JP7599638B2 - Topological vertical coupler - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 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)
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。 The present invention relates to a topological vertical coupler that can be integrated on a silicon optical circuit.
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。
The various optical elements used in optical networks include lasers, modulators, multiplexing elements, optical switches, etc. Optical integrated circuits integrate various functions essential for optical communications on a single chip. Compared to single-function optical devices, they can reduce implementation costs, power consumption, size, etc., and therefore many modules have been put into practical use and are currently dominating the optical market.
In a typical optical integrated circuit, the mode of propagating light is fixed to a transverse electric mode (TE mode) or a transverse magnetic mode (TM mode), and various devices integrated on the optical circuit are designed to operate in those modes.
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。 In recent years, there has been growing interest in communication methods that proactively utilize the degrees of freedom of light. In particular, research into optical vortices (the orbital angular momentum of light) has been active, as there are many unexplored areas. Optical vortices theoretically enable infinite channel multiplexing by encoding information onto the spiral period of the wavefront, and are considered to be extremely compatible with optical communications.
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。
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。 However, in typical optical circuits, the constituent waveguide devices operate only with TE/TM mode light, so their affinity with optical vortices is by no means high. For example, optical integrated circuits that can only handle TE/TM modes and operate in TE/TM modes have the problem that they cannot control optical vortices.
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。
By replacing part of conventional optical circuits with topological photonics systems, the aim is to perform various controls, including optical vortex propagation, within optical circuits (TPICs: Topological Photonic Integrated Circuits).
One of the key challenges in TPICs is to achieve efficient coupling to topological photonic systems in both the horizontal and vertical directions.
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。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a topological vertical coupler that can significantly improve the vertical coupling efficiency.
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、を有し、前記キャビティでは、前記フォトニック構造体上で、前記トポロジカルエッジから1格子単位胞離れた1つの前記格子単位胞内の構造が取り除かれていることを特徴とする。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。 In order to solve the above-mentioned problems, the topological vertical coupler according to the present invention has a photonic structure (Trivial photonic structure) whose bulk is an insulator having an energy gap, a topological photonic structure (Topological photonic structure) whose inside is an insulator having an energy gap and whose edge is in a gapless metallic state, a topological edge (Topological edge) which expresses a topological edge state capable of optical vortex propagation at the boundary between the photonic structure and the topological photonic structure, and a cavity in which one or more structures within a lattice are removed from the photonic structure or the topological photonic structure, and the cavity is characterized in that a structure within one of the lattice unit cells one lattice unit cell away from the topological edge is removed on the photonic structure . Other solutions will be described later in the form for carrying out the invention.
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。 The present invention provides a topological vertical coupler that can significantly improve the vertical coupling efficiency.
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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Explanation of the principle)
Attempts to trace the topology of electronic systems in topological insulators and Weyl semimetals to photon systems are called topological photonics, and have been rapidly progressing in recent years. A topological insulator is a material in which the bulk is an insulator with an energy gap, but a gapless metallic state exists at the edge (the edge in a two-dimensional system, or the surface in a three-dimensional system).
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。 In particular, the emergence of Z2 topology (a class in the classification of topological structures possessed by electronic wave functions) in a structure in which dielectrics with C6v symmetry (a symmetry that overlaps when rotated by 60°) are arranged in a honeycomb lattice pattern makes it possible to realize a topological edge state capable of transmitting optical vortices.
<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。
<Design of topological edge transmission lines>
FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of a topological
As shown in FIG. 1, the topological
<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。
<Photonic Structure>
The photonic structure (Trivial Ph.C.) 11 is a structure in which
The topological photonic structure (Topological Ph.C.) 12 is a structure in which
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)。
The first dielectric 111 uses a nano (nm, 1 nm = 10-9 m) structure in which
The second dielectric 112 uses a nanostructure in which
The
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。
In a topological photonics system, a topological edge state occurs at the interface between two types of photonic structures where the length of one side of the triangle in the honeycomb dielectric part and the distance from the center of the cell are slightly different, and light propagates through it. Depending on the direction of rotation of the optical vortex, light propagates in only one direction, either left or right. In Figure 1, a topological edge mode appears at the
The optical state (topological edge state) that occurs at the interface between the two regions created by the topological
<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。
<Nanohole structure with C6v symmetry>
2 is a schematic image of a unit cell in the reciprocal space showing the structure of a nanohole having C6v symmetry. Take the
2, the center of a
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。
As shown in the left diagram of Fig. 2, the Si film 133 has
2, the parameters of the
In the case of the
In the case of the
Furthermore, as shown in the left diagram of FIG. 2, the distances a1, a2 between the centers (Γ points) of adjacent
<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。
<Vertical coupling to topological systems>
FIG. 3 is a schematic diagram showing a case where light 10 is perpendicularly incident on the topological
When the light 10 is perpendicularly incident on the topological
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。
Figure 4 is a diagram explaining the vertical coupling (incidence) position dependency in the topological
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。
The inventors have found that, on the
<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。
<Port branching when circularly polarized light is input>
FIG. 5 is a diagram showing the analysis results of the output power (magnetic field component
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。
As shown in FIG. 5, circularly polarized light is vertically incident on the topological
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。
Figure 6 shows the analysis results of the output power (magnetic field distribution (Hz)) versus wavelength at
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。
As shown in Figure 6, when circularly polarized light is perpendicularly incident on the topological
(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。
(First embodiment)
7 to 10 are schematic images of proposed devices showing the structure of a topological
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。
As shown in Figures 7 to 10, the topological
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。
In other words, the topological
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。
The topological
The topological
<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。
<Cavity>
The
A topological
A topological
A topological
A topological
[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。
[simulation]
<Highly efficient coupling through cavity>
11 is a diagram showing the analysis results of the output power of
The thick solid line in FIG. 11 indicates the analysis result of the output intensity of
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。
By analyzing the output intensity of
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。
In the simulation, a focal length lens is placed 1.5 μm above the topological
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。
As shown by the arrow a in Figure 11, the topological vertical coupler 30 (topological edge transmission line with cavity 40) shows a significant improvement in vertical coupling efficiency compared to a normal topological edge transmission line without
<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。
<Coupling mode distribution due to cavity>
FIG. 12 shows the case where right-handed circularly polarized light is perpendicularly incident on the topological
This figure shows the mode distribution at each wavelength (1540 nm, 1560 nm, 1580 nm) in the band where the topological edge state occurs. The horizontal axis is the z axis (μm) (the left end of the z axis is Port1, and the right end of the z axis is Port2), and the vertical axis is the output intensity (magnetic field component intensity distribution Hy in the direction perpendicular to the surface (y axis)) for each wavelength at Port1 and Port2. The shading in Figure 12 represents the intensity of the magnetic field component intensity distribution Hy (the darker the intensity, the greater the intensity).
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。
At the center of the band, the edge states are expected to disappear due to significant spin-spin scattering, and the coupling to the transmission line is completely cut off.
As shown in FIG. 12, it was confirmed that at the wavelength (1560 nm) at which spin-spin scattering occurs, scattering (blocking) occurs in both directions.
At wavelengths (1540 nm, 1580 nm) on either side of the wavelength at which spin-spin scattering occurs (1560 nm), the optical vortex propagates in only one direction depending on the orientation.
(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。
Second Embodiment
Fig. 13 is a diagram showing the structure of a topological
As shown in Fig. 13, the topological
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。
14 is a diagram showing the analysis results of the output power of
14 shows the case where the distance a from the center of the
In this way, by changing the distance a, the peak frequency of the vertical coupling efficiency can be shifted, and the wavelength can be controlled.
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。
As described above, the topological vertical coupler 30 (see FIG. 7) according to the first embodiment has a
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。 This configuration makes it possible to provide a topological vertical coupler that can significantly improve the vertical coupling efficiency. This makes it possible to realize a topological vertical coupler that can be integrated on topological silicon optical circuits (Topological photonic integrated circuits: T-PICs).
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。
In the second embodiment, the topological
In this way, by changing the distance a, the peak frequency of the vertical coupling efficiency can be shifted, and the wavelength can be controlled.
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。
The topological
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。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes other modifications and applications without departing from the gist of the present invention described in the claims.
For example, the
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。
The structure, arrangement, dimensions, number, and material of the
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
11. Trivial photonic structure
12 Topological photonic structure
13 Topological edge
20 topological
50 Cell (wavelength selection grating unit cell)
111 First dielectric 112
Claims (7)
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、を有し、
前記キャビティでは、前記フォトニック構造体上で、前記トポロジカルエッジから1格子単位胞離れた1つの前記格子単位胞内の構造が取り除かれている
ことを特徴とするトポロジカル垂直結合器。 A photonic structure in which the bulk is an insulator with an energy gap (Trivial photonic structure),
A topological photonic structure is an insulator with an energy gap inside, and its edges are in a gapless metallic state.
A topological edge that exhibits a topological edge state in which optical vortex propagation is possible at the boundary between the photonic structure and the topological photonic structure;
a cavity formed by removing one or more lattice unit cell structures from the photonic structure or the topological photonic structure,
In the cavity, a structure in one lattice unit cell that is one lattice unit cell away from the topological edge is removed on the photonic structure.
A topological vertical coupler comprising:
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、A topological photonic structure is an insulator with an energy gap inside, and its edges are in a gapless metallic state.
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、A topological edge that exhibits a topological edge state in which optical vortex propagation is possible at the boundary between the photonic structure and the topological photonic structure;
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、を有し、a cavity formed by removing one or more lattice unit cell structures from the photonic structure or the topological photonic structure,
前記キャビティでは、前記トポロジカルフォトニック構造体上で、前記トポロジカルエッジに接する1つの前記格子単位胞内の構造が取り除かれているIn the cavity, a structure in one of the lattice unit cells adjacent to the topological edge is removed on the topological photonic structure.
ことを特徴とするトポロジカル垂直結合器。A topological vertical coupler comprising:
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または請求項2に記載のトポロジカル垂直結合器。 a wavelength-selective grating surrounding the cavity;
3. The topological vertical coupler according to claim 1, further comprising: an adjustment means for adjusting a peak frequency of the vertical coupling efficiency by changing a distance between the centers of the cavity and the wavelength selection grating.
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。 The topological vertical coupler according to claim 1 , wherein the cavity receives vertically coupled incident light.
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。 The topological vertical coupler according to claim 1 or 2 , wherein the topological photonic structure comprises a dielectric material having symmetry within an arranged cell.
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。 The topological vertical coupler according to claim 1 or 2, wherein the topological photonic structure has a structure in which a dielectric material including nanoholes having C6v symmetry is arranged in a honeycomb lattice cell.
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。 3. The topological vertical coupler according to claim 1, wherein the topological photonic structure is a topological structure represented by Z2 topology.
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