特開 2025-94109 集積フォトニクス垂直カプラ

(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】P2025094109

(43)【公開日】2025-06-24

(54)【発明の名称】集積フォトニクス垂直カプラ

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/125 20060101AFI20250617BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20250617BHJP

   G02B 6/126 20060101ALI20250617BHJP

   G02F 2/00 20060101ALN20250617BHJP

【ＦＩ】

G02B6/125 301

G02B6/122 311

G02B6/126

G02F2/00

【審査請求】有

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2025044354

(22)【出願日】2025-03-19

(62)【分割の表示】P 2020168430の分割

【原出願日】2020-10-05

(31)【優先権主張番号】62/924,058

(32)【優先日】2019-10-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/803,831

(32)【優先日】2020-02-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100138759

【弁理士】

【氏名又は名称】大房 直樹

(72)【発明者】

【氏名】マシュー・ウェイド・プケット

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン・ティン

(72)【発明者】

【氏名】チャド・ファーティグ

(57)【要約】      （修正有）

【課題】集積フォトニクス垂直カプラのためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】特定の実施形態では、デバイスは、第１の光子及びその中を伝搬する第２の光子を有する第１の導波路を有し、第１の光子及び第２の光子が、直交モードで伝搬する。更に、デバイスは、第１の導波路の第１の連結部分と近接している第２の連結部分を有する第２の導波路を含み、第２の連結部分の長さに沿った第１の導波路と第２の導波路との間の物理的関係が、第２の連結部分の異なる場所での第２の導波路の別個の直交モードへの第１の光子及び第２の光子の断熱伝達を引き起こす。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

デバイスであって、
第１の光子及びその中を伝搬する第２の光子を有する第１の導波路（５０１）であって、前記第１の光子及び前記第２の光子が、直交モードで伝搬する、第１の導波路（５０１）と、
前記第１の導波路（５０１）の第１の連結部分と近接している第２の連結部分を有する第２の導波路（５０３）と、を備え、前記第２の連結部分の長さに沿った前記第１の導波路（５０１）と前記第２の導波路（５０３）との間の物理的関係が、前記第２の連結部分の異なる場所での前記第２の導波路（５０３）の別個の直交モードへの前記第１の光子及び前記第２の光子の断熱伝達を引き起こす、デバイス。

【請求項2】

前記物理的関係が、前記第２の連結部分の長さに沿って前記第２の導波路（５０３）の幅を変化させることを含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

方法であって、
第１の導波路（５０１）層内に形成された第１の導波路（５０１）内に第１の光子及び第２の光子を生成することであって、前記第１の光子が、第１のモードにあり、前記第２の光子が、前記第１のモードに直交する第２のモードにある、生成することと、
前記第１の導波路（５０１）からの前記第１の光子を、第２の導波路（５０３）に、前記第２の導波路（５０３）の連結部分内の第１の場所で連結することであって、前記連結部分が、前記第１の導波路（５０１）に近接する前記第２の導波路（５０３）の区分である、連結することと、
前記連結部分内の前記第１の位置とは別個の第２の場所で、前記第１の導波路（５０１）からの前記第２の光子を前記第２の導波路（５０３）内に連結することであって、前記第１の光子及び前記第２の光子は、前記第１の導波路（５０１）内の伝搬が前記第１のモードにあるか又は前記第２のモードにあるかに基づいて、前記第１の場所及び前記第２の場所のうちの１つに連結される、連結することと、を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年１０月２１日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＳＯＵＲＣＥ ＡＮＤ ＤＥＴＥＣＴＯＲ ＯＦ ＥＮＴＡＮＧＬＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ」と題された米国特許仮出願第６２／９２４，０５８号の利益を主張し、この仮出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

同期化された原子時計のネットワークは、距離にわたって正確な時間を分配するために頻繁に使用される。例えば、全地球測位システム（global position system、ＧＰＳ）、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＢｅｉＤｏｕ、及びＧａｌｉｌｅｏなどの全地球航法衛星システム（global navigation satellite system、ＧＮＳＳ）は、同期化された原子時計を有する衛星から構成され、国際時間の分配を提供する。多くの場合、衛星は、別個の衛星上での時計の同期化を促進するためのハードウェアを備えている。サイズ及び重量が低減され、高精度のタイミング整合が可能な同期化ハードウェアは、より小型の衛星の原子時計の同期化を可能にする。

【発明の概要】

【0003】

集積フォトニクス垂直カプラのためのシステム及び方法が本明細書に提供される。特定の実施形態では、デバイスは、第１の光子及びその中を伝搬する第２の光子を有する第１の導波路を有し、第１の光子及び第２の光子が、直交モードで伝搬する。更に、デバイスは、第１の導波路の第１の連結部分と近接している第２の連結部分を有する第２の導波路を含み、第２の連結部分の長さに沿った第１の導波路と第２の導波路との間の物理的関係が、第２の連結部分の異なる場所での第２の導波路の別個の直交モードへの第１の光子及び第２の光子の断熱伝達を引き起こす。

【図面の簡単な説明】

【0004】

図面は、いくつかの実施形態のみを示し、したがって、範囲を限定するものとみなされるべきではないことを理解した上で、例示的な実施形態を添付の図面を使用して更なる具体性及び詳細と共に説明する。

【0005】

【図1】本開示の一態様による、例示的な干渉計を例示するブロック図である。

【0006】

【図2】本開示の一態様による、チップスケールデバイス内の異なる経路を例示する図である。

【0007】

【図3A】本開示の一態様による、異なるモードのチップスケールデバイスを通る経路を示す図である。

【図3B】本開示の一態様による、異なるモードのチップスケールデバイスを通る経路を示す図である。

【図3C】本開示の一態様による、異なるモードのチップスケールデバイスを通る経路を示す図である。

【0008】

【図4】本開示の一態様による、チップスケールデバイス内の様々な構成要素を例示する図である。

【0009】

【図5】本開示の一態様による、垂直カプラを例示する図である。

【0010】

【図6】本開示の一態様による、モードスプリッタを例示する図である。

【0011】

【図7】本開示の一態様による、モード変換器を例示する図である。

【0012】

【図8】本開示の一態様による、バンドパスフィルタを例示する図である。

【0013】

【図9】本開示の一態様による、干渉法を実施するためにチップスケールデバイスを使用するための例示的な方法を例示するフローチャート図である。

【0014】

【図10】第１の導波路から第２の導波路に光子を垂直に連結するための例示的な方法を例示するフローチャート図である。

【0015】

慣例に従って、記載された様々な特徴は一定の縮尺で描かれているのではなく、例示的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれている。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、図面には特定の例示的な実施形態を例として示す。しかしながら、他の実施形態が利用されてもよく、論理的、機械的、及び電気的な変更がなされてもよいことが理解されるべきである。

【0017】

集積フォトニクス源及び量子もつれ光子の検出器のためのシステム及び方法が本明細書に提供される。特定の実施形態では、時間量子もつれ光子の量子干渉を使用して、光原子時計の精密かつ確実な同期化のための方法を可能にするハードウェアが本明細書に説明される。例えば、周回衛星上の光原子時計は、精密かつ確実に同期化され得る。ＬＥＯ／ＭＥＯ衛星の一群にわたって展開される、本明細書に説明される実施形態は、弱い信号に対する感度を増大させるためのリアルタイム計算干渉法、並びに信号漏れ込み及びタイムオンターゲットの両方を低減することによる向上した秘匿性ためにレーダ／撮像を形成する活性ビームを含む、分散無線又は光学開口のコヒーレント合成に基づいて、信号インテリジェンスの改善された様式を可能にし得る。

【0018】

加えて、本明細書に説明されるクロック同期化スキームは、低減されたサイズ、重量、及びパワー、量子もつれ光子対の高い対生成速度及び高いフラックス対バックグラウンド比を伴う、時間エネルギー量子もつれ二光子のためのチップスケール、超高フラックス源及び干渉計を使用し得る。また、小型衛星プラットフォームの向上したサイズ、重量、及びパワー低減、並びに改善された展開性のために、本明細書に説明されるデバイスは、チップに集積され得る。具体的には、光子源及び干渉検出器の両方がチップに集積され得る。

【0019】

特定の実施形態では、量子もつれ光子は、縮退差周波発生としても知られる、ポンプ光子の自然パラメトリック縮退下方変換を介して発生し得る。典型的には、光子発生のための上記の方法は、互いに直交する偏光を有する量子もつれ光子を生じ得る。典型的には、自由空間光学系は、量子もつれ光子を分離し、それらをクロック同期化スキーム内で使用するために同じ偏光状態に変換するために使用される。本明細書に説明される実施形態は、量子もつれ光子を分離し、分離された光子を同じ偏光状態に変換するためのオンチップ導波フォトニクスを有するチップスケールフォトニック集積回路を提供する。

【0020】

いくつかの実施形態では、チップスケールフォトニック集積回路は、時間量子もつれ光子を生成し、干渉させ得る。チップスケールフォトニック集積回路は、周期分極反転チタン酸リン酸カリウム（periodically poled potassium titanyl phosphate、ｐｐＫＴＰ
）導波路又はｐｐＫＴＰと同様の材料から作製された導波路の非線形特性を、窒化シリコン導波路又は窒化シリコンと同様の材料から作製された他の導波路の低伝送損失、高い閉じ込め、及びフィルタ処理能力と組み合わせる、ハイブリッド光導波路プラットフォーム上で光子を生成及び干渉させるための光学機能を実現し得る。異なる材料から作製された導波路の組み合わせを使用するチップスケールアプローチは、ファイバ及び自由空間光学系に基づく従来のタイプの光源に勝る改善を可能にする。

【0021】

いくつかの実施形態では、非線形特性並びに低伝送損失、高い閉じ込め、及びフィルタ処理能力の両方を有する材料は、ニオブ酸リチウムなどの単一の材料システムに基づいて、光導波路プラットフォーム内で光子を生成及び干渉させるための同様の光学機能を実装するために使用され得る。

【0022】

特定の実施形態では、量子もつれ光子を生成及び受光するための光学機能は、単一の集積プラットフォーム上に実装され、光損失の低減、モードオーバーラップの強化、光子の効率的なフィルタ処理、干渉計のコントラストの増加、及び機械的堅牢性の改善をもたらすが、一方、ファイバ又は自由空間ベースのシステムと比較したときに、サイズ、重量、及びパワーを低減する。加えて、本明細書に説明される実施形態は、マイクロ衛星などのより小型の衛星プラットフォーム上での使用を可能にしながら、システム内で使用されるときにより高い精度の時間同期化を可能にする。

【0023】

図１は、Ｈｏｎｇ－Ｏｕ－Ｍａｎｄｅｌ（ＨＯＭ）干渉計のためのシステム１００を例示する図である。本明細書に使用される際、チップスケール集積回路は、ＨＯＭ干渉計内で使用され得る。本明細書に使用される際、ＨＯＭ干渉計は、ポンプ光子１０１を生成し得るデバイスである。システム１００は、ポンプ光子を２つの娘光子１０３（本明細書では光子１０３－Ａ及び１０３－Ｂと別個に呼ぶ）に分割し得る。例えば、ポンプ光子１０１は、４０５ｎｍの波長又は他の所望の波長を有するレーザを生成するレーザ源によって生成され得る。

【0024】

特定の実施形態では、ポンプ光子１０１は、再結合のために光学構造を通してガイドされる娘光子１０３に分割される。例えば、ポンプ光子１０１は、光学構造１０５によって娘光子１０３－ａ及び１０３－ｂに分割される。娘光子１０３は、各々、ポンプ光子１０１の波長の２倍の波長を有し得る（すなわち、ポンプ光子１０１が４０５ｎｍの波長を有し得る場合、娘光子１０３は、各々、８１０ｎｍの波長を有し得る）。加えて、システム１００は、娘光子の量子重ね合わせ１０３－ｃ及び１０３－ｄが受光のために検出器１０９に衝突するように、娘光子１０３が組み合わせられるビームスプリッタ１１０に娘光子１０３をガイドするガイド光学系１０７を含み得る。例えば、検出器１０９－ａが、娘光子１０３－ａを受光して検出し得、かつ検出器１０９－ｂが、娘光子１０３－ｂを受光して検出し得るか、又は検出器１０９－ａが、娘光子１０３－ｂを受光して検出し得、かつ検出器１０９－ｂが、娘光子１０３－ａを受光して検出し得るか、又は検出器１０９－ａが、娘光子１０３－ａ及び１０３－ｂの両方を受光して検出し得るか、又は検出器１０９－ｂが、ＨＯＭ干渉計の様態で、娘光子１０３－ａ及び１０３－ｂの両方を受光して検出し得る。

【0025】

いくつかの実施形態では、検出器１０９が関連付けられた娘光子１０３を受光すると、検出器１０９は、電子相関器デバイス１１１が、ＨＯＭ干渉計の性能のために２つの検出器１０９の電気信号を組み合わせる、電子相関器デバイス１１１に信号を提供し得る。電子相関器デバイス１１１は、検出器１０９によって生成された信号の時間相関の程度を定量的に決定する。例えば、電子相関器１１１は、娘光子１０３が時間的に実質的に完全にオーバーラップするとき、光検出器１０９によって提供される信号の一致率がゼロに向かって低下し得ることを示し得る。一致する検出のゼロレートに向かうこの低下は、トレ
ースグラフ１１３に例示されるＨＯＭディップとして知られている。ディップは、２つの娘光子１０３が全ての特性で実質的に同一であるときに生じる。ソース領域１０５とビームスプリッタ１１０との間の娘光子の飛行時間の同一性を含めて、かつ特にそれを考慮して、光子１０３が区別可能になると、ＨＯＭディップが消える。このようにして、システム１００は、実質的に完全に等しいソース領域１０５とビームスプリッタ１１０との間の娘光子１０３の飛行時間の品質に敏感である。

【0026】

図２は、チップスケールデバイス２００上の異なる光学経路２０１及び２０３を例示し、これらは、両方、光子を生成することと、光子を娘光子に分割することと、娘光子を出力として提供することと（自由空間又は光ファイバなどに）、遠隔ミラー又は光学システムから反射された可能性がある娘光子を受光することと、受光された光子を干渉計に提供して、ＨＯＭ干渉法を実施することと、を行うことができる。示されるように、図２は、ソース経路２０１及び干渉計経路２０３を例示する。ソース経路２０１では、入ってくるポンプ光子が、娘光子に分割され、娘光子は、分離され、異なる遠隔プラットフォームに向けられ得る。干渉計経路２０３では、遠隔プラットフォームによって反射された娘光子は、ＨＯＭ干渉法の様態で受光され干渉される。

【0027】

特定の実施形態では、チップスケールデバイス２００は、自然パラメトリック下方変換（degenerate spontaneous parametric down conversion、ｄＳＰＤＣ）の非線形光学
効果を利用し、ポンプ光子２０５は、２つの「双子」娘光子２０９及び２１１に分割され、これらは、ほぼ同じ瞬間（例えば、互いに＜１００フェムト秒以内）に「生まれる」。この同時性は、量子力学によって実施され、分離された原子時計を同期化するために利用され得る。分離された原子時計を同期化するために（すなわち、異なる原子時計が異なる衛星上に位置するとき）、同期化は、チップスケールデバイス２００からの娘光子２０９及び２１１を投光することと、衛星の各々から光子２０９及び２１１のうちのいくつかを反射することと、それらをＨｏｎｇ－Ｏｕ－Ｍａｎｄｅｌ（ＨＯＭ）干渉計２１５内で再結合するために提供することと、によって達成され、一致率の純粋に量子力学的な干渉「ディップ」は、図１に関して上記に説明されたように、経路が実質的に正確に等しいときのみ観察される。各衛星からの量子もつれ光子のうちのいくつかの到着時刻は、古典チャネルと比較され得、コントローラが、時計を高い精度（すなわち、潜在的にフェムト秒精度で）同期化することを可能にする。

【0028】

いくつかの実施形態では、チップスケールデバイス２００は、時間量子もつれ光子を生成して干渉させるチップスケールフォトニック集積回路である。チップスケールデバイス２００は、ｐｐＫＴＰ導波路（又は同様の特性を有する材料から作製された他の導波路）の非線形特性を、窒化シリコン導波路の高い閉じ込め及びフィルタ処理能力と組み合わせる、ハイブリッド光導波路プラットフォーム上の光学機能及び構成要素を含み得る。この組み合わせは、双子光子２０９及び２１１の使用可能なフラックスを増加させながら、小型化、効率化、堅牢化を可能にする。

【0029】

いくつかの実施形態では、チップスケールデバイス２００は、非線形特性並びに低透過損失、高い閉じ込め、及びフィルタ処理能力の両方を有する、ニオブ酸リチウムなどの単一の光導波路材料プラットフォーム上の光学機能及び構成要素を含み得る。

【0030】

特定の実施形態では、チップスケールデバイスは、ポンプ光子２０５を生成し、及びソース経路２０１内のポンプ光子２０５から、ｄＳＰＤＣによって、光子生成導波路内で娘光子２０６ａ及び２０６ｂを生成し得る。双子光子２０６ａ及び２０６ｂの各々は、横電場（Transverse Electric、ＴＥ）又は横磁場（Transverse Magnetic、ＴＭ）のいずれかの異なる導波路モードを占有し得る。垂直カプラ（Vertical Coupler、ＶＣ）領域は、光子生成導波路から、光子生成導波路の頂部にパターン化された光子調整導波路内に娘光
子２０６ａ及び２０６ｂを断熱的に引き込み得る。加えて、ＴＭ及びＴＥ光子は、２つの回折導波路モードスプリッタ（mode splitters、ＭＳ）によって分離され得る。次いで、ＴＥ光子は、バンドパスフィルタ（bandpass filter、ＢＰＦ）を通過して、第２のＭＳ
を通してバックグラウンド光子を排除し得、次いで、放射光子２１１としてチップ２００を離れ得る。一方、元のＴＭ光子は、回折モード変換器（ＭＣ）によってＴＥモードに変換され得、これはまた、光子の伝搬方向を逆転させ得る。この（ここではＴＥ偏光された）光子は、それ自体のバンドパスフィルタを通過し、放射光子２０９としてチップ２００を離れ得る。チップ上で実施される様々な機能は、光子調整導波路（いくつかの実施形態では、窒化シリコン又は他の同様の材料から作製される）によって実施され得、導波路構造は、光子生成導波路を含有する基板の頂部に堆積されたフィルム内にパターン化される。

【0031】

追加の実施形態では、干渉計経路２０３．双子光子２０９及び２１１は、遠隔衛星又は他の遠隔システムから反射されるか又は送り戻され得、チップスケールデバイス２００上のフォトニクス構成要素導波路内に再連結されて、ＨＯＭ干渉計２１５を完成させる。（いくつかの実施態様では、光子はまた、従来の波長板によって９０度回転されたそれらの偏光を有し得る）。双子光子２０９及び２１１は、それらがより早期に放射された同じ導波路に再び入り得るが、それらのここでの回転された偏光のため、それらは、直交導波路モード（すなわち、ＴＭ）に連結し得る。次いで、各光子は、導波路内の伝搬方向を逆転させ得る回折モードスプリッタ（ＭＳ）と相互作用し得、光子２０９及び２１１を５０／５０導波路カプラに送る。干渉計の出力ポートは、光子２０９及び２１１が検出され得る、単一光子アバランシェ光検出器（single-photon avalanche photodetector、ＳＰ－
ＡＰＤ）などの光子検出器２１２に向けられ得る。光子検出器２１２の検出された信号出力は、信号の到着時刻の一致の程度を決定し得る電子相関器２１５に向けられ得、したがって、ＨＯＭ干渉計２１６を完成させる。

【0032】

図３Ａ～図３Ｃは、光子垂直連結導波路内への、及び光子調整導波路ネットワークを通る、光子生成導波路によって生成された２つの光子の伝搬を例示する。上述のように、光子生成導波路は、直交導波路モードを有する２つの光子を生成し、１つのモードは、ＴＭモードで伝搬し、他方は、ＴＥモードで伝搬する。光子のモードに応じて、光子は、導波路ネットワークを通って異なる経路に沿って伝搬し、それにより、導波路ネットワークが、チップからＴＥモードで伝搬する２つの光子を提供し、ＴＭモードで伝搬する、チップ上に戻る２つの光子を受光する。図３Ａは、光子垂直連結導波路３０２のＴＥモードでの元の光子の経路を例示する。図３Ｂは、光子垂直連結導波路３０２のＴＭモードでの元の光子の経路を例示する。図３Ｃは、外部デバイスから受光される光子調整導波路ネットワーク３０４を通る光子の経路を例示する。

【0033】

図３Ａに例示される特定の実施形態では、光子調整導波路ネットワーク３０４内を通過する光子垂直連結導波路３０２のＴＥモードの光子は、回折せずにモードスプリッタ３０３を通過する。次いで、光子は、蛍光をフィルタ処理して除外するバンドパスフィルタ３０５、並びに光子生成導波路３０１から連結された迷光ポンプ光を通過する。光子は、次いで、回折せずにモードスプリッタ３０７を通過し、出力ポート３２１を通って放射される。

【0034】

図３Ｂに例示される特定の実施形態では、光子調整導波路ネットワーク３０４内を通過する光子垂直連結導波路３０２のＴＭモードの光子は、モードスプリッタ３０３によって回折される。光子は、モードスプリッタ３０９によって更に回折され、その上で、光子がモード変換器３１１に入る。モード変換器３１１は、光子を再び回折させるが、光子をＴＭモードからＴＥモードに変換させる。ここで、光子がＴＥモードにあるとき、光子は、モードスプリッタ３０９によって回折されない。光子は、次いで、蛍光をフィルタ処理
して除外するバンドパスフィルタ３１３、並びに光子生成導波路から連結された迷光ポンプ光を通過する。光子は、次いで、回折せずにモードスプリッタ３１５を通過し、出力ポート３１９を通って放射される。

【0035】

図３Ｃに例示される追加の実施形態では、光子調整導波路ネットワーク３０４から放出された２つの娘光子は、それらが導波路３１９及び３２１で光子調整ネットワーク３０４にＴＭモードで再連結されるように、別の光学デバイスから送り戻され得る。ＴＭモードでの２つの受光された光子は、それぞれ、モードスプリッタ３１５及び３０７まで導波路内を伝搬し得る。モードスプリッタ３１５及び３０７の両方は、受光された光子を回折する。光子は、次いで、光子検出器による後続の検出のためにポート３２３及び３２５上で出力される前に、５０／５０カプラ３１７を介して互いに干渉させられる。上述の実施形態では、光子垂直連結導波路３０２からのＴＭモードは、光子調整導波路ネットワーク３０４によって、チップスケールデバイスからの伝送のためにＴＥモードに変換され、一方、後続の干渉検出のためにデバイス内に戻されて受光された光は、ＴＭモードにある。しかしながら、別の実施形態では、光子垂直連結導波路からのＴＥモードは、光子調整導波路ネットワーク３０４によって、チップスケールデバイスからの伝送のためにＴＭモードに変換され、一方、後続の干渉検出のためにデバイス内に戻されて受光された光は、ＴＥモードにある。

【0036】

図４は、チップスケールデバイス４００内の異なるフォトニクス構成要素を例示する。例えば、チップスケールデバイス４００は、光子生成導波路４０１と、光子垂直連結導波路４２７と、光子調整導波路ネットワーク（図３Ａ～図３Ｃの光子調整導波路ネットワーク３０４と同様）と、を含み、光子調整導波路ネットワークは、モードスプリッタ４０３、４０９、４０７、及び４１５と、モード変換器４１１と、バンドパスフィルタ４１３及び４０５と、入力／出力導波路４１９、４２１、４２３、及び４２５と、５０／５０カプラ４１７と、を含む。垂直カプラ４２７、モードスプリッタ４０３、４０９、４０７、及び４１５、モード変換器４１１、及びバンドパスフィルタの考えられる実施形態が、以下により詳細に説明される。

【0037】

図５は、垂直カプラの動作を例示する側面図である。光子生成導波路５０１から光子垂直連結導波路５０３内に光子を効率的に連結するために、積層導波路が形成される。更に、光子生成導波路５０１の幅に関連する比較的薄い光子垂直連結導波路５０３は、光子生成導波路５０１内の弱い閉じ込めモードの形状に対する摂動がほとんどない。本明細書に論じられるように、光子垂直連結導波路５０３は、積層導波路のオーバーラップ部分全体にわたって徐々に広くなる。例えば、光子垂直連結導波路５０３は、～５００ミクロンの距離にわたって１００ｎｍ～２００ｎｍで広がり得る。光子垂直連結導波路５０３の漸進的な広がりは、光子生成導波路５０１からの光子を、非常により緊密に閉じ込められた導波路モードに断熱的に引き込む。加えて、伝達は、本質的にゼロモードクロスカップリングを有する伝搬光子（すなわち、ＴＥ→ＴＥ及びＴＭ→ＴＭ）の偏光モードを維持する。そのような異なるモードで伝搬する光子は、異なる場所で光子生成導波路５０１から連結され得る。したがって、異なるモードが異なる場所で光子生成導波路５０１から連結され得るため、垂直カプラは、モードスプリッタなどの他の用途で実装されてもよい。

【0038】

更なる実施形態では、光子生成導波路を生成するために使用される材料、及び光子垂直連結導波路を生成するために使用される材料は、それらのそれぞれの屈折率の間に大きい差を有し得る。例えば、ＫＴＰが光子生成導波路に使用される場合、光子垂直連結導波路は、高濃度シリコン窒化膜を使用して作製され得る。

【0039】

図６は、チップスケールデバイス２００に見出されるモードスプリッタの特定の態様を例示する図である。特に、図６は、モードスプリッタの等角図６００、モードスプリッ
タの一部分の詳細等角図６１０、及びモードスプリッタ内の異なるモードの連結の周波数応答グラフ６２０を示す。

【0040】

特定の実施形態では、等角図６００に示されるように、モードスプリッタは、単一の入力ポート６０３を含み得る。入力ポートを通じて、モードスプリッタは、導波路内の異なる直交モードで伝搬している入力６０１として２つの光子を受光し得る。例えば、１つの光子がＴＥモードで伝搬していてもよく、別の光子がＴＭモードで伝搬していてもよい。モードスプリッタは、入力ポート６０３で受光された光子のうちの１つを出力光子６０９として出力ポート６０７に通過させ得る。例えば、モードスプリッタは、入力ポート６０３で受光されたＴＥモード光子を直接出力ポート６０７に通過させ得る。加えて、モードスプリッタは、伝搬光子のうちの１つを回折させ得、その結果、伝搬光子のうちの１つは、反対方向の導波路に連結され、出力６１１として出力ポート６１３に通過する。例えば、ＴＭモードは、モードスプリッタの連結部分６０５によって回折され、出力ポート６１３に渡され得る。

【0041】

いくつかの実施形態では、モードスプリッタの連結部分６０５の詳細等角図６１０に示されるように、２つの直交に偏光された光子を異なる経路に分割するために、モードスプリッタは、チャープ回折格子支援反対方向モードカプラを含み得る。示されるように、詳細等角図６１０は、導波路構造を図示し、グラフ６２０は、そのスペクトル応答の計算の結果を示す。示されるように、連結部分は、近接して離間された２つの導波路６２１及び６２５から構成される。導波路６２１は、変調された側壁６２３で更にパターン化され得、したがって、１つの導波路から他方へのＴＭ対ＴＭ遷移のための大きいオーバーラップを有する、導波路内回折格子を形成する。変調の効果は、導波路６２５内の順方向から導波路６２１内の逆方向にＴＭモードを連結することであるが、それに対して、ＴＥモードは、モードスプリッタを順方向に通過し、導波路６２５内に残る。加えて、変調された側壁６２３の周波数は、モードスプリッタの長さに沿って変化して、モードスプリッタの所望の周波数応答を可能にし得る。

【0042】

図７は、チップスケールデバイス２００に見出されるモード変換器の特定の態様を例示する図である。特に、図７は、モードスプリッタの等角図７００、モードスプリッタの変換部分の詳細等角図７１０、及びモード変換器内のモードの変換の周波数応答グラフ７２０を示す。

【0043】

特定の実施形態では、等角図７００に示されるように、モード変換器は、単一のポート７０３を含み得る。ポート７０３を通じて、モード変換器は、導波路内の特定のモードで伝搬している入力７０１として光子を受光し得る。例えば、ポート７０３を通じて受光される光子は、ＴＭモードで伝搬し得る。モード変換器は、変換部分７０５内でモードを１つのモードから直交モードに変換し得、モード変換器は、光子を直交伝搬モードに変換して、出力としてポート７０３を通して出力させる。例えば、ポート７０３で受光された光子がＴＭモードにあるとき、ポート７０３を通って出力される光子は、ＴＥモードにあり得る。

【0044】

いくつかの実施形態では、モード変換器の変換部分７０５の詳細等角図７１０に示されるように、２つの光子に関して考えられるものと同様の全ての導波路経路を作製するために、チップスケールデバイスは、非対称に変調された側壁７０９及び７１１を有して設計された単一の導波路回折格子構造を使用して、ＴＭ光子の導波路内偏光を反転させ得る。例えば、側壁の変調は、変調の長さに沿った導波路の横断面が一定であるように、互いに位相がずれていてもよい。この非対称変調は、順方向のＴＭモードと逆方向のＴＥモードとの間のクロスカップリングを形成する。グラフ７２０に示されるように、モード変換は、回折格子の阻止帯域内のみで発生する。回折格子の阻止帯域を制御するために、変換
部分７０５の長さは、変調された側壁７０９及び７１１の変調周波数と共に変化し得る。例えば、変調された側壁の周波数は、モード変換器の変換部分の長さに沿って減少するか又は増加するかのいずれかであり得る。

【0045】

図８は、チップスケールデバイス２００に見出されるバンドパスフィルタの特定の態様を例示する図である。具体的には、図８は、バンドパスフィルタの等角図８００、バンドパスフィルタのフィルタ処理部分の詳細等角図８１０、及びバンドパスフィルタによる光子のフィルタ処理の周波数応答グラフ８２０を示す。

【0046】

特定の実施形態では、等角図８００に示されるように、バンドパスフィルタは、単一のポート８０３を含み得る。ポート８０３を通じて、バンドパスフィルタは、導波路内の特定のモードで伝搬している入力８０１として光子を受光し得る。例えば、入力ポート８０３を通じて受光される光子は、ＴＥモードで伝搬し得る。バンドパスフィルタは、フィルタ処理部分８０５内の望ましくない波長を有する光子をフィルタ処理し、フィルタ処理された光子を、出力８０９として出力ポート８０７を通して提供し得る。

【0047】

いくつかの実施形態では、バンドパスフィルタのフィルタ処理部分８０５の詳細等角図８１０に示されるように、導波路内を伝搬し得る任意のバックグラウンド蛍光光子を排除するために、並びに任意の残留ポンプ光子を排除するために、導波路バンドパスフィルタが実装される。示されるように、フィルタは、導波路の長さに沿った変調周期のチャープによって現れる２つの高反射導波路回折格子８１１及び８１３から作製され、言い換えると、導波路回折格子の変調は、フィルタの側壁の長さに沿って対称に長手方向に変化する。通過帯域のすぐ外側の光は、導波路の下方に戻って回折され、一方、ポンプ波長での光は、導波路から完全に散乱される。いくつかの実施形態では、導波路回折格子８１１及び８１３のスペクトル場所は、通過帯域のフィルタ処理部分８０５の長さに沿って変化し得る。

【0048】

図９は、上記に説明されるように、相関された光子の対を生成して干渉させるためにチップスケールデバイスを使用する方法９００である。方法９００は、９０１に進み、一対の光子が光子生成導波路内に生成される。加えて、方法９００は、９０３に進み、一対の光子が光子垂直連結導波路に連結される。更に、方法９００は、９０５に進み、光子が、２つの異なる導波路内を同一モードで伝搬するように、一対の光子の中の光子のうちの１つが、光子調整導波路ネットワーク内で変換される。特定の実施形態では、方法９００は、９０７に進み、光子が１つ以上の外部デバイスに提供される。更に、方法９００は、９０９に進み、光子が１つ以上の外部デバイスから受光される。加えて、方法９００は、９１１に進み、干渉法が、受光された光子に対して実施される。

【0049】

図１０は、２つの光子を第１の導波路から第２の導波路に垂直に連結するための方法１０００である。方法１０００は、１００１に進み、第１の光子及び第２の光子が、第１の導波路層内の第１の導波路内で生成される。更に、第１の光子及び第２の光子は、互いに直交する異なるモードにあり得る。例えば、第１の光子がＴＥモードで伝搬していてもよく、第２の光子がＴＭモードで伝搬していてもよい。加えて、方法１０００は、１００３に進み、第１の光子が、第２の導波路の連結部分内の第１の場所で第１の導波路から第２の導波路に連結される。更に、方法１０００は、１００５に進み、第２の光子が、連結部分内の第１の場所とは異なる第２の場所で第１の導波路から第２の導波路に連結される。例えば、第１の光子及び第２の光子は、第１の導波路内の伝搬のモードに基づいて、第１の場所及び第２の場所のうちの１つに連結される。
例示的な実施形態

【0050】

実施例１は、デバイスであって、第１の光子及びその中を伝搬する第２の光子を有す
る第１の導波路であって、第１の光子及び第２の光子が、直交モードで伝搬する、第１の導波路と、第１の導波路の第１の連結部分と近接している第２の連結部分を有する第２の導波路と、を備え、第２の連結部分の長さに沿った第１の導波路と第２の導波路との間の物理的関係が、第２の連結部分の異なる場所での第２の導波路の別個の直交モードへの第１の光子及び第２の光子の断熱伝達を引き起こす、デバイスを含む。

【0051】

実施例２は、第２の導波路への第１の光子及び第２の光子の断熱伝達が、第１の導波路内を伝搬するときに、第１の光子及び第２の光子の直交モードを維持する、実施例１に記載のデバイスを含む。

【0052】

実施例３は、第１の光子が、ＴＥモードにあり、第２の光子が、ＴＭモードにある、実施例１又は２に記載のデバイスを含む。

【0053】

実施例４は、第１の光子が、第２の光子の前に第２の連結部分に連結される、実施例１～３のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0054】

実施例５は、第１の導波路が、第１の導波路層内に形成され、第２の導波路が、第２の導波路層内に形成され、第１の導波路層及び第２の導波路層が、異なる屈折率を有する材料から作製されている、実施例１～４のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0055】

実施例６は、第１の導波路層が、周期分極反転チタン酸リン酸カリウムで作製されている、実施例５に記載のデバイスを含む。

【0056】

実施例７は、第２の導波路層が、窒化シリコンで作製されている、実施例５又は６に記載のデバイスを含む。

【0057】

実施例８は、第１の光子及び第２の光子が、第１の導波路内で生成される、実施例１～７のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0058】

実施例９は、物理的関係が、第２の連結部分の長さに沿って第２の導波路の幅を変化させることを含む、実施例１～８のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0059】

実施例１０は、幅が、第２の導波路内で第１の光子及び第２の光子の伝搬方向に沿って広がることによって徐々に変化している、実施例９に記載のデバイスを含む。

【0060】

実施例１１は、デバイスであって、内部に第１の導波路を有する第１の導波路層であって、第１の導波路が、内部を伝搬する第１の光子及び第２の光子を有し、第１の光子及び第２の光子が、直交モードで伝搬している、第１の導波路層と、内部に第２の導波路を有する第２の導波路層であって、第２の導波路が、第１の導波路の第１の連結部分と近接している第２の連結部分を有し、第１の光子及び第２の光子が、第２の導波路の別個の直交モードに断熱伝達される、第２の導波路層と、を備え、第１の導波路層及び第２の導波路層が、異なる屈折率を有する材料で作製されている、デバイスを含む。

【0061】

実施例１２は、第２の導波路の幅が、第２の連結部分の長さに沿って変化している、実施例１１に記載のデバイスを含む。

【0062】

実施例１３は、幅が、第２の導波路内で第１の光子及び第２の光子の伝搬方向に沿って広がることによって徐々に変化している、実施例１１又は１２に記載のデバイスを含む。

【0063】

実施例１４は、第１の光子及び第２の光子が、第２の結合部分内の異なる場所で第２の導波路に連結されている、実施例１１～１３のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0064】

実施例１５は、第１の光子が、第２の光子の前に第２の連結部分に連結される、実施例１０～１４のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0065】

実施例１６は、第１の導波路層が、周期分極反転チタン酸リン酸カリウムで作製されている、実施例１０～１５のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0066】

実施例１７は、第２の導波路層が、窒化シリコンで作製されている、実施例１０～１６のいずれかに記載のデバイスを含む。

【0067】

実施例１８は、方法であって、第１の導波路層内に形成された第１の導波路内に第１の光子及び第２の光子を生成することであって、第１の光子が、第１のモードにあり、第２の光子が、第１のモードに直交する第２のモードにある、生成することと、第１の導波路からの第１の光子を、第２の導波路に、第２の導波路の連結部分内の第１の場所で連結することであって、連結部分が、第１の導波路に近接する第２の導波路の区分である、連結することと、連結部分内の第１の位置とは別個の第２の場所で、第１の導波路からの第２の光子を第２の導波路内に連結することであって、第１の光子及び第２の光子は、第１の導波路内の伝搬が第１のモード又は第２のモードにあるか否かに基づいて、第１の場所及び第２の場所のうちの１つに連結される、連結することと、を含む、方法を含む。

【0068】

実施例１９は、第２の導波路の幅が、第２の導波路内で第１の光子及び第２の光子の伝搬方向に沿って広がることによって、連結部分の長さに沿って変化している、実施例１８に記載の方法を含む。

【0069】

実施例２０は、第１の導波路が、第１の導波路層内に形成され、第２の導波路が、第２の導波路層内に形成され、第１の導波路層及び第２の導波路層が、異なる屈折率を有する材料から作製されている、実施例１８又は１９に記載の方法を含む。

【0070】

本明細書では特定の実施形態が図示され、説明されているが、当業者には、示される特定の実施形態の代わりに、同一の目的を達成することが予測される任意の構成が用いられ得ることが理解されよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明らかに意図されている。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2025-04-17

【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】

デバイスであって、
第１の導波路層内に形成された第１の導波路（５０１）であって、前記第１の導波路は、ポンプ光子を受け取り、前記ポンプ光子の自然パラメトリック縮退下方変換によって前記第１の導波路（５０１）内に第１の光子及び第２の光子を生成するように構成され、前記第１の光子及び前記第２の光子が、直交モードで伝搬する、第１の導波路（５０１）と、
前記第１の導波路層上にパターン化された第２の導波路層内に形成された第２の導波路（５０３）であって、前記第１の導波路（５０１）の第１の連結部分と近接している第２の連結部分を有する第２の導波路（５０３）と、を備え、前記第２の連結部分の長さに沿った前記第１の導波路（５０１）と前記第２の導波路（５０３）との間の物理的関係が、前記第１の光子及び前記第２の光子を、前記第２の連結部分におけるそれぞれ別の場所において、前記第２の導波路（５０３）の互いに直交するモードのうちのそれぞれと同じモードへ断熱的に変化させ、
前記物理的関係が、前記第２の連結部分の長さに沿って前記第２の導波路（５０３）の幅を変化させることを含む、デバイス。

【請求項2】

方法であって、
第１の導波路（５０１）層内に形成された第１の導波路（５０１）内に第１の光子及び第２の光子を生成することであって、前記第１の導波路（５０１）は、ポンプ光子の自然パラメトリック縮退下方変換を生じさせて前記第１の光子及び前記第２の光子を生成するように構成されており、前記第１の光子が、第１のモードにあり、前記第２の光子が、前記第１のモードに直交する第２のモードにある、生成することと、
前記第１の導波路（５０１）からの前記第１の光子を、第２の導波路（５０３）に、前記第２の導波路（５０３）の連結部分内の第１の場所で連結することであって、前記連結部分が、前記第１の導波路（５０１）に近接する前記第２の導波路（５０３）の区分である、連結することと、
前記連結部分の長さに沿った前記第１の位置とは別個の第２の場所で、前記第１の導波路（５０１）からの前記第２の光子を前記第２の導波路（５０３）内に連結することであって、前記第１の光子及び前記第２の光子は、前記第１の導波路（５０１）内の伝搬が前記第１のモードにあるか又は前記第２のモードにあるかに基づいて、前記第１の場所及び前記第２の場所のうちの１つに連結される、連結することと、を含み、
前記第２の導波路（５０３）は、前記第１の導波路層上にパターン化された第２の導波路層内に形成され、
前記第２の導波路（５０３）の幅は、前記連結部分の長さに沿って変化する、
方法。

【外国語明細書】