TWI480606B - 波前合成器及光學開關 - Google Patents

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TWI480606B TW101101087A TW101101087A TWI480606B TW I480606 B TWI480606 B TW I480606B TW 101101087 A TW101101087 A TW 101101087A TW 101101087 A TW101101087 A TW 101101087A TW I480606 B TWI480606 B TW I480606B
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Description

波前合成器及光學開關 發明領域
本揭示內容係有關光互連體與光開關。
 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信號來編碼，故瀏覽網際網路需從一光纖快速輸導光信號至另一光纖。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，接著將該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”)技術來執行。數百個進入與向外的光纖末端以微小的透鏡來覆蓋，並在一光信號組件的表面上作為一陣列來予以安裝。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一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一微鏡，而朝定方位來引導該光信號進入一輸出光纖之另一微鏡。該等微鏡可以毫秒的等級來電子式重新定方位，允許光信號從輸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。
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
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。
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。
第13圖顯示一沿一界限波導放置之一調和設備的範例。
第14圖顯示一從一二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。
 詳細說明
本揭示內容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100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、與四個輸出耦合器108-111。該波導樹102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117與118。
第1圖之範例中，因為該等四個輸出耦合器108-111為對齊，故該波前合成器100參照為一個一維度波前合成器。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200參照為二維度。
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。兩維度波前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。
該等波前合成器可於一單一基本半導體中形成，諸如矽(“Si”)與鍺(“Ge”)、或一複合半導體，諸如III-V複合半導體，其中羅馬數字III與V表示元素週期表中IIIa與Va直行中的元件。複合半導體可由直行IIIa元件所組成，諸如鋁(“Al”)、鎵(“Ga”)、與銦(“In”)，並組合直行Va元件，諸如氮(“N”)、磷(“P”)、砷(“As”)、與绨(“Sb”)。複合半導體亦可進一步根據該等III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砷化鎵、磷化銦、砷化銦、與磷化鎵之半導體；三元複合半導體包括具有實驗式GaAsy P1-y 之半導體，其中y的範圍從大於0至小於1；而四級複合半導體包括具有實驗式Inx Ga1-x Asy P1-y 之半導體，其中x與y兩者的各自範圍從大於0至小於1。其他適當的複合半導體類型包括II-VI材料，其中II與VI表示週期表之IIb與Via直行中的元件。例如，硒化鎘、硒化鋅、硫化鋅、與氧化鋅為示範二進制II-VI複合半導體之實驗式。
該等波前合成器可藉由首先將一高折射率指數材料沉積於一較低折射率指數材料上，諸如二氧化矽或氧化鋁來形成，其可作為該基體與作為一較低披覆層。該等波導、微環、與輸出耦合器可使用各種不同的平板印刷術與/或蝕刻技術，諸如奈米壓模微影術或反應性離子蝕刻技術，以該較高折射率指數材料來形成。該波前合成器可具有一空氣披覆或可由作為一較高披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一光信號源。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“0”，反之亦然。
該等輸出耦合器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，其具有位於該波導117末端之一絕緣錐體126以及一次波長光柵128。第3A圖至第3B圖個別顯示位於該波導117末端之輸出耦合器108的放大立體圖與側視圖。該光柵128由以凹槽304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耦合器108之光線波長λ大於該等線段302之線寬ρ以及該光柵128之間距P。如第3A圖所示，該光線進入該光柵128並從該光柵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，光線從該光柵128輸出並具有以半球輪廓表示之一球狀波前310。
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。實際上，雖然該空間上同調性其特徵在於該波前310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，因為以一雷射發出產生的光線之粒狀本質，所以從該光源122輸出之光線為準單色。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10奈秒或更長的一時間週期，以一規律的正弦方式振盪而不中斷。該光線範圍以一不中斷方式振盪的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振盪之對應空間範圍是該同調性長度，並且為該時間上同調性的另一測量值。結果是，從該光源122輸出之光線從該光柵128輸出而僅具有部分的時間同調性。
該分支波導102之對稱二進制樹狀結構可確保在每一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108-111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108-111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400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極化並與該光柵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ρ/P可被選定，使得該光柵404可輸出TE極化或TM極化之光線，或者該光柵404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柵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108-111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柵來執行。第5圖顯示一於一界限波導502之末端部分形成的一示範輸出耦合器500之頂視圖。該輸出耦合器500由於該界限波導502中形成之一序列圓形孔洞504所組成。該界限波導502可代表替代上述輸出耦合器且具有該序列孔洞504之該等波導108-111的其中之一。如上述參照第3B圖，從該輸出耦合器500輸出之光線可具有一球狀波前。
回到第1圖，該等合成器100與200亦包括可電子連接至該等微環的每一個之一電壓源124。每一微環受組配而與從該光源122注入該等分支波導之光線的通道部分諧振。該電壓源124可由，諸如一處理器之一電子連接計算設備(未顯示)來操作以獨立將一適當電壓施用至每一微環。該施用電壓可用來調和該微環之諧振頻率，使得該微環之諧振可位移來更接近與該通道諧振，或者位移來遠離與該通道諧振。
第6圖顯示一示範微環602與一相鄰界限隆起波導604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n 為該微環602之有效折射率指數，p 為該微環602之有效周長，m 為指出該諧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f 之光線接近該微環602之諧振頻率f m 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602如上述與該光線“部分諧振”，而該光線如上述為“過度耦合”。第6圖顯示以一方向線606表示且從該微環602之波導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中循環並具有某些內部耗損608。另一方面，該微環602之諧振頻率f m 幾乎與該波導604承載之光線頻率f 匹配時(亦即，f ～f m )，該光線漸消失地耦合進入該波導604、維持受限制，並經由內部耗損而散逸。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p 、及/或該有效折射率指數n 改變時，該微環602之諧振頻率f m 會位移。該等變數很小時，該諧振頻率之泰勒表示法為
其中由於該頻率f 、該溫度T 、與該局部載體密度q 的改變，故該有效折射率指數n ≡n(f,T,q) 跟著改變。組合該諧振頻率之泰勒表示法與該n 的微分
可給定該模式m 之諧振頻率中的部分位移：
其中n g =n +f n/ f 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之諧振頻率位移可表示為：
其中針對該諧振頻率中的部分位移，δm =0以及δT =0。該微環602之諧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n 改變以及該微環602之有效周長p 會改變。根據該諧振條件，因為該諧振頻率f m 為該有效周長p 與該有效折射率指數n 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602之諧振頻率上產生一對應改變。例如，該諧振頻率之一位移可表示為：
其中針對該諧振頻率中的部分位移，p ≡p(T) ，δm =0以及δq =0。針對諸如Si之某些材料，該周長p 的改變可忽略(亦即，δp =0)。因為該微環602之有效折射率指數n 、以及可能該有效周長p 可藉由改變該微環602之溫度來改變，故該微環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。
該波導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：
其中E in 為一電磁波到達該微環602之前的複數表示法，E out 為該電磁波在該微環602之後的複數表示法，該比例E out /E in 表示該透射率，κ為微環對波導之耦合，Δ為從該光線之頻率f 解調和的微環，而γ為該微環602之內部耗損，以從第6圖中該微環602射出之一光波608來表示。
應注意該微環602可組配並調和來臨界耦合從該波導604進入該微環602之光線時，Δ0(亦即，f f m )而κγ以及該透通率幾乎為零(亦即，E out 0)。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Φ：
其中
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Δ/κ之平面圖。第7圖中，該透射率E out /E in 以實曲線702來表示而該相位位移Φ以虛曲線704來表示。曲線702與704顯現調和該微環602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，Δ<0)或幾乎為2π(亦即，Δ>0)的一相位位移，|Δ|/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一相位位移π時，△0而該透射率在最小值706。該微環602可受精確調和使得該電磁波需要一相位位移介於特徵在於該曲線704之陡峭部分708的0與2π之間時，△/κ接近“0”而該透射率介於“1”與該最小值706之間。
該微環602可組配來藉由以適當的電子施體與電子受體原子或雜質來摻雜環繞該微環602之基體區域作電子調和。第8A圖顯示環繞該微環602之摻雜區的示意代表圖與頂視圖。第8B圖至第8C圖顯示沿第8A圖之線段IA-IA與IB-IB，該微環602之兩個不同的橫截面圖。該範例中，該微環602由一本質半導體所組成。一p型半導體區802可在該微環602內部之基體中形成，而一n型半導體區804可在環繞該微環602外側之基體中形成。該p型區802與該n型區804可與該微環602形成一p-i-n接面。其他範例中，該摻雜物可被反向來於該微環602內部之基體形成一n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圖顯示該微環602下方之摻雜區的一示意代表圖與一頂視圖。第9B圖顯示沿第9A圖之一線段II-II該微環602之一橫截面圖。此範例中，該微環602亦由一本質半導體所組成。一p型半導體區902可在該微環602之一部分下方的半導體基體中形成，而一n型半導體區904可在該微環602之一不同部分下方的半導體基體中形成。該p型區902與該n型區904可與該微環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602之電能帶隙的原子。該等雜質亦稱為“電子受體”。n型 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位之p型雜質；而磷、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III-V複合半導體中，直行V/I雜質可替代該III-V晶格中之直行V位置並作為n型雜質，而直行II雜質可替代該III-V晶格中之直行III以形成p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602之有效折射率指數的改變可透過電流注入來引發。一逆偏情況下，一電場可跨過該微環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602之一區域來作熱調和。第10A圖顯示一示範加熱元件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1004以及位於該區域1008末端之電極1006與1008所組成。該加熱元件1002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，該阻抗區1004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1006與1008可被忽略而該阻抗區1004可由白金、鎳鉻合金、碳化矽、二矽化鉬，或透過阻 抗將電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該加熱元件可放置在該基體之表面。第10B圖至第10C圖顯示如第10A圖所示沿一線段III-III該微環602之橫截面圖。第10B圖之範例中，該阻抗區1004可內嵌於該基體中。第10C圖之範例中，該阻抗區1004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11A圖顯示嵌於該微環602之一部分下方的基體中之一加熱元件1102的示意代表圖與頂視圖。第11B圖顯示沿第11A圖之一線段IV-IV該等微環602與加熱元件1102之橫截面圖。
微環可藉由組合上述元件並參照第8圖至第11圖來作電氣與熱調和。例如，上述參照第9圖之p與n型區域902與904可與上述參照第10圖之加熱元件1002組合。或者，上述參照第8圖之p與n型區域802與804可與上述參照第11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1204之一示範微環1202與位於該界限波導1204末端之一輸出耦合器1206的頂視圖。如上述參照第6圖與第7圖，該微環1202可調和來過度耦合一電磁波E in 進入該微環1202以便在進入該輸出耦合器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E out 從該輸出耦合器1206輸出1210並具有一球狀波前以及被極化。
應注意該微環1202亦可被電氣及/或熱調和來臨界耦合來自該波導1204之電磁波E in 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1206輸出。
第13圖顯示一替代調和設備1302的一範例，其將沿一界限波導1304發送之一電磁波中的一相位位移Φ施加至一輸出耦合器1306。該調和設備1302包括於鄰近該波導1304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1308與1310間之該波導1304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1308與1310間之波導1304的折射率指數。一電磁波E in 1312以一相位速度v =c/n 進入該等區域1308與1310間之波導1304，其中n 為該波導1304之折射率指數。電流注入該波導1304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v' =c/n' ，並取得一相位位移Φ。如上述參照第3圖與第4圖，該電磁波E out 從該輸出耦合器1306輸出1312並具有一球狀波前以及被極化。或者，如上述參照第10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1308與1310間之波導1304部分的折射率指數n 位移至折射率指數n' 。
第14圖顯示在該二維度波前合成器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耦合器輸出之波前部分描繪為重疊。例如，個別從該等輸出耦合器216與217輸出之波前1402與1403可產生一重疊區1404。該等波前1402與1403與從該輸出耦合器212輸出之波前1405重疊以產生一重疊區1406。在離該合成器200之平面更遠的距離，來自非相鄰輸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，從該等三個輸出耦合器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耦合器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 i ，其中i 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15A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1506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15A圖之範例中，有關該等輸出耦合器1501與1504之微環可調和來臨界耦合來自該等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，故該等波前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1512-1514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之間與周圍的波前1508與1510之破壞干擾區。該等三光束1512-1514之輻射可以峰值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Φ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1508與1510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1500之平表面垂直的方向1524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一不同方向來操縱。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耦合來自該等相關界限波導之光線，而相關該輸出耦合器1502之微環可調和來臨界耦合來自該相關界限波導之光線以產生具有該相位位移Φ之波前1508。但是相關該輸出耦合器1503之微環可調和來過度耦合來自該相關界限波導之光線以產生具有大於該相位位移Φ之相位位移Φ'的波前1510。結果是，建構干擾產生之光束1512-1514可於該較大相位位移Φ'的方向來操縱。該干擾型樣1516亦可從如第15A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1501-1504之橫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1502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Φ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16A圖至第16B圖顯示一操縱從該等輸出耦合器1501-1504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16A圖之範例中，相關該等輸出耦合器1501-1503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15A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16B圖之範例中，相關該等輸出耦合器1501-1503之微環可調和來個別輸出具有相位位移Φ1 、Φ2 、與Φ3 之波前，其中Φ1 >Φ2 >Φ3 ，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。施加至從該等輸出耦合器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之傳播進入遠離該法線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內位移。結果是，該中間光束與波前組合可被操縱在小於一奈秒內進入一不同方向。該等相當快速之切換速度可使波前合成器適合併入光開關中以便將輸入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100與200，其中該光源122為一光信號來源。該光開關可包括定向之一光纖陣列，使得該等光纖末端面向該輸出耦合器陣列。
第17A圖至第17B圖顯示一操作來將一光信號注入一光纖陣列之兩個不同光纖的示範光開關1700。該光開關1700包括，如第15圖所示之波前合成器1500、以及顯示五條光纖1702-1706之一光纖陣列1701。該光纖陣列1701可為一維度或二維度光纖陣列。該等光纖可定向來使得該等光纖之末端面向該輸出耦合器陣列。每一光纖末端以一透鏡來覆蓋以便聚焦入射光進入該光纖核心。該光開關1700亦包括放置於該等輸出耦合器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1500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1500之根波導(未顯示)的一光信號從該等輸出耦合器1501-1503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1710導引進入該光纖1704之核心。
第17B圖之範例中，該波前合成器1500如上述參照第15C圖來操作以便施用該等相位位移Φ1 、Φ2 、與Φ3 ，其中Φ1 >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θ'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，如方向箭頭1716所指。該波前干擾並由該透鏡1714導引進入該光纖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1800。該光開關1800包括一波前合成器1802，其中顯示六個輸出耦合器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'1 、Φ'2 、Φ'3 、與Φ'4 之波前，其中Φ'1 >Φ'2 而Φ'4 >Φ'3 。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Φ'1 與Φ'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1820之核心，如方向箭頭1822所指。該等相位位移Φ'3 與Φ'4 受選擇來使得該組合波前1824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1830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示內容之完全了解。然而，很明顯地對業界熟於此技者而言，並不需要該等特定細節來實作本文所述之系統與方法。上述特定實施例之說明係為了舉例解說與說明而呈現。其不意欲為本揭示內容之窮舉或將其侷限於所述之該等精確型式。很明顯地，有鑑於上述教示其可有許多修改與變化型態。本案顯示與說明該等實施例來將該揭示內容與實際應用之原則作最有效說明，因而允許其他的業界熟於此技者來最有效使用該揭示內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。本揭示內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。
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
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
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、Δ．．．微環
604．．．界限隆起波導
606．．．方向線、電磁波
608．．．內部耗損、光波
702．．．實曲線
704．．．虛曲線
706．．．最小值
708．．．陡峭部分
802、902、1308．．．p型半導體區
804、904、1310．．．n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
E in 、E out ．．．電磁波複合表示法
f ．．．頻率
f m ．．．諧振頻率
κ．．．微環對波導耦合
m ．．．正整數、模式指數
n、n '．．．有效折射率指數
n g ．．．有效群組折射率指數
P ．．．間距
p ．．．有效界限
q ．．．局部載體密度
T ．．．溫度
v、v '．．．相位速度
λ ．．．波長
ρ ．．．線寬
γ ．．．內部耗損
Φ、Φ i ．．．相位位移
θ'．．．角度
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。
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。
第13圖顯示一沿一界限波導放置之一調和設備的範例。
第14圖顯示一從一二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。
122‧‧‧光源
124‧‧‧電壓源
200‧‧‧波前合成器
202‧‧‧波導樹
204-211‧‧‧微環諧振器
212-219‧‧‧輸出耦合器
220‧‧‧根波導
222-229‧‧‧界限波導

Claims (12)

  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(terminus waveguide)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；放置於該平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，以操縱該光束與該等至少兩個波前之方向。
  2. 如申請專利範圍第1項之合成器，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。
  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(taper)與一次波長光柵。
  5. 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在一界限波導之末端附近所形成的一序列孔洞。
  6. 如申請專利範圍第1項之合成器，其中該波導樹與輸出 耦合器可輸出互相同調具有相同極化的波前。
  7. 如申請專利範圍第1項之合成器，其中每一微環諧振器更包含包括一相鄰p型半導體區與一相鄰n型半導體區之一p-i-n接面。
  8. 如申請專利範圍第1項之合成器，其中每一微環諧振器更包含一相鄰加熱元件。
  9. 一種光學開關，包含有：一光纖陣列；一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統，其中該波前合成器從該光源接收一光信號並以一選定角度遠離該平面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；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分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；放置於該平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，以操縱該光束與該等至少兩個波前之方向。
  10. 如申請專利範圍第9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。
  11. 如申請專利範圍第9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。
  12. 如申請專利範圍第9項之開關，其中該波導樹與輸出耦合器可輸出互相同調具有相同極化的波前。
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