胞）
１１１ 第１誘電体
１１２ 第２誘電体
１２１ フォトニック構造体のセル
１２２ トポロジカルフォトニック構造体のセル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】