TW201248226A - Wavefront synthesizer systems - Google Patents

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201248226 六、發明說明： C 明所屬冬好領】 發明領域 本揭示内容係有關光互連體與光開關。 C ^tr :身标 3 發明背景 隨著網際網路使用率持續增加，所以具有快速輸導大 量資料的要求。因在網際網路上傳送的大部分資料以光作 號來編碼’故瀏覽網際網路需從一光纖快速輸導光俨號至 另一光纖。在過去，此使用電子開關於網路集線器中完成， 其中光信號轉換為之後作電子切換之電信號，接著將与等 電信號轉換回光信號以持續該行程。然而，電子開關並不 處理為符合未來網際網路之要求的任務，因為該等開關體 積較大、緩慢，且需要大量功率。 近幾年來，此電子瓶頸因導入光開關已部分減少。一 光開關的範例可以微機電系統(“MEMS”)技術來執彳_數百 個進入與向外的光纖末端以微小的透鏡來霜 伋蛊，並在一光 信號組件的表面上作為-陣列來予以安裂。該光開關包括 面向具有一固定方位之透鏡與一鏡面的陣列之— mems微 鏡陣列。每一微鏡受電子式控制並可獨立重新定方位。一 光信號透過一輸入光纖來進入該光開關，其中其反射離開 定方位來反射該光信號離開該固定鏡面之—他 儆鏡，而朝定 方位來引導該光信號進入一輸出光纖之另—微鏡。气等微 鏡可以毫秒的等級來電子式重新定方位，允從輸 201248226 入快速切換至輸出光纖而不需佔用將該等光信號轉換為電 信號並轉換回光信號之時間以及能量耗損的程序。例如， 一256個微鏡陣列可在小於一平方英吋的矽上製造。於一光 開關上執行之壓縮微鏡陣列可提供比一可比較電子開關超 過32倍的切換密度，並且無光-電-光轉換，該光開關可提供 之功率耗損降低高達100倍。 雖然許多現存的光開關可提供光信號之快速切換，但 資料中心與電信企業仍持續尋找更快與更高效節能的光開 關來處置不斷增加的快速疏導資料中心與網際網路上之資 料的要求。 【發明内容】 依據本發明之一實施例，係特地提出一種波前合成 器，包含有：一放置於一基體之平面上的波導樹，該波導 樹包括經由中間波導來分支為至少兩個界限波導之一根波 導，該根波導光學上可與一光源整合而經由該根波導將光 線注入該波導樹；放置於該表面上並位於該界限波導之末 端的輸出耦合器，每一輸出耦合器用於輸出一波前，其引 導遠離該平面並由該光源注入之光線的一部分所組成，其 中該等波前之至少兩個重疊以經由建構性干擾來形成至少 一光束；以及放置於相鄰該等界限波導之平面上的微環諧 振器，每一微環可獨立調和來將一相位位移施加至從該等 輸出耦合器其中之一輸出的波前，以操縱該光束方向與該 等至少兩個波前。 圖式簡單說明 201248226 第1圖顯示一示範一維度波前合成器之頂視示意代表圖。 第2圖顯示一示範二維度波前合成器之頂視示意代表圖。 第3A圖顯示一位於一波導之末端的一輸出耦合器之放 大立體圖。 第3B圖顯示一代表從一輸出柄合器輸出之一球狀波前 的半球輪廓之橫截面圖。 第4圖顯示一示範輸出耦合器與兩個正交極化構件之 頂視圖。 第5圖顯示一於一界限波導之末端部分形成的一示範 輸出耦合器之頂視圖。 第6圖顯示一示範微環與一相鄰界限波導之一部分的 頂視圖。 第7圖顯示一有關過度耦合從一波導進入一相鄰微環 之光線的透射率與相位對照Α/κ之平面圖。 第8A圖至第8C圖顯示位於相鄰一微環之示範摻雜區 的示意代表圖。 第9A圖至第9B圖顯示一微環之一部分下方的示範摻 雜區之示意代表圖。 第10A圖至第10C圖顯示一部分環繞一微環之一示範 加熱元件的示意代表圖。 第11A圖至第11B圖顯示嵌於一微環之一部分下方的 一加熱元件之示意代表圖。 第12圖顯示一示範微環與有關一界限波導之一輸出耦 合器的頂視圖。 201248226 13 暴頁 * ·、示~沿一界限波導放置之一調和設備的範例。 第14圖顯 /、一從一二維度波前合成器之相鄰輸出搞合 器輸出的波前間重疊之範例。 第15八圖$妨” 疋第15D圖顯不一操縱從一波前合成器之兩 個輸出耦口器輪出的兩個波前之範例。 第16A圖至势 疋第16B圖顯示一操縱從一波前合成器之三 個輸出耦合器輪+μ 7 ^ 吻出的三個波前之範例。 第17Α圖至# t 足第17 B圖顯示一操作來將一光信號注入兩 個不同光狀Μ光開關。 第18圖顯； 不一操作來將相同光信號同時注入兩個不同 光纖之示範光開關。 【實施冷式】 詳細說明 本揭示内各係針對波前合成器與以波前合成器執行之 光開關。第1圖顯示一示範一維度波前合成器1〇〇之頂視示 意代表圖。該合成器100包括一波導樹102、四個微環諧振 器104—107、與四個輸出麵合器108-111。該波導樹1〇2具有 一對稱二進制結構，其包括經由中間波導115與116來對稱 分支為四個界限波導117-120之一根波導114。每一界限波 導117-120於該等四個輸出耦合器108-111的其中之一終 止。例如，中間波導115對稱分支為該等兩個界限波導in 與 118。 第1圖之範例中，因為該等四個輸出耦合器108-in為 對齊’故該波前合成器1〇〇參照為一個一維度波前合‘器。 6 201248226 波前合成器並不意欲侷限於一個一維度輸出耦合器的安 排。第2圖顯示一示範二維度波前合成器200之頂視示意代 表圖。該合成器200包括一波導樹202、八個微環諧振器 204-211、與八個輸出耦合器212-219。該波導樹202具有一 對稱二進制結構’其包括經由中間波導來對稱分支為界限波 導222_229之一根波導220。每一界限波導於該等輸出耦合器 212-219的其中之一終止。因為該等輸出耦合器212-219於兩 個分開的直行對齊，故該波前合成器2〇〇參照為二維度。 波前合成器的組態並不意欲侷限於該等兩個示範波前 合成器100與200。一維度波前合成器可包括具有少如兩個 輸出耦合器或超過四個輸出耦合器之一單一直行。兩維度 波刖合成器可包括兩個或更多輸出耦合器的直行，每一直 行具有至少兩個輸出耦合器。 。玄等波前合成器可於一單一基本半導體中形成，諸如 矽（Sl )與鍺(“Ge”）、或一複合半導體，諸如in_V複合半導 體，其中羅馬數字砠與、表示元素週期表中111&與％直行中 的元件。才复合半導體可由直行耶元件所組成，諸如銘 (A1 )鎵（Ga”）、與銦，並組合直行w元件，諸如 氮C‘N”）、磷(“p”）、_(‘‘As”）、麟(“sb”）。複合半導體亦 可進一步根據該等m與V元素之相對數量來分類。例如，二 進制半導體複合物包括具有實驗式砰化鎵、填化銦、石申化

”磷化鎵之半導體，二元複合半導體包括具有實驗式 GaASyPl·’半導體’其中y的範圍從大於〇至小於"而四級 複合半導體包括具有實驗式InxGa! χ ASyP, y之半導體其中X 2〇l248226 、y兩者的各自範關大利至小糾。 體類型包括π-νι材料，其中_ 的-合半導 行中 表不週期表之lib與Via直 Y的το件。例如，硒化鎘、硒化链 A _ 碎、硫化鋅、與氧化鋅 馬不範二進制II-VI複合半導體之實驗式。 該等波前合成器可藉由首先將—高折射率指數材料沉 積於—較低折射率指數㈣上，諸如二氧切或氧化銘來 形成，其可作為該基體與作為一較低披覆層。該等波導、 "^长與輸出輕合器可使用各種不同的平板印刷術與/或触 刻技術，諸如奈米壓模微影術或反應性離子蝕刻技術，以 °亥較1¾折射率指數材料來形成。該波前合成器可具有一空 氣坡覆或可由作為一較高彼覆層之一較低折射率指數材料 來覆蓋。 如第1圖與第2圖之範例所示，該等波前合成器可與直 接連接至該等根波導114與120之一光源122整合。該光源 122可為將一未調變的電磁輻射通道注入該根波導之一半 導體雷射’或者該光源122可為將一光信號注入該根波導之 —光信號源。一通道可為一電磁輻射的單頻或者約以一特定 頻率為中心之一電磁輻射窄頻。一光信號可將高與低振幅狀 態中的資訊或一通道之相位改變編碼。例如，一光信號之每 個高振幅部分可代表一邏輯位元值“1”而該相同光信號之每 個低振幅部分可代表一邏輯位元值“〇”，反之亦然。 該等輸出麵合器108-111之每一個具有一絕緣錐體與 一次波長光柵。具有一接近球狀波前之光線從每一輸出耦 合器射出。例如，考量該輸出耦合器108，其具有位於該波 8 201248226 導117末端之一絕緣錐體126以及一次波長光栅128。第3A 圖至第3B圖個別顯示位於該波導in末端之輸出耦合器1〇8 的放大立體圖與側視圖。該光桃128由以凹槽3〇4分開之一 序列線段302所組成，並參照為一次波長光柵，因為從該光 源輸出並到達該輸出搞合器108之光線波長人大於該等線段 302之線寬p以及s亥光拇128之間距P。如第3a圖所示，該光 線進入該光柵128並從該光栅128之平面射出308時，該絕緣 錐體126可容許光線306散開。如第3B圖所示，光線從該光 栅128輸出並具有以半球輪廓表示之—球狀波前HQ。 應注意第3B圖中，該球狀波前310代表從該光柵128輸 出之光線具有時間與空間上同調性兩者時的一理想化表示 法。貫際上，雖然s玄空間上同調性其特徵在於該波前31〇之 半球外型在該光柵128上方之短距離可得以維持，但時間上 同調性卻做不到。實際上，因為以1射發出產生的光線 之粒狀本質，所以從$光源之光線為準單色。換言 之’光線隨機改變相位之前’從該光源122輸出之光線可於 諸如約1G奈秒或更長的-時間週期，以—規律的正弦方式 振盤而不中斷。該光線範圍以—不中斷方式振㈣時間區 間為該同調時間’並且為該時間上同調性的一測量值。從 該光源122輸出之光線以該規律的正弦方式㈣之對應空 ㈣圍是該同調性長度，並且為該時間上_性的另—測 S值。結果是，從該光源122輸出之光線從該光栅128輸出 而僅具有部分的時間同調性。 該分支波導脱之對稱二進制樹狀結構可確縣每一 201248226 分支點該等波導中傳播的光線可分開為兩個幾乎具有相等 輻射度之波導，且該光線進入並沿具有相同的時間同調性 之任何兩個分支波導傳播。結果是，該等輸出耦合器 108-111輸出幾乎具有相同輻射度與相同的時間同調性之 光線，而且因為該等輸出耦合器l〇8_m幾乎是相同組配， 所以該等輸出耦合器108-111輸出具有相同的空間上同調 球狀波前之光線。從該等輸出耦合器1〇8_lu輸出之光線如 上述會互相同調。 從一輸出耦合器之次波長光柵發射的光線亦可根據該 輸出耦合器之光柵如何組配來極化。第4圖顯示以TE與TM 極化表示之一示範輸出耦合器的頂視圖。按照慣例，TE極 化參照為以該電場構件4〇〇極化並與該光柵404之線段402 平行引導之光線’而TM極化參照為以該電場構件406極化 並與遠光柵404之線段402垂直引導之光線。該光柵404之線 段402的高度與工作週期p/p可被選定，使得該光柵4〇4可輸 出TE極化或TM極化之光線，或者該光柵4〇4可組配來輸出 具有TE與TM極化之一線性組合的一極化之光線。 參照第1圖與第2圖，應注意該等輸出耦合器之光栅的 線段皆以相同方式來組配。結果是，該等輸出耦合器 108-111輸出具有相同極化之光線。 波前合成器並不侷限於以該等輸出耦合器1〇8_111來 執行。或者，波前合成器可以由接近該等界限波導之末端 形成的一序列規律隔開之孔洞組成的一維度光栅來執行。 第5圖顯示-於-界限波導5〇2之末端部分形成的—示範輸 201248226 出耦口益500之頂視圖。該輸出耦合器5〇〇由於該界限波 5〇2中形成之-序列圓％孔洞5〇4所組成。該界限波導可 代表替代上述輸㈣合器且具㈣序·洞之該等波 導1〇8-Ul的其中之。如上述參照第3Βϋ，從該輸出輕人 器500輸出之光線可具有1狀波前。 。 回到第1圖，該等合成器觸與亦包括可電子連接至 該等微環的每-個之-電壓源124。每—微環受組配而與從 該光源122注人該等分支波導之光線的通道部分證振。 壓源124可由’鈔1理器之—電子連接計算設備沐顯 示）來操作以獨立將1當電壓細至每-微環。該施用電 壓可用來調和該微環，振解，使得賴環之譜振可位 移來更接近與該通錢振，或者位移來遠離與該通道错振。 第6圖顯不一不乾微環602與-相鄰界限隆起波導6〇4 之一部分的頂視圖。微環602之諧振頻率可滿足諧振條件： 其中η為该微％ 602之有效折射率指數，ρ為該微環6〇2 之有效周長’m為指出該諸振順序之一正整數並參照為該諧 振器602之主軸模式或僅為“模式，，，而c為光線之自由空間 速度。具有一頻率/之光線接近該微環602之諧振頻率九時， 該光線會從該波導604漸消失地耦合進入微環602，但僅於 漸消失地耦合回該波導604前之一時間週期時。該微環6〇2 如上述與6玄光線部分諸振” ’而該光線如上述為“過度柄 v> 合，，。第6圖顯示以一方向線606表示且從該微環602之波導 11 201248226 604過度耦合之光線。該光線在漸消失地耦合回該波導604 前之一時間週期於該微環602中循環並具有某些内部耗損 608。另一方面，該微環602之諧振頻率九幾乎與該波導604 承載之光線頻率/匹配時（亦即，/〜Λ0，該光線漸消失地耦 合進入該波導604、維持受限制，並經由内部耗損而散逸。 換言之，因可防止該光線於該波導中傳播超越該微環602， 故該光線如上述可從該波導604“臨界耦合”進入微環602。 該模式指數m、有效周長/?、及/或該有效折射率指數η 改變時，該微環602之諧振頻率/„,會位移。該等變數很小 時，該諧振頻率之泰勒表示法為

Sfm _ Sm δρ δη L m ρ η 其中由於該頻率/、該溫度Γ、與該局部載體密度g的改 變，故該有效折射率指數跟著改變。組合該諧振 頻率之泰勒表示法與該《的微分 可給定該模式m之諧振頻率中的部分位移： η Sm δρ 1 Xsq L· m ρ dT dq 其中％=η+/3η/3/為該有效群組折射率指數。 微環可由展現光電行為之半導體材料所組成。將一電 場施用於該材料或將電荷載體注入該材料時，一光電材料 之有效折射率指數會改變。例如，該微環602之諧振頻率位 12 201248226 移可表示為： £fm = _ _L 如又 f; 其中針對該譜振頻率中的部分位移^ = 0以及37=0。 °玄微環602之諸振頻率可藉由將電流注入該微環（亦即，電 流調和）或藉由將一電壓施用至該微環（亦即，光電調和）來 加以改變。兩程序可參照為“電子調和“。 該微環602之溫度改變時，該有效折射率指數η改變以 及忒微裱602之有效周長ρ會改變。根據該諧振條件，因為 該諧振頻率九為該有效周長ρ與該有效折射率指數^之函 數’所以改變該有效折射率指數及/或該周長會在該微環 6〇2之譜振鮮上產生―職改變。例如·振頻率之一 位移可表示為： §Jm 二 8Τ /m ηΛΡ^Τ 其中針對職振頻率中的部分位移，，如=〇以 及和0針對諸如&之某些材料，該周長ρ的改變可忽略(亦 I7知-〇)。因為該微環602之有效折射率指數”、以及可能 该有效周長Ρ可藉由改變該微環6〇2之溫度來改變，故該微 裱之諧振頻率可在所謂“熱調和”的一程序中藉由施加熱能 或允許熱能從該微環散逸來改變。 δ玄波導604承載並通過該微環602之光線透射率的特徵 在於下列表示法： 13 201248226 其中為一電磁波到達該微環6〇2之前的複數表示 法，為該電磁波在該微環6〇2之後的複數表示法，該比 例五。《,/£：,·"表示該透射率’ κ為微環對波導之耦合，△為從該 光線之頻率/解調和的微環，而7為該微環6〇2之内部耗損， 以從第6圖中該微環6〇2射出之一光波6〇8來表示。 應〉主意該微環6〇2可組配並調和來臨界搞合從該波導 604進入該微環602之光線時，△=〇(亦即，/s/m)而以及該 透通率幾乎為零（亦即，心u, = 〇)。另一方面，該微環602組 配來過度耦合從該波導604進入該微環602之光線時，κ>>γ 而該微環602之後的電磁波需要一相位位移ψ :

Emi，e丨％， 其中 φ = 2Α rctan 一 V κ ) 第7圖顯示一調和來過度耦合從該波導604進入該微環 602之光線的透射率與相位對照Α/κ之平面圖。第7圖中，該 透射率五,,,以實曲線702來表示而該相位位移ψ以虛曲線 704來表示。曲線702與704顯現調和該微環6〇2來於該電磁 波606產生一特定相位位移時，該透射率如何受影響。該微 環602受調和使得該電磁波需要幾乎為0(亦即，△<〇)或幾乎 為2π(亦即，△>〇)的一相位位移，丨△丨/κ很大而該透射率達到 一最大值“1”。該微環602受調和使得該電磁波需要—相位 201248226 時’心〇而該透射率在最小值ι該微環嫩可受精 確調和使得該電磁波需要-相位位移介於特徵在於該曲線 7⑼之Μ部分7_〇與2,之間時，Δ/κ接近心該透射率 介於“1”與該最小值706之間。 該微環602可組配來藉由以適t的電子施體與電子受 體原子或雜質來摻雜環繞該微環6G2之基體區域作電子調 和。第8A圖顯示環繞該微環6()2之摻雜區的示意代表圖斑頂 視圖。第8B圖至第犯圖顯示沿第8A圖之線段IA_⑽ IB-IB’該微環6G2之兩個不同的橫截面圖。該範例中，該 微環602由-本質半導體所組成。_p型半導體區8〇2可在= 微環6_部之基體中形成，而_n型半導體㈣何在環繞 該微環6〇2外側之基體中形成。抑型區咖與該_區刪可 與該微環602形成十_n接面。其他範例中，該摻雜物可被 反向來於該微環602内部之基體形成— η型半導體區，以及 於環繞該微環602外側之基體形成一 p型半導體區。 第9A圆顯示該微環6〇2下方之播雜區的一示意代表圖 與-頂視圖。第卿齡沿第9續之—__π該微環6〇2 之-橫截面®。此範财，職環_亦由—本質半導體所 組成。一P型半導體區9〇2可在該微環6〇2之—部分下方 導體基體中形成’而—n型半導體區90何在該微環6〇2之一 不同部分下方的半導體基體中形成。該ρ型區9〇2與該η型區 9〇4 了與β亥微環602形成一 p-i-n接面。 。 P型雜質可為將稱為“電洞”之空電能準位導入該微環 _之電能帶隙的原子。該等雜質亦稱為“電子受體”。η型 15 201248226 雜質可為將滿電能準位導入該微環602之電能帶隙的原 子。該等雜質稱為“電子施體”。例如’硼（“B”）、鋁、與鎵 為於接近矽之共價帶導入空電能準值之p型雜質；而鱗、 砷、與銻為於接近矽之傳導帶導入滿電能準位之n型雜質。 於m-v複合半導體中，直行VI雜質可替代該m v晶格中之 直行V位置並作為η蜇雜質，而直行Π雜質可替代該m v晶 格中之直行ΙΗ以形成ρ型雜質。 第8圖與第9圖中表示之該微環602 p_i_n接面可以順偏 或逆偏模式來操作。一順偏情況下，該微環6〇2之有效折射 率指數的改變可透過電流注入來引發^ _逆偏情況下，一 電％可跨過該微環602來形成而一折射率指數的改變可起 因於該光電效應或電荷空乏效應。該等兩電子調和技術典 型可提供該微環602之有效折射率指數相當小的位移。 該微環602可藉由將熱能直接施加至該微環602或將熱 能施加至環繞該微環6〇2之一區域來作熱調和。第1〇A圖顯 不一示範加熱元件1002之一示意代表圖與頂視圖，其由部 分環繞該微環602之一阻抗區1 〇〇4以及位於該區域丨〇〇8末 端之電極1006與1〇〇8所組成。該加熱元件1〇〇4可由透過將 經由一可變的電流控制供應之電流轉換為熱能之焦耳加熱 程序的材料所組成。某些範例中，該元件1〇〇4可由一p型半 導體或一n型半導體所組成，而該等接點1006與1008可由諸 如金、銀、白金、銅、或其他適當導體之金屬所組成。其 他範例中’該等接點1〇〇6與1〇〇8可被忽略而該元件1〇〇4可 由白金、鎳鉻合金、碳化矽、二矽化鉬，或透過阻抗將電 16 201248226 流轉換為熱能之其他適當的金屬或者合金所組成。 某些範例中，該加熱元件1002可於該基體中形成或者 5亥加熱元件可放置在該基體之表面。第圖至第1〇c圖顯 示如第1〇A圖所示沿一線段HI-ΠΙ該微環602之橫截面圖。第 10B圖之範例中，該元件1004可内嵌於該基體中。第l〇c圖 之範例中’該元件1〇〇4可放置於該基體上。 該加熱元件亦可置於接近該諧振器之其他位置。第丨1A 圖顯示嵌於該微環6〇2之一部分下方的基體中之一加熱元 件1102的示思代表圖與頂視圖。第1 iB圖顯示沿第11 a圖之 一線段IV-IV該等微環6〇2與加熱元件11〇2之橫截面圖。 微環可藉由組合上述元件並參照第8圖至第u圖來作 電氣與熱調和。例如，上述參照第9圖之{)與11型區域9〇2與 904可與上述參照第1〇圖之加熱元件1〇〇2組合。或者，上述 參照第8圖之p與η型區域802與804可與上述參照第丨i圖之 加熱元件1102組合。 回到第1圖’ 一微環可調和來過度耦合沿一界限波導發 射之光線，使得該光線可從該輸出耦合器輸出並具有一特 定的相位位移φ。第12圖顯示位於鄰近一界限波導12〇4之一 示範微環1202與位於該界限波導1204末端之一輪出輛合器 1206的頂視圖。如上述參照第6圖與第7圖，該微環12〇2可 調和來過度耦合一電磁波進入該微環1202以便在進人該 輸出耦合器1206之電磁波中產生一相位位移 Φ。如上述參照第3圖與第4圖，該電磁波&從該輸出耗合 ί 器1206輸出1210並具有一球狀波前以及被極化。 17 201248226 應注意該微環1202亦可被電氣及/或熱調和來臨界搞 合來自該波導1204之電磁波五",1208，以有效防止在相關該 電磁波1208之頻率的任何光線從該輸出耦合器12〇6輸出。 第13圖顯示一替代調和設備1302的一範例，其將沿— 界限波導1304發送之一電磁波中的一相位位移ψ施加至一 輸出搞合Is 1306。s亥調和設備1302包括於鄰近該波導13〇4 之基體上形成的一 p型半導體區1308以及於鄰近該波導 1304之基體上相對該p型半導體區1308形成的一n型半導體 區1310。該等區域1308與1310以及位於該等區域13〇8與 1310間之該波導13〇4的一部分形成一 p-i-n接面。將一適當 電壓施加於該等區域1308與1310可改變位於該等區域13〇8 與1310間之波導1304的折射率指數。一電磁波1312以一 相位速度v=c/„進入該等區域1308與1310間之波導13〇4 ,其 中"為該波導1304之折射率指數。電流注入該波導13〇4時， 該等區域1308與1310間之波導1304的折射率指數可增加至 n' ’而該電磁波降速為vf=c/n'，並取得一相位位移如上 述參照第3圖與第4圖，該電磁波從該輸出耦合器13〇6輸 出1312並具有一球狀波前以及被極化。或者，如上述參照 第W圖與第11圖，該等區域1308與1310的其中之一或兩者 可為阻抗性元件，而熱調和可用來將該等區域丨3〇8與131〇 間之波導1304部分的折射率指數η位移至折射率指數。 第14圖顯不在該二維度波削合成益200之平面上的一 特定距離，一從該等輸出耦合器212-219之每一個輸出的波 前之間重疊的範例。於第14圖所示之距離處，該合成器200 18 201248226 之平面上的波前分散以虛線圓圈表示，而只有從鄰近的輸 出搞合器輪出之波前部分描綠為重疊。例如，個別從該等 輸出耦合器216與217輸出之波前14〇2與1403可產生一重疊 區1404。該等波前1402與14〇3與從該輸出耦合器212輸出之 波前1405重疊以產生一重疊區14〇6。在離該合成器2〇〇之平 面更退的距離，來自非相鄰輪出耦合器之波前會重疊。例 如，在離如第4圖所示之合成器200更遠的一距離，從該等 二個輸出輕合器212-214輸出之波前會重疊。如上述參照第 12圖，該等微環204-211可被電氣及/或熱調和以便從該等輸 出搞合器212-219輸出之波前的每一個中獨立產生一分開 - 的相位位移Φ«· ’其中ϊ·為一正整數，或者可有效關閉從一相 . 關輸出耦合器輸出之光線。 因為從該等輸出耦合器輸出之波前互相同調並具有相 同的極化，故該等重疊區可建立互相同調的光束。該等微 環可調和來操縱光束方向。第15Α圖顯示從一波前合成器 1500之耦合器1501-1504輸出的示範波前。該等輸出耦合器 1501-1504放置在一較低折射率指數的基體15〇6上。如上述 該波前合成器1500可為一維度或二維度波前合成器。第15Α 圆之範例中，有關該等輸出耦合器1501與1504之微環可調 和來BA界搞合來自§亥專相關界限波導之光線。另一方面， 有關該等輸出耦合器1502與1503之微環可調和來臨界耦合 來自該等相關界限波導之光線，並產生具有相同相位位移φ 之波前1508與1510。因為個別從該等輸出耦合器1502與 1503輸出之波前1508與1510互相同調並具有相同的極化， 19 201248226 故5玄等波前1508與1510具有建構干擾區（亦即，重疊的波鋒 與波谷），其形成第15A圖中由陰影區1512_15i4描繪之光束 並在該等光束1512-1514間具有破壞干擾區。該等交替建構 與破壞區形成一干擾型樣1516。實際上，該干擾型樣1516 由一序列交替的亮與暗帶所組成，其中亮帶對應該等光束 1512-1514而暗帶對應該等光束1512-1514之間與周圍的波 刖1508與1510之破壞干擾區。該等三光束ι5ΐ2_ΐ514之輕射 可以峰值1518-1520來表示，其中中間峰值1519對應該中間 光束1513，其具有最大輻射或最強的建構干擾區。 第15A圖之範例中，該等波前以該相同相位伞輸出。結 果是，可導引該中間光束1513與該波前合成器之平面垂 直。第15B圖顯示如第15A圖所示之波前15〇8與151〇從該等 輸出耦合器1502與1503以該相同相位φ向外延伸，其顯現併 入平滑的組合波前1522並以與該波前合成器15〇〇之平表面 垂直的方向1524遠離該等輸出搞合器1502與1503傳播。換 5之，藉由選擇該專波前以該相同相位φ來輸出，該中間光 束1513與該組合波前1522可於該方向1524來操縱。 該等建構干擾光束與組合波前傳播可藉由改變該等波 前從該等輸出耦合器輸出之相對相位而於—不同方向來操 縱。第15C圖顯示受操縱干擾波前的範例。如第15B圖所 示，相關該等輸出耦合器1501與1504之微環仍可調和來臨 界麵合來自料相關界限波導之光線，而相關該輸出搞合 器1502之彳政環可s周和來臨界耦合來自該相關界限波導之光 線以產生具有該她位移φ之波前15 〇 8。但是相關該輸出麵 20 201248226 &器1503之微環可調和來過度耦合來自該相關界限波導之 、 生具有大於該相位位移φ之相位位移ψ，的波前 151〇。結果是’建構干擾產生之光束1512-1514可於該較大相 位位移々的方向來操縱。該干擾型樣1516亦可從如第15Α圖 初始所示’以虛線峰值表示之干擾型樣的先前位置來位移。 第15C圖之範例中’該等波前以不同相位位移φ與φ， (Φ<Φ’)來輸出，而該中間光束1513沿輸出耦合器15〇115〇4 之檢列於增加相位的方向來指向。第15D圖顯示如第15C所 示之波前1508與1510從該等輸出耦合器15〇2與1503以不同 相位φ與φ，向外延伸，其顯現併入平滑的組合波前1528並以 遠離法線1532該角度Θ的一方向1530遠離該等輸出耦合器 1502與1503傳播。換言之，藉由選擇該等波前以不同相位中 與Φ·來輸出，該中間光束1513與該組合波前1528可於該方向 1530來操縱。 該建構干擾光束與組合波前亦可藉由施加適當的相位 位移至超過兩個輸出耦合器來於不同方向操縱。第16Α圖至 第16Β圖顯示一操縱從該等輸出耦合器15〇1_15〇4的其中三 個產生的一建構中間干擾光束1602與組合波前1604之範 例。第16Α圖之範例中，相關該等輸出耦合器15〇1_15〇3之 微環可調和來輸出具有相同相位位移φ之波前，而相關該輸 出耦合器1504之微環可調和來臨界耦合來自該相關界限波 導之光線。如上述參照第15Α圖，該等三個波前重疊以產生 以破壞性干擾區（未顯示）來分開之建構干擾光束，諸如中間 光束1602。該等波前從該等輸出耦合器1501-1503以該相同 21 201248226 相位φ向外延伸，其顯現併入平滑的組合波前1606並以與該 波前合成器1500之平面垂直的方向1606傳播。 第16Β圖之範例中，相關該等輸出搞合器1501-1503之 微環可調和來個別輸出具有相位位移如、φ2、與φ3之波前， 其中φρφρφ3，而相關該輸出搞合器1504之微環可調和來臨 界輛合來自該相關界限波導之光線。施加至從該等輸出搞合 器1501-1503輸出之該等波前的相位位移改變可被預先選擇 來操縱該中間光束1602以及該等組合波前1604之傳播進入 达離該法線1532該角度θ'的一方向1608。應注意該中間光束 1602與該等組合波前1604可於增加相位位移的方向操縱。 電調和可允許一微環之諧振頻率在小於一奈秒内位 移。結果是，該中間光束與波前組合可被操縱在小於一奈 秒内進入一不同方向。該等相當快速之切換速度可使波前 合成器適合併人光開關中以便將輸人光信號切換為輸出波 導。例如，一光開關可包括上述波前合成器1〇〇與2〇〇，其 中該光源122為-光信號來源。該光開關可包括定向之—光 纖陣列’使#㊅等光纖末端面向該輸出耦合器陣列。 第17八圖至第17Β圖顯示—操作來將—光信號注入一光 纖陣列之兩個Μ光纖的錢如關謂。該細義〇 包括’如第15圖所示之波前合成器1500、以及顯示五條光 纖1702 17G6之-光纖陣列17()卜該光纖陣列蘭可為一維 度或二維度光_列。該等域使得料光纖之 末端面向該輸“合科列。每—域末端以—透鏡來覆 蓋便聚,、、、入射光進入該光纖核心。該光開關丄亦包括 22 201248226 放置於该等輸出耦合器1704-1707與該等光纖1702-1706間 之一聚焦系統1708。該聚焦系統1708可為一透鏡，如一雙 凸透鏡或平面凸透鏡、或為任何數量的透鏡來組合從該等 輸出耦合器輸出之波前與一選定角度以進入該等波前干擾 之焦點平面上的一焦點。該等光纖被放置來使得該等光纖 透鏡位於該焦點平面。 第17A圖之範例中，該波前合成器15〇〇如上述參照第 15A圖來操作以便將該相同的相位位移施用於從該等輸出 耦合器輸出之波前。輸入至該波前合成器15〇〇之根波導(未 顯示）的一光信號從該等輸出耦合器15〇1_15〇3輸出以作為 如組合波前1522所代表之三個互相同調的波前，來進入實 質上與該波前合成器1500之平面平行的聚焦系統1708。如 方向箭頭1712所示，該聚焦系統1708組合該等波前進入接 近該中間光纖1704之透鏡1710的一焦點。該波前干擾並由 該透鏡Π10導引進入該光纖1704之核心。 第17B圖之範例中，該波前合成器15〇〇如上述參照第 15C圖來操作以便施用該等相位位移扣、粑、與如，其中 Φι>Φ2>Φ3 ’來操縱個別從該等輸出耦合器1501-1503輸出之 波前而以一不同角度進入該聚焦系統1708。結果是，該光 信號從該等三個輸出耦合器1501-1503輸出來作為，如組合 波前1604所代表之三個互相同調的波前，而以該角度0’進入 該聚焦系統1708。此範例中，該聚焦系統1708將該等波前 組合進入接近該光纖1703之透鏡1714的一焦點，如方向箭 i 頭1716所指。該波前干擾並由該透鏡1714導引進入該光纖 23 201248226 1703之核心。 一光開關可操作來引導光線進入一光纖陣列中之至少 兩個光纖。第18圖顯示一操作來將相同光信號同時注入一 光纖陣列之兩個不同光纖之示範光開關18〇〇。該光開關 1800包括一波前合成器1802 ’其中顯示六個輸出柄合器 1804-1809、一光纖陣列1812、以及放置於該合成器1802與 該陣列1812間之一聚焦系統1814。相關該等輸出耦合器 1804、1805、1808、與1809之微環可調和來個別輸出具有 相位位移、φ，2、φ，3、與φ·4之波前，其中仏。 相關該等輸出耦合器1806與1807之微環可調和來臨界耦合 來自相關界限波導之光信號。該等相位位移扒與巾,2受選擇 來使得該組合波前1816進入該聚焦系統1814並在該透鏡 1818處組合進入該光纖182〇之核心，如方向箭頭1822所 指。該等相位位移φ，3與&受選擇來使得該組合波前以以進 入該聚焦系統1814並在該透鏡1826處組合進入該光纖1828 之核心，如方向箭頭183〇所指。 為了解釋目的，上述說明使用特定的專門術語以提供 對本揭不内容之完全了解。然而，很明顯地對業界熟於此 技者而言’ itM要該等特定細節來實作本文所述之系統 與方法。上述較實施例之說明係為了舉例解說與說明而 呈現。其不意欲為本揭示内容之窮舉或將其侷限於所述之 •亥等精媒1式。侧顯地，有鑑於上述教示其可有許多修改 =變化型g。本細示與說明該等實施例來將該揭示内容與 貫際應狀相作最纽朗，因聽許其他的業界熟於此 24 201248226 技者來最有效使用該揭示内容以及具有各種不同修改之各 種不同實施例以適合所考量的特定使用。本揭示内容之範疇 意欲由下列申請專利範圍以及其等效項目來加以定義。 I：圖式簡單說明3 第1圖顯示一示範一維度波前合成器之頂視示意代表圖。 第2圖顯示一示範二維度波前合成器之頂視示意代表圖。 第3A圖顯示一位於一波導之末端的一輸出耦合器之放 大立體圖。 第3B圖顯示一代表從一輸出耦合器輸出之一球狀波前 的半球輪廓之橫截面圖。 第4圖顯示一示範輸出耦合器與兩個正交極化構件之 頂視圖。 第5圖顯示一於一界限波導之末端部分形成的一示範 輸出耦合器之頂視圖。 第6圖顯示一示範微環與一相鄰界限波導之一部分的 頂視圖。 第7圖顯示一有關過度耦合從一波導進入一相鄰微環 之光線的透射率與相位對照Δ/κ之平面圖。 第8A圖至第8C圖顯示位於相鄰一微環之示範摻雜區 的示意代表圖。 第9A圖至第9B圖顯示一微環之一部分下方的示範摻 雜區之示意代表圖。 第10A圖至第10C圖顯示一部分環繞一微環之一示範 加熱元件的示意代表圖。 25 201248226 第11A圖至第11B圖顯示嵌於一微玉衰之一部分下方的 一加熱元件之示意代表圖。 第12圖顯不-示範微環與有關一界限波導之一輸出柄 合器的頂視圖。 第13圖顯不一沿一界限波導放置之一調和設備的範例。 第14圖顯示一從—二維度波前合成器之相鄰輸出耦合 器輸出的波前間重疊之範例。 第15A圖至第15D圖顯示一操縱從一波前合成器之兩 個輸出耦合器輸出的兩個波前之範例。 第16A圖至第16B圖顯示一操縱從一波前合成器之三 個輸出耦合器輸出的三個波前之範例。 第17A圖至第17B圖顯示一操作來將一光信號注入兩 個不同光纖之示範光開關。 第18圖顯示一操作來將相同光信號同時注入兩個不同 光纖之示範光開關。 【主要元件符號說明】 114、 220...根波導 115、 116...中間波導 117-120、222-229、502、1304..· 界限波導 122.. .光源 124.. .電壓源 126…絕緣錐體 128、404…光柵 100、200、1500、1802·.·波前 合成器 102、202...波導樹 104-107、204-211…微環諧振器 108-111、212-219、500、1306、 1704-1707、1804、1805、 1806、1807、1808、1809··. 輸出耦合器 26 201248226 302、402…線段 304…凹槽 306. ·.光線 308.. .方向 310…球狀波前 400、406…電場構件 504…圓形孔洞 602、△...微環 604···界限隆起波導 606…方向線、電磁波 608.. .内部耗損、光波 702.. .實曲線 704.. .虛曲線 706.. .最小值 708.··陡峭部分 802、9〇2、1308._.p 型半導體區 804、904、131〇.··η 型半導體區 1002、1102...加熱元件 1004…阻抗區 1006、1008.·.電極 1202…微環 1204.. .波導 1206…輸出耦合器 1208.. .電磁波 1210、1310...輸出 1302.. .調和設備 1312.. .電磁波 1402、1403、1405、1508、 1510、1522、1528、1604、 1606、1816、1824 …波前 1404、1406...重疊區 1501-1504...耦合器 1506.. .基體 1512-1514··.陰影區、光束 1516.. .干擾型樣 1518-1520.··峰值 1524、1530...方向 1532.. .法線 1602·.·建構中間干擾光束 1608.. .方向 1700、 1800...光開關 1701. ··光纖陣列 1702-1706、1820、1828 …光纖 1708、1814…聚焦系統 1710、1714、1818 ' 1826…透鏡 1712、1716、1822、1830…方 向箭頭 c...光速 27 201248226 五五邮…電磁波複合表示法 /·..頻率 諧振頻率 K...微環對波導耦合 m...正整數、模式指數 η有效折射率指數 %...有效群組折射率指數 P...間距 有效界限 义..局部載體密度 r·.·溫度 V、V'...相位速度 波長 /3...線寬 y...内部耗損 φ、φ,_··.相位位移 θ’...角度 28

Claims (1)

1. 201248226 七、申請專利範圍： 1· 一種波前合成器，包含有： 一放置於一基體之平面上的波導樹，該波導樹包括 經由中間波導來分支為至少兩個界限波導之一根波 導，該根波導光學上可與一光源整合而經由該根波導將 光線注入該波導樹； 放置於該表面上並位於該界限波導之末端的輸出 耦合器，每一輸出耦合器用於輸出一波前，其引導遠離 該平面並由該光源注入之光線的一部分所組成，其中該 等波前之至少兩個重疊以經由建構性干擾來形成至少 一光束；以及 放置於相鄰該等界限波導之平面上的微環諧振 器，母一微環可獨立調和來將一相位位移施加至從該等 輸出耦合器其中之一輸出的波前，以操縱該光束方向與 該等至少兩個波前。 2·如申請專利範圍第1項之合成器，更包含一電子連接至 §亥等微環之每一個以分開調和每一微環之電壓源。 3.如申請專利範圍第1項之合成器，其中該波導樹更包含一 二進制樹狀結構’使得每一中間波導分支為兩個波導。 4·如申請專利範圍第1項之合成器，其中每一輸出耦合器 更包含一絕熱錐體與一次波長光柵。 •如申請專利範圍第1項之合成器，其中每一輸出耦合器 更包含接近一界限波導,之末端形成的一序列孔洞。 .如申请專利範圍第1項之合成器，其中該波導樹與輸出 29 201248226 搞合器可輸出互相_具有相同極化的波前。 7·如申請專利範圍第1項之合成器，其中每一微環I皆振器 更包含包括-相鄰㈣半導體區與_相鄰n型半導體區 之一 p-i-n接面。 8·如申請專利範圍第i項之合成器，其中每—微_振器 更包含一相鄰加熱元件。 9· 一種光開關，包含有： 一光纖陣列； 放置於一基體之平面上並光學連接至一光源之 波前合成器；以及 一放置於該波前合成器與該光纖陣列間之聚焦系 、.先/、中·»亥波則合成器從§亥光源接收一光信號並以遠離 °玄平面之一選疋角度來輸出至少兩個組合波前，而其中 該聚焦系統接收並將該等至少兩個組合波前聚焦來進 入該等光纖的其中之一。 1〇·如申凊專利範圍第9項之開關，其中該波前合成器包含： 一放置於該平面上之波導樹，該波導樹包括經由中 間波導來刀支為至少兩個界限波導之一根波導，該根波 導與該光源整合； 放置於該表面上並位於該界限波導之末端的輸出 耦合器，每一輸出耦合器用於輸出一波前，其引導遠離 s亥平面並由該光信號之一部分所組成，其中該等波前之 至少兩個重疊以經由建構性干擾來形成該至少一光 束；以及 30 201248226 放置於相鄰該等界限波導之平面上的微環諧振 器’每一微環可於從該等輸出耦合器其中之一輸出的波 前施加一相位位移，以操縱該光束方向與該等至少兩個 波前。 11.如申請專利範圍第10項之開關，更包含一電子連接至該 等微環之每一個以分開調和每一微環之電壓源。 如申請專利範圍第10項之開關，其中該波導樹更包含一 二進制樹狀結構，使得每一中間波導分支為兩個波導。 13 ·如申請專利範圍第1。項之開關’其中該波導樹與輸出麵 合器可輸出互相同調具有相同極化的波前。 14. 如申請專利範圍第9項之開關，其中該光纖陣列更包含 疋向來使得該等光纖之末端面向該波前合成器之輸出 輕合器的光纖。 15. 如申請專利範圍第9項之開關，其中該聚焦系統更包含 至少一個透鏡。 31