特開 2025-98102 統合型光モードスプリッタ及び変換器

(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】P2025098102

(43)【公開日】2025-07-01

(54)【発明の名称】統合型光モードスプリッタ及び変換器

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20250624BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12 311

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2025044319

(22)【出願日】2025-03-19

(62)【分割の表示】P 2020168588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】16/803,820

(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】チャド・ファーティグ

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン・ティン

(57)【要約】      （修正有）

【課題】統合型光モードスプリッタ及び変換器のためのシステムを提供する。
【解決手段】特定の実施形態では、システムは第１の屈折率を有する基板を含む。更に、システムは基板上に導波路層を含み、導波路は第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する。また、導波路層は、入力ポートを介して、第１のモードの第１の光子及び第２のモードの第２の光子の内の少なくとも一方を受光し、第１の出力ポートを介した第１の光子及び第２の出力ポートを介した第２の光子の内の一方を供給する１つ以上のモードスプリッタを含む。導波路層はまた、モードスプリッタの第２の出力部に結合されたモード変換器を含み、モード変換器はポートを介して第２の光子を受光し、ポートを介して第１のモードの第２の光子を出力する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

デバイスであって、
第１のモードで伝搬する第１の光子、及び前記第１のモードに直交する第２のモードで伝搬する第２の光子を受光するように構成された入力ポートと、
第１の出力ポートと、
第２の出力ポートと、
前記入力ポート及び前記第１の出力ポートに結合された第１の導波路であって、前記入力ポートを介して前記第１の光子及び前記第２の光子を受光し、前記第１の光子を前記第１の出力ポートに供給する、第１の導波路と、
前記第２の出力ポートに結合された第２の導波路であって、前記第１の導波路に近接する前記第２の導波路の壁は変調された側壁を有し、前記第２の光子は前記第２の導波路に結合されて前記第２の出力ポートを介して出力される第２の導波路とを備え、前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、第１の材料の基板（５０１）上及び第２の材料の導波路層（５０３）内にあり、前記第１の材料及び前記第２の材料は異なる屈折率を有する、デバイス。

【請求項2】

前記第１のモードがＴＥモードであり、前記第２のモードがＴＭモードである、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

システムであって、
第１の屈折率を有する基板（５０１）と、
前記基板（５０１）上にある導波路層（５０３）であって、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する導波路層（５０３）とを備え、前記導波路層（５０３）は、
入力ポート（６０３）を介して第１のモードの第１の光子及び第２のモードの第２の光子の内の少なくとも一方を受光し、第１の出力ポート（６０７）を介した前記第１の光子及び第２の出力ポート（６１３）を介した前記第２の光子の内の少なくとも一方を供給する１つ以上のモードスプリッタと、
前記１つ以上のモードスプリッタの内の１つのモードスプリッタの前記第２の出力に結合され、ポート（７０３）を介して前記第２の光子を受光して、前記ポート（７０３）を介して前記第１のモードで前記第２の光子を出力するモード変換器とを備える、システム。

【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日に提出された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＳＯＵＲＣＥ ＡＮＤ ＤＥＴＥＣＴＯＲ ＯＦ ＥＮＴＡＮＧＬＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ」と題された米国仮出願第６２／９２４，０５８号の利益を主張するものであり、これは参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

同期した原子時計のネットワークは、距離を隔てて正確な時刻を配布するために頻繁に使用される。例えば、グローバル位置システム（ＧＰＳ）、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＢｅｉＤｏｕ、及びＧａｌｉｌｅｏなどの全地球測位衛星システム（ＧＮＳＳ）は、同期した原子時計を有する衛星から構成され、国際時刻の配布を行う。多くの場合、衛星は、別個の衛星上で時計の同期を容易化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し、高精度のタイミング整合が可能な同期化ハードウェアにより、より小さい衛星の原子時計の同期が可能になる。

【発明の概要】

【0003】

統合型光モードスプリッタ及び変換器のためのシステム及び実施形態が本明細書で提供される。特定の実施形態では、システムは第１の屈折率を有する基板を含む。更に、システムは基板上に導波路層を含み、導波路は第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する。また、導波路層は、入力ポートを介して第１のモードの第１の光子及び第２のモードの第２の光子の内の少なくとも一方を受光し、第１の出力ポートを介して第１の光子及び第２の出力ポートを介して第２の光子の内の少なくとも一方を供給する１つ以上のモードスプリッタを含む。導波路層はまた、１つ以上のモードスプリッタの内の１つのモードスプリッタの第２の出力に結合されたモード変換器を含み、モード変換器はポートを介して第２の光子を受光し、ポートを介して第１のモードの第２の光子を出力する。

【図面の簡単な説明】

【0004】

図面は例示的な実施形態のみを示し、したがって範囲を限定するものと見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特殊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示すブロック図である。

【0006】

【図2】本開示の一態様によるチップスケールデバイスにおける異なる経路を示す図である。

【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における様々な構成要素を示す図である。

【0009】

【図5】本開示の一態様による垂直カップラを示す図である。

【0010】

【図6】本開示の一態様によるモードスプリッタを示す図である。

【0011】

【図7】本開示の一態様によるモード変換器を示す図である。

【0012】

【図8】本開示の一態様によるバンドパスフィルタを示す図である。

【0013】

【図9】チップスケールデバイスを使用して本開示の一態様による干渉法を実施するための例示的な方法を示すフローチャートである。

【0014】

一般的方法に従って、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】

【0015】

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、他の実施形態を利用してもよく、論理的、機械的、及び電気的な変更をしてもよいことを理解すべきである。

【0016】

もつれ合い光子の統合型光源及び検出器のためのシステム及び方法が本明細書で提供される。特定の実施形態では、時間もつれ合い光子の量子干渉を使用して、光原子時計の正確かつ確実な同期のための方法を可能にするハードウェアが本明細書で説明される。例えば、周回衛星上の光原子時計は、正確かつ確実に同期させることができる。ＬＥＯ／ＭＥＯ衛星のスワーム全体に配置されると、本明細書で説明される実施形態は、微弱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及び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って秘密性を向上させるためのレーダ／イメージングを形成するアクティブビームを含めて、分散型無線又は光学的開口のコヒーレントな組合せに基づいて、無線諜報様式の改善を可能にすることができる。

【0017】

更に、本明細書で説明されるクロック同期スキームでは、サイズ、重量、及び電力が低減された、光子対生成率が高い、及びもつれ合い光子対の光束対バックグラウンド比が高いという状態で、時間エネルギもつれ合い二光子用のチップスケール超高光束源及び干渉計を使用することができる。また、サイズ、重量、及び電力の低減の促進及び小型衛星プラットフォームでの配備能力の改善のために、本明細書で説明されるデバイスは、チップに統合されてもよい。特に、光子源及び干渉検出器の両方をチップに統合してもよい。

【0018】

特定の実施形態では、もつれ合い光子は、縮退した差周波発生としても知られる、ポンプ光子の自発的パラメトリック縮退ダウンコンバージョンによって生成することができる。一般的には、上記の光子生成の方法により、互いに直交する偏光を有するもつれ合い光子を生じさせることができる。一般的には、自由空間光学素子を用いて、もつれ合い光子を分離し、それらを同じ偏光状態に変換し、時計同期スキーム内で使用する。本明細書で説明される実施形態は、もつれ合い光子を分離し、分離し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光集積回路を提供する。

【0019】

いくつかの実施形態では、チップスケール光集積回路は、時間もつれ合い光子を生成し、干渉することができる。チップスケール光集積回路は、周期的に分極したチタンリン酸カリウム（ｐｐＫＴＰ）導波路又はｐｐＫＴＰと同様の材料で作られた導波路の非線形特性と、窒化ケイ素導波路又は窒化ケイ素と同様の材料で作られた他の導波路の低い伝送損失性能、高い閉じ込め性能、及びフィルタリング性能とを組み合わせた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するための光学機能を実現することが
できる。異なる材料から作製された導波路の組合せを使用するチップスケールアプローチにより、ファイバ光学及び自由空間光学に基づいた以前の種類の光源に関する改善が可能になる。

【0020】

いくつかの実施形態では、非線形特性と低い伝送損失性能、高い閉じ込め性能、及びフィルタリング性能の両方を有する材料を使用して、ニオブ酸リチウムなどの単一の材料システムに基づいた光導波路プラットフォーム内に、光子を生成及び干渉するための同様の光学機能を実装することができる。

【0021】

特定の実施形態では、もつれ合い光子を生成及び受光するための光学機能が単一の一体型プラットフォーム上に実装され、光損失の低減、モード重なりの強化、光子の効率的なフィルタリング、干渉計のコントラストの向上、及び機械的堅牢性の改善をもたらす一方で、ファイバベース又は自由空間ベースのシステムと比較して、サイズ、重量、及び電力が低減する。更に、本明細書に記載の実施形態は、システムで使用される場合、マイクロサットなどのより小さな衛星プラットフォームでの使用を可能にしながら、より高精度の時刻同期を可能にする。

【0022】

図１は、ホン・ウー・マンデル（Hong-Ou Mandel）（ＨＯＭ）干渉計のためのシステム１００を示す図である。本明細書で使用されるとおり、チップスケール集積回路は、ＨＯＭ干渉計内で使用されてもよい。本明細書で使用されるとおり、ＨＯＭ干渉計は、ポンプ光子１０１を生成することができるデバイスである。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と呼ぶ）に分割することができる。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光を生成するレーザ光源によって生成することができる。

【0023】

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的構造を介して誘導される娘光子１０３に分割される。例えば、ポンプ光子１０１は、光学的構造１０５によって娘光子１０３－ａ及び１０３－ｂに分割される。娘光子１０３はそれぞれ、ポンプ光子１０１の波長の２倍の波長を有する可能性がある（即ち、ポンプ光子１０１が４０５ｎｍの波長を有することができた場合、娘光子１０３はそれぞれ８１０ｎｍの波長を有することができる）。更に、システム１００は、娘光子１０３をビームスプリッタ１１０に誘導する誘導光学系１０７を含むことができ、ビームスプリッタ１１０で娘光子１０３が組み合わされ、その結果、娘光子の量子重ね合わせ１０３－ｃと１０３－ｄが受光用検出器１０９に衝突する。例えば、検出器１０９－ａが娘光子１０３－ａを受光し検出する可能性があり、検出器１０９－ｂが娘光子１０３－ｂを受光し検出する可能性があり、又は検出器１０９－ａが娘光子１０３－ｂを受光し検出する可能性があり、検出器１０９－ｂが娘光子１０３－ａを受光し検出する可能性があり、又は検出器１０９－ａが娘光子１０３－ａ及び１０３－ｂの両方を受光し検出する可能性があり、又は検出器１０９－ｂが、ＨＯＭ干渉計の様式で、娘光子１０３－ａ及び１０３－ｂの両方を受光し検出する可能性がある。

【0024】

いくつかの実施形態では、検出器１０９が関連する娘光子１０３を受光すると、検出器１０９が信号を電子相関器１１１に供給し得、電子相関器１１１がＨＯＭ干渉法の実行のために、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重なり合う場合、光検出器１０９によって供給される信号の一致率がゼロに向かって低下する可能性があることを示すことができる。同時検出率ゼロに向けたこの低下は、トレースグラフ１１３に示されるＨＯＭディップとして知られている。このディップは、２つの娘光子１０３が全ての特性において実質的に同一である場合に生じる。光源領域１０５とビームスプリッタ１１０との間の光
子１０３の飛行時間の同等性を含めて、そして特にそれに関して、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、光源領域１０５とビームスプリッタ１１０との間の娘光子１０３の飛行時間の質が実質的に完全に等しいことに対して敏感である。

【0025】

図２は、チップスケールデバイス２００上の異なる光路２０１及び２０３を示し、両光路共に光子を生成し、光子を娘光子に分割し、（自由空間や光ファイバなどへの）出力として娘光子を供給し、遠隔ミラー又は光学システムから反射された可能性のある娘光子を受光し、受光した光子を干渉計に供給し、ＨＯＭ干渉を実行する。図示のとおり、図２は、光源経路２０１及び干渉計経路２０３を示す。光源経路２０１では、入射ポンプ光子は娘光子に分割され得、それらは異なる遠隔プラットフォームに向けられる。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干渉法の様式で受光され干渉される。

【0026】

特定の実施形態では、チップスケールデバイス２００は、縮退した自発的パラメトリックダウンコンバージョン（ｄＳＰＤＣ）の非線形光学効果を利用しており、この場合、ポンプ光子２０５は、ほぼ同時に（例えば、互いに１００フェムト秒未満）「生まれた」２つの「対の」娘光子２０９及び２１１に分裂する。量子力学によって強制されるこの同時性は、分離された原子時計を同期させるのに利用することができる。隔てられた原子時計を同期させるため、（即ち、異なる原子時計が異なる衛星上に位置する場合）、同期は、チップスケールデバイス２００から娘光子２０９及び２１１を放射し、各衛星からの光子２０９と２１１の一部を反射し、これらを供給してホン・ウー・マンデル（Hong-Ou Mandel）（ＨＯＭ）干渉計２１５内で再結合させることによって達成され、この場合、図１に関して上記したとおり、経路が実質的に正確に等しい場合にのみ、純粋な量子力学的干渉「ディップ」が一致率に観察される。各衛星からのもつれ合い光子の一部の到着時刻は、古典的なチャネルを介して比較することができ、コントローラにより時計を高い精度（即ち、潜在的にフェムト秒の精度）で同期させることが可能になる。

【0027】

いくつかの実施形態では、チップスケールデバイス２００は、時間もつれ合い光子を生成して干渉するチップスケール光集積回路である。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、窒化ケイ素導波路の高い閉じ込め性能及びフィルタリング性能と組み合わせたハイブリッド光導波路プラットフォーム上に、光学的な機能及びコンポーネントを含んでもよい。この組合せにより、小型化、効率性、堅牢性が可能になる一方で、光子対２０９及び２１１の使用可能な光束が増加する。

【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、非線形特性と低透過損失性能、高い閉じ込め性能、及びリチウムニオブなどのフィルタリング性能との両方を有する単一の光導波路材料プラットフォーム上に、光学的な機能及びコンポーネントを含んでもよい。

【0029】

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を光源経路２０１内のポンプ光子２０５から生成することができ、ｄＳＰＤＣによって、光子生成導波路内で娘光子２０６ａ及び２０６ｂを生成することができる。光子対２０６ａ及び２０６ｂのそれぞれは、電気的横波（ＴＥ）又は磁気的横波（ＴＭ）のいずれかの異なる導波路モードを占有してもよい。垂直カップラ（ＶＣ）領域は、娘光子２０６ａ及び２０６ｂを、光子生成導波路から光子生成導波路上部にパターン化された光子調整導波路内へと、断熱的に引き込むことができる。更に、ＴＭ光子及びＴＥ光子は、２つの回折導波路モードスプリッタ（ＭＳ）によって分離することができる。次いで、ＴＥ光子は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を通過してバックグラウンド光子を除外し、第２のＭＳを通過し、次いで
、出射光子２１１としてチップ２００から離れる可能性がある。一方、元のＴＭ光子については、光子の伝搬方向を逆転させこともできる回折モード変換器（ＭＣ）によってＴＥモードに変換してもよい。（今やＴＥ偏光された）この光子は、それ自体のバンドパスフィルタを通過し、出射光子２０９としてチップ２００から離れる可能性がある。チップ上で実行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、窒化ケイ素又は他の同様の材料から作製される）によって実行されてもよく、光子生成導波路を含む導波路構造は、基板の上部に堆積された膜内にパターン化される。

【0030】

更なる実施形態では、干渉計経路２０３．では、光子対２０９及び２１１は、遠隔衛星又は他の遠隔システムから反射又は送り返されてもよく、チップスケールデバイス２００上の光学コンポーネント導波路に再結合されて、ＨＯＭ干渉計２１５を完成させることができる。（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度回転された偏光を有してもよい）。光子対２０９及び２１１は、以前に出射された同じ導波路に再進入する場合があるが、今や回転偏光しているため、直交する導波路モード（即ち、ＴＭ）に結合することがある。次いで、各光子は、導波路内で伝搬方向を逆転させることができる回折モードスプリッタ（ＭＳ）と相互作用し、光子２０９及び２１１を５０／５０導波路カップラに送ることができる。干渉計の出力ポートを、光子２０９及び２１１を検出できる単一光子アバランシェ光検出器（ＳＰ－ＡＰＤ）などの光子検出器２１２に向けてもよい。光子検出器２１２の検出信号出力は、信号の到着時刻の一致の程度を決定することができる電子相関器２１５に向けられ、それにより、ＨＯＭ干渉計２１６が完成する。

【0031】

図３Ａ～図３Ｃは、光子生成導波路によって生成された２つの光子の光子垂直結合導波路への伝搬、及び光子調整導波路ネットワークを介した伝搬を示す。上記のとおり、光子生成導波路は、直交する導波路モードを有する２つの光子を生成し、一方のモードはＴＭモードで伝搬し、他方はＴＥモードで伝搬する。導波路ネットワークは、チップの外でＴＥモードで伝播する２つの光子を供給し、チップ上でＴＭモードで伝播する２つの光子を受光するように、光子は、光子のモードに応じて、導波路ネットワークを介して様々な経路に沿って伝搬する。図３Ａは、元々、光子垂直結合導波路３０２のＴＥモードにある光子の経路を示す。図３Ｂは、元々、光子垂直結合導波路３０２のＴＭモードにある光子の経路を示す。図３Ｃは、外部デバイスから受光された光子調整導波路ネットワーク３０４を通る光子の経路を示す。

【0032】

図３Ａに示す特定の実施形態では、光子垂直結合導波路３０２のＴＥモードの光子は、光子調整導波路ネットワーク３０４を通過し、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、蛍光と光子生成導波路３０１から結合された迷走ポンプ光とをフィルタリングするバンドパスフィルタ３０５を通過する。その後、光子は、回折されずにモードスプリッタ３０７を通過し、出力ポート３２１を介して出射される。

【0033】

図３Ｂに示す特定の実施形態では、光子垂直結合導波路３０２のＴＭモードの光子は、光子調整導波路ネットワーク３０４を通過し、モードスプリッタ３０３によって回折される。光子がモードスプリッタ３０９によって更に回折されると、光子はモード変換器３１１に入る。モード変換器３１１は、光子を再び回折するが、光子をＴＭモードからＴＥモードに変換する。今や光子はＴＥモードにあるので、光子はモードスプリッタ３０９によって回折されない。次いで、光子は、蛍光と光子生成導波路から結合された迷走ポンプ光とをフィルタリングするバンドパスフィルタ３１３を通過する。その後、光子は、回折されずにモードスプリッタ３１５を通過し、出力ポート３１９を介して出射される。

【0034】

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から出射された２つの娘光子は、導波路３１９及び３２１でＴＭモードで光子調整ネットワーク
３０４に再結合されるように、別の光学デバイスから送り返されてもよい。受光したＴＭモードの２つの光子は、それぞれモードスプリッタ３１５及び３０７へと導波路内に伝搬することができる。モードスプリッタ３１５及び３０７の両方は、受光した光子を回折する。次いで、光子は、その後の光子検出器による検出のためにポート３２３及び３２５で出力される前に、５０／５０カップラ３１７を介して互いに干渉される。上記の実施形態では、光子垂直結合導波路３０２からのＴＭモードは、チップスケールデバイスから伝送するために、光子調整導波路ネットワーク３０４によってＴＥモードに変換されるが、一方、その後の干渉検出用デバイス内に戻って受光された光はＴＭモードにある。しかしながら、別の実施形態では、光子垂直結合導波路からのＴＥモードは、チップスケールデバイスから伝送するために、光子調整導波路ネットワーク３０４によってＴＭモードに変換されるが、一方、その後の干渉検出用デバイス内に戻って受光された光はＴＥモードにある。

【0035】

図４は、チップスケールデバイス４００内の様々なフォトニクスコンポーネントを示す。例えば、チップスケールデバイス４００は、光子生成導波路４０１、光子垂直結合導波路４２７、モードスプリッタ４０３、４０９、４０７及び４１５を備えた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）、モード変換器４１１、バンドパスフィルタ４１３及び４０５、入力／出力導波路４１９、４２１、４２３及び４２５、並びに５０／５０カップラ４１７を含む。垂直カップラ４２７の可能な実施形態、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は、以下でより詳細に説明される。

【0036】

図５は、垂直カップラの動作を示す側面図である。光子を光子生成導波路５０１から光子垂直結合導波路５０３内に効率的に結合するために、積層導波路が形成される。更に、光子生成導波路５０１の幅に対して比較的薄い光子垂直結合導波路５０３は、光子生成導波路５０１内の弱く閉じ込められたモードの形状に対して摂動をほとんど与えない。本明細書で議論されるとおり、光子垂直結合導波路５０３は、積層導波路の重なり合う部分全体にわたって徐々に広がっている。例えば、光子垂直結合導波路５０３は、ほぼ５００ミクロンの距離にわたって１００ｎｍから２００ｎｍに広がってもよい。光子垂直結合導波路５０３が漸進的に拡大することにより、光子は、光子生成導波路５０１からはるかにしっかりと閉じ込められた導波路モード内へ断熱的に引き込まれる。更に、本質的にゼロモードクロスカップリングの状態での移動により、伝搬光子の偏光モードが維持される（即ち、ＴＥ→ＴＥ及びＴＭ→ＴＭ）。

【0037】

更なる実施形態では、光子生成導波路及び光子垂直結合導波路を生成するために使用される材料は、それぞれの屈折率の間に大きな差を有してもよい。例えば、ＫＴＰが光子生成導波路に使用される場合、光子垂直結合導波路をシリコン富化窒化物膜を使用して作製してもよい。

【0038】

図６は、チップスケールデバイス２００内で見られるモードスプリッタの特定の態様を示す図である。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の詳細等角図６１０、及びモードスプリッタ内での異なるモードの結合に関する周波数応答グラフ６２０を示す。

【0039】

特定の実施形態では、等角図６００に示すとおり、モードスプリッタは単一の入力ポート６０３を含んでもよい。モードスプリッタは、入力ポートを介して、導波路内で異なる直交モードで伝搬している２つの光子を入力６０１として受光することができる。例えば、１つの光子はＴＥモードで伝搬してもよいし、別の光子はＴＭモードで伝搬してもよい。モードスプリッタは、入力ポート６０３で受光した光子の内の１つを出力光子６０９として出力ポート６０７へ通すことができる。例えば、モードスプリッタは、入力ポート
６０３で受光したＴＥモードの光子を、直接、出力ポート６０７へ通すことができる。更に、モードスプリッタは伝搬する光子の内の１つを回折する可能性があるため、伝搬する光子の内の１つは、逆方向の導波路に結合されて、出力６１１として出力ポート６１３へ通される。例えば、ＴＭモードは、モードスプリッタの結合部分６０５によって回折され得、出力ポート６１３へ通される。

【0040】

いくつかの実施形態では、２つの直交する偏光光子を異なる経路に分割するためのモードスプリッタの結合部分６０５の詳細等角図６１０に示すとおり、モードスプリッタはチャープ回折格子アシスト逆方向モードカップラを含んでもよい。図示のとおり、図６１０は、導波路構造を示し、グラフ６２０は、そのスペクトル応答の計算結果を示す。図示のとおり、結合部分は、近接して離間配置された２つの導波路６２１及び６２５から成る。更に、導波路６２１は、変調側壁６２３を用いてパターン化することができ、したがって、１つの導波路から他の導波路へのＴＭ－ＴＭ遷移に不可欠である大きな重なりを有する導波路内回折格子を形成することができる。変調の効果は、導波路６２５における進行方向から導波路６２１における逆方向に、ＴＭモードを結合することであり、一方、ＴＥモードは、導波路６２５内に残ったまま、進行方向にモードスプリッタを通過する。更に、変調側壁６２３の周波数は、モードスプリッタにとって所望の周波数応答を可能とするために、モードスプリッタの長さ方向に沿って変化してもよい。

【0041】

図７は、チップスケールデバイス２００に見られるようなモード変換器の特定の態様を示す図である。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。

【0042】

特定の実施形態では、等角図７００に示すとおり、モード変換器は単一のポート７０３を含んでもよい。ポート７０３を介して、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てもよい。例えば、ポート７０３を介して受光される光子は、ＴＭモードで伝搬していてもよい。モード変換器は、変換部分７０５内でモードをあるモードから直交するモードに変換できるが、ここでモード変換器は、光子を直交伝搬モードに変換し、ポート７０３を介して出力として出力する。例えば、ポート７０３で受光された光子がＴＭモードにある場合、ポート７０３を介して出力される光子はＴＥモードであってもよい。

【0043】

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に示すとおり、２つの光子にとって全ての導波路経路を可能な限り類似したものにするために、チップスケールデバイスは、非対称に変調された側壁７０９と７１１を有するように設計された単一の導波路格子構造を用いて、ＴＭ光子の導波路内偏光を反転させることができる。例えば、側壁の変調は、変調の長さ方向に沿って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。この非対称変調により、進行方向のＴＭモードと逆方向のＴＥモードとの間でクロスカップリングが生じる。グラフ７２０に示すとおり、モード変換は格子の阻止帯域内でのみ発生する。格子の阻止帯域を制御するために、変換部分７０５の長さは、変調側壁７０９及び７１１の変調周波数と共に変化してもよい。例えば、変調側壁の周波数は、モード変換器の変換部分の長さ方向に沿って減少又は増加してもよい。

【0044】

図８は、チップスケールデバイス２００に見られるようなバンドパスフィルタの特定の態様を示す図である。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リング部分の詳細等角図８１０、及びバンドパスフィルタによる光子のフィルタリングの周波数応答グラフ８２０を示す。

【0045】

特定の実施形態では、等角図８００に示すとおり、バンドパスフィルタは単一のポート８０３を含んでもよい。バンドパスフィルタは、ポート８０３を介して、導波路内で特定のモードで伝搬している光子を入力８０１として受光することができる。例えば、入力ポート８０３を介して受光される光子は、ＴＥモードで伝搬していてもよい。バンドパスフィルタは、フィルタリング部分８０５内の望ましくない波長を有する光子をフィルタリングし、フィルタリングされた光子を出力８０９として出力ポート８０７を介して供給することができる。

【0046】

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リング部分８０５の詳細等角図８１０に示すとおり、導波路内を伝搬することができる任意のバックグラウンド蛍光光子と任意の残留ポンプ光子とを除外するために、導波路バンドパスフィルタが実装される。図示のとおり、フィルタは、導波路の長さ方向に沿って変調周期内でのチャープによって顕在化する２つの高反射率導波路格子８１１及び８１３で作られており、言い換えれば、導波路格子の変調は、フィルタの側壁の長さ方向に沿って対称的に長さ方向に変化する。通過帯域のすぐ外側の光は回折されて導波路を後退し、一方、ポンプ波長の光は完全に導波路から散乱される。いくつかの実施形態では、導波路格子８１１及び８１３のスペクトル位置は、通過帯域のフィルタリング部分８０５の長さ方向に沿って変化することができる。

【0047】

図９は、上記のとおり、相関した光子対を生成し干渉するために、チップスケールデバイスを試用する方法９００である。方法９００は９０１に進み、ここで光子生成導波路内で１つの光子対が生成される。更に、方法９００は９０３に進み、ここで光子対は光子垂直結合導波路に結合される。その上、方法９００は９０５に進み、ここで光子対の一方の光子は、光子が２つの異なる導波路内で同一モードで伝搬するように、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、ここで光子は１つ以上の外部デバイスに供給される。更に、方法９００は９０９に進み、ここで光子は１つ以上の外部デバイスから受光される。更に、方法９００は９１１に進み、ここで受光した光子に対して干渉法が実行される。
例示的な実施形態

【0048】

実施例１は、第１のモードで伝搬する第１の光子と、第１のモードに直交する第２のモードで伝搬する第２の光子とを受光するように構成された入力ポートと、第１の出力ポートと、第２の出力ポートと、入力ポート及び第１の出力ポートに結合された第１の導波路であって、入力ポートを介して第１の光子及び第２の光子を受光して第１の光子を第１の出力ポートに供給する第１の導波路と、第２の出力ポートに結合された第２の導波路であって、第１の導波路に近接する第２の導波路の壁は変調された側壁を有し、第２の光子は第２の導波路に結合されて第２の出力ポートを介して出力される第２の導波路とを備え、第１の導波路及び第２の導波路は、第１の材料の基板上でかつ第２の材料の導波路層内にあり、第１の材料及び第２の材料は異なる屈折率を有する。

【0049】

実施例２は実施例１に記載のデバイスを含み、ここで第１の材料が周期的に分極したチタンリン酸カリウムである。

【0050】

実施例３は実施例１～２のいずれかに記載のデバイスを含み、ここで第１の光子及び第２の光子が基板層内で生成される。

【0051】

実施例４は実施例１～３のいずれかに記載のデバイスを含み、ここで第２の材料が窒化ケイ素である。

【0052】

実施例５は実施例１～４のいずれかに記載のデバイスを含み、ここで第１の光子及び
第２の光子がもつれ合い光子である。

【0053】

実施例６は実施例１～５のいずれかに記載のデバイスを含み、ここで第１のモードがＴＥモードであり、第２のモードがＴＭモードである。

【0054】

実施例７は、第１の屈折率を有する基板層と、基板層上に形成され、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する導波路層とを備えるシステムを含み、導波路層は、その内部に形成された１つ以上の導波路であって、その内の少なくとも１つの導波路が変調側壁を備える１つ以上の導波路と、１つ以上の入力光子を受光し、１つ以上の出力光子を供給するための１つ以上のポートであって、１つ以上の出力光子の出力モード、及び出力光子に関連する１つ以上のポートの内の１つのポートは、１つ以上の入力光子の入力モードに基づく１つ以上のポートとを備える。

【0055】

実施例８は実施例７に記載のシステムを含み、１つ以上の導波路及び１つ以上のポートがモードスプリッタを形成し、モードスプリッタは、１つの入力ポート及び１つ以上のポートの内の第１の出力ポートに結合された１つ以上の導波路の内の第１の導波路であって、入力ポートを介して第１の光子及び第２の光子を受光して第１の光子を第１の出力ポートに供給する第１の導波路と、１つ以上のポートの内の第２の出力ポートに結合された１つ以上の導波路の内の第２の導波路であって、第２の光子が第２の導波路に結合されて第２の出力ポートを介して出力される第２の導波路とを備える。

【0056】

実施例９は実施例８に記載のシステムを含み、ここで第１の導波路に近接する第２の導波路の壁が変調側壁を有する。

【0057】

実施例１０は実施例７～９のいずれかに記載のシステムを含み、ここで１つ以上の導波路及び１つ以上のポートがモード変換器を形成し、モード変換器は、第１のモードで伝搬する光子を受光するように構成された１つ以上のポートの内の１つのポートと、第１のモードに対して直交モードで伝搬する光子をポートを介して出力させるポートに結合された導波路とを備える。

【0058】

実施例１１は実施例１０に記載のシステムを含み、ここで導波路は第１の周期的に変調された側壁及び第２の周期的に変調された側壁を備えており、モード変換導波路の横断面の幅がモード変換導波路の長さ方向に沿って一定であるように、第１の周期的に変調された側壁及び第２の周期的に変調された側壁の変調は互いに位相がずれている。

【0059】

実施例１２は、第１の屈折率を有する基板と、基板上にある導波路層であって、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する導波路層とを備えるデバイスを含み、導波路層は、第１のモードで伝搬する光子を受光するように構成されたポートと、ポートに結合された導波路であって、第１の周期的に変調された側壁及び第２の周期的に変調された側壁を有する導波路とを備えており、ここでモード変換導波路の横断面の幅がモード変換導波路の長さ方向に沿って一定であるように、第１の周期的に変調された側壁及び第２の周期的に変調された側壁の変調は互いに位相がずれており、第１の周期的に変調された側壁及び第２の周期的に変調された側壁により、第１のモードに対して直交モードで伝搬する光子がポートを介して出力される。

【0060】

実施例１３は実施例１２に記載のデバイスを含み、ここで第１の材料は周期的に分極したチタンリン酸カリウムである。

【0061】

実施例１４は実施例１２～１３のいずれかに記載のデバイスを含み、ここで第２の材料は窒化ケイ素である。

【0062】

実施例１５は実施例１２～１４のいずれかに記載のデバイスを含み、ここで第１のモードはＴＥモードである。

【0063】

実施例１６は、第１の屈折率を有する基板と、基板上の導波路層とを備えるシステムを含み、ここで導波路層は第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有し、導波路層は、第１のモードの第１の光子及び第２のモードの第２の光子の内の少なくとも一方を入力ポートを介して受光し、第１の出力ポートを介した第１の光子及び第２の出力ポートを介した第２の光子の内の少なくとも一方を供給する１つ以上のモードスプリッタと、１つ以上のモードスプリッタの内の１つのモードスプリッタの第２の出力に結合されたモード変換器であって、ポートを介して第２の光子を受光してポートを介して第１のモードで第２の光子を出力するモード変換器とを備える。

【0064】

実施例１７は実施例１６に記載のシステムを含み、ここで１つ以上のモードスプリッタの内の１つのモードスプリッタは、入力ポート及び第１の出力ポートに結合された第１の導波路と、第２の出力ポートに結合された第２の導波路とを備え、第２の光子は、第１の導波路から第２の導波路に結合され、第２の出力ポートを介して出力される。

【0065】

実施例１８は実施例１７に記載のシステムを含み、ここで第１の導波路に近接する第２の導波路の壁は変調側壁である。

【0066】

実施例１９は実施例１６～１８のいずれかに記載のシステムを含み、ここで１つ以上のモード変換器の内の１つのモード変換器は、第１のモードで伝搬する光子をポートを介して出力させるポートに結合された導波路を備える。

【0067】

実施例２０は実施例１９に記載のシステムを含み、ここで導波路は第１の変調側壁及び第２の変調側壁を含み、第１の変調側壁は第２の変調側壁と位相がずれている。

【0068】

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】

【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、
前記デバイスの第１の側に配置され、第１のモードで伝搬する第１の光子、及び前記第１のモードに直交する第２のモードで伝搬する第２の光子を受光するように構成された入力ポートと、
前記第１の側と反対の前記デバイスの第２の側に配置された第１の出力ポートと、
前記デバイスの前記第１の側に配置された第２の出力ポートと、
前記入力ポート及び前記第１の出力ポートに結合された第１の導波路であって、前記入力ポートを介して前記第１の光子及び前記第２の光子を前記第１の側から前記第２の側へ向かう第１方向において受光し、前記第１の光子を前記第１の出力ポートに供給する、第１の導波路と、
前記第２の出力ポートに結合された第２の導波路であって、前記第１の導波路に近接する前記第２の導波路の壁は、回折格子を形成するように空間的に変調された側壁を有し、前記第２の光子は、前記第２の側から前記第１の側へ向かう第２方向において前記回折格子によって前記第１の導波路から前記第２の導波路に結合されて、前記第２の出力ポートを介して出力される、第２の導波路とを備え、前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、第１の材料の基板（５０１）上及び第２の材料の導波路層（５０３）内にあり、前記第１の材料及び前記第２の材料は異なる屈折率を有する、デバイス。

【請求項2】

前記第１のモードがＴＥモードであり、前記第２のモードがＴＭモードである、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

請求項１に記載のデバイスを備えるシステムであって、
前記第２の出力ポートは、モード変換器のポートに結合され、前記モード変換器は、前記ポートを介して前記第２の光子を受光して、前記ポートを介して再び前記第２の出力ポートへ前記第１のモードで前記第２の光子を出力する、システム。

【外国語明細書】