TW499587B - Tree-space non-blocking switch - Google Patents

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499587 if年今月（曰修正硬^A? —- —___ Β7 五、發明説明（1 ) 技術範圍 本發明係有關一種光學開關，尤其是一種無阻塞之自由 空間開關。 發明背景 在以碎為基礎的電子環境中使用光搂線之難盼的期望在 速度、複雜度及積體密度增加時，將變得更引人注意。對 於與VLSI (超大型積體）矽（s i)技術相容的光與光電子裝置 之發展之強烈謗因漸呈明顯。大面積與低成本矽晶圓技術 對光子導波裝置提供了理想的平台。此外，可使用成熟的 矽處理技術、微機器技術、絕緣物上之矽（SOI)及異質磊 晶製造複雜的光學結構。類如微光學裝置及混合光電子裝 置。與主/厄碎積體電路（I c)技術之相容性承諾了與今日電 子1C極相似之單石型矽基礎的光電子積體之低成本與可靠 的製造。 與傳統電晶體非常相似之光學開關為光子導波裝置之重 要組件。例如重新安排電信網路中的光路徑即需要光學開 關裝置。 大夕數之光學開關具有一或更多機械式動作之元件。固 而這些種類的開關是當做光機械開關。典型範例說明於 1998年IEEE通訊磁場第36冊第46_5〇頁E。^所著「目 前歐洲WDM配置趨勢」及1998年電子論文集第3 4冊第 207-208頁M. H〇ffmann等所著「全矽雙穩微機械纖維開 關」〇 期望獲得較光機械開關為小且更可靠之光學開關。製造 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 499587 (年(月/曰修止/欠^TWl A7 B7 五、發明説明（2 ) N X Μ光學開關通常採行的方法是將大量的2 X 2光學開關元 件串接起來，其中各個2 X 2開關是由一或兩個可調諧的 Mach-Zehnder干涉計所組成。此種開關之例於1998年6月 IEEE光子技術論文集第10冊第6章由丁· Goh，M. Yasu，K. Hattori，A· Himeno，Μ· Okuno 及 Υ· Ohmori 所著之「低損失 與高消除比之矽土為基礎的嚴密之無阻塞16x16熱光學矩 陣開關」中說明。使用光束導引以製作1 χΝ或Nx 1開關之 第二種方法於1999年1 1月IEEE光子技術論文集第1 1冊第 1 1章第1399-1401頁由E· Fluck等人所著「基於光波導管陣 列的光束導引之簡緻多功能型熱光學空間開關」中說明。 此積體的光學開關與熟知的陣列型導波光柵（AWG)波長多 工器很相似。其係由許多輸入光波導管、一將輸入光線分 至通道光波導管陣列之星形耦合器及一將來自該陣列之光 線重新焦聚至輸出光波導管之一上的第二星形耦合器。在 輸入側之陣列光波導管具有可調諧之透鏡。調整相位分佈 可決定光線是無聚至那一個輸出光波導管。此容許將輸入 信號切換至所要的輸出通道。在此併入此一 IEEE出版品做 為參考' 本發明之目的是要提供一種製造簡單、便宜且迅速切換 光線路徑而對開關無摩擦磨損之開關。 本發月之另 目的是提供一種可與其它組件（例如光學 組件）整合在一基體上之開關。 發明概述 本發明係有關光學開關及含一或更多此種開關之資料傳 豕標準(CNS) A4規格(伽/撕公愛) Α7 Β7 1(年^月/曰修正/歧/補^Γ I、發明説明（3 )- 輸系統。根據本發明’開關包含-具有輸入光學自由空間 元件之輸入通遒、一大的光學自由空間元件、一具有可調 勺才又射特I*生以將從該輸入光學自由空間元件收到之光波投 射至邊大的自由：間元件之輸入可調諧的光透鏡。此外， 邊開關包含一具有輸出光學自由空間元件之輸出通道、及 :具有可調的接收特性以捕取來自該大的自由空間元件的 光波以及用以冑該光波饋至該豸出光學㈣空間元件之輸 出可$周讀的光透鏡。 圖式說明 將參照下列概要圖詳細說明本發明如下。要注意並非依 比例續'圖的。 圖1A-1F為示出根據本發明之脊形光波導管結構製 概要橫截面序列。 圖2Α為根據本發明之可㈣光透鏡之概要頂視圖。 圖圖2Β為根據本發明之輸人光學自由空間元件之概要頂視 圖2C為根據本發明之輸出光學自由空間元件之极要頂視 圖0 圖3Α-3Β為-根據本發明之第一開關之概要頂視圖。 圖4為一根據本發明之第二開關之概要頂視圖。 圖5為一根據本發明之第三開關之概要頂視圖。 圖6為-根據本發明之第四開關之概要頂視圖。 圖7為-根據本發明之第五開關之概要頂視圖。 圖8為-根據本發明之第六開關設計之概要頂視圖。 -6- 7 (年午月/曰修正/奚去 A7

圖9為根據本發明之第七開關設計之概要頂視圖。 較佳具體實施例說明 在說明本發明足不同的具體實施例之前，先說明根據本 發月之基本元件與建立之區塊及基座之積體平面型光波導 管技術。 可由包含氮氧化矽（SiON)、如磷化銦、矽土（即以〇2)玻 璃、鈮酸鋰及聚合體的ΙΠ_ν半導體之各種材質系統製造本 開關。 使用光光波導管將光波引導至開關與離開開關。光光波 導管通常含一由數種高折射率材質製成之核心及一低折射 率材質之覆套。該核心及覆套可由摻雜的矽土玻璃製成， 其中可由適當的摻雜形式達成所需之折射率對比。對於量 產則希望在類如矽晶圓（例如4吋之矽晶圓）之半導體技術 相容的晶體上或玻璃基體上製造光波導管。此將造成所謂 平面型光波導管或積體平面型光波導管。關於平面型光波 導管技術可參見1996年10月ΙΕΕ光電子論文集第143冊第5 章第263-280頁由γ·Ρ· Li，αΗ. Henry所著「矽土為基礎的 先積體電路」一文。 若是以具有1·45折射率之矽土製成覆套，則希望核心材 質具有更高之折射率（例如幾近15)。要留意較高的折射 率將造成較小的裝置，不過有較高的損失、纖維對晶片耦 合更加困難等。可選擇氮氧化矽做為核心，此係因可藉改 變材質之氮濃度而廣度地調整其折射率。美國專利第 5,416,861號說明了使用氮氧化矽做為光波導管之例。 499587 1[年令月/¾修正/更正^ 明説明（5 ) "~~ --- 在1995年6月15日應用物理雜誌77第12篇由 Mattsson所著「氮氧化矽膜之電漿增強型成長、組成及折 射率」一文檢討到在氮氧化矽中氮之變動以改變折射率。 Si〇2與Si#4成分之混合造成Si〇xNy的特殊性質是其形成 非晶質的結構且成分可在整個可能的範圍内混合。光波導 管核心之典型組成為SiC^ 9N_。 一種熟知的製造技術是利用電漿增強的化學汽相沈積 (PECVD)法沈積氮氧化矽。總之所造成材料具有很大的氫 濃度。氫是以氫氧根族群、Si-H族群及NH_與NH2_碎物形 式融入的。這些族群及碎物將附加之吸收引進氮氧化碎之 光傳輸特性内。NH引起的吸收帶之第一泛音位在15〇5奈 米且與光1晋窗口重疊，該窗口係用於光信號傳輸並從154〇 奈米延伸至1570奈米，在下文中將其當做是光傳輸窗口。 已選擇此窗口做為光傳輸，此係基於在該處矽土玻璃具有 取低的吸收’且在该處_摻雜的光放大器具有最線性放大 之範圍（如1988年12月IEE論文集第135冊，Pt· j，第6章 第3 85-407頁由P. Uirquhart所著「稀土摻雜的纖維雷射及放 •大器檢討」一文所論）之事實而來。

此一吸收常會導致有發展的產品無法接受之大損失。由 於與週遭媒體自然之交換，NH濃度可隨時間及濕度而增 加。因此氳濃度及其最終之吸收損失目前是以如IEEE /LEOS Benelux Chapter，Enschede 1996 年研討討會論文集 第290-293頁由Β· Offrein等人所著「PECVD之高對比及低 損失氮氧化碎光光波導管」說明之高溫回火法降低，該方 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 499587 Y(年月〈日修正/史责/霸f A7 ________157 五、發明説明（6 ) 法強化了材質並蒸發水及氨以降低氫濃度。將此文件併於 此做為參考。氮原子將來自兩個矽原子及一個氫原子之其 .等原子近鄰改變成三個矽近鄰。總之損失之降低僅能至某 一程度，此係因較長的回火時間因結晶化或相位分離將產 生其它的散射中心。另一降低氮氧化矽中氫含量之方法在 1995年7月光波技術雜誌第1 3卷第7章由Dian〇v等人所著 「以SPCVD製備之低氫氮氧化矽光纖維」一文中說明。 國際出版編號W0 99/44937，在共同審理中之PCT專利 申請PCT/IB98/01017中揭示了妥適之特別等級的氮氧化矽 材料。併入目别讓與本發明讓受人之此一 PCT專利申請做 為參考。 下列具體實施例將與ϊ B M之高折射率對比的矽上矽土積 體平面型光波導管技術相關連而做說明，該技術容許在光 網路用的矽積體平面型光波組件上製造低成本矽土。此一 積體平面型光波導管技術使用了可在由氮氧化矽及二氧化 矽形成之光波導管獲得之大的有效折射率對比。此使得可 以小彎曲半徑及相當的裝置小型化製成光波導管。 1998年光學工程第37卷第3218-3228頁由〇 l 士⑽等人 所著「共同中框網路中波長劃分多工加/減環式技術」一 又中說明了高折射率對比的矽上矽土技術之細節。在此併 入此一文件做為參考。 此處所用之光波導管降列一詞意謂著通道光波導管陣-列。脊形光波導管（亦稱為線條光波導管）結構、埋入式光 波導管結構及任何其他結構很適於用在本發明上。對於陣 -9-

月,曰修正/要^ ~~)-—~ -一 列光波導管，可用許多不同之形狀及幾何構型。為簡化之 故，注意在附圖中僅示出具有直線光波導管之光波導管陣 歹J。在大部分實際應用上，例如圖9所示這些光波管通 遒為彎曲的。 —/ 通道一字句指載有多波長光波的通訊鏈結之一種鏈 結。 一光學自由空間元件具有光線未受侧面限制之自由傳播 區二光線可從輸入光波導管（此處指輸入通道）或輸入光波 導官陣列投射至此種光學自由空間元件。在文獻上光學自 由二間元件亦稱為自由傳播區（FPR)。在此對輸入光學自 由空間το件、大光學自由空間元件與輸出光學自由空間元 件做區別。在此所為之人為區別僅為了更易說明開關的不 同組件、其等安排及功能。 在此所用之「可調諧光透鏡」包含光波導管陣列加上移 相斋（例如加熱器）。此一可調諧光透鏡在一第一光學自由 2間元件（例如輸入光學自由空間元件）做發散或平行光束 傳播’並在一第二光學自由空間元件將此光束轉換成並行 或會聚光束’如同正常透鏡一般。為了目前說明之目的， 在該第一光學自由空間元件與第二光學自由空間元件之每 一物組成可調諧光透鏡。 光波導管陣列之聚焦特性及波長相關性係由光波導管陣 列中光波導管之相對有效光長度決定的。此一有效光長度 係由光波導管之有效折射率及實際長度決定的。其可用移 相器（例如加熱器）做細調。 -10- 本紙張尺度適财S @家鮮(CNS) A4規格(細χ 297公爱) 499587

彳，年f月/ Ώ條正/4: A A7 ______B7 五、發明説明（8 ) 以將分離的相移數施加至分離的次波數之光波導管陣列 取代將連續的相位調變施加至連續的波前之正常透鏡將造 成附增損失及假繞射光束。熟知AWG設計技藝之人士很 暸解這些效應及降低其等之方式。一般而言，陣列由更多 光波導管組成，其愈相似於連續透鏡，且這些副效應愈不 重要。總之’在一陣列内有更多光波導管，則需要更多移 相器（例如加熱器）以控制可調諧光透鏡。 在此處說明之氮氧化矽技術亦是如此，在該技術亦需要 以权正光波導管中之假相位誤差。總之，若使用受到妥善 控制的技術而無這些相位誤差，就可能僅使用兩個加熱器： 在許多陣列光波導管内一個應用線性相位梯度（導引）而一 個應用_次相位梯度（焦距）。 可以不同方式製作可調諧光透鏡。典型例是包含用在光 波導管陣列的一些或全部光波導管之個別可調諧加熱器之 可調諧光透鏡。在某種情境下希望每一光波導管使用多於 一個的加熱器。 調整加熱器可控制射入自由空間元件的光束之投射特 性。視製作方式而定，可調整焦點（焦距）抑或發射光的方 向（導引），或在同一時間調整二者。線性相位梯度導致發 射光的相前傾斜（導引）。以二次或更高階的相位梯度可改 變光波的焦距。換言之，此種可調諧光透鏡容許投射特性 之熱光學控制。 包含置於靠近受影響的光波導管的鉻襯墊或線路之加熱 器是很適合的。可使用鋁引線驅動經鉻襯墊或線路之電 -11 . 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂

線 ?(年★月/ 日修正/更正/播充 A7 ------— B7 五、發明説明（9 ) 流。需要電流或電壓源以驅動個別之加熱器。此一電流或 電壓源及其它元件/電路可為加熱器導引單元的一部分。 此一加熱器導引單元可包含一微電腦及一記憶體以儲存個 別的加熱器設定，或者可將其接至一開關控制箱或一電腦 (例如經由電腦介面）。開關控制箱從在開關之輸入側上收 到的訊包或資料框取得/擷取路徑選擇或交換之資訊（連接 資訊）’或者此連接資訊係從其它系統收到的。然後在開 關/光學晶片内部經由加熱器導引單元及輸入與輸出可調 f光透鏡建立個別之連接。為找出對應於各種開關狀態之 最佳加熱器设足，可利用重複之最佳化程序。1988年劍橋 士學期刊第683-688頁「C語言之數值秘訣··科學計算之技 蟄」文說明之Levenberg-Marquard通則是很適合的。可 知個別 < 加熱為設定儲存起來，俾在需要改變開關狀態時 可取用之。此種重新構型可在亳秒的範圍内完成。 亦可使用微機械晶片元件製作可調諧光透鏡。 在說明本發明之細部製程之前，將討論根據本發明開關 <基本組件及其操作。 根據本發明的開關之基本元件為：_輸入光學自由空 兀件、-輸入可調諧光透鏡、一大的光學自由空間元件 -輸出可_光透鏡及-輸出光學自由空間元件。 =開關連接之路徑如下:來自輪入通道之光線射入 入先子自由2間元件並變成側面發散之光束。第一可調 光透鏡（光波導管陣列加上加熱器）拾取此發散光束，並 大的光學自由空間元件中轉換成並行或會聚之光束。在 -12 -

A7 B7 大的光學自由”元件之末，Μ仍為並行的或料發散 …點）。第二可調諳光透鏡（第二光波導管陣列加上 加熱器）拾取此並行或發散之光束，並在輸出光學自由空 ’元件中轉換成會聚光束。在此元件中焦點位置受調整， :得其與輸出光波導管之起始一致。然後光線被核合至此 則出光波導管並經其離開開關。 調整輸入可調讀光透鏡以導引在大的Μ自自㈣Μ 中光束的万向得到Ν χΝ開關之功能性。對於許多不同的設 疋，可將此光束指向許多不同的輸出可調諧光透鏡之方 =。以相同之方式可調整輸出可調諧光透鏡，使得對於許 夕不同的设定’來自不同輸入可調諧光透鏡之光束是投射 至輸出光波導管陣列之光波導管上。 在既定的輸入光波導管ρ與既定的輸出光波導管Q之間 僅當下列情況才有最佳鏈結： a) 輸入可調諧光透鏡ρ被設定成將傳輸光束指至輸出可調 諧光透鏡Q之方向，及 b) 輸出可碉諧光透鏡q被設定成將來自輸入可調諧光透鏡 P之光束焦聚至輸出光波導管Q上，以及 Ο可為Cl)輸入可調諧光透鏡P之焦距被設定成在大的光 學自由空間元件中傳輸並行光束，且輸出可調諧光透鏡Q 是被設定成將此並行光束重新焦聚至輸出光波導管。 抑或c 2 )輸入可調諧光透鏡P之焦距被設定成傳輸具有在 輸入與輸出可調諧光透鏡間的大光學自由空間元件半途的 -13· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 499587

點後之發散光束重新焦聚至輸出光波導管上。 的情 用做 若可調错光透鏡之方向或焦距稍微偏離上述提及 印’仍會有些耦合，不過較最佳耦合效率為低。此可 功率的調節。 根據本發明的開關之重要光學性質為傳輸損失、輸出通 ，損失-㈣、通遒隔離等。採用固定的光波導管技術， 熱知此項技蟄之人士熟德並瞭解可用以調整開關性質之自 由设計參數。當設計根據本發明之開關時，可使用分析以 及數值模式或模擬工具。此程序與模式化標準awg裝置 時所引用之考量相同。 具有脊形結構的光波導管之示範橫截面概要地示於圖 1F對於製造上所需之不同步驟示於圖。如圖 所TF，矽基體2 0 (例如矽晶圓）經熱氧化形成二氧化矽層 2 1 (亦稱為下覆套）。在後續步騾中，利用pEcvD法成長 氮氧化矽核心2 2。此PECVD步驟的結果示於圖i B中。現 可在回火器内將整個結構20、21、22回火，以降低N_H鍵 引起之吸收損失。可使用Tempress系統TS-6304做為回火 器。如圖1 C所指出者，現由反應離子蝕刻（RIE)法之方式 界定背脊23。為了此目的，可使用CHF3及氧做為反應 劑。此背脊2 3係用做為光波導管通道。現在在氮氧化矽核 心2 2及背脊2 3之頂上形成上覆套層2 4。上覆套層2 4包含 用PECVD沈積之二氧化石夕。圖1 D示出已沈積此上覆套層 2 4之後的光波導管。 為形成如鉻加熱器，需要一些其它的步驟。這些其它的 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) A7 B7 w年f月，曰修正/更正子褚充 五、發明説明（12 步驟示於圖1E-1F。-心 罔^ 4如圖1E所不者，在上覆套層24上沈 ^層25 ’以致覆蓋了部分。可使用⑽沈積法以形成路 層25。#濺鍍可沈積附增之銘層^以形成低電阻接觸 線。此係示於圖1 F。 根據本發明，典型之来、古壤答Μ 士 土心尤渡等g具有丨微米與5微米間（最 =是3微米）之身脊見度，且在丨微米與3微米間（最好I·] 各米）之厚度氮氧化矽層22(圖1B)原來的厚度是在夏微 米與5微米之間，最好是約2微米。纟背脊形成後，此層 22降至約·65微米（圖lc)之厚度。二氧化矽覆套層21及 24具有約ι·45疋折射率，而氮氧化矽核心22具有約15的 折射率。因而折射率對比約3·3 %。本光波導管具有低於 0.15分貝/厘米之傳播損失。當利用上述說明的高折射率 對比矽上矽土之積體平面型光波導管技術時，可製成的光 波導管與標準單一模式纖維相較，具有相當小的幾何形狀 檢截面及0.02之高側面有效折射率對比。 可調譜光透鏡4 0之示範頂視圖示於圖2 a。可調諧光透 鏡4 0包含具有三個脊形光波導管3〇、3丨及3 2之光波導管 陣列3 9。光線沿著這些光波導管從左至右通過。在兩個最 上面光波導管30、31之頂部上安排了兩個路加熱器25及 3 5。兩個加熱器25、35由第一鋁接觸線2 6連接至第一接 觸襯墊3 6。此第一鋁接觸線2 6係做為共同電極。兩個加 熱器25、35亦各具有其個別之鋁接觸線42、43及接觸襯塾 37、38。鋁接觸線之此一安排使得通過兩個加熱器25、35 有個別之驅動電流（11，12 )。可使用驅動個別加熱器之導 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 州587 f 日修正Α7 --- -Β7 ~) ^~ -- 引單元4 4。這些加熱器2 5、3 5為容許碉整跨越不同光波 導管的相位梯度之可調諧光透鏡4〇的一部分。調整相位梯 度可控制光波導管陣列3 9發出至大的光學自由空間元件 (未示於圖2 A )的光線之投射特性。 輸入光學自由空間元件180之示範頂視圖概要地示於圖 2 B。在此例中，輸入光學自由空間元件丨8〇具有一條輸入 通道181 ’其將多波長光波引導至輸入光學自由空間元件 之自由傳播區域。在此自由傳播區域，光波發散如圖2 b 所示之具有箭號之四條線。光波導管陣列186之四條光波 導管通道182-185拾取此發散光束。此光波導管陣列ϊ86為 可剩1皆光透鏡（未示於此圖2Β中）之一部分。 輸出光學自由空間元件190概要地示於圖2C中。此元件 190含具有四條通道光波導管192-195之光波導管陣列 196、一自由傳播區及一輸出通遒19ι。若正確地設定光波 導管陣列196的光波導管中之相位關係，以具有箭號的四 條線概要地表示之並行或發散光束經重疊在輸出光學自由 空間元件190中轉變成會聚光束。然後該會聚光束耦合至 此輸出通道191。 現將就圖3 Α及3 Β更詳細說明本發明之基本原理。一 1 X 1自由空間無阻塞關1 〇是示於此二圖中。圖3 A顯示在 第一開關狀態（導通狀態）之開關1 〇 ,其中輸入側連接至輸 出側。換言之，在此第一開關狀態經輸入側的光波導管6 到達的多波長光波耦合至在輸出側之光波導管7。在第二 狀怨（截斷狀態）’在輸入側的光波導管6與輸出側光波導 -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公f) 1(年¥月(日修正/务兵^|^

f 7間之連接中斷，而在兩側間無耦合發生。此第二狀態 不於圖3 B。根據本發明之開關1 〇包含三個光學自由空間 元件·輸入光學自由空間元件8、一大的光學自由空間元 件1 3及一輸出光學自由空間元件9。此外，開關1 〇包含一 具有輸入光波導管陣列1 1之輸入可調諧光透鏡1 2，及一 具有輸出光波導管陣列1 4之輸出可調諧光透鏡1 5。輸入 光學自由玄間元件8座落於此輸入可調諧光透鏡丨2之前， 而輸出光學自由空間元件9跟隨於輸出可調諧光透鏡1 5之 後。 經輸入光波導管6、輸入光學自由空間元件8以及具有輸 入可調諧光透鏡1 2之輸入光波導管陣列1 1到達之光波i 6 被投射至大的光學自由空間元件1 3。輸入可調諧光透鏡 1 2與輸入光波導管陣列1 1相互作用，以致調整透鏡丨2可 導引在大的自由空間元件1 3中之光波1 6。由於透鏡1 2的 調整，可改變輸入可調諧光透鏡1 2之投射特性。在圖3 A 中，調整輸入可調諧光透鏡1 2使得光波丨6具有正好在大 的自由空間元件1 3中間之焦點1 7。 安排輸出可調諧光透鏡1 5，若因此調整其接收特性，則 其可接收來自大的自由空間元件1 3之光波1 6。為了此目 的，輸出可調諧光透鏡1 5包含輸出光波導管陣列1 4及容 許調整接收特性之加熱器，以便（積極地）捕取來自大的自 由空間元件1 3的光波1 6。如圖3 A所示者，來自輸入光波 導管陣列1 1之所有光線聚集在焦點1 7且輸出光波導管陣 列1 4從該處捕取光線。輸出光學自由空間元件9將來自光 -17- Y (年V月/日修正/ A7

波導管陣列14之光線收集至輸出通遒7。 換言之，光線從輸入側切換至輸出側。 現轉至圖3B，示出在第二狀態，亦稱為截斷狀態之同一 開關10。有各種其它開關狀態是很明顯的。在此特殊狀態 中、，調整輸入可調諧之光透鏡12，使得光波16具有不再 位於大的自由空間元件1 3的中間之焦點丨9。調整輸入可 調諧之光透鏡丨2，光波16向上傾斜。在此例中尚未調整 輸出可調諧光透鏡15，此意謂接收特性保持相同。輸出可 調諧光透鏡15具有焦點18。因焦點18與19係分離的，故 典（或幾典）光線從輸入侧耦合至輸出側。此解釋為何此狀 態亦稱為截斷狀態。 根據圖3 A及3 B所示者之開關可用來製作導通/截斷開 關。 圖4示出一更為複雜之開關5 〇。此開關5 〇 (光學晶片）為 一NxN自由空間無阻塞開關。其包含n條輸入通道187、 1 88、1 89 ’各具有（小的）輸入光學自由空間元件1 $ 1、 182、183 ’以及具有輸入光波導管陣列51、52、53之輸入 可調諧光透鏡54、55、56。開關5 0尚包含大的自由空間元 件60及N條輸出通道190、191及192。各輸出通道具有含 輸出光波導管陣列57、58、59之輸出可調諧光透鏡61、 62、63，以及（小的）輸出光學自由空間元件184、185、 186。調整在輸入側之可調諧光透鏡54、55、56及在輸出 側之可調諧光透鏡61、62、63使得經輸入光波導管陣列5 1 抵達之光波6 4聚焦至焦點6 7上，然後輸出光波導管陣列 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇x 297公釐) 州587 吁(年子月/ 日修正/更正/補充 A7 __________ B7 五、發明説明（16 Γ~~ 一~ 5 8捕取該光波。光波6 5由輸入光波導管陣列5 2發出至大 的自由2間元件6 0並投射至焦點6 9。輸出光波導管陣列 5 9捕取光波6 5。第Ν個輸入光波導管陣列5 3所發出之光 波6 6聚集至焦點6 8。輸出光波導管陣列5 7捕取此光波。 調諧/調整輸入可調諧光透鏡54、55、56及輸出可調諧光透 鏡61、62、63可得到許多相異之開關狀態。此開關5〇之輸 入侧及輸出側為對稱的。在本快照中，輸入通道187是接 至輸出通道191，輸入通遒188是接至輸出通道192，而輪 入通道189是接至輸出通遒19〇。 另一具體實施例示於圖5。所示之開關7 〇包含Ν條輸入 通道74-76、Ν個輸入光學自由空間元件71_73以及具有1^ 個輸入光波導管陣列個可調諧光透鏡152_154。該開關 尚包含一個大的光學自由空間元件151。開關7〇包含”條 輸出通道81-83、N個輸出光學自由空間元件77-79以及 具有N個輸出光波導管陣列之N個可調諧光透鏡丨$ $ _ 1 5 7。為在鄰近的輸入與輸出通道間獲得較佳之分隔（減 少串音）。於自由空間元件151之中間放置過濾元件8〇。 此過濾元件80座落於開關丨50之中間焦面所在處。其包含 焦點所在之該等位置的開口。輸入光波導管陣列在正是過 濾單元8 0的開口所在處之大的自由空間元件丨5丨中間產生 輸入光波導管的實像。可調諧在輸出側之陣列，俾積極地 捕取來自該等開口之光線。任何來自光波導管陣列之較高 階繞射矣锋擊中開口外之過濾元件8〇時，將為過滤元Z 80所抑制。換言之，過濾元件80是做為濾光器。可計算 -19- 本紙浪尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 499587 Α7 Β7 今ί年c/月,日修正&正/椿矣Γ 五、發明説明（17 在此中間焦面實像的位置。若為Ν χΝ開關，則有2χΝ_丨個 焦點’亦即過漉元件8 0將有2 xN-1個開口。 在下述各節中將說明發明架構之一些變更或修改。下列 觀祭指出發明的架是如何有力及有彈性。其可用於士午多不 同應用中。 在圖6示出對稱的開關安排9〇，其中有ν=3條輸入通道 120、121、122。各輸入通道包含一輸入光學自由空間元 件193及具有5個光波導管9 1之可調諧光透鏡2〇5。開關9〇 尚具有Μ=3條輸出通道123、124、125。各輸出通道包含具 有5個光波導管95之可#1谐光透鏡206及'一輸出自由空間 元件194。光波導管9 1及95係相對於大的自由空間元件92 安排’使得（1)焦點全在焦面93上，及（2)焦面是在大的 自由空間元件9 2之中間。本對稱開關安排具有像先前說明 的其它開關之可調諧光透鏡。注意圖6僅概要地示出這些 可調諧光透鏡。圖6表示一種所有可調諧光透鏡在其截斷 狀態’亦即未發生光束導引之開關狀態。進入大的自由空 間元件9 2之光束聚集至焦點9 4上，在輸出側之可調讀光 透1¾ 9 5從该處捕取光線。換g之’開關從最上面之輸入通 道120將第一光波傳遞至最上面之輸出通道123。第二光波 是從在中間的輸入通道121傳遞至在中間的輸出通道124， 而第三光波是從在底端之輸入通道122傳遞至在底端之輸 出通道125。 調整輸入可調諧光透鏡及/或輸出可調諧光透鏡，此開 關9 0現在可切換成各種開關狀態。為將最上方光束之焦點 20 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 499587 彳/年令月/ 日修正/更垂/¾¾ A7 ____ B7_ 五、發明説明（18 ) 向上移動’暫時假設僅調整最上方輸入通道12()之輸入可 調諧光透鏡。所有其它可調諧光透鏡在截斷狀態將意謂最 上方輸入通道120與最上方輸出通道123之焦點不再相合。 經此通道120到達之第一光波並未傳遞至輸出通遒123 ^此 特殊的光「鏈接」中斷。 在圖7中’所示之非對稱開關安排13〇具有n = 3條輸入通 道140、141、142。各輸入通道包含一輸入光學自由空間 元件195及具有4個光波導管131之可調諧光透鏡207。開 關130尚具有M = 3條輸出通道143、144、145。各輸出通道 包含一輸出光學自由空間元件196及具有3個光波導管135 之可調諧光透鏡208。可調諧光透鏡2〇7、208係相對於大 的自由空間元件132安排，使得（1)焦點全在焦面133上， 及（2 )焦面133是在大的自由空間元件丨32之中間。本開關 安排130具有像先前說明前說明的其它開關之可調諧光透 鏡207及208。注意圖7僅概要地示出這些可調諧光透鏡 207、208。所有可調諧光透鏡207、208在其截斷狀態，亦 即未發生光束導引。光束進入大的自由空間元件13 2並聚 集至焦點134上。調整輸出可調諧光透鏡2〇8之接收特性使 得焦點136未與焦點134重疊。在此開關狀態無光線為輸出 可調諧光透鏡208所捕取，亦即輸入通道14〇、141、142未 耦合至輸出通道143、144、145中之任一條通道。無光線 從左手邊進行至右手邊。光鏈接全部中斷。 調整輸入可調諧光透鏡207或輸出可調諧光透鏡208，此 開關13 0現在可切換成各種開關狀態。最妤調整輸入可調 -21 - I紙張尺度it JU 巾 ® g 家鮮(CNS) A4規格(21G X 297公釐) ~ 裝 訂

線 499587 Α7 Β7 五、發明説明（19 諧光透鏡207及輸出可調諧光透鏡2〇8兩者，以便滿足在先 前詳細說明之章節所界定的最佳鏈接之準則㈣。為將焦 點向上移動暫時假設僅調整最上方輸出通道丨43之輸出 可調諧光透鏡208。所有其它可調諧光透鏡在截斷狀態將 意謂最上方輸入通道14〇與最上方輸出通道143之焦點相 合，且經此通運14〇到達之第一光波傳遞至輸出通道143。 亦即在此等二通道間存在著光「鏈接」。所有其它之光鏈 接仍為中斷的。 調整在大的自由空間元件中光束的方向可切換開關9〇及 130兩者。 圖8所示為另一根據本發明之開關設計16〇。不使用中間 焦面，大的自由空間元件161具有反射面162。有二條輸入 通運201、202，其具有輸入光學自由空間元件197、198、 可調諧光透鏡163及164以及光波導管陣列167、168。再 者，有兩條輸出通道203、2〇4，具有輸出光學自由空間元 件199、200、可調諧光透鏡165及166以及光波導管陣列 169、170。經輸入通道2〇1到達之第一光波聚集在反射面 162上輸出通道203從該處捕取該光波。經輸入通道202 到達之第二光波聚集在反射面162上，輸出通道2〇4從該處 捕取該光波。因為大的自由空間元件161之尺寸可降低， 故開關160僅需較此處所呈現之其它開關為小的空間。 圖9示出本發明之較佳實施例。，此開關210其特徵為輸入 側為輸出側之鏡像。開關21〇包含8條輸入通遒212，後接 著8個輸入光學自由空間元件213，以及具有加熱器及光波 -22- / 年午月,日修正/受：fc^充 A7

導官陣狀8個輸可調諧光透鏡214。彡些光波導管陣列之 光波導管係連接/耦合至大的光學自由空間元件211。在自 由2間it件2U之相對侧有具有加熱器及光波導管陣列之名 個輸出可調諧光透鏡215。此等8個輸出可調譜光透鏡⑴ 將光線饋入耦合至8條輸出通道217之8個輸出光學自由空 間元件216。注意圖9未示出個別加熱器之接觸線。 開關210是利用IBM的高折射率對比矽上矽土積體平面 型光波導管技術製成。在圖9之上左側顯示開關21〇之較佳 尺度。輸入通道212與輸出通遒217相隔〇·ΐ毫米至〇·5毫 米，而最好是約0.25毫米。8個輸入光學自由空間元件213 及8個輸出光學自由空間元件216各具有i毫米至〇1亳米之 長度’取好疋約0.5¾米，且有1毫米至〇1毫米之寬度， 最好是0.3毫米。總之，大的光學自由空間元件211具有1Q 愛米至1愛米之長度，最妤約4毫米，且有1〇毫米至毫 米之寬度，最好是2·4毫米。光波導管在光學自由空間元 件213、211及216之分隔介於1微米與20微米之間，最好 約8微米。加熱器襯墊或線路具有介於1毫米與1〇毫米間 之長度，最好約2毫米。襯墊是以介於50微米與500微米 間分隔，最好約100微米。個別加熱器陣列之分隔是介於 100微米與0.1毫米之間，最好約400微米。IBM的高折射 率對比矽上矽土積體平面型光波導管技術容許製造小彎曲 半徑之光波導管，且可進一步最隹化開關設計以降低側面 尺寸。 將輸入側之可調諧光透鏡及/或輸出側之可調譜光透鏡 -23- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) ^^7 ^^7 A7 B7 气(年和( 曰修正/見 發明説明（21 ~~ 稍极去焦，可改變供至輸出通道之功率而不致將串音引入 其它通道。因而本發明亦能用來調節輸出通道中之功率。 加熱器導引單元可含一容許在輸出通道中調整功率之單 元。 輸入通道數目並不須等於輸出通道數目。在輸入側與輸 出侧各光波導管陣列之光波導管數目並不須相同。例如有 一些輸入通道具有5個光波導管而有一些輸入通遒具有6個 光波導管亦是可能的。 各光波導管陣列使用兩個加熱器是可能的：其中一個應 用線性相位梯度以調整投射光波之距離，而另—個應用二 次或更高階相位梯度以調整投射光波之焦距。 使用愈少加熱器，加熱器導引單元及開關控制盒愈不複 雜。 〜 本開關可包含一或更多之耦合元件。例如v形的凹槽可 做為耦合元件。此元件容許纖維對輸入通道或輸出通^之 一的對頭耦合。 本開關適於與晶片上大量的其它組件之整合。根據本發 明之開關提供將為未來通訊網路所需之高功能性。 又 可將本發明整合成多波長通訊資料傳輸系统。 圖式元件符號說明 6 光波導管 7 光波導管 8 輸入光學自由空間元件 -24· 本紙張尺度it冑巾國國家標準(CNS) A4規格(綱x 297公釐)~""""""" 一---~—- 499587 々ί年#月/日修正/臭士^^ 訂

線 B7 五、發明説明（22 ) 9 輸出光學自由空間元件 10 自由空間無阻塞開關 11 輸入光波導管陣列 12 輸入可調諧光透鏡 13 大的光學自由空間元件 14 輸出光波導管陣列 15 輸出可調諧光透鏡 16 光波 17,18,19 焦點 20 矽基體 21 二氧化矽層 22 氮氧化矽核心 23 背脊 24 上覆套層 25 鉻層 26 附增之鋁層 30,31,32 脊形光波導管 35 路加熱器 36 第一接觸襯墊 37 接觸襯塾 38 接觸襯塾 39 光波導管陣列 40 可調諧光透鏡 42 鋁接觸線 -25- _ 裝 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 499587 年Y月,日修正 A7 B7 五、發明説明（23 ) 43 鋁接觸線 44 導引單元 50 開關 51,52,53 輸入光波導管陣列 54,55,56 輸入可調諳光透鏡 57,58,59 輸出光波導管陣列 60 自由空間元件 61,62,63 輸出可調諧光透鏡 64,65,66 光波 67,68,69 焦點 70 開關 71,72,73 輸入光學自由空間元件 74,75,76 輸入通道 77,78,79 輸出光學自由空間元件 80 過濾元件 81,82,83 輸出通道 90 對稱的開關安排 91,95 光波導管 92 自由空間元件 93 焦面 94 - 焦點 120,121,122 輸入通道 123,124,125 M = 3條輸出通道 130 非對稱開關安排 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 499587 f A7 t、 B7 五、發明説明（24 ) 131 4個光波導管 132 自由空間元件 133 焦面 134,136 焦點 135 3個光波導管 140,141，142 輸入通道 143,144,145 輸出通道 150 開關 151 光學自由空間元件 152,153,154 可調諧光透鏡 155,156,157 可調諧光透鏡 160 開關設計 161 自由空間元件 162 反射面 163,164 可調諧光透鏡 165,166 可調諧光透鏡 167,168 光波導管陣列 169,170 光波導管陣列 180 輸入光學自由空間元件 181 輸入通道 182,183,184,185 光波導管通道 186 光波導管陣列 187,188,189 輸入通道 190 輸出光學自由2間元件 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐） 499587 f(年年月/曰修正充 訂

線 A7 B7 五、發明説明（25 ) 191 輸出通道 192,193,194,195 通道光波導管 196 光波導管陣列 197,198 輸入光學自由空間元件 199,200 輸出光學自由空間元件 201,202 輸入通道 203,204 輸出通道 205,206 可調諧光透鏡 207,208 可調諧光透鏡 210 開關 211 光學自由空間元件 212 輸入通道 213 8個輸入光學自由空間元件 214 輸入可調諧光透鏡 215 輸出可調諧光透鏡 216 輸出光學自由空間元件 217 輸出通道 -28- 裝 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 499587 十 年 ί \ 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 1· 一種整合在一基體内之光學開關（1 0 ; 5 0 ; 7 0 ; 9 0 ; 1 3 0 ; 1 60 ; 2 1 0)，包含： • 一輸入通道（6 ; 74-76 ; 120-122 ; 140-142 ; 187-189 ; 201-202 ;212)，具有一輸入光學自由空間元件（8; 71-73 ; 181-183 ; 193 ; 195 ; 197-198 ; 213)， • 一大的光學自由空間元件（13 ; 60 ; 151 ; 100 ; 161 ; 211)， • 一輸入可調諧光透鏡（12;54-56;205 ;207;152-154 ; 163-164)，具有可調整之投射特性，俾將從該 輸入光學自由空間元件（8 ; 71-73 ; 181-183 ; 193 ; 195 ; 197-198 ; 213)收到之光波（16 ; 64-66)投射至 該大的光學自由空間元件（13 ; 60 ; 15 1 ; 100 ; 161 ; 211)， • 一輸出通道（7 ; 81-83 ; 190-192 ; 123-125 ; 143-146 ; 203-204 ; 217)，具有一輸出光學自由空間元件（9 ; 77-79 ; 184-186 ; 194 ; 196 ; 199-200 ; 216)，及 • 一輸出可調諧光透鏡（15;61-63;155-157;165-166 ; 206 ; 208)，具有可調整之接收特性，俾捕取來 自大的光學自由空間元件（13 ; 60 ; 151 ; 100 ; 161 ; 211)之光波（16 ; 64_66)並將該光波（16 ; 64-66)饋至 該輸出光學自由空間元件（9 ; 77-79 ; 184-186 ; 194 ; 196 ; 199-200 ; 216” 2·如申請專利範圍第1項之開關（1〇 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 ; 2 10 )，其中藉調整在該大的自由空間元件（13 ; -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公董) ^587《(年彳月/ 日修正/更壬 >、申請專利範圍 ABCD 6〇 ; 151 ; 1〇〇 ; .161 ; 211)中光波（16 ; 64-66)之方向或焦 距，投射特性為可調整的。 3·如申請專利範圍第1項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 ; 210)，其中由調整該輸出可調諧光透鏡（15;61-63 ; 155-157 ; 165-166 ; 206 ; 208 )之方向或焦距，接收 特性為可調整的。 4.如申請專利範圍第1項之開關（1〇 ; 5〇 ; 7〇 ; 9〇 ; 13〇 ; 160 ; 210)，其中該輸入可調諧光透鏡（12 ; 54-56 ; 205 ; 207 ; 152-154 ; 163-164)包含一輸入光波導管陣列（u ; 51-53 ; 91 ; 131 ; 167-168)。 5·如申請專利範圍第][項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 ; 210)，其中該輸出可調諧光透鏡（15 ; 61-63 ; 155_ 157 ; 165-166 ; 206 ; 208 )包含一輸出光波導管陣列（14 ; 57-59 ; 95 ; 135 ; 169-170)。 6·如申請專利範圍第4或5項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 ; 210)，其中該光波導管陣列（11;51-53;57-59 ; 91 ; 131 ; 95 ; 135 ; 167-170)包含具有一光波導管核 心（22)及兩個覆套（21，24)之脊形光波導管。 7·如申請專利範圍第6項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 13〇 ; 160 ; 210)，其中該光波導管核心（22)包含氮氧化矽而 該二覆套（21，24)包含二氧化矽。 8·如申請專利範圍第6項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; i3〇 ; 160 ; 210)，其中該脊形光波導管具有介於1微米與3微 米間之厚度，最好是1.3微米，以及介於1微米與5微米 -30- 本紙張尺度邊用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐) 499587 A8 B8 C8 D8 彳I年0¾广0修堇 申請專利範圍 間之脊形寬度，最好是3微米。 9. 如申請專利範圍第I項之開關（10 ; 50 ; 7〇 ; 9〇 ; 13〇 ; 160 ; 210) ’其中該輸入可調諧光透鏡（12 ; 54_56 ; 2〇5 ; 207 ; 152-154 ; 163-164)及/或該輸出可調諧光透鏡（15 ; 61-63 ; 155-157 ; 165-166 ; 206 ; 208 )包含可調諧加熱器 (40) 〇 10. 如申請專利範圍第9項之開關（10 ; 5〇 ; 7〇 ; 9〇 ; 13〇 ; 160 ; 210 )，其中該可調諧加熱器（4 〇 )包含鉻襯墊或線 路’其係置於要調整相位梯度的那些光波導管陣列之頂 部上。 11·如申請專利範圍第9項之開關（10 ; 5〇 ; 70 ; 90 ; 13〇 ; 160 ; 210) ’其中若將電流驅經該可調諧加熱器（4〇)， 則在光波導管陣列的不同光波導管中行進之光波間可獲 传·線性相位梯度。 12·如申清專利範圍第9項之開關（1〇 ; 5〇 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 , 210 )，其中若將電流驅經該可調諧加熱器（4 〇 )， 則在光波導管陣列的不同光波導管中行進之光波間可獲 得非線性相位梯度。 13·如申凊專利範圍第1項之開關（7 〇 )，包含具有開口之過 滤元件（8 0 )。 14.如申請鲁利範圍第丨3項之開關（7 〇 )，其中該過濾元件 (8 0 )是置於該大的自由空間元件之中間焦面上。 15·如申請專利範圍第丨項之開關（1〇 ; 5〇 ; 7〇 ; 9〇 ; 13〇 ; 160 ; 210) ’ 包含]^ 條輸入通道（6 ; 7476 ; 12〇-122 ; 14〇- -31 -

   499587 日修正/見正 Α8 Β8 C8 r»〇

   142 ; 187-189 ; 201-202 ; 212)及M條輸出通道（7 ; 81_ 83 ， 190-192 ; 123-125 ; 143-146 ; 203-204 ; 217)，而n 及Μ為整數。 16·如申請專利範圍第丨5項之開關（7〇 ; 9〇 ; 13〇)，包含^^個 輸入光學自由空間元件（8 ; 71-73 ; 181-183 ; 193 ; 195 ; 197-198 ; 213 )及Μ個輸出光學自由空間元件（9 ; 77-79 ; 184-186 ; 194 ; 196 ; 199_200 ; 216)。

   裝· 17·如申請專利範圍第1項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 ; 210)，利用積體平面型光波導管技術係為可生產 的。 18·如申請專利範圍第}項之開關（10 ; 5〇 ; 7〇 ; 9〇 ; 13〇 ; 160; 2 10)係設計成用於光傳輸窗口中，亦即介於154〇 奈米與1570奈米間之波長範圍。

   19·如申請專利範圍第9項之開關（1〇 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160:210)，包含一加熱器導引單元（44)。 20·如申請專利範圍第1 9項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 ; 210)，其中該加熱器導引單元（44)包含一電流源 或一電壓源。 21.如申請專利範圍第1 9項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160; 210)，其中該加熱器導引單元（44)包含一微電腦 以儲存可調諧加熱器（4 0 )之設定。 22·如申請專利範圍第1 9項之開關（10 ; 50 ; 70 ; 90 ; 130 ; 160 ;210)，其中該加熱器導引單元（44)包含一將輸入 可調諧光透鏡（12 ; 54-56 ; 205 ; 507 ; 152-154 ; 163-164) -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 499587 f A8 今(年冬月广日修正/惠正充 g _'_D8 ___ 六、申請專利範圍 及輸出可調諧光透鏡（15 ; 61-63 ; 155-157 ; 165-166 ; 206 ; 208 )去焦，做為輸出可調諧光透鏡（15 ; 61-63 ; 15 5-157 ; 165-166 ; 206 ; 208)所捕取的功率調整用之單 元。 23·如申請專利範圍第1項之開關（1 〇 ; 50 ; 70 ; 90 ; 2 10)， 其中該輸入可調諧光透鏡（12 ; 54-56 ; 205 ; 207 ; 152-154，163-164)為該輸出可調讀光透鏡（15;61-63;155-157 ; 165-166 ; 206 ; 208 )之鏡像。 24·如申請專利範圍第1項之開關，包含一容許對該輸入通 道（6 ; 74-76 ; 120-122 ; 14CM42 ; 187-189 ; 201-202 ; 212) 及/或輸出通遒（7 ; 81-83 ; 190-192 ; 123-125 ; 143-146 ; 203·204 ; 217 )之一的對頭搞合纖維之搞合元件。 25· —種供阻基自由空間開關，包含一根據申請專利範圍第 1至2 4項中任一項之開關。 26·如申凊專利範圍第2 5項之無阻塞自由空間開關，包含一 開關控制盒或一電腦介面。 27·資料傳輸系統，包含一根據申請專利範圍第丨至24項中 任一項之開關。 -33- t紙張尺歧财(細χ 297公董)------