TW559677B - Thin walled core band-gap waveguides - Google Patents

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559677 五、發明說明（1) | ! 本發明依據2001年4月17日申請之美國第6〇/284,242 就專利主張優先權 發明背景： 1 ·發明領域： 本項1¾明大致上係關於由能夠抽拉出光子帶狀間隙晶 體波導製造出具有缺陷之光子晶體預製件^方法，特別是曰曰 關於形成光子晶體預製件缺陷的方法 2 ·技術背景 業界使用已超 領域向前的一 係數的特性。有害的非線性效應可藉由設計η /丨口田⑺％ X 面積的全反射波導加以緩和。然而，為了設計提供"較^ J的 有效面積，心蕊折射率分布的複雜度通常會&加。這種複 雜度通常代表較高的成本。 最近，繞射被研究作為在材料中引導光線的一種方法 。在光線引導協疋中侷限機制為繞射，引導光線的材料亦 即光波導的心蕊可能為相當低的折射率和較低的密度。事 貝上，使用氣體或真玉管作為波導心蕊變得假實用 特別適合作為繞射型態光波導的結構是光子帶狀間隙 曰-曰體。光子晶體本身外形特徵為規則的晶格|外形特徵的 藉由全反射原理引導光線的光波導在商 過2 0年。雖然此種設計的光波導代表在電訊 大步驟，而在其它波導纖維設計上的研究還是繼續著。全 反射機制一個特殊的缺點在於侷限光線到較高的指數部分 ，亦即波導纖維的心蕊。較高的指數心蕊通常密度也較高， 所以具有因Rayleigh擴散的較高衰減，以及_交高的非線性 有相當高有效

559677 五、發明說明（2) _ 同距M ft iUi等的光綠波長 J 晶體的第一材料具有第一 J ^被表圪出光子 格或陣列形式 材料。此為基 包括以超過二 的細節上有利 =的第—材料具有折 a 内嵌在這第一材料的是右 ^ 人般日日 本光子晶體結構。=::;射率叫 種材料構成光子帶狀間隙曰二汁士的k化可 用的變化因素為Μ 曰曰體。在晶體結構 在基本的光子晶體結構中所神沾筮_ 4 w 第一種材料形成的空隙J t 的弟一材料可以只是 子晶體的第二材料 /， 隙。也就是說，孔隙可充作光 體將不會傳播在特定〇的s離），光子晶 光子晶體的「帶狀間隙、γ爿内某一波長的光線。這就是 特徵。正由於這個。」芬以提供光線侷限卜子晶體的 間隙晶體。 特倣，我們將這個結構命i為光子帶狀 為了形成光學冰道， 構)，在光子帶狀間隙曰心…疋才“|導， 中的不連續，可能是曰；體：， 的材料取魏之二:;間二中的變化，以-種不同折身" -部份。選擇缺陷的：：，Λ移除光子帶狀r:晶體材料 不會傳播缺陷產由光子帶狀間隙晶體製造出，其並 是指晶格結構 種不同折射率 在光子帶狀間般而言.是指引導4—石兹能量的結 妝門::ί: t光學波導類似，缺陷當作波導I蕊，而光子帶 曰’、日日豆§作是包層。然而，波導的機制心蕊為非

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㈣』而可實現低衰減以及 線性係數的 因為光子帶狀間隙晶體波導裎屮 ^ ^ ^ ^ ^ „ tl Λ ^；；l Ϊ 'F1 方法，+特別設計以使用於^ = 2狀間永晶體波導的 這心ί: ί ί ΐ 1 ΐ造ί多個縱向通道的預製件，姓刻 _正研究主要 率和從蝕刻处槿制、生必邋从f的步驟。因4改善蝕刻效 可行之；i製 執行效能，是目 發明摘要： 本發明的一項為製造光曰 份是使用第一知夕加:二件的組合。光+晶體第一部 解壁板厚度不會沿著'总's件長度之平+中。我們了 部份的管件時，管件有不同。在組合光子晶體第- 二部份亦即剩餘的部份利^:=分彼此相鄰。晶體的第 個管件組合成。第二組多個管件:二固/厚f的第二組多 件。就這樣組合光子a 牛叹计成圍繞第一組多個, 蝕刻掉壁板部分甘二，#弟一組多個管 有缺陷的效果。筮 州日]厚壁板在光子 亦即在光子晶體的帶件如此安排以 ，狀間隙内維持或傳播在 壁板相鄰的部分被移^广’因λ後加以蝕刻，直到光子晶體薄 ，钱刻掉壁板部分，复=* 組多個管件相連地組^ 晶體中形成 使缺陷產生， 具有各別波 559677 五、發明說明（4) 之光模。 在關於本發明第一項實施例中，第一組 成使得相鄰的薄壁板彼此位於相對位置，使 的相鄰點由一條線加以連接，那麼該線是連 封閉的。在蝕刻步驟中，所有在連續且封閉 從光子晶體被移除。有益地，第一組多個管 相鄰（最近的鄰居），薄壁板相鄰點形成例如 的對稱幾何形狀。 然而在另一實施例中，每一第一組多個 多個管件製造 得假如最接近 續的並且自身 直線内的管件 件可設計成連 S形或多邊形 管件的元件或 件ΐ i::ΐ::::j孔。也就是說，如f我們視外管 形或多邊形開。個別的内外管壁可選自由圓 邊形，而内壁ΛΓ曰群組。一種很好的選擇是外壁周圍是六 和多邊形作 描述製造管件 件緊宓堆晉:圍疋圓形。外壁周圍的六邊^可以提供管 比較= ΐ正沒有空氣間隙的堆置 的棬厭士圍的圓形相當容易製造，雖然在 的擠壓方法時斤 根據本；’：第種區別較不適當。」 種管件個別的 蝕刻率比第 組合的材料 具有第一 乃第一項另外的實施例中，第木組多個管件 第一和 α第二組多個管件不同的組合。兩 二蝕刻率；::合f態:具有不同的蝕刻率’第. 比第-組人、也就是說，餘刻物質移除第即* 口…仍竹 飪刿护^ σ的材料還快。在這種設計上，可Ψ利用較短的 ;!以形成光子晶體的缺陷。 X明的第二項為製造光子帶狀間隙晶 體波導光纖的

559677 五、發明說明（5) 方法。根據本發明第二項方法第一步驟和前 項中製造光子晶體預製件的說明一樣。在製 隙晶體波導光纖的另一步驟是減低預製件^ 達成波導光纖所需要的直徑。預製件直徑白勺 面本發明第— 造光子帶狀間 交又點，直到 減小可藉由此 ，且促的减小可Μ ώ丨 項技術上已知的數種方式以達成，例如加刼4 l…符田」 Λ训熱和拉製預芻杜 η 钇一搞士 4 达工石制此你赵1 Γ7丄一 JlL »、 、衣1千 另一種方式為預製件能夠加以加熱或強制通過一 小模。可以利用減小模和拉製來達到所要光子帶二力减 體波導光纖的直徑。這些技術在很多專利 =^隙晶 詳細說明過，故不在其中進一步討論。 巳 本發明該項實施例中，光子帶狀間隙晶 ft波導光纖有 對稱圓心的缺陷。波導光纖中缺陷的對稱大部份是來 於 在組合和蝕刻步驟達到的預製件中缺陷的對稱。 知，缺陷的對稱包括内側壁板週圍並不具有I銳朝?内門所 出作為減小光線散射，以及在光子帶狀 ^ 凸 均勾之核功率分佈。因為這個實施例的缺陷y是空隙f 缺陷有較低的非線性係數。如在此項 的’乂 據全反射原理的光學油宴伞總# / ? 11上所知的，和根 于及導先纖類似，光子帶‘問隙曰駚认 導光纖中的缺陷當作心姑f間隙曰曰體波 胜仙日日灿q £域。同樣地，圍表缺陷的光子 帶狀間隙晶體作為侷限朵媸ρ η :，国、、 學波導光纖的包層。由2拉以及㈣於全反射形式之光 該波長位於光子晶^帶、二^維持之杈具有各別波長；ι， 光子帶狀間;!：：：隙範圍内。 有規則的形狀。缺陷二=二2纖的實施例中，顯示其周圍 點的相關距離。相對;、、"*系的測里可藉著比較兩相對丁頁 、貝點為周圍上這些點從一點到另一點 559677 五、發明說明（6) 的汽庹Λ180度。在這個實施例，兩 離相差距離等於所維持模之波長 '· 本發明第三項是製造光子晶體波導 ，包括形成多個開孔的光子晶體的步驟門孔 離。開孔延伸通過光子晶體。敍刻這此g -触刻率之第一組成份。第二組開孔;基？ ，下的部份裱繞著第一群組以及具有呈 第二組成份。第一.蝕刻率比第二蝕刻率 步驟過程中，更多的材料從第一組開孔中移 因而提供了光子帶狀間隙晶體中的缺陷，可 需要的光模（電磁模）。 第三項的實施例中，個別的第一組和第 成是藉由組裝第一和第二組成份之管件。 組 有 料 最短和最長距 預製件的方法 彼此由壁板分 以擴大開孔。 具有呈現出第 it是多個開孔 第二蝕刻率之 使得在敍刻 #。蝕刻步驟 k計來維持所 組開孔的形 #為擠製的。 成份的第二體 第一材料位於 可強制通過擠 I子帶式間隙 在這第二項的進一步實施例中，光子晶 擠製具有第一組成份第一種體積以及第二 積之物件的方法在業界為已知的。例如具 中央的塊狀物以及圍繞第一材料的第二材 ‘模，以根據本發明第三項的實施例製造出 晶體。 ' 本發明的其他特色及優點將會在底下的詳細描述中說 明 祥 描述的，包括 對於熟知此技術者將很容易根據其中所 細說明，申請專利範圍及附圖作本發明的女際操作 人們了解前面的一般描述以及下列的詳 細說明只是本

559677 五、發明說明（7) 發明的範例作 j 一' 及特色提供一個八喝寻利靶固所界定出4本發叼的本芦 進-步的了解個也全^的了解。附圖是用來私 明以共同來解釋Lt 式貫施例，加“它們的說 詳細說明~釋本發明的原理及運作。 干於附$ t對本發明目前最佳實施例詳細說1明此r/丨骷 麥明光子帶狀 有六邊形的外 表示相同或類似的部份。圖！所顧干白::j相同的編號 =1¾體波導預製件的實 ^^ 周和圓揪从^ ^ 1 ζ 1 4 氣間隙。因 外周8的六邊 加以組裳，亦即在這此管件的鄰邊：、八遭形Τ 焱允S 1 η #、一吕什的㈤邊完全沒有空 形中心點，所以鸽杜U /人 遭形的外周8的六邊 (只有顯示六個營株Λ\疋非對5再的。管件12 -周〇所定義圓的圓心點偏離 彬中心fJ： c· μ J，、f $的 只有顯示六個管件)代表圍繞管；二對二杜 因此是對稱的。 戶斤界“邊形中心吻合， H管件14的不對稱性，每個管件14形1了4,4，，4"三 央。藉著放置中央薄壁板4面對光子晶體的中 以4白’Λ，Λ管件,14的薄壁板4’彼此相f，就和最近鄰 先移除。接下來要被移除的是相ί管件Η的薄 二Γ4”的各組。在這個實施例中，多個管件12和“的 ㈣❹是由同樣真正同質材料所形成，以使每個壁板的 559677 五、發明說明（8) 钱刻速率一樣。雖然 [ 板材料，然而以矽為主 貪β 4種不導十”才料作為壁 除這些壁板可二的h選擇。移 終在由光子晶體預製件制 ，:日豆^缺陷，因而最 中維持所需要的模。、衣、、’子甲狀間陽晶體波導光纖 在形成光子晶體預製件時 L 實施例中具有兩項功能，除了形成。 體積。增加孔隙的部f;可以提供增加光子/ “孔隙部份之 可以和增多=::!:，揭限在缺陷“功率部份 ^ IV w π，枸限在缺陷8 用在說明光子 可以和增多的孔隙部份一起增加。我們知道 晶體：孔隙是指可以被清空或充氣的空隙。 其株而ΐ裝圖1的光子晶體時，巾央部份16可以從遺漏-個 j乍為中央部份 件之後，管件 钱刻步驟再將 另一種選擇是薄壁板管件2可 、义：^兀件。在組合多個管件以形成預製 1 Π以移除，或者管件也可以留 箄飩引止 其蝕刻掉。戋者氺可以柿闲/在原位，專i钱刻步驟再} &件1 2和1 4的中央部份1 6。 成夕個 第一實施例 義了中心為β 形剛好形成對 圖2所示是對稱管件12的兩個實施例。 L内周1〇定義了圓心為6的圓周。而外周8^ 的/、遣形。圓心為6的圓周10和周 稱管件12。η每m φ &聊的，、遺L'、 在第一貝施例中，内周1 〇又是圓周。外周 ί开志：大的圓。圓心為6的圓周10和圓ΐ18的Ξ又： 好形成對稱管件12。 [ 圓又剛 $ 11頁 559677 五、發明說明（9) ，-，竹，& Ί丁 H « V…只化n 。在第一實施 例中，内周20是橢圓形，長軸22垂直於位移24的方向。外周 圖3所示是非對稱管件1 4的兩個實施例 ，，7 丨，一— 一 —— -- |/ w a »- 的中心6位移 ，使得從中心 形。外周1 8 形的中心26 定義六邊形8。橢圓形的幾何中心26從六邊形 長軸2 2和外周8定義六邊形的一邊平行對齊 6到中心2 6的位移形成4，4，，4"三個薄壁板 曰 在第二實施例中，内周2 0再定義一個橢B 是圓心6的圓周。外周1 8的圓心6相對於橢圓 ^以偏移。在第：實施例中，因為外周的圓形對稱，所以不 而要說明位移的方向。然而，我們知道第二g施例組合管 掉光子晶體所 :ί ’ Λ件二薄壁板部份的中心應該真正沿“徑相對於 對應的官件14。這種設計提供在蝕刻步驟刻 需的部份 藉由比較圖4和5,可以看到在光子晶體^中 用非對稱管件產生的好處。圖4和5說明了 I 使 =16和數個圍繞缺陷16的對稱管件12。圖4如明了當㈣ 用多：對稱管件組合時，敍刻步驟之後的光子晶體 。延伸至缺陷16的大型凸出物3。，形J不平的表面 :::Γ在缺陷中擴散光線傳播。在拉製步驟，預製件被 力:；欠化壁板的材料’並利用此項技術已知的數種設：： 卞。軟化壁板 陷1 6的中心向 份填滿。然而 狀間隙晶體波 方法加以拉伸。雖然也可使用其他玻璃或水晶不 料，不過壁板的姑斜是姑遝摇，、，<、,. 勺材 料，不過壁板的材料最好選擇以石夕為主的玻 材料的表面張力會導致凸出物變薄，並從缺 後縮。由於表面張力，弧形的孔隙32也會部 因為凸出物3 0和孔隙3 2非常顯著，在光^帶

559677 五、發明說明（ίο) 因為凸出物30和孔隙32非常顯著，在光子帶狀間隙 導光纖中拉製後的缺陷表面仍然相當不平整。 曰- / 相對地，圖5所示是根據本發明的光子^體預 光子晶體的中央部份使用非對稱管件加以組合。’ 驟之後，#鄰的薄壁板板被㈣掉，留下小凸出物 ^ 缺口 36。在拉製步驟過程中，小凸出物34會真正消豆_ 表面張力向後拉入壁板材料中。環繞六邊形朝内条二$ 物38和環繞六邊形朝外的突出物36在拉製步驟將會^ 滑，以產生具有平滑並接近圓形缺陷表面的光子帶θ 晶體波導光纖。從拉製圖5中蝕刻的預製件所產生平三並 接近圓形缺陷表面，與圖4的缺陷作比較，其大 :綠 擴散的量。 战低先線 圖5中顯示的缺陷1 6也可以利用對稱管件達嬖 似管件12,但從比管件12具有更高蝕刻率的材料所製、 如圖5中所示，根據本發明達成預製件更進一步的方 是利用缺陷區域16的材料擠製預製件，其中的材料V比' > 缺陷部份的光子晶體部份的材料有更高的蝕刻率。％ 我們了解管件結構或組成份之其他組合可用來提 子晶體區域，該區域優先地加以蝕刻掉。例如，組二二 域1 6的管件可以只是任何内部及外部幾何形狀的薄壁板^ 對於熟知此技術者而言，各式的增補和修正本發明 不背離本發明的精神和範疇是很容易的。因此本發x明 括的修改及變動都預期涵蓋在本發明申請專利範圍以 ^ 入：Sr

559677 五、發明說明（π) 同等物範圍内 mi 第14頁 559677 圖式簡單說明 第一圖（圖1)顯示說明本發明在蝕刻步驟之前管件的 組裝。 第二 預製件。 第三 體預製件 第四 稱管件或 第五 對稱管件 附圖元件 薄壁 8 ;圓形的 圓形内周 3 0 ;孔隙 圖（圖2)顯示出對稱管件以使用於 >且裝光子晶體 圖（圖3)顯示出非對稱管件以使用柃組裝光子晶 蝕刻後使用對 圖（圖4)顯示出光子晶體組件，其在 擠製光子晶體物體。 蝕刻後使用非 體。 圖（圖5 )顯示出光子晶體組件，其在 圍繞著對稱管件或擠製光子晶體物 數字符號說明： ;圓周18;橢 陷1 6 ;凸出物 板管件2 ;中央薄壁板4 ;圓心6 ; ^邊形的外周 内周1 0 ;管件1 2，1 4 ;中央部份1 6 20 ;長軸22 ;位移24 ;中心26 ;缺 32;凸出物34;突出物36。

Claims (1)

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   559677 六、申請專利範圍 内侧壁板週邊由圓形及多邊形選取出 7·依據申請專利範圍第6項之方法，其中外相|辟 邊形以及内側壁板週邊為圓形。 | 土板週邊為六 8·依據申請專利範圍第〗項之方法苴中」 一姓刻率之第一組成份以及第二組管：沈且=有第 第二組成份，以及第一蝕刻率大於第二蝕刻^。 J率之 9. 一種製造光子帶狀間隙晶體波導 含下列步驟： 錢 < ,法，5亥方法包 a )將第一組多個營株{壯& 份，一群組第一組管件之管'“”以形成《子晶體第-部 :提供群組管件較薄的及較厚：壁板;度土 件組裝為一束使得相鄰管件較薄:知，“第一組管 b )組裝第二組多個管件圍繞一。份彼此相鄰； j體第二部份，第二組管件：每一管一：Η束以形成光子 度； 具有均勻的壁板厚 c) 蝕刻第一及第二組管件之壁 組管件均具有 中心軸之斷面； 其中斷面垂直 以形成波導光 部份以在光子晶體中形成缺陷i第一Μ麵刻掉相鄰較薄壁板 長向中心軸，以及光子晶體呈曰右=及第 以及 曰曰體具有垂直於長向 d) 在广驟c)後減小光子晶體斷 於第—組以及第二組多個管 =面積， 纖。 之長向中心轴 1 0 .依據申請專利範圍第9項之方法 晶體缺陷週邊對稱於中心點。/，其中在+驟d)後光子

   559677 六、申請專利範圍 方法，該方法包 藉由壁板彼此 端部； 有壁板，第一組 第一組開孔壁 1 1 ·依據申請專利範圍第1 0項之方法，其中,長為；I之光線 傳播於缺陷中以及週邊上兩個相對點間最短距離與週邊上 兩個相對點間最長距離之間的差值等於A 1 2. —種製造光子帶狀間隙晶體波導光纖之 含下列步驟： a) 形成具有多個開孔之光子晶體，該開孔 分離，開孔由光子晶體第一端部延伸至第二 b) 蝕刻壁板以去除該處材料；其中 多個開孔區分為第一及第二組，每一組具 壁板為連續性的以及由第二組開孔圍繞著， 板為第一組成份以及具有第一蝕刻率，第二f且開孔壁板為 第二組成份以及具有第二蝕刻率，其中第一蝕刻率大於第 二蝕刻率。 一及第二組開 成。 子晶體為擠製 13. 依據申請專利範圍第12項之方法，其中第 孔之壁板分別由第一及第二形式之管件所構 14. 依據申請專利範圍第13項之方法，其中光 物體。

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