TW503329B

TW503329B - An optical switch having a planar waveguide and a shutter actuator

Info

Publication number: TW503329B
Application number: TW089124833A
Authority: TW
Inventors: Kadhair Al-Hemyari; Roydn David Jones; Jose L Jimenez
Original assignee: Nanovation Tech Inc
Priority date: 1999-11-23
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-09-21
Also published as: KR20020064909A; WO2001038921A2; EP1234206A2; CN1423757A; CA2389597A1; WO2001038921A3; AU1803801A; JP2003515760A; WO2001038921A9; US6493482B1

Description

503329 A7 B7 五、發明說明（）發明領域：本發明係有關於一種光切換器，其用於在一輸入波導與一或多個輸出波導之間進行光的切換。發明背景：光切換器為光學網路中的重要元件，其係用於判定及控制光學訊號的傳遞路徑。在典型的情況下，光學訊號 (「光訊號」及「光學訊號」等用語係有意廣義地被解釋和指稱為可見光、紅外光與紫外光及其相似者）係由位於光學路徑上的波導來引導，而該光學路徑通常係由波導核心所界定。有時可能需要重導光學訊號，使其沿著不同的方向行進，亦即通過不同的波導核心。當光學訊號從一波導傳輸至另一波導時，該光學訊號可能需要通過一介質，且該介質的折射率不同於該等波導的折射率（該等波導通常具有大致相同的折射率）。吾人已知，當光學訊號通過具有不同折射率的材料（介質）時，此光學訊號的傳輸特徵即可能產生變化。例如，當一光學訊號從具有第一折射率的材料通過具有第二折射率的材料時，由於通過個別材料的速度差異，以及至少部分由於該等材料個別的折射率的緣故’使得該光學訊號可能會引發非吾人所期望的相位偏移。此外，在兩介質之界面上的極化場不吻合可能會產生反射訊號。在此使用的「介質」一詞係有意廣義地被解釋且包括真空在内。吾人不希望見到此類光學訊號的反射，因為該訊號的第3頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁)

_裝 ikil 訂---------P 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 —π，丨王日緣 (如反射率、垂直性、波導的材料等），導致今；守双碌光學訊號五、發明說明（反射量會降低傳輸功率，因而i告说篇μ 、亏 _ k成傳輪訊號的損耗。除此之外’被反射的訊號可能會返回本 < 先學源而造成所謂的光返回損耗。光返回損耗應儘量加以5薜念乂避免，因為它會使光學訊號源不穩定。若兩種材料（即介質）的折射車士私』^ 斤町羊大致相等，則當光學訊號從其中一種材料通過另一種材料去,, 何村時，孩光學訊號的傳輸特徵將不會產生顯著的變化。折射皇 ’射旱不相配的解決方案涉及一種折射率相配流體。在使用弁如7祕w ^ ^ i斤』尤切換詻時，通常會在兩個以上的波導之間的溝槽充填_種材料，而該種材料的折射率與該等波導的折射率大致相等。因此，當光學訊號從一波導通過溝槽而到達另一波導日辛，甘w ,广爷呼其所經歷的折射率並不會有顯著的變化。上述解決方案的例子之一可參昭# ^ f勝、國際專利申請案第 WO 00/25 160號。前揭專利申請案描诚勒^ 5衣掏述一種切換器，且在光學路徑之間（亦即波導之間）的腔室中使用對準相配节· 體，以維持切換器的光學性能。使用折射率相配流體時= 將會引發新的問題’其中包括流體溢出以及由於元件在流體中的阻力所造成的切換回應時間縮減等〗見$。此外’當光學訊號通過溝槽與波導之間時，其將經厚光學損耗。另一個必須考量的問題係在於，由波導輸此輸出面與溝槽的不連續性所造成的返回損耗。— 、當一光學訊號通過溝槽並沿著傳遞方向行進睡， " 于，其將會遇到一波導之輸入面，並且由於該輸入面之物珲王w性的緣故曰私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 裝-------—訂--------- 五、發明說明（有邯份反射而通過該溝槽（亦即和傳遞方向相反的方向）。此種情況顯然並非吾人樂於見到者。在光學元件（裝置、電路及系統）的設計、製造和建構上’尺寸大小亦為持續考量的一環。很顯然地，吾人希望能夠提供一種較小型的光學元件，以便光學裝置、電路及系統能夠被製造成更密集、電能消耗較少，同時運作更有效率。發明目的及概述：本發明係針對一種光切換器，其具有一輸入波導及雨輸出波導，並由一溝槽加以分開，且配置於該溝槽周圍。輸入波導與第一輸出波導分別具有由各自的核心所界定的光學路徑；該等光學路徑（及核心）大致彼此對準或同軸溝槽當中具有介質，且該介質之折射率不同於該等波導之折射率。由於輸入波導、第一輸出波導及第二輸出波導分開的距離並不會影響光學訊號從輸入波導傳遞到第 -或第二輸出波導的傳輸特性；目此，即使t光學訊號從輸入波導傳遞到第一或第二輸出波導時將經歷不同的折射率，仍可避免發生背向反射。因此，即使從輸入波導通過任一輸出波導的光學訊號必須完全穿過溝槽，該光學訊號在波導之間必須行經的距離仍然足夠小，而不會影響該訊號的光學傳輸特性。輸入波導及第二輸出波導大致排列在溝槽的同/ 側’以使得從輸入波導通過第二輸出波導的光學=號不會第5頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ > | ------ 訂·！ -------. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 五、發明說明（）完全穿過該溝槽。同樣地，即使光學訊號經歷到射率，其行經的距離仍然非常小而不會影響該訊號傳輸特性。〇尤子 1X2及2x2光切換器皆可根據本發明加以建構 I發明所包含的結構特徵、元件之组合以及零件置，將藉由在此所揭露的内容而加以例示， ^ J T本日月範圍將藉由申請專利範圍來指明。圖式簡單說明：例Μ ’且僅用於例示，立中在多種視圖當中的相同參照文字係代表類似的元H 第1圖為光切換器之上視圖’其係根據本發明所建構·· 第2AUB圖為沿著第w之直線2_2的剖面側视圖：立顯示光切換器之兩實施例；第3圖為沿著第1圖之直線Η的剖面側視圖，其顯示光切換器的波導；第4A及4B圖為根據本發明所建心僻心力先切換器的上視圖，第4A圖描繪處於第一位置的切換器，第4b 圖則描繪處於另一位置的切換器；第5圖為併入第4“4B圖所顯示之光切換器的μ切換器的概視圖；第6圖為併入第4Α及4Β圖所顯示之光切換器的4x4切換器的概視圖；第7圖為電孰致勒哭+ ^ .、、、双勁抑乏一貫她例的剖面上视圖，其係做為第6頁本紙張尺度適种關家蘇—4 X 297 ^ Γ |馨裝 ----訂--------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

發明說明（本發明之光切換器的一部分；第8圖為電教致動哭夕$ ^ ,, . τ ^ 1施例的上視圖’其係做發明之光切換器的一部分；第9圖為電飫致動器之另_杳+ …、双勑詻U |犯例的上視圖，其係做為本發明之光切換器的一部分；弟1 0圖為一上視圖，其顧录筮】升•貝不弟1圖 < 波導的錐形部件的閉合部分；第1 1Α及11Β圖係描繪根據本發明之一會 +放心貫她例〈光切換器的組件； _ 第12Α A 12Β圖為冑分剖面側視圖，其顯示根據本發明之光切換器的結構部件，該結構部件係分別利用反裝晶片（flip-chip)及整體製造技術，並連同外部元件及連接硬體所製成。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1號對照說昍： 1切換器 3輸入波導 5輸出波導 7核心 9a上包覆層 1 〇連結器 15溝槽 2〇支撐物 21 、21”輸入面 2光學路徑 4光學路徑 6輸出波導 8 光學路徑 9b下包覆層 13基材 17擋板 21 輸出面 28背面第7頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） «^i^-----1 ^---------^Awi (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 503329 , A7 _B7 五、發明說明（）經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 29 反射面 33 致動器 34 可彎曲構件 35 > 3 5 ’端點 37 空腔 39 加熱器 41、 4 Γ 電極 43 壓電元件 45 指狀物 47 端點 49 遠端位置 51 錐形頸區域 61 玻璃蓋 63 光纖蓋 65 光纖核心 67 光纖 69 溝狀構件 100 光源 101 切換器 103 波導 110 交會處 1 12 波導 115 溝槽 117 擋板 120 介質 128 、1 2 9 面 130 切換元件 133 致動器 140 表面 150 底面 200 晶片 210 晶片 233 致動器 300 切換器 301 切換器 303 、305 、 307 、 309 輸入波導 311 ^ 313 ^ 315 ^ 317 輸出波導 333 致動器 433 致動器第8頁 ---------—裝—I----訂-------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 503329

發日本l明係針對一種光切換器，其具有一輸入波導及兩幸則出波導’並由一溝槽加以分開，且配置於該溝槽周圍。幸則入波導與第—輸出波導分別具有由各自的核心所界定的光學路;該等光學路徑（及核心）大致彼此對準或同軸族等波導亦由溝槽加以分開，且溝槽當中具有介質，琢介質之折射率不同於該等波導之折射率。由於輸入波導第輸出波導及第二輸出波導分開的距離並不會影響光學訊就從輸入波導傳遞到第一或第二輸出波導的傳輸特性’因此’即使當光學訊號從輸入波導傳遞到第一或第一知出波導時將經歷不同的折射率，仍可避免發生背向反射。因此’即使從輸入波導通過任一輸出波導的光學訊號必須完全穿過溝槽，該光學訊號在波導之間必須行經的距離仍然足夠小’而不會影響該訊號的光學傳輸特性。輸入波導及第二輸出波導大致排列在溝槽的同一側以使知從輸入波導通過第二輸出波導的光學訊號不會完全穿過μ溝槽，反而會反射離開擋板的反射面。同樣地’即使光學訊號經歷到不同的折射率，其行經的距離仍然非常小而不會影響該訊號的光學傳輸特性。換言之，雖然溝槽的大小可讓厚度有限的反射擋板放置在溝槽的内部，但溝槽應儘可能地縮小，以減少在溝槽間隙中產生光的繞射現象。現在請參照圖式，首先參照第1圖，其描繪根據本發明之一實施例所建構的光切換器1。本發明之光切換器i 第9頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 一 f -裝-----—丨訂-—丨_丨-· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（） - 最好係由以矽為主的半導體（如- 一虱化矽）以及對光產生弱局限作用的波導所建構而成。龙令，、匕+導體，如坤化鎵（GaAs) 與磷化銦（InP)等亦可使用。此外卜以下所描述的波導結構僅為本發明之非限定的實施例、共匕的波導幾何結構及架構亦不脫離本發明的精神及範圍。雖然第1圖係顯示1X 2切換哭, 換态，但熟習此項技術者當可瞭解，其它的架構（如ΙχΝ或+ 义ΜχΝ)亦不脫離本發明的精神及範圍。舉例而言，藉由提供相對於波導6且其光學路徑同軸於波導6的第二輸入波導，即可建構一 Μ切換器，以下將參照第4Α圖及第4Β圖詳加說明。切換器1包含一輸入波導3 χ ^ 及罘一輸出波導 5、6，其排列在周圍並由溝槽丨5 ^ 加以刀開（輸入波導3及第一輸出波導5)。第3圖顯示第-輪、、甲—輸出波導6的剖面，其亦為輸入波導3及第一輸出波導5 * 的範例。以下針對第二輸出波導6的說明亦適用於輸入久弟一輸出波導3、5。波導6係以習知的半導體製造技術斤建構而成，在此將不詳細說明。波導6含有沉積於下包覆復屬9b的核〜心7，而下包覆層9b則沉積在一基材13上。以、以非限定的例子而言，基材可為矽、石英或二氧化矽。上包、匕稷層9a係沉積於核心7 的上方及周圍，以形成一埋入的波導纟士構波導3、5及6可由多種不同的从 < 1』的材料來製成，而只需使其光學性質符合吾人的需求即 ^ j 雖然本發明之光切換器1最好係以二氧化矽為主的平台 J 丁口加以建構，但亦可使用其E具有所需光學性質的半導體。 1巧如，核心7可包含摻第10頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁}

五、發明說明（雜鍺的矽，而上包覆層9a及下包覆層9b可包含熱二氧化夕或硼磷矽破璃（BPSG)。此種平台可提供光纖的良好耦合以及寬廣的折射率反差（〇 35%至11〇%)。其它同樣可使用的平口包括SiOxNx、聚合物或其組合物。此外，其它諸如磷化銦或砷化鎵等體系亦可使用。請繼續參照第3圖，核心7之折射率反差的範圍約在〇.3 5。/〇至〇.70%之間’而其範圍最好約在〇 35〇/。至〇之間以春许南度耦合至輸出光纖。核心7可為矩形，其邊的厚度約3至1 〇微米，寬度約3至丨5微米。以更佳的情況而言’核心7為正方形’其邊的厚度约6至8微米，寬度约6至14微米。鄰接於核心7的上包覆層9a及下包覆層9b的厚度約3至18微米，且以15微米為最佳；基於相同的理由，核心的厚度約7至8微米。最終在選擇核心及包覆層的尺寸大小時，必須細心考量容許低水平繞射及良好的失調準容限。同樣地’上述之尺寸大小僅用以例示而非限定。本發明同時可應用於弱局限波導及強局限波導。就目前而言，以應用於弱局限多導較佳。睛再次參照第1圖，輸入波導3的核心可界定沿著該波導之縱向的光學路徑2。光學路徑2大致同軸於光學路徑8，而光學路徑8係由第一輸出波導5的核心7所界定。非同軸性的程度在其中一邊係由垂直光學訊號之行進方向以及輸入波導與溝槽之間的界面所形成的角度來決疋，而另一邊則藉由溝槽的長度來決定，以下將會詳細旗第11頁本紐尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝·--— — — —— ^* — 1 —--— II 線廉經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（明。因此，輸入波導3及第一輸出波導 ;π站於央與了視為彼此配準而同軸於先予路徑，其可加大從率出波導的光量。皮導3傳遞到第一輸第二輸出波導6亦界定一光學路徑朝向係與輸人波導的光學路徑2成—=予路徑的笋将八於的in。 t、疋的角度；此角度又奋至8〇0之間0如此，輸入波導的光學” 2將“弟一波導的光學路徑4在交會處"〇相交。二溝槽15係界定於基材13内(如參照第2α 圖），其可隔開輸入波導3與第一輸出波導5’且該等係' 配置在其周圍。溝槽15係部份或完全以透光介質⑶ 加以充填’其中介質可為空a，其折射率為”。對於空氣而言，其折射率約等於100。二、以非限定的例子而言’溝槽15的寬度約為8至40微米，並以12至20微米更佳。切換元件130係用於在輸入波導3與第一及第二波導其中之一之間進行光學訊號的切換。切換元件丨包含位於溝槽15當中的擋板17，以及一藉由連結器1〇而連:二擋板17的致動器33,以便讓擋板17能夠進行選擇性的移動，以下將會詳細說明。本發明已考量到致動器3 3的各種不同實施例，以非限定的例子而言，其包括電熱式、靜電式及壓電式等，以下將會針對各種致動器加以說明。擋板1 7最好係由重量輕且堅硬的材料所製成，諸如矽、聚合物、金屬或介電材料。如上述之重量輕且堅硬的擋板1 7可致使進行快速移動’以便在如第1圖所示之第第12頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁，ί •^i^-----I ----- A7 ^ ' -—^------- 五、發明說明（） —位置與第二位置（未圖示）之間回應電子訊號；在第一位置時，從輸入波導3輸出的光學訊號將會被出，導6,而在第二位置時，播板吻開光二侍從輸入波導3輸出的光學訊號將會通過第一輸出波導 5 〇在擋板17的至少一表面14〇上具有高反射塗層，表面140最好係面對輸入波導3之輸出自21的表面^吏用金可在表面140上提供高反射面29,如此即可使光產生反射而不會發生形變（約95%的反射），且對於如通信、資料通訊及光瑨分析應用等而言，其幾乎與波長無關。「面」係指波導的終端。請繼續參照第i圖，擋板14〇的背面28亦可以相同的方式鏡上金的塗層。此種塗層可讓切換器7以如上所述的另一種模式進行運作’其中藉由提供相對於波導6且其光學路徑同軸於波導6的第二輸入波導（未圖示），即可建構一 2x2切換器。在此結構中，光可藉由反射離開擋板14〇的背面2 8而從第二波導被導入輸出波導5。以下將參照第 4A圖及第4B圖而詳細說明2x2切換器。擋板140的厚度約為1至8微米，高度約1 〇至} 〇〇微米，而長度約為10至100微米。擋板140可由足夠硬且重量輕的材料所製成。以較佳的情況而言，擋板1 4〇的厚度約2微米、高度約3 0至40微米，而長度約為3 〇至 40微米。以非限定的例子而言，擋板140亦最好由發製成，其反射面28、29則可由金製成。第13頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音心事項再填寫本頁) 裝！！訂！丨！經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 /夕正本[W㈣ >丨5第抑>你3號專I喋％年没月修正優士一-j-^--- 五、發明說明^—) — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 請繼續參照第2A圖，擋板17的高度為I，當擋板 1 7處於第二位置時，其足以將光完全限制及反射。吾人當可得知，若要將内送的光學訊號完全限制住，擋板1 7的南度必須大於核心7的厚度te，而長度/s則必須大於核心 7的寬度wc。擋板1 7的長度/s最好縮小，以縮短擋板} 7 從第一位置移動到第二位置的距離’如此亦可降低將擔板 1 7移入及移出光學路徑所需的電量，並提昇切換器1的速率。擋板1 7的寬度會影響反射光路徑中的插入損耗。更詳細而言’較薄的擋板丨7可降低插入損耗，且擋板的寬度取好約等於2微米。由於光在溝槽15中會發生繞射，使得離開反射面29的反射光產生光學損耗，儘量使用較小的面鏡即可降低此光學損耗。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製凊繼續參照第1圖，輸入波導可接收來自光源1 〇〇 (如光纖電纜、雷射等）的光學訊號（如分波多工（WDM)、高密度分波多工（DWDM)及超高密度分波多工（udwDM)等訊號）’並將該光學訊號導引到核心7且沿著光學路徑2。光學訊號會經由輸出面21而離開輸入波導3，並進入溝槽 1 5。依擋板1 7的位置而定，該光學訊號將會通過溝槽1 5 並經由輸入面2 1 ’而進入第一輸出波導5，或是照射到表面140的塗層29而反射’並通過一部分的溝槽15及輸入面2 1而進入一知出波導6。不論是上述何種情況，該光學訊號皆會繼續由各自波導的核心7導引而沿著波導的光學路徑行進。第u頁

本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格⑽X 297公爱) --- J 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 A7 B7 ----------- 五、發明說明（）請繼續參照第1圖，切換元件130的致動器33係控制擋板17在第一及第二位置之間的移動。基本上，擋= 17可沿著任何方向移動（例如沿著平行或垂直於溝槽15之底面1 50的平面），只要移動的結果可使光學訊號能夠在任一輸出波導5、6之間進行切換即可。例如，第1圖及第2 A圖描繪切換元件1 3 0的第一實施例，該切換元件具有一擋板17,該擋板可沿著大致平行於溝槽15之底面15〇的平面移動，此方向係以箭號A來表示（第1圖）。另一實施例係描繪於第2B圖，其中擋板丨7係沿著大致垂直於溝槽1 5之底面1 50的平面移動，此方向係以箭號B來表示。擒板1 7的移動方向並非關鍵，只要擔板^ 7 能夠在由輸入波導3所界定的光學路徑2當中移入及移出即可。當處於光學路徑2中時，光學訊號將會反射離開擒板1 7 ’並重新被導入第二輸出波導6。當處於光學路徑2 之外時，光學訊號則會穿過溝槽1 5而進入第一輸出波導 5。擋板1 7由致動器1 3 3所引發的移動可利用回應輸入致動器1 3 3的控制訊號來達成。此種訊號可為電子式、光學式、機械式，或任何其它能夠使致動器有所回應的訊號。現在回到第4Α圖及第4Β圖，吾人當可了解，反射擋板1 1 7係一種非常引人注目的切換元件，因為擋板丨丨7的兩面1 2 8及1 2 9可用於進行切換。此特徵可簡化切換器陣列的結構’因為建構較大的切換器僅需要少數的擋板。舉例而言，在2x2切換器的情況下，構成真正的2χ2非封閉切換器僅需一個擋板Π 7。與其它技術相較之下，此為顯第15頁本紙張尺度適用中國國家標準（cNili規格 —-----1—^-------丨訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 ~ ____—B7___ 五、發明說明（）著的進步’其它技術諸如用》2x2非封閉切換器的執光馬赫策恩德爾干涉儀，其需要四個切換元件’以建構該2x2 非封閉切換器。 μ繼績參照第4A圖及第4B圖，第4a圖係描繪根據本發月所建構〈2χ2光切換器i 〇!。切換器⑻為一種非封閉設計，並音并山祖— ，、％、知出現在任何輸入端的光學訊號可被導向可鈿出杨，且不會影響將出現在任何其它輸入端的光訊虎導向任何其它輸出端的能力。在第$圖中，切換器1 〇 1 係以更概括的方式加以描繪，其顯示切換元件以及波導 103 、 112 〇如第4A圖所示，切換器i 〇丨具有第一波導1丨2，第波導具有輸入端G及輸出端Y。波導112為不連續的，此因其光學路徑被形成於半導體基材（未圖示）中的溝槽 115所岔斷。第二波導1〇3大致垂直於位在溝槽η;之第一波導1 1 2的光學路徑，並與該光學路徑相交。第二波導匕έ輸入端Η及輸出端Z。反射擋板117可選擇性地沿著箭號I的指向移入或移出溝槽i 5。反射擋板丨丨7具有兩大致平行的面128、129，其為高度反射面而做為雙面面鏡117。反射擋板117可包含微機械擋板或其它適當的元件’且以先前針對本發明之其它技術樣態有關的說明來運作。如第4A圖所示，當反射擋板117置於溝槽丨5之外時’切換器1 0 1係處於關閉狀態。出現在波導丨丨2之輸入端G的光學訊號G，將會通過並經由輸出端γ而離開波導第16頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

發明說明（經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 U2。同樣地，出現在波導1〇3之輪入端η 將會通過並經由輸出端Ζ而離開波導M3 、先學訊號Η’ 念斷波導112及103兩者的光學路徑，二：然溝槽15 響通過波導112及103的光。如第仞圖-：槽15不會影板m置於溝槽15中時，切換；：’當反射擔彻會發生切換。出現在波導112之輸入端J狀號G，將會與反射擋板117接觸先學訊 # 射離開面128，it g ώ

波導1。3的輸出端Ζ而離開切換器1〇1。同樣地，出現I 波導旧之輸人端G的光學訊號G，將會與反射擒板m 接觸且反射離開面1 2 9，並經由波壤1〗0 AA认田，皮導112的輸出端Y而離開切換器1 0 1。現在請參照第5圖，其顯示切換器1〇1的概要圖，其中第一及第二波導112、1〇3與切換器1〇1相連。第6圖係描繪應用六個切換器（亦稱作切換元件）3〇1 的4x4切換器300,其類型即第4Α圖及第4Β圖所描繪者 (自由$間微電子機械系統（micr〇-electr〇_mechanical system，MEMS)為習知的4x4切換器，而熱光馬赫_策恩德爾干涉儀切換器則需要十六個切換元件）。切換器300具有四個輸入波導303、305、307及309，以及四個輸出波導 311、313、3 15 及 317，而 AA、BB、CC 及 DD 則分別為其輸入訊號。切換器3 〇 1可以習知的方式加以設置，使得進入切換器300的AA、BB、CC及DD等訊號分別通過輸入波導303、305、307及309，並依照吾人期望的方式導入輸出波導311、313、315及317。如人當可了解，本第17頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） .·裝--------訂---------^ewi (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^03329 A7

發明可顯著減少4x4切換器300所需之切換元件3〇1的個數。現在凊參照第1圖及第2B圖，致動器3 3、13 3係藉由連結器ίο及11〇而與擋板17接合，並用於將擋板17 移入及移出光學路徑2。雖然任何適當的致動器皆可用於實施本發明，但使用電熱或機電型式的致動器較佳。電熱致動器係習知者’在此不再加以詳述。以本發明而言，當可了解的是，任何電熱致動器皆可使用，只要其足以回應熱能的加入而改變尺寸大小即可（如吾人所了解’熱能可由電能產生）。使用電熱致動器的優點係在於此種致動器可為閂鎖型式的元件；亦即，此種致動器可維持其位置而不需持續加入能量。因此，閂鎖型式的致動器將會維持在兩位置的其中之一，直到被切換至另一位置為止。第7圖係描繪· 一種適用於本發明的j電熱閂鎖型教動器 233。致動器233包含可彎曲構件34，其緊密地固定在空腔37之壁面的端點35、35,。空腔37的大小及形狀可容許可彎曲構件34移動，使其足以致使擋板1 7在第一與第二位置之間移動。此外，致動器23 3另包含加熱器3 9，其位於較接近可彎曲構件34的位置。當加熱器39被驅動時’可彎曲構件34會升溫及擴張。由於構件的端點係緊密固定在端點35、35,，構件34不止會擴張而使端點向外偏移’壓縮應力亦將會沿著構件的長度產生。此等應力會增加’直到其達到足以致使構件3 4改變其位置的程度為第18頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵Q x 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) ·裝 --------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329

A7 B7 五、發明說明（）止，即如圖號字元D所表示者。因此，當加熱器3 9被驅動進行加熱時（藉由通過接點的電流（未圖示）），可彎曲構件34亦將會升溫，並致使在鄰近位置（圖號字元C所表示者）與彎曲位置（圖號字元D所表示者）之間移動。在另一種情況下，構件34本身可為加熱器。靜電致動器亦可用於選擇性地移動擋板1 7。靜電致動為的優點包括尚操作速率、低能量消耗以及較少的系統升溫。第8圖係描繪一種適用於本發明之靜電致動器3 3 3。致動器333包含位於壓電元件43相反兩邊的電極41、 4 Γ，用於製造該等電極的材料可在電場作用於電極* 1及 4 1 ’時，至少沿著一方向（即寬度或長度方向）擴張。壓電元件43因而可被致使沿著箭號e所指示的方向擴張，並造成擋板1 7移動。僅使用單一致動器可能不足以讓擋板丨7達到所需的移動量。如第9圖所示，此情況可透過提供具有若干交錯指狀物45的壓電致動器433而得以調整。此等指狀物係連接於致動器4 3 3當中的支撐物2 0，該支撐物係用於避免指狀物45的一邊產生移動。當電子訊號作用於致動器433 的電極時（未圖示）’端點4 7在箭號F方向的總位移將會反映出所有指狀物45所累積的位移。由於端點47的位移為各個指狀物之位移的總和，因此擋板1 7可達到可觀的移動量。此種靜電致動器433可能需要約100伏特的大量電壓，以使擋板17達到所需的移動量。儘管此電壓很大，但所需的功率卻很小，因為流過靜電致動器43 3的第19頁 -----------•裝——丨I!訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 503329 丨修足五、發明說明（電流可被忽略。請再次參照第1圖，波導3、5及6的折射率至少部分係由建構波導核心7的材料來決定。波導3、5及6的相關折射率約彼此相等，對於氧化矽平台而言，波導3、5 及ό的折射率約1.45。溝槽15當中之介質120的折射率可能不同於波導的折射率。舉例而言，若該介質為空氣，則折射率約等於1 · 〇〇。當一光學訊號經歷不同的折射率時’该訊號的某些特徵會由於折射率的不同而產生變化。例如，當一光學訊號經歷不同的折射率時，部分的訊號（以光功率而言）將會反射進入輸入波導並沿著光學路徑2。此被反射的訊號可返回光源而使其變得不穩定。除上述以外，當光學訊號從第一折射率之材料通過第折射率之材料時’该光學訊號可能會產生相位偏移。在 :些情況下，此為吾人所期望的結果。對於光切換器而言，吾人較希望當光學訊號透過構成切換器的各種元件加以導引及切換，且其光學特性不會發生顯著的改變。為了克服由於折射率不同所引發的不良效應，本發明係控制輸人波導3之輸出面21與輸出波導5、6之輸入面 21’、2Γ’之間的距離’使得該光學訊號行進的距離非常短而不會讓折射率的差異造成該光學訊號的特性產生顧著 :改變。因此，即使光學訊號完全穿過溝槽Η(從輸入波導3至第-輪出波導5)，或部分穿過溝槽15(從輸入波導至弟二輸出波導6)，該光學訊號並不會由於介的個別折射率之差異而經歷任何顯著的反向效應。第20頁本紙張尺度適用 297公釐）

--- Μ,-------- -------Μ9, 2¾先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 τη ^ Ρ/ ________ 五、發明說明（）本發明之另 —技術樣態係在於補償當光學訊號通過具有不同折射率Μ # U α 千的材料時所造成的光返回損耗。折射率的差異可能备侔4，迷。曰成#分的光學訊號（以光功率而言）被反射，备。專進入輸入波導而沿著光學路徑2。被反射的訊號將胃不利地反射回來，並且可能會使光學訊號源不穩定。將輪出面21、21，芬〇1，，》次21相對於個別波導的光學路徑加以傾斜 (參昭第 ]m \ . 、… 任何被反射的訊號將會被導引離開波導核而朝向包覆層9a或9b，因而可防止被反射光干擾由輪入油壤3道逆丨》丄. 事？I且在其中行進的光學訊號。在本發明之一實她例中，輸出面21、21，及21，，可以約5。至1〇。的角度加以配置’且以約6。至8。更佳，以減少光反射進入輸入、導3的損耗。在較佳的6。角度的情況下，先前所提到的同軸性偏移的範圍係從5.0微米溝槽的0·2微米至35微米溝槽的1 · 7微米。在本發明的另一技術態樣中，光返回損耗可藉由在波導面2卜21’及21”上運用抗反射塗層（未圖示）而更進一步縮減。抗反射塗層可為單層或多層結構。此種塗層可在寬廣的波長範圍内，將波導與溝槽之間界面的反射縮減3.5% 至1%以下。形成抗反射塗層的材料及厚度與薄膜技術當中所使用者相同。舉例而言，氧化矽波導與溝槽之間的最佳單層抗反射塗層，在波長為1 · 5 5微米的情況下，其折射率為1.204，厚度則為322奈米。在另一實施例中，光返回損耗可使用傾斜界面與抗反射塗層之組合而加以縮減。第21頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝---------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 503329 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（本發明之另一技術態樣係有 L A 哥關用於在切換器1導入或導出光的波導3、5及6的形狀。 R據本發明在此方面之技術悲樣，以及如第1圖及第丨芬u、、人弟10圖所不’錐形頸區域51 至少位於波導3、5及6其中^ — 从〆 ’使得波導寬度逐漸變小而在距離溝槽遠端位置49變成、又风枚小的截面。錐形頸區域5 1有助於減少溝槽中的光繞射現象。以非限定的例子而言，在溝# 15當中，波導的寬度約…5微米。該寬度在遠端位置49逐漸縮小的範圍約 4至1〇微米。吾人當可了解’該等尺寸大小僅用以舉例說明4可使用其它的尺寸而不脫離本發明的精神及範圍。當光學訊號由波導3、5及6導引而行進時，雜形頸區域51係提供平順的傳輸功能。錐步頸區域…系以波導光學的原理而將通過波導的光限制住，並且在光通過不同大小的波導時，錐形頸區域51可顯著降低傳輸損耗。各種錐形長度及錐形比例皆可運用，並取決於安的特別考量而定。、本發明之光切換器！可整體形成或利用反裝晶片 (flip-chip)製造技術加以組合，後者概括描繪於第"A圖及第1 1B圖。在反裝晶片製造技術中，波導器3、5及6 與溝槽1 5係利用習^的半導體製程技術（如沉積、蝕刻等）而整體形成於第一晶、片200上，而擋板17及致動器Μ則形成於第二晶片21〇上。在組裝之前’兩晶片係彼此面對並加以調準，以使得該等晶片的對應部分（如擋板17與溝槽1 5)彼此相對。然後，將晶片加以接合。第22頁参紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（21〇 χ 297公釐） . ------AW Μ.--------^--------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) A7

503329 A7 B7 立發明說明（）申請專利範圍所界定。此外，應了解的是，下列申請專利範圍意指包含在此所描述之本發明的所有通用及特定的特徵，且本發明之範圍取決於語言的所有陳述可視為在該範圍之 <内。特別是，本發明不應受限於在此所揭露的尺寸大小、比、則或排列方式。 C請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} n n 一 ▼裝·----------訂-------1!%«. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製第24頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims

六該光

·!!! t -1111 — 11 *^ . (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、申請專利範圍 1·一種光切換器，切換器至少包含Λ刀換來自—光源之光學訊號 —g —波爆 Ώ 係導引該光學^有與其相關之折射率，該第一波導第一波導光學==著由該第—波導之縱轴所界定的 #道Ϊ弟波導，具有與其相關之折射率，嗲第1壤係導引該光學訊骑、、儿贫山w 一十邊罘一波導 W就/口著由該第二波壤夕第二波導光學路徑，且該第二波導光t路的一波導光學路徑_; “路^致與該第一第三波導，具有與其相關之折射率係導引該光學訊號、、儿基士兮楚- 米一波導狀唬/口耆由該罘二波導之縱軸所界定的第三波導光學路徑，且該第三波導光學路徑相對於該第一波導光學路徑呈一預定角度；該第一、第二及第三波導係在—溝槽周圍排列，該溝槽將該等波導之兩波導加以分開，且該溝槽具有一介質’該介質具有與其相關之折射率；擔板’其配置於該溝槽當中，且具有一反射面；以及一致動器，其連接於該擋板，用於致使該擋板在第一位置與第二位置之間移動，其中在第一位置時，來自該第一波導的光學訊號會通過該溝槽而進入該第二波導，在第二位置時，來自該第一波導的光學訊號會被該反射面反射而進入該第三波導；該第一、第二及第三波導之相關折射率約相等，且第25頁經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍不同於該介質之相關折射率，該第一、第二及第三波導被分開一距離，以使該光學訊號不會受到該等波導及該介質之折射率不同所造成的影響。 2.如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之第一及第二波導的分隔距離不大於約8至40微米。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之光切換器，其中上述之溝槽、第一及第二波導的分隔距離不大於約1 2至2 0微米。 4.如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之第一、第二及第三波導的折射率約相等。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之致動器為電熱致動器。 6.如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之致動器為壓電致動器或靜電致動器其中之一。 7 ·如申請專利範圍第3項所述之光切換器，其中上述之溝槽具有大致固定的深度。 8.如申請專利範圍第3項所述之光切換器，其中上述之溝第26頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) ------------f--------1---------i. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍槽具有可變的深度。 9.如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之第一波導具有一面，該光學訊號係透過該面而離開該第一波導，以進入該溝槽，該第二波導具有一面，該光學訊號係透過該面而離開該溝槽，並進入該第二波導，該第三波導具有一面，該光學訊號係透過該面而被該反射面反射，並離開該溝槽而進入該第三波導。 1 0 ·如申請專利範圍第9項所述之光切換器，其中上述之第一、第二及第三波導面至少其中之一係相對於其所對應之光學路徑而傾斜。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項所述之光切換器，其中上述之第一、第二及第三波導面至少其中之一係傾斜約6°至 1 0 °之間。 1 2.如申請專利範圍第9項所述之光切換器，其中上述之第一、第二及第三波導面皆相對於其所對應之光學路徑而傾斜。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述之光切換器，其中上述之第一、第二及第三波導面皆傾斜約6。至1 0 °之間。第27頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) --------------------------!$ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 4 ·如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之溝槽具有一表面，且該擋板被驅使沿著大致與該表面平行的直線而在該第一及該第二位置之間移動。 1 5 ·如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之溝槽具有一表面，且該擋板被驅使沿著大致與該表面相交的直線而在該第一及該第二位置之間移動。 1 6 ·如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之第一波導具有第一寬度與第二寬度，該第二寬度比該第一寬度窄，一薙形過渡接合該第一與第二寬度，該第一寬度係位於該面上。 1 7 ·如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之第二波導具有第一寬度與第二寬度，該第二寬度比該第一寬度窄，一錐形過渡接合該第一與第二寬度，該第一寬度係位於該面上。 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之光切換器，其中上述之第三波導具有第一寬度與第二寬度，該第二寬度比該第一寬度窄，一錐形過渡接合該第一與第二寬度，該第一寬度係位於該面上。 1 9 ·如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之擋第28頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) W -------1—----------------$ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍板的寬度約2微米，長度約20至70微米。 20·如申請專利範圍第1項所述之光切換器，其中上述之致動器為閂鎖型元件。 2 1 · —種光切換器，其至少包含：一第一波導；一第二波導，其與該第一波導相交於一交會處；一溝槽，其與該第一及第二波導相交，一部分的溝槽係配置於該交會處内；以及一滑動構件，其具有第一反射面及第二反射面，該構件可沿著位於該交會處之内的第一位置與位於該交會處外部的第二位置之間移動。 2 2 · —種切換光切換器中之光學訊號的方法，該光學訊號係由一輸入波導之一面導引並離開而至第一與第二輸出波導其中之一的輸入面，該輸入波導界定一光學路徑，該光學路徑係同軸於由該第一輸出波導所界定之光學路徑，並與由該第二輸出波導所界定之光學路徑相交，該輸入波導與該第一及第二輸出波導皆具有其各自相關且大致相同的折射率，該輸入波導及該第一輸出波導係配置於一溝槽的相反面，該溝槽内具有一介質，該介質之折射率不同於該等波導之折射率，該方法包含將該輸入波導及該第一輸出波導分開一距離的步驟，使得該第29頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNSUUI^格（210 X 297公釐) -------------------訂---------線 law. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 503329 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍光學訊號行經該距離時，不會受到該介質與該等波導之折射率不同所造成的影響。 23.如申請專利範圍第22項所述之方法，其中上述之溝槽的寬度約在8至40微米之間，如此即決定該輸入波導與該第一輸出波導的分隔距離。第30頁本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) —----—------------訂 ---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)