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公開番号2025010529
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-21
出願番号2024146296,2024516397
出願日2024-08-28,2023-07-07
発明の名称光デバイスの動作方法
出願人三菱電機株式会社
代理人弁理士法人ぱるも特許事務所
主分類G02B 6/125 20060101AFI20250110BHJP(光学)
要約【課題】容易に製造することが可能な光デバイスによる動作方法を提供する。
【解決手段】周波数fの光を伝搬させて動作させる光デバイスの動作方法であって、光デバイスは、基板上に並んで配置された第一光導波路と第二光導波路を備え、第一光導波路と第二光導波路の間で光が結合するように他の領域よりも第一光導波路と第二光導波路との間隔が狭い光結合領域を有するとともに、光結合領域において、第一光導波路と第二光導波路との周囲に、光の伝搬方向に、第一屈折率材料と、第一屈折率材料よりも屈折率が低い第二屈折率材料が周期Λで交互に配置されたグレーティング構造を有しており、真空中の光速をc₀、光結合領域における導波モードに対応する実効屈折率をn_effとすると、周期Λが、11c₀/(20n_eff・f)≦Λ≦3c₀/(4n_eff・f)を満足する周波数fの光を前記光デバイスに伝搬させて動作させるようにした。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
周波数ｆの光を伝搬させて動作させる光デバイスの動作方法であって、
前記光デバイスは、基板上に並んで配置された第一光導波路と第二光導波路を備え、前記第一光導波路と前記第二光導波路の間で前記光が結合するように他の領域よりも前記第一光導波路と前記第二光導波路との間隔が狭い光結合領域を有するとともに、
前記光結合領域において、前記第一光導波路と前記第二光導波路との周囲に、前記光の伝搬方向に、第一屈折率材料と、前記第一屈折率材料よりも屈折率が低い第二屈折率材料が周期Λで交互に配置されたグレーティング構造を有しており、
真空中の光速をｃ
0
、前記光結合領域における導波モードに対応する実効屈折率をｎ
eff
とすると、前記周期Λが、
１１ｃ
0
／（２０ｎ
eff
・ｆ）≦Λ≦３ｃ
0
／（４ｎ
eff
・ｆ）
を満足する前記周波数ｆの光を前記光デバイスに伝搬させて動作させる光デバイスの動作方法。
続きを表示（約 710 文字）【請求項２】
前記周期Λが、
１１ｃ
0
／（２０ｎ
eff
・ｆ）≦Λ≦３ｃ
0
／（５ｎ
eff
・ｆ）
を満足する前記周波数ｆの光を前記光デバイスに伝搬させて動作させる請求項１に記載の光デバイスの動作方法。
【請求項３】
前記光デバイスにおける前記第一光導波路の幅が前記第二光導波路の幅の１．２倍以上２倍以下である請求項１または２に記載の光デバイスの動作方法。
【請求項４】
周波数ｆの光を伝搬させて動作させる光デバイスの動作方法であって、
前記光デバイスは、基板上に並んで配置された第一光導波路と第二光導波路、および前記光の伝搬方向に第一屈折率材料と前記第一屈折率材料よりも屈折率が低い第二屈折率材料が周期Λで交互に配置されたグレーティング構造を備え、
前記第一光導波路と前記第二光導波路とから前記グレーティング構造に前記光が入射されるよう構成されており、
前記光の伝搬方向に垂直で前記基板に平行な方向の前記グレーティング構造の幅が、前記光の波長の３倍以上となり、
真空中の光速をｃ
0
、前記グレーティング構造における導波モードに対応する実効屈折率をｎ
eff
とすると、前記周期Λが
１１ｃ
0
／（２０ｎ
eff
・ｆ）≦Λ≦３ｃ
0
／（４ｎ
eff
・ｆ）
を満足する前記周波数ｆの光を前記光デバイスに伝搬させて動作させる光デバイスの動作方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、光デバイスの動作方法に関するものである。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
3
）、およびそれらを基礎とする化合物半導体などの様々な材料による光デバイスにおいて、周囲よりも屈折率を高くすることで光を局所的な領域に閉じ込め、その領域を線状に形成することで、光を所望の領域に伝搬させることができる光導波路はデバイスの基本的な構成要素として広く用いられている。
【０００３】
また、２つの独立する光導波路を伝搬光の波長以下の距離に近接させることで、２つの導波路の光伝搬モードが光学的に結合し、その結果、伝搬光の任意の電力を移行させる機能をもつ方向性結合器、あるいは幅広な導波路を形成して内部を伝搬する光の固有モードをマルチモード化させ、各モード間の光干渉によって伝搬光を任意の数に分波、または逆に合波させる機能をもつ多モード干渉導波路（Ｍｕｌｔｉ－ＭｏｄｅＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＭＭＩ）、入力された光を偏波分離し、それぞれ異なる位置に出力させる機能、もしくはその逆の機能をもつ偏波合分波器、光の伝搬方向に回折格子構造を設け、所望の波長または偏波の光を光導波路から上下方向に回折させることで、空間に光を伝搬させる機能をもつグレーティングカプラなど、光導波路を基本としたさまざまな導波路型のデバイスもまた、さまざまな機能を実現するための光デバイスの基本的な構成要素の１つとして広く用いられている。
【０００４】
しかし一般的な方向性結合器あるいはＭＭＩなどの導波路型光デバイスでは、一方の光導波路を伝搬する光電力を十分に他方の光導波路へと移行する、または入力光電力を複数の出力に等分配するためには、伝搬する光の波長の数十倍程度と長い距離が必要になり、デバイスサイズが大きくなるという課題がある。また、ＭＭＩ、偏波合分波器、グレーティングカプラなどの光デバイスでは動作する波長あるいは偏波の範囲が小さく、様々な波長あるいは偏波に対応するには、様々な属性の光に対応したデバイスを並列に配置するなどの工夫が必要で、それもまた全体としてのデバイスサイズが大きくなる要因となっていた。例えば方向性結合器でよく用いられる、光電力の５０％を他方に分岐する３ｄＢカプラあるいは３ｄＢスプリッタは、所望の移行率が得られるデバイス長の許容誤差範囲が約１マイクロメートル程度と非常に狭いという課題もある。全体としてのデバイス長に対し、許容誤差範囲のデバイス長が小さいという事は、方向性結合器はそれだけ製造誤差に弱いデバイスであるという事を示している。
【０００５】
前記の課題を解決するための技術として、Ｓｉをベースとした光デバイス内に２つの光導波路に垂直の方向に、伝搬光以下の周期の周期構造、いわゆるサブウェーブレングス・グレーティング（Ｓｕｂ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈＧｒａｔｉｎｇ、ＳＷＧ）構造を導入することで、デバイスサイズの小型化、偏波無異存化、波長無依存化などの実現に成功している（非特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
C. Ye et al., “Ultra-Compact Broadband 2 x 23 dB Power Splitter Using a Subwavelength-Grating-Assisted Asymmetric Directional Coupler,” JLT, vol. 38, no. 8 (2020)
P. Cheben, “Subwavelength integrated photonics,” Nature, vol. 560, pp. 565-572 (2018)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１、２においては、小型な方向性結合器を実現する技術が開示されているが、ＳＷＧ構造は、波長以下のサイズの周期構造を設ける必要がある。一般的に導波路を構成するＳｉ、ＩｎＰなどの半導体光材料の屈折率は３を超えるため、実質的には波長の１／３以下のサイズが必要である。例えば波長１．５μｍであれば０．５μｍ以下の周期構造が必要であり、光導波路コア材料の充填率を５０％とすると０．２５μｍ程度の微細構造が必要となる。このようなサイズの構造体を高精度に形成することは光半導体プロセス上実現の難易度が高く、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーのような高精度なプロセスが必要となり、高コスト要因となる。
【０００８】
本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであり、従来よりも必要とされる加工精度が緩和され、容易に製造することが可能な光デバイスによる動作方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の光デバイスの動作方法は、周波数ｆの光を伝搬させて動作させる光デバイスの動作方法であって、
前記光デバイスは、基板上に並んで配置された第一光導波路と第二光導波路を備え、前記第一光導波路と前記第二光導波路の間で前記光が結合するように他の領域よりも前記第一光導波路と前記第二光導波路との間隔が狭い光結合領域を有するとともに、
前記光結合領域において、前記第一光導波路と前記第二光導波路との周囲に、前記光の伝搬方向に、第一屈折率材料と、前記第一屈折率材料よりも屈折率が低い第二屈折率材料が周期Λで交互に配置されたグレーティング構造を有しており、
真空中の光速をｃ
0
、前記光結合領域における導波モードに対応する実効屈折率をｎ
eff
とすると、前記周期Λが、
１１ｃ
0
／（２０ｎ
eff
・ｆ）≦Λ≦３ｃ
0
／（４ｎ
eff
・ｆ）
を満足する前記周波数ｆの光を前記光デバイスに伝搬させて動作させるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の光デバイスの動作方法によれば、従来よりも必要とされる加工精度が緩和され、容易に製造することが可能な光デバイスにより動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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