特許 7644134 複数のコア構造物を含む装置及び製造物品、並びに偏光分割器回転器を製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-03

(45)【発行日】2025-03-11

(54)【発明の名称】複数のコア構造物を含む装置及び製造物品、並びに偏光分割器回転器を製造する方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/14 20060101AFI20250304BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20250304BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20250304BHJP

【ＦＩ】

G02B6/14

G02B6/125 301

G02B6/122 311

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2022552373

(86)(22)【出願日】2021-04-30

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-16

(86)【国際出願番号】 US2021030106

(87)【国際公開番号】W WO2021222714

(87)【国際公開日】2021-11-04

【審査請求日】2024-03-25

(31)【優先権主張番号】63/018,635

(32)【優先日】2020-05-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】519350591

【氏名又は名称】アナログ フォトニクス エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100195257

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 一志

(72)【発明者】

【氏名】ス、 ツァン

(72)【発明者】

【氏名】ティムルドガン、 エルマン

(72)【発明者】

【氏名】ワッツ、 マイケル ロバート

【審査官】林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５３６５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３１４００５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００２５５０６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００３３５２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１３３０３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１３３１４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第６６４３４３７（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置であって、
複数の光導波路を含むフォトニック集積回路（ＰＩＣ）と、
前記ＰＩＣに集積されて前記複数の光導波路の少なくとも一つに第１端が光学的に結合される偏光回転器構造物と、
前記ＰＩＣに集積されて前記偏光回転器構造物の第２端に第１端が光学的に結合される光分割器構造物と
を含み、
前記偏光回転器構造物は、
第１層に形成される第１コア構造物と、
前記第１層とは異なる深さに存在する第２層に形成されてかつ前記第１コア構造物に近接するように形成される第２コア構造物と
を含み、
前記第１コア構造物は、前記偏光回転器構造物の第１端から第２端まで延び、
前記第１コア構造物及び前記第２コア構造物は、前記偏光回転器構造物の少なくとも２つの直交偏光導波路モードのモードハイブリダイズを与え、
前記第１層と前記第２層とは、前記第１コア構造物のコア材料とも前記第２コア構造物のコア材料とも屈折率が異なる材料を含む第３層を介して分離され、及び／又は前記第１コア構造物のコア材料は前記第２コア構造物のコア材料とは屈折率が異なり、
前記光分割器構造物は第１コア構造物及び第２コア構造物を含み、
前記光分割器構造物の第１コア構造物は、前記光分割器構造物の第１コア構造物が前記第１層又は前記第２層に形成されるように前記偏光回転器構造物の第１コア構造物又は第２コア構造物の少なくとも一方に連続し、
前記光分割器構造物の第２コア構造物は、前記偏光回転器構造物の第１コア構造物及び第２コア構造物の双方とは別個であり、
前記光分割器構造物の第２コア構造物は、前記偏光回転器構造物の第１コア構造物と同じ層において前記偏光回転器構造物の第１コア構造物から側方に分離される、装置。

【請求項2】

前記偏光回転器構造物の第１コア構造物及び第２コア構造物は、前記第１コア構造物のＴＭ_１１モードと前記第１コア構造物のＴＥ_２１モードとのモードハイブリダイズを与える、請求項１の装置。

【請求項3】

前記偏光回転器構造物の第２コア構造物は、前記偏光回転器構造物の第１端と前記偏光回転器構造物の第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって延びるコア材料の少なくとも２つの別個の連続部分を含む、請求項１の装置。

【請求項4】

製造によって得られた物品であって、
複数の光導波路に対してクラッディングを与える少なくとも一つのクラッディング材料と、
前記複数の光導波路のコアを与えるコア材料と、
前記クラッディング材料に形成される少なくとも一つの光導波路に第１端が光学的に結合される第１モード結合構造物と、
第２モード結合構造物と
を含み、
前記第２モード結合構造物の第１端が前記第１モード結合構造物の第２端に光学的に結合され、前記第２モード結合構造物の第２端が、前記クラッディング材料に形成される少なくとも２つの光導波路に光学的に結合され、
前記コア材料は、前記クラッディング材料の屈折率よりも高い屈折率を有する少なくとも一つの材料を含み、
前記第１モード結合構造物は、
第１層に形成される第１コア構造物と、
前記第１層とは異なる深さに存在する第２層に形成されかつ前記第１コア構造物に近接するように形成される第２コア構造物と
を含み、
前記第１コア構造物は、前記第１モード結合構造物の第１端から第２端まで延びる前記コア材料の少なくとも一つの連続部分を含み、
前記第２コア構造物は、前記第１モード結合構造物の第１端と前記第１モード結合構造物の第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって延びるコア材料の少なくとも２つの別個の連続部分を含み、
前記第２コア構造物のコア材料の前記少なくとも２つの別個の連続部分は、前記コア材料とは異なる屈折率を有する材料を介して側方に分離され、
前記第２モード結合構造物は、
前記第１コア構造物又は前記第２コア構造物の少なくとも一方のコア材料に連続する前記コア材料の一部分を含む第３コア構造物と、
前記第１層又は前記第２層において前記第１コア構造物及び前記第２コア構造物の双方のコア材料から側方に分離された前記コア材料の一部分を含む第４コア構造物と
を含む、物品。

【請求項5】

前記第１コア構造物及び前記第２コア構造物は、第１偏光を有する前記第１コア構造物の基本モードと、前記第１偏光に直交する第２偏光を有する前記第１コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える、請求項４の物品。

【請求項6】

前記第３コア構造物のコア材料の前記一部分は、前記第１コア構造物のコア材料の前記連続部分に連続する、請求項５の物品。

【請求項7】

前記第２モード結合構造物は、前記第３コア構造物で受信される前記非基本モードと前記第４コア構造物の基本モードとのエバネッセント結合を与える一定距離にわたって互いに近接する前記第３コア構造物及び前記第４コア構造物の一部分を含み、前記第４コア構造物とのエバネッセント結合なしに前記第３コア構造物の基本モードを保持する、請求項６の物品。

【請求項8】

前記第１コア構造物のコア材料の前記連続部分は、前記第１モード結合構造物の前記第１端と前記第１モード結合構造物の前記第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって増加する幅を有する、請求項５の物品。

【請求項9】

前記第２コア構造物のコア材料の前記２つの別個の連続部分は、第１距離にわたって増加して第２距離にわたって減少する実質的に等しい幅を有する、請求項８の物品。

【請求項10】

前記第１コア構造物の前記基本モードはＴＭ_１１モードを含み、
前記第１コア構造物の前記非基本モードはＴＥ_２１モードを含む、請求項５の物品。

【請求項11】

前記モードハイブリダイズは、前記第１コア構造物の前記基本モードの有効屈折率と前記第１コア構造物の前記非基本モードの有効屈折率との実質的に等しい大きさに基づく、請求項５の物品。

【請求項12】

前記第１コア構造物及び前記第２コア構造物は、第１偏光を有する前記第１コア構造物の基本モードと、前記第１偏光に直交する第２偏光を有する前記第２コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える、請求項４の物品。

【請求項13】

前記第３コア構造物のコア材料の前記一部分は、前記第１コア構造物のコア材料の前記連続部分に連続し、かつ、前記第２コア構造物のコア材料の前記２つの別個の連続部分の一方に連続する、請求項１２の物品。

【請求項14】

前記第２モード結合構造物は、前記第３コア構造物で受信される前記非基本モードと前記第４コア構造物の基本モードとのエバネッセント結合を与える一定距離にわたって互いに近接する前記第３コア構造物及び前記第４コア構造物の一部分を含み、前記第４コア構造物とのエバネッセント結合なしに前記第３コア構造物の基本モードを保持する、請求項１３の物品。

【請求項15】

前記第１コア構造物のコア材料の前記連続部分は、前記第１モード結合構造物の前記第１端と前記第１モード結合構造物の前記第２端との間に実質的に一定の幅を有する、請求項１２の物品。

【請求項16】

前記第２コア構造物のコア材料の前記２つの別個の連続部分の一方が、前記第１コア構造物のコア材料の前記連続部分と垂直方向に重なり、前記第２コア構造物のコア材料の前記２つの別個の連続部分の前記一方の一つが、前記第１コア構造物のコア材料の前記連続部分と垂直方向に重ならない、請求項１５の物品。

【請求項17】

前記第１コア構造物の前記基本モードはＴＭ_１１モードを含み、前記第１コア構造物の前記非基本モードはＴＥ_２１モードを含む、請求項１２の物品。

【請求項18】

偏光分割器回転器を製造する方法であって、
複数の光導波路に対してクラッディングを与える少なくとも一つのクラッディング材料を与えることと、
前記クラッディング材料の屈折率よりも高い屈折率を有する少なくとも一つの材料を含むコア材料を使用して前記クラッディング材料の導波路を形成することと、
前記クラッディング材料に形成される少なくとも一つの光導波路に第１端が光学的に結合される第１モード結合構造物を形成することと、
第２モード結合構造物を形成することと
を含み、
前記第１モード結合構造物は、
第１層に形成される第１コア構造物と、
前記第１層とは異なる深さに存在する第２層に形成されかつ前記第１コア構造物に近接するように形成される第２コア構造物と
を含み、
前記第１コア構造物は、前記第１モード結合構造物の第１端から第２端まで延びる前記コア材料の少なくとも一つの連続部分を含み、
前記第２コア構造物は、前記第１モード結合構造物の第１端と前記第１モード結合構造物の第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって延びるコア材料の少なくとも２つの別個の連続部分を含み、
前記第２コア構造物のコア材料の前記少なくとも２つの別個の連続部分は、前記コア材料とは異なる屈折率を有する材料を介して側方に分離され、
前記第２モード結合構造物の第１端が前記第１モード結合構造物の第２端に光学的に結合され、前記第２モード結合構造物の第２端が、前記クラッディング材料に形成される少なくとも２つの光導波路に光学的に結合され、
前記第２モード結合構造物は、前記第１コア構造物又は前記第２コア構造物の少なくとも一方のコア材料に連続する前記コア材料の一部分を含む第３コア構造物と、
前記第１層又は前記第２層において前記第１コア構造物及び前記第２コア構造物の双方のコア材料から側方に分離された前記コア材料の一部分を含む第４コア構造物と
を含む、方法。

【請求項19】

前記第１コア構造物及び前記第２コア構造物は、第１偏光を有する前記第１コア構造物の基本モードと、前記第１偏光に直交する第２偏光を有する前記第１コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える、請求項１８の方法。

【請求項20】

前記第１コア構造物及び前記第２コア構造物は、第１偏光を有する前記第１コア構造物の基本モードと、前記第１偏光に直交する第２偏光を有する前記第２コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える、請求項１８の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年５月１日に出願された「オンチップ偏光分割器回転器の生成についての方法及びアーキテクチャ」との名称の米国仮出願第６３／０１８，６３５号の優先権及び利益を主張する。

【0002】

本開示は、多数コア構造物間のモードハイブリダイズを使用する偏光の回転及び分割の統合に関する。

【背景技術】

【0003】

偏光分割器回転器（ＰＳＲ）構造物をフォトニック集積回路（ＰＩＣ）又は他のフォトニックデバイスの中に統合する技術の中には、ＰＳＲ構造物における対称性を崩すべくリッジエッチ（ｒｉｄｇｅ ｅｔｃｈ）構造物を使用するものがある。しかしながら、かかる技術は、シリコンのような相対的に高い屈折率を備える材料として良好に作用し得るのみである。相対的に低い屈折率を備える材料が、２次横電気（ＴＥ）モード（例えばＴＥ_２１モード）をサポートするには、当該モードパワーが異なる箇所に集中するときの２次ＴＥモードと基本横磁気（ＴＭ）モード（例えばＴＭ_１１モード）との相互作用を潜在的に制限するべく、波長の幅を相対的に大きくする必要がある。いくつかの場合において、リッジエッチにより導入される摂動が、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光の大きな複屈折を崩すには小さすぎることがある。その結果、当該偏光を変換するべく相対的に長い（例えばｍｍスケールの）遷移が必要とされ、及び／又は、当該変換効率が、商業的使用に実用的でないほどに相対的に低くなり得る。

【発明の概要】

【0004】

一側面において一般に、装置が、複数の光導波路を含むフォトニック集積回路（ＰＩＣ）と、当該ＰＩＣに統合されて当該複数の光導波路のうち少なくとも一つに第１端が光学的に結合される偏光回転器構造物とを含む。偏光回転器構造部は、第１層に形成される第１コア構造物と、第１層とは異なる深さに存在する第２層に形成される第２コア構造物とを含み、第１コア構造物は、当該偏光回転器構造物の第１端から第２端まで延び、第２層は第１コア構造物に近接するように形成される。第１コア構造物及び第２コア構造物は、偏光回転器構造物の少なくとも２つの直交偏光導波路モードのモードハイブリダイズを与える。第１層と第２層とは、第１コア構造物のコア材料とも第２コア構造物のコア材料とも異なる材料を含む第３層を介して分離され、及び／又は第１コア構造物のコア材料は第２コア構造物のコア材料とは異なる。装置はまた、ＰＩＣに統合されて偏光回転器構造物の第１端に光学的に結合されかつ当該光導波路のうち少なくとも２つに第２端において光学的に結合される光分割器構造物を含み、当該光分割器構造物は、当該偏光回転器構造物の第１コア構造物又は第２コア構造物のうち少なくとも一方に連続する第１コア構造物と、当該偏光回転器構造物の第１コア構造物又は第２コア構造物の双方から分離される第２コア構造物とを含む。

【0005】

複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。

【0006】

偏光回転器構造物の第１コア構造物及び第２コア構造物は、第１コア構造物のＴＭ_１１モードと第１コア構造物のＴＥ_２１モードとのモードハイブリダイズを与える。

【0007】

偏光回転器構造物の第２コア構造物は、偏光回転器構造物の第１端と当該偏光回転器構造物の第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって延びるコア材料の少なくとも２つの別個の連続部分を含む。

【0008】

他側面において一般に、製造物品が、複数の光導波路に対してクラッディングを与える少なくとも一つのクラッディング材料と、当該光導波路のコアを与えるコア材料であって、当該クラッディング材料よりも屈折率が高い少なくとも一つの材料を含むコア材料と、第１モード結合構造物と、第２モード結合構造物とを含み、第１モード結合構造物は、当該クラッディング材料に形成される少なくとも一つの光導波路に第１端が光学的に結合され、第１モード結合構造物は、第１層に形成される第１コア構造物と、第１層とは異なる深さに存在する第２層に形成されかつ第１コア構造物に近接するように形成される第２コア構造物とを含み、第１コア構造物は、第１モード結合構造物の第１端から第２端まで延びる当該コア材料の少なくとも一つの連続部分を含み、第２コア構造物は、第１モード結合構造物の第１端と第１モード結合構造物の第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって延びる当該コア材料の少なくとも２つの別個の連続部分を含み、第２モード結合構造物は、第１モード結合構造物の第２端に第１端が光学的に結合されかつ当該クラッディング材料に形成される少なくとも２つの光導波路に第２端が光学的に結合され、第２モード結合構造物は、第１コア構造物又は第２コア構造物の少なくとも一方のコア材料に連続するコア材料の一部分を含む第３コア構造物と、第１コア構造物及び第２コア構造物の双方のコア材料から分離されるコア材料の一部分を含む第４コア構造物とを含む。

【0009】

複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。

【0010】

第１コア構造物及び第２コア構造物は、第１偏光を有する第１コア構造物の基本モードと、第１偏光に直交する第２偏光を有する第１コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える。

【0011】

第３コア構造物のコア材料の一部分は、第１コア構造物のコア材料の連続部分に連続する。

【0012】

第２モード結合構造物は、第３コア構造物で受信される非基本モードと第４コア構造物の基本モードとのエバネッセント結合を与える一定距離にわたって互いに近接する第３コア構造物及び第４コア構造物の一部分を含み、第４コア構造物とのエバネッセント結合なしに第３コア構造物の基本モードを保持する。

【0013】

第１コア構造物のコア材料の連続部分は、第１モード結合構造物の第１端と第１モード結合構造物の第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって増加する幅を有する。

【0014】

第２コア構造物のコア材料の２つの離れた連続部分は、第１距離にわたって増加して第２距離にわたって減少する実質的に等しい幅を有する。

【0015】

第１コア構造物の基本モードはＴＭ_１１モードを含み、第１コア構造物の非基本モードはＴＥ_２１モードを含む。

【0016】

モードハイブリダイズは、第１コア構造物の基本モードの有効屈折率と第１コア構造物の非基本モードの有効屈折率との実質的に等しい大きさに基づく。

【0017】

第１コア構造物及び第２コア構造物は、第１偏光を有する第１コア構造物の基本モードと、第１偏光に直交する第２偏光を有する第２コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える。

【0018】

第３コア構造物のコア材料の一部分は、第１コア構造物のコア材料の連続部分に連続し、かつ、第２コア構造物のコア材料の２つの連続部分の一方に連続する。

【0019】

第２モード結合構造物は、第３コア構造物で受信される非基本モードと第４コア構造物の基本モードとのエバネッセント結合を与える一定距離にわたって互いに近接する第３コア構造物及び第４コア構造物の一部分を含み、第４コア構造物とのエバネッセント結合なしに第３コア構造物の基本モードを保持する。

【0020】

第１コア構造物のコア材料の連続部分は、第１モード結合構造物の第１端と第１モード結合構造物の第２端との間に実質的に一定の幅を有する。

【0021】

第２コア構造物のコア材料の２つの分かれた連続部分の一方が、第１コア構造物のコア材料の連続部分と垂直方向に重なり、第２コア構造物のコア材料の２つの別個の連続部分の一方の一つが、第１コア構造物のコア材料の連続部分と垂直方向に重ならない。

【0022】

第１コア構造物の基本モードはＴＭ_１１モードを含み、第２コア構造物の非基本モードはＴＥ_２１モードを含む。

【0023】

他側面において、一般に、偏光分割器回転器を製造する方法が、複数の光導波路のための一のクラッディングを与える少なくとも一つのクラッディング材料を与えることと、当該クラッディング材料の屈折率よりも高い屈折率を有する少なくとも一つの材料を含むコア材料を使用して当該クラッディング材料に導波路を形成することと、当該クラッディング材料に形成される少なくとも一つの光導波路の第１端に光学的に結合される第１モード結合構造物を形成することであって、第１モード結合構造物は、第１層に形成される第１コア構造物と、第１層とは異なる深さに存在する第２層に形成されかつ第１コア構造物に近接するように形成される第２コア構造物とを含み、第１コア構造物は、第１モード結合構造物の第１端から第２端まで延びる当該コア材料の少なくとも一つの連続部分を含み、第２コア構造物は、第１モード結合構造物の第１端と第１モード結合構造物の第２端との間の距離の少なくとも一部分にわたって延びるコア材料の少なくとも２つの別個の連続部分を含むことと、第１端が第１モード結合構造物の第２端に光学的に結合されて第２端が当該クラッディング材料に形成される少なくとも２つの光導波路に光学的に結合される第２モード結合構造物を形成することとを含み、第２モード結合構造物は、第１コア構造物又は第２コア構造物の少なくとも一方のコア材料に連続するコア材料の一部分を含む第３コア構造物と、第１コア構造物及び第２コア構造物の双方のコア材料から分離されるコア材料の一部分を含む第４コア構造物とを含む。

【0024】

複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。

【0025】

第１コア構造物及び第２コア構造物は、第１偏光を有する第１コア構造物の基本モードと、第１偏光に直交する第２偏光を有する第１コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える。

【0026】

第１コア構造物及び第２コア構造物は、第１偏光を有する第１コア構造物の基本モードと、第１偏光に直交する第２偏光を有する第２コア構造物の非基本モードとのモードハイブリダイズを与える。

【0027】

複数の側面が、以下の利点のうち一つ以上を有し得る。

【0028】

ここに記載される技法は、デバイスの動作波長における相対的に高い屈折率（例えば約３．５の屈折率を備えるシリコン）又は相対的に低い屈折率（例えば約２．０の屈折率を備える窒化シリコン）のいずれかを使用してコンパクトかつ効率的な集積ＰＳＲ構造物を形成する目的のために使用することができる。いくつかの実装例において、ＰＳＲ構造物は、基本ＴＭモードと非基本ＴＥモードとのハイブリダイズをもたらすように２層のコア材料を使用して形成される。例えば、構造物の遷移部分が、一つのコアが一方の層に存在して他の２つのコアが他方の層に存在する３つの導波路コアを含んでよい。導波路コアは、「山形配列」（例えば、Ｖ字の山形スタイル又は逆Ｖ字の逆山形スタイル）で配列され得る。これにより、以下に詳細に説明されるように、基本ＴＭモード（例えばＴＭ_１１）と非基本ＴＥモード（例えばＴＥ_２１）とのハイブリダイズを、当該モードの有効屈折率が相対的に近い場合であっても可能にするべく、結合幾何形状の上下対称性を崩すことができる。結合導波路によりサポートされる他のモードが、十分に分離された有効屈折率を有するので、最小限の相互結合によっても当該モードは互いから十分に分離される。いくつかの実装例において、２を超える層を使用することもできる。これも以下に詳述される。

【0029】

以下の記載から、並びに図面及び特許請求の範囲から、他の特徴及び利点が明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

本開示は、添付図面と併せて読むと、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的な慣行により図面の様々な特徴が縮尺通りではないことが強調される。逆に、様々な特徴部の寸法は、わかりやすくするべく任意に拡大又は縮小される。

【0031】

【図1A】異なる山形スタイル又は逆山形スタイル導波路の例の断面図である。

【図1B】異なる山形スタイル又は逆山形スタイル導波路の例の断面図である。

【図1C】異なる山形スタイル又は逆山形スタイル導波路の例の断面図である。

【図1D】異なる山形スタイル又は逆山形スタイル導波路の例の断面図である。

【図1E】異なる山形スタイル又は逆山形スタイル導波路の例の断面図である。

【図1F】異なる山形スタイル又は逆山形スタイル導波路の例の断面図である。

【図2A】マルチコアモード結合導波路構造物に沿った異なる位置に対する一セットの導波路断面図である。

【図2B】マルチコア導波路構造物の固有モードに対する有効屈折率対位置のプロットである。

【図2C】マルチコア導波路構造物に沿った異なる位置に対する電界強度プロファイルの一セットの断面である。

【図2D】マルチコア導波路構造物に沿った異なる位置に対する電界強度プロファイルの一セットの断面である。

【図2E】マルチコア導波路構造物に沿った異なる位置に対する電界強度プロファイルの一セットの断面である。

【図3A】例示的なＰＳＲデバイスの上面図及び代替的な断面図である。

【図3B】ＰＳＲの回転器の、異なる固有モードのための異なる位置でのモードプロファイルの断面を伴う上面図である。

【図3C】ＰＳＲの分割器の、異なる固有モードのための異なる位置でのモードプロファイルの断面を伴う上面図である。

【図3D】シミュレーションされた導波路構造物に関連付けられる有効屈折率のグラフである。

【図4A】例示的なＰＳＲデバイスの上面図及び断面図である。

【図4B】第１モード結合構造物の異なる固有モードのための異なる位置でのモードプロファイルの断面を伴う上面図である。

【図4C】図４Ｂの構造物のための有効屈折率のグラフである。

【図4D】第２モード結合構造物の異なる固有モードのための異なる位置でのモードプロファイルの断面を伴う上面図である。

【図4E】図４Ｄの構造物のための有効屈折率のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

記載される技法は、偏光分割器回転器（ＰＳＲ）を製造するべく使用することができる。例えば、ＰＳＲは、与えられる偏光回転及び分割／結合機能に依存する偏光ダイバーシティモジュール又は他のフォトニックモジュールにおいて使用することができる。これは、以下に詳細に説明される。いくつかの実装例において、偏光分割器回転器は、半導体基板（例えば基板の上に堆積及びエッチングされる材料の層を使用して製造することができるシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）プラットフォーム又は他のプラットフォーム）上に製造され得るフォトニック集積回路（ＰＩＣ）上のようなオンチップで製造される。いくつかの実装例において、ＣＭＯＳ製造プロセスを使用することができる。加えて、ここに記載される技法により、かかる製造プロセスが、必ずしも高屈折率材料の使用を必要とすることなく、コンパクトなＰＳＲ構造物をもたらすことが許容される。低屈折率材料は低い伝搬損失を示す傾向があるので、ここに記載される技法により、高性能デバイスの実装が可能となり、偏光操作のための高屈折率材料の使用に関連するコストが低減される。

【0033】

いくつかの実装例において、相対的に低い屈折率の材料を使用してＰＳＲのコンパクトな設計を容易にするべく使用することができる技法は、山形スタイル導波路の使用を含む。いくつかの実装例において、第１モード結合構造物が、入力ポートの中へと受光した光のモード依存偏光回転器を与えて（例えば一ＴＥモードと一ＴＭモードとの）直交偏光モードを（双方ともＴＥモードの）共偏光とし、第２モード結合構造物が共偏光モードを分割して異なる出力ポートに与える。同様に、ＰＳＲを逆方向に使用して、物理的に分離された共偏光モードを結合して一つの出力ポートの結合偏光モード及び直交偏光モードにすることもできる。山形スタイル導波路は、導波路モードの上下対称性を崩すことができる山形配列に配列される多数の導波路コアを含む。山形スタイル導波路により可能となるこの上下対称性の崩れにより、第１モード結合構造物におけるモードハイブリダイズが容易となる。これにより、基本ＴＭ偏光モード（例えばＴＭ_１１）と高次ＴＥ偏光モード（例えばＴＥ_２１）との間の変換が可能になってモード依存偏光回転が得られる。他のモード結合構造物により、第１コア構造物の中へ受信される生成された高次ＴＥ偏光モードと、他のコア構造物の基本ＴＥ偏光モード（例えばＴＥ_１１）との間の変換が可能になって、共偏光モードの異なるコア構造物への分割が得られる。モードハイブリダイズは、変化する結合マルチコア導波路構造物により導波される光の進展光学モードに関連付けられる有効屈折率の大きさの変化に基づく。これは（図２Ｂを参照して）以下に詳述される。

【0034】

ＰＩＣの異なる層に異なるコア構造物を含むマルチコア導波路のこのような山形配列の例が、図１Ａ～図１Ｆを参照して示される。図１Ａを参照すると、モード結合構造物１００Ａが、頂部層１０３Ａにおける最上コア１０２Ａと、底部層１０５Ａにおける２つの底部コア１０４Ａ及び１０６Ａとを含む。この例では、頂部層１０３Ａと底部層１０５Ａとの間にギャップ層１０７Ａが存在する。コア構造物の断面は、（ｙ軸及びｚ軸１０１に対する）ｙｚ平面で示される。ｙｚ平面は、マルチコア導波路により導波される光のｘ軸に直交する。この配列の目標は、ｚ軸まわりの垂直対称性を崩すことによって２つの光学モード（すなわち、この例ではＴＭ_１１及びＴＥ_２１）をハイブリダイズすることである。頂部コア１０２Ａのみを含むシングルコア導波路が存在すれば、当該構造物の上下対称性ゆえに二次ＴＥ偏光モードＴＥ_２１に結合されない基本ＴＭ偏光モードＴＭ_１１が存在することとなる。底部層１０５Ａにおける２つのコア１０４Ａ及び１０６Ａを、頂部層１０３Ａにおけるコア１０２Ａの近傍に組み入れることにより上下対称性が崩れ、以下に詳述されるように２つのモードＴＭ_１１及びＴＥ_２１を互いにハイブリダイズすることができる。例えば、モード結合構造物１００Ａによって形成されるマルチコア導波路は、図１Ａに示されるように、相対的に薄いギャップ層１０７Ａ、並びにｙ軸に沿った次元における頂部コア１０２Ａと底部コア１０４Ａ及び１０６Ａそれぞれとの重なりを含む所定の構造上の特徴に基づいて、ハイブリダイズされたモードプロファイルをサポートする。

【0035】

マルチコア導波路の様々な代替山形配列が形成され得る。いくつかの実装例において、コアは、図１Ｂにおいてのような逆山形構造物を形成する。図１Ｂは、底部層１０５Ｂにおける底部コア１０２Ｂと頂部層１０３Ｂにおける２つの頂部コア１０４Ｂ及び１０６Ｂとを含むモード結合構造物１００Ｂを示す。この例では、頂部層１０３Ｂと底部層１０５Ｂとの間にギャップ層１０７Ｂが存在する。

【0036】

いくつかの実装例において、周囲のクラッディングを与える低屈折率クラッディング材料の中に高屈折率コア材料の一つの厚い層をパターニングすることによって多層を形成することができる。図１Ｃは、頂部層１０３Ｃにおける頂部コア１０２Ｃと底部層１０５Ｃにおける２つの底部コア１０４Ｃ及び１０６Ｃとを含む山形スタイルのモード結合構造物１００Ｃを示す。図１Ｄは、底部層１０５Ｄにおける底部コア１０２Ｄと頂部層１０３Ｄにおける２つの頂部コア１０４Ｄ及び１０６Ｄとを含む逆山形スタイルのモード結合構造物１００Ｄを示す。図１Ｃ及び図１Ｄのこれらの例においては、対応する頂部層と底部層との間にギャップ層が存在しない。

【0037】

いくつかの実装例において、２つを超える層がマルチコア導波路の拡張山形配列を形成してよい。図１Ｅは、頂部層１０３Ｅにおける頂部コア１０２Ｅと、中間層１０５Ｅにおける２つの中間コア１０４Ｅ及び１０６Ｅと、底部層１０７Ｅにおける２つの底部コア１０８Ｅ及び１１０Ｅとを含む山形スタイルのモード結合構造物１００Ｅを示す。この例はまた、図示のようにギャップ層１０９Ｅ及び１１１Ｅも含む。図１Ｆは、底部層１０７Ｆにおける底部コア１０２Ｆと、中間層１０５Ｆにおける２つの中間コア１０４Ｆ及び１０６Ｆと、頂部層１０３Ｆにおける２つの頂部コア１０８Ｆ及び１１０Ｆとを含む逆山形スタイルのモード結合構造物１００Ｆを示す。この例はまた、図示のようにギャップ層１０９Ｆ及び１１１Ｆも含む。

【0038】

モードハイブリダイズを可能にするマルチコアモード結合構造物の他側面は、異なるコア構造物の幅が、導波される光波が伝搬軸（すなわち、これらの例ではｘ軸）に沿って伝搬するにつれて変化することである。例えば、導波される光が伝搬するにつれて底部コアの幅を断熱的に増加させることができる。図２Ａは、ｘ軸に沿って３つの異なる位置に対する下側コアの幅が増加するマルチコアモード結合構造物の異なる断面の一例を示す。Ｘ＝－４（任意の距離単位）における断面２００Ａは、底部コアが狭くなって、頂部コアのエッジまで延びることを示す。さらにＸ＝０における断面２００Ｂは、底部コアが広くなって、頂部コアのエッジを通り過ぎて延びることを示す。さらにＸ＝４における断面２００Ｃは、底部コアが、頂部コアのエッジをさらに通り過ぎても延びることを示す。この底部コアの幅増加により、モードハイブリダイズに基づくモード遷移プロセスが可能となる。

【0039】

図２Ｂは、伝搬位置がＸ＝－５からＸ＝５へ進行するにつれて底部コアの幅が断熱的に増加するときの、第１の３つの固有モード（モード１、モード２及びモード３として標識）の有効屈折率のプロットをｘ軸に沿った位置Ｘ（任意の距離単位）の関数として示す。基本１次固有モード（モード１）がＴＥ_１１モードであり、他のモードの有効屈折率から（約１．５８～１．６０の）大きさで十分に分離されている最大有効屈折率を有する。２次固有モード（モード２）は、ほぼ１．５２の有効屈折率を有するＴＭ_１１モードとして始まり、３次固有モード（モード３）は、ほぼ１．４８の有効屈折率を有するＴＥ_２１モードとして始まる。いくつかの場合、３次モードは相対的に弱くサポートされているので、初期の光エネルギーは最高次のＴＥモード（モード１）及び最高次のＴＭモード（モード２）、モード３又は低次の固有モードにおいてエネルギーなしとなる。光が図２Ａの構造物を通って伝搬するとき、モード２及びモード３の有効屈折率が互いに近づくモードハイブリダイズ領域２０２が存在し、モード遷移プロセスにより、ハイブリダイズを介してモード２がＴＥ_２１モードになり、モード３がＴＭ_１１モードになる一方、モード１のＴＥ_１１モードは保持される。

【0040】

図２Ｃ～図２Ｅは、光がモード遷移プロセスを介して伝搬するときに図２Ａのモード結合構造物から得られる電界強度プロファイルの例を示す。図２Ｃは、図２Ａに示される３つの断面位置のそれぞれにおいてモード１がどのようにして相対的強度プロファイル及び偏光を保持するのかを示す。図２Ｄ及び図２Ｅは、どのようにしてモード２及びモード３に対する強度プロファイル及び偏光モードが変化した結果、モードハイブリダイズを介して漸次的な偏光回転が生じるのかを示す。

【0041】

図３Ａは、偏光回転器モード結合構造物３０１（又は単に「回転器３０１」）と光分割器モード結合構造物３０２（又は単に「分割器３０２」）とを含む例示的なＰＳＲデバイス３００を示す。回転器３０１は、入力ポート３０３における入力ＴＭ_１１モードをＴＥ_２１モードに変換するように構成され、一の入力光固有モードが偏光回転を得る一方で他の入力光固有モードの回転なしで入力ＴＥ_１１モードが保持される。分割器３０２は、以下に詳述されるように、回転器３０１から与えられる２つの異なる固有モードのＴＥ偏光を保持するが、当該固有モードを分割して異なる対応出力ポート３０５及び３０７に与えるように構成される。回転器３０１のマルチコア構造物は、（１）横平面３１０における断面３０８Ａに示されるような主要コア構造物の下の層に２つの一時的コア構造物を備える山形スタイル配列、又は代替的に、（２）横平面３１０における断面３０８Ｂに示されるような主要コア構造物の上の層に２つの一時的コア構造物を備える逆山形スタイル配列、を有し得る。

【0042】

図３Ｂは、回転器３０１の異なる３つの固有モード（モード１、モード２及びモード３）に対する回転器３０１に沿った異なる位置でのモードプロファイルの断面を示す。各モードプロファイルの画像は、破線３１２－Ａから３１２－Ｈによって示される断面平面にわたっての電界強度を表す。回転器３０１の左（入力）側において、一次固有モード（モード１）が、図示のように、右側における大きなサイズへと勾配付けされたシングルコアから開始する入力導波路構造物のＴＥ_１１モードに対応する。回転器３０１の構造物は、付加的なコアが中に入り込んで重なり合った後、幅が上へ、そして下へと勾配付けられて、その後、当該コアがもはや重なり合わなくなるまで外へと出てゆくにように変化する。モード１は、回転器３０１の全体長さにわたってＴＥ_１１モードのままである。回転器３０１の左側には二次固有モード（モード２）も存在する。これは、ＴＭ_１１モードとして開始して右側でＴＥ_２１モードに進展する。また、図３Ｂに示されるのは、ＰＳＲデバイス３００とともに使用される入力光波に対してエネルギーなしと仮定される三次固有モード（モード３）の理論的なモードプロファイルである。しかしながら、左側でＴＥ_２１モードとして開始して右側でＴＭ_１１モードに進展するこの高次固有モードの存在が、モードハイブリダイズに貢献する。

【0043】

主要コア構造物に近接する（断面３０８Ａのような下側の、又は断面３０８Ｂのような上側の）他層における一対の一時的コア構造物により導入される摂動が、上下対称性の崩れを引き起こし、ＴＭ_１１モードとＴＥ_２１モードとのハイブリダイズをもたらす。したがって、断熱遷移のプロセスによって、モード２のＴＭ_１１モードプロファイルが、ハイブリダイズしたモードプロファイルの漸次的な変化を介してＴＥ_２１モードプロファイルに進展し得る。固有モードのモード１及びモード２の断面３１２－Ｃ、３１２－Ｄ及び３１２－Ｅに対するハイブリダイズしたモードプロファイルの例が、図３Ｃに示される。これらは、両層のコア構造物に有意なエネルギーを含む。前の断面（３１２－Ａ及び３１２Ｂ）及び後ろの断面（３１２－Ｆ、３１２－Ｇ及び３１２－Ｈ）はそれぞれ、ハイブリダイズしたモードへの断熱遷移及びハイブリダイズしたモードからの断熱遷移に対応し、主要コア構造物に有意なエネルギーを含む。

【0044】

図３Ｃは、分割器３０２の４つの異なる固有モード（モード１、モード２、モード３及びモード４）について、分割器３０２に沿った異なる位置におけるモードプロファイルの断面を示す。分割器３０２は、出力ポート３０７を有する側方コア構造物を、出力ポート３０５を有する主要コア構造物と同じ層に含む。ＰＳＲ機能性を達成するべく、側方コア構造物を使用して、回転子３０１からの主要コア構造物内の２つの固有モードを、出力ポート３０５及び３０７において２つの異なる出力導波路へと分離する。回転器３０１のモード１は、分割器３０２のモード１に対応し、主要コアの断面３１２－Ｈ及び断面３１４－Ａが一致し、主要コア構造物の出力ポート３０５へ伝搬する。回転器３０１のモード２は、分割器３０２のモード２に対応し、主要コアの断面３１２－Ｈ及び断面３１４－Ａが一致し、側方コア構造物の出力ポート３０７にエバネッセント結合される。分割器３０２のモード３（入力光のエネルギーなし）は、断面３１４－Ａでの側方コア構造物の入力におけるモードを表し、主要コア構造物の出力ポート３０５にエバネッセント結合される。回転器３０１のモード３は、分割器３０２のモード４（入力光のエネルギーなし）に対応し、主要コアの断面３１２－Ｈ及び断面３１４－Ａが一致し、出力ポート３０５へ伝搬する。ＴＥ_１１モードプロファイルを有する基本固有モードであるモード１が、出力ポート３０５を出ても主要コアにとどまる一方、他の固有モードであるモード２は、主要コアにおけるＴＥ_２１モードプロファイルから開始して出力ポート３０７を出る側方コアにおけるＴＥ_１１モードプロファイルへ断熱的に変換される。分割器３０２において、他のコアの導入により、導波路構造物の平面内対称性が崩れる。したがって、広い主要コアのＴＥ_２１モードが、狭い側方コアのＴＥ_１１モードとハイブリダイズされ、広い主要コアのＴＥ_２１モードは断熱変化を介して狭い側方コアのＴＥ_１１モードに変換され、最小限の損失で主要コアから分離される。

【0045】

図３Ｂ及び図３Ｃすべてが、図示の固有モードで開始する光に対する電界強度（すなわち

【数1】

を示す。しかしながら、入力光内に当該固有モードの光が存在しない場合、（図３Ｂのモード３並びに図３Ｃのモード３及びモード４について）当該モードに対する電界強度はゼロになる。

【0046】

異なる固有モードにおける異なる横モードプロファイル間の断熱遷移をさらに図示するべく、図３Ｄは、ＰＳＲデバイス３００を実装する導波路構造物３２０のシミュレーション、及びサポートされる固有モードの有効屈折率の進展を示す。モード１は、主要コア（Ｃ１）全体にわたってＴＥ_１１モードのままである。２つのハイブリダイズ領域３２１及び３２２は、他の固有モードの有効屈折率と同様の大きさを有する一の固有モードの有効屈折率に関連付けられるモードハイブリダイズの例である。第１ハイブリダイズ領域３２１により、モード２に対するＴＭ_１１モードとＴＥ_２１モードとの間の遷移が可能となる。第２ハイブリダイズ領域３２２により、上述したように、モード２に対する広い主要コア（Ｃ１）のＴＥ_２１モードと狭い側方コア（Ｃ２）のＴＥ_１１モードとの間の遷移が可能となる。

【0047】

他の技法及びデバイス構造物もまたＰＳＲを製造するべく使用することができる。図４Ａは他の例示的ＰＳＲデバイス４００を示す。ＰＳＲデバイス３００においてのような一つの構造物における回転（基本ＴＭ_１１モードからＴＥ_２１モード）及び後続の構造物における分割の代わりに、ＰＳＲデバイス４００は、マルチコア導波路構造物のＴＭ_１１モードから異なる構造物のＴＥ_２１モードへの遷移を可能とし、マルチコア導波路構造物における偏光の回転及び分割が同時に有効に達成される。ＰＳＲデバイス４００の動作が、横平面４０６における断面４０４に示されるように下層に広いコア構造物（Ｃ１）を、上層に狭いコア構造物（Ｃ２）を含む第１モード結合構造物４０１及び第２モード結合構造物４０２と、２つの側方コア構造物（Ｃ３、Ｃ４）とに関連して記載される。光を受光してコアＣ３に入れる入力ポート４０８と、出力光の回転（共偏光）及び分割された部分を与える２つの出力ポート４１０及び４１２とが存在する。

【0048】

図４Ｂは、第１モード結合構造物４０１におけるモード遷移を示す。コアＣ１の幅をゆっくりと勾配付けすることにより、側方コアＣ３のＴＭ_１１モードは、コアＣ１及びコアＣ２を含むマルチコア構造物のＴＥ_２１モードとのハイブリダイズを開始し、最終的には断熱遷移部を有する側方コアＣ３のＴＥ_２１モードへと進展して出力ポート４１０（図４Ａ）に出力される。断面４１４－Ａ及び断面４１４－Ｂにおけるモードプロファイルが、４つの固有モードすなわちモード１、モード２、モード３及びモード４に対して示される。ここで、出力光は、入力ポート４０８におけるモード２及びモード４のみがエネルギーを含む。

【0049】

モード結合構造物４０１の異なる固有モードの有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）の、対応する進展が図４Ｃに示される。図４Ｃには、異なる横モードプロファイル間の遷移が示される。モード２のＴＥ_１１モードがコアＣ３において維持される。モード４のＴＭ_１１モードが、モードハイブリダイズを介してＣ１／Ｃ２のマルチコア構造物のＴＥ２１モードへと進展する。

【0050】

図４Ｄは、第２モード結合構造物４０２におけるモード遷移を示す。コアＣ１の幅をさらに勾配付けすることにより、コアＣ１及びコアＣ２を含むマルチコア構造物のＴＥ_２１モードは、側方コアＣ４のＴＥ_１１モードとのハイブリダイズを開始し、最終的には断熱遷移部を有する側方コアＣ４のＴＥ_１１モードへと進展して出力ポート４１２に出力される。

【0051】

モード結合構造物４０２の異なる固有モードの有効屈折率の、対応する進展が図４Ｅに示される。図４Ｅには、異なる横モードプロファイル間の遷移が示される。モード３のＴＥ_２１モードが、モードハイブリダイズを介してコアＣ４のＴＥ_１１モードへと進展する。

【0052】

ここに記載される例示的な実施形態のほか、オンチップＰＳＲデバイスにとって、基本モード（例えばＴＭ_１１モード）と高次ＴＥモード（例えば二次ＴＥ_２１）との結合に基づく様々な配列が可能である。マルチコア導波路構造物は、２つ以上の層を使用して形成することができ、又はマルチコア構造物を形成するべく使用される層の部分エッチングによる一つの層を使用して形成することができる。例えば、一つの層を頂部及び底部からエッチングして、図１Ｃ及び図１Ｃに示されるような隣接するコア構造物を形成することができる。

【0053】

本開示が所定の実施形態に関連して記載されてきたが、本開示は、開示された実施形態に限定されることがないと理解すべきであり、逆に、添付の特許請求の範囲内に含まれる様々な修正例及び同等の配列をカバーすることが意図されており、その範囲には、法律に基づいて許容されるすべての修正例及び同等の構造を包含するように最も広い解釈が与えられるべきである。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図1F】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】