TWI635331B - 波導 - Google Patents

Abstract

一種波導，包含基板、多層包覆層、第一介電層、第二介電層及第三介電層。包覆層位於基板上，並定義出至少一隧道於其中，且包覆層的其中至少一者為的材料包含金屬。第一介電層設置於隧道中，並具有第一折射率。第二介電層設置於隧道中，並具有第二折射率。第三介電層設置於隧道中，並具有第三折射率。第二折射率大於第一折射率，且第二折射率大於第三折射率。第二介電層位於第一介電層與第三介電層之間。

Description

波導

本發明是有關於一種波導。

隨著資訊處理的發展，廣泛使用的排線其傳輸速度已經漸漸跟不上中央處理器的計算速度。因此，藉由光信號增加傳輸速度的概念已被實現出來。此外，相較於電性傳輸，光信號傳輸可具有實質上較大的頻寬。於光學傳輸系統之中，二進位的電性訊號可被轉換為光信號，接著，光信號可再藉由光通道而到達光接收器，並被轉換回電性訊號。對此，光信號於光通道內的傳輸表現將可能會影響資料傳輸的效能。

本發明之一實施方式提供一種波導，包含了多層包覆層及多層介電層，且多層介電層為設置於由多層包覆層所定義的隧道中。於介電層的組合體中，具有最大折射率的介電層可做為核心層。藉由自核心層向外漸減少折射率的配置，可增加行進於波導內的光束的行進方向之中的水平分量，其中此水平方量為平行於隧道的軸向方向，因此，可提升波導的傳輸效率。

本發明之一實施方式提供一種波導，包含基板、多層包覆層、第一介電層、第二介電層及第三介電層。包覆層位於基板上，並定義出至少一隧道於其中，且包覆層的其中至少一者為的材料包含金屬。第一介電層設置於隧道中，並具有第一折射率。第二介電層設置於隧道中，並具有第二折射率。第三介電層設置於隧道中，並具有第三折射率。第二折射率大於第一折射率，且第二折射率大於第三折射率。第二介電層位於第一介電層與第三介電層之間。

100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H、100I、100J‧‧‧波導

102‧‧‧基板

104、104’‧‧‧包覆層

106‧‧‧隧道

108‧‧‧絕緣層

109‧‧‧凹陷部

110‧‧‧第一介電層

112‧‧‧第二介電層

114‧‧‧第三介電層

116‧‧‧第四介電層

118‧‧‧第五介電層

1B-1B、1C-1C‧‧‧線段

E1‧‧‧第一邊緣

E2‧‧‧第二邊緣

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

L‧‧‧光束

第1A圖為依據本揭露內容的第一實施方式繪示波導的上視示意圖。

第1B圖繪示沿第1A圖的線段1B-1B的剖面示意圖。

第1C圖繪示沿第1A圖的線段1C-1C的剖面示意圖。

第2圖為依據本揭露內容的第二實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。

第3圖為依據本揭露內容的第三實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。

第4圖為依據本揭露內容的第四實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1C圖相同。

第5圖為依據本揭露內容的第五實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。

第6圖為依據本揭露內容的第六實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。

第7A圖為依據本揭露內容的第七實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。

第7B圖為第7A圖的波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1C圖相同。

第8圖為依據本揭露內容的第八實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。

第9圖為依據本揭露內容的第九實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。

第10圖為依據本揭露內容的第十實施方式繪示波導的剖面示意圖，其剖面位置與第1C圖相同。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請參照第1A圖、第1B圖及第1C圖，其中第1A圖為依據本揭露內容的第一實施方式繪示波導100A的上視示意圖，第1B圖繪示沿第1A圖的線段1B-1B的剖面示意圖，而第1C圖繪示沿第1A圖的線段1C-1C的剖面示意圖。波導100A可 用以傳遞光訊號，例如像是光束。波導100A包含基板102、多層包覆層104、第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114。基板102可由矽構成，而第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114的材料可包含二氧化矽與穿透材料的其中至少一者。此外，第1A圖、第1B圖及第1C圖的包覆層104繪示有網底。

包覆層104設置於基板102上，且包覆層104的其中至少一者的材料包含金屬。多層的包覆層104可於其之間定義出至少一個隧道106，如第1C圖所示，且相鄰之包覆層104的界線為以虛線表示。於部分實施方式中，互相相鄰的兩層包覆層104之間存在可辨識的界線。於另一部分實施方式中，互相相鄰的兩層包覆層104為互相合併，使得沒有可辨識的界線存在於其間。包覆層104可做為反射層，並用以反射行進於隧道106內的光束。隧道106具有延伸方向，且基板102具有鄰近包覆層104的第一表面S1，而隧道106的延伸方向與第一表面S1為實質上平行。

第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114設置於隧道106中。第二介電層112連接於第一介電層110，而第三介電層114連接在第二介電層112上，且第二介電層112位於第一介電層110與第三介電層114之間。因此，第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114的組合可為一種堆疊結構，例如，第二介電層112具有第二表面S2，第二表面S2朝向基板102並與基板102的第一表面S1平行。此外，第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114至基板102的垂 直投影可為相同的。也就是說，第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114至基板102的垂直投影會彼此重合，並具有相同的形狀和尺寸。

如第1B圖及第1C圖所示，介電層的組合體(即設置於隧道106的多層介電層)為內埋於包覆層104的組合體之中，使得介電層的組合體可接觸於包覆層104。對此，與第一介電層110及第三介電層114分別接觸的包覆層104的材料包含金屬。

介電層的組合體可自包覆層104的組合體的第一邊緣E1延伸至第二邊緣E2，且第一邊緣E1與第二邊緣E2為彼此相對。第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114分別具有第一折射率N1、第二折射率N2及第三折射率N3。第二折射率N2大於第一折射率N1，且第二折射率N2大於第三折射率N3，即N2>N1且N2>N3。於此配置下，當有光訊號於包覆層104的組合體內自第一邊緣E1傳遞至第二邊緣E2時，可減少光訊號所產生的反射次數，對此，以下將說明減少光訊號所產生的反射次數的機制。

如第1B圖所示，光訊號可例如為所標示的光束L。於部分實施方式中，光束L可由發射器(未繪示)提供，且發射器可設置於包覆層104的組合體的第一邊緣E1。此外，第二介電層112的第二折射率N2可被設計為與位於包覆層104的組合體外的介質(未繪示)的折射率光學匹配。

光束L可自第一邊緣E1穿過第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114，而行進至第二邊緣E2，且光束L 可由包覆層104反射，如第1B圖所示，其繪示了光束L的光路，然而此光路僅為範例。光束L可自第二介電層112行進往第三介電層114，而一旦光束L自第二介電層112進入第一介電層110及第三介電層114的其中一者時，光束L可能於會於其之間的界面發生反射，且由於第二折射率N2大於第一折射率N1及第三折射率N3，故光束L的入射角會小於折射角。此外，於介電層的組合體中，具有最大折射率的第二介電層112可做為其中的核心層。

於此狀況下，由於光束L的入射角小於折射角，故於光束L的行進方向中，其與第一表面S1平行的水平分量會增加，而當光束L的行進方向中的水平分量增加時，光束L自第一邊緣E1行進至第二邊緣E2的光路可被縮短，使得光束L對於包覆層104的組合體所產生的反射次數也會減少。另一方面，當光束L的行進方向中的水平分量增加時，可增加光束L的總路徑之中的有效路徑的比例。關於詞彙「有效路徑」，其所指為光束L於波導100A之中的移動量的水平分量。因此，波導100A的傳遞效率可提升。

於以下實施方式中，將對介電層的配置變化作說明，而與上述實施方式相同的部分將不再贅述。

請看到第2圖，第2圖為依據本揭露內容的第二實施方式繪示波導100B的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。本實施方式與第一實施方式的至少一個差異點為，本實施方式的波導100B更包含絕緣層108。絕緣層108設置於包覆層104的其中一者與基板102之間。舉例而言，絕緣層108設置於 包覆層104’與基板102之間，且絕緣層108接觸於基板102與包覆層104’。絕緣層108具有凹陷部109，且凹陷部109承接位於其上之包覆層104’的一部分。

如第2圖所示，第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114的組合體為設置於隧道106之中，並位於絕緣層108之上。由於存在絕緣層108的凹陷部109，故包覆層104的組合體及隧道106的形狀會隨之變化。舉例而言，第一實施方式的隧道106可視作為一條長直隧道，而本實施方式的隧道106可視作為折線形的隧道。因此，設置於隧道106內的介電層的組合體的形狀也會隨之變化。舉例而言，第一介電層110的一部分會以朝向基板102的方向突出，且第二介電層112及第三介電層114可具有與第一介電層110相同的形狀。換言之，第一實施方式的介電層的組合體可視作為一條長直通道，而本實施方式的介電層的組合體可視作為折線形的通道。

請看到第3圖，第3圖為依據本揭露內容的第三實施方式繪示波導100C的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。本實施方式與第一實施方式的至少一個差異點為，本實施方式的包覆層104的其中至少一者，以朝向隧道106且背向基板102的方向突出，例如像是位於基板102與第一介電層110之間的包覆層104’。

如第3圖所示，由於包覆層104’以朝向隧道106且背向基板102的方向突出，故位於隧道106中的介電層的組合體的形狀也會隨之改變。舉例而言，第一介電層110的一部分會以背向基板102的方向突出，且第二介電層112及第三介 電層114會具有與第一介電層110相同的形狀。因此，本實施方式的介電層的組合體可視作為折線形的通道。

請看到第4圖，第4圖為依據本揭露內容的第四實施方式繪示波導100D的剖面示意圖，其剖面位置與第1C圖相同。本實施方式與第一實施方式的至少一個差異點為，所形成之波導100D的介電層的組合體為環狀。

如第4圖所示，第一介電層110及第三介電層114互相連接，而第一介電層110及第三介電層114之間的界線以虛線繪示。於部分實施方式中，第一介電層110及第三介電層114之間存在可辨識的界線。於另一部分實施方式中，第一介電層110及第三介電層114為互相合併，使得沒有可辨識的界線存在於其間。

於介電層的組合體之中，第一介電層110及第三介電層114會圍繞第二介電層112，而因此第二介電層112的側表面會完全由具有較大折射率的介電層覆蓋。於此配置下，第二介電層112可做為介電層的組合體的核心通道。

請看到第5圖，第5圖為依據本揭露內容的第五實施方式繪示波導100E的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。本實施方式與第一實施方式的至少一個差異點為，波導100E更包含第四介電層116。第四介電層116設置於隧道106中，且第三介電層114位於第二介電層112與第四介電層116之間。第四介電層116具有第四折射率N4，且第二折射率N2大於第三折射率N3而第三折射率N3大於第四折射率N4，即N2>N3>N4。第二介電層112仍做為核心層。對所設置的多個 介電層而言，自基板102向上開始依序為第四介電層116、第三介電層114、第二介電層112及第一介電層110。換言之，第四介電層116為最接近基板102的介電層，且第四介電層116位於基板102與第三介電層114之間。

同於第一實施方式，第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114至基板102的垂直投影會與第四介電層116至基板102的垂直投影相同，且第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114及第四介電層116的組合體為內埋於包覆層104內。除此之外，與第一介電層110及第四介電層116分別接觸的包覆層104的材料包含金屬。

於本實施方式中，第一折射率N1、第二折射率N2、第三折射率N3及第四折射率N4之間的關係為第二折射率N2大於第一折射率N1及第三折射率N3，且第三折射率N3大於大四折射率N4，即N2>N1且N2>N3>N4。因此，可提升光束L(請見第1A圖)的行進方向中的水平分量，並藉以提升光束L(請見第1A圖)的總路徑中的有效路徑所佔的比例。

除此之外，介電層之組合體可為非對稱型結構。舉例而言，第一介電層110所具有的厚度會大於第二介電層112、第三介電層114及第四介電層116所具有的厚度。此外，於部分實施方式中，第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114及第四介電層116之中的至少一者的厚度可異於其他介電層的厚度。

請看到第6圖，第6圖為依據本揭露內容的第六實施方式繪示波導100F的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相 同。本實施方式與第五實施方式的至少一個差異點為，波導100F的介電層的堆疊順序作出改變。於波導100F中，對所設置的多個介電層而言，自基板102向上開始依序為第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114及第四介電層116。換言之，第一介電層110為最接近基板102的介電層，且第一介電層110位於基板102與第二介電層112之間。除此之外，介電層的組合體仍為非對稱型結構。

請看到第7A圖及第7B圖。第7A圖為依據本揭露內容的第七實施方式繪示波導100G的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同，而第7B圖為第7A圖的波導100G的剖面示意圖，其剖面位置與第1C圖相同。本實施方式與第一實施方式的至少一個差異點為，波導100G更包含第四介電層116及第五介電層118。第四介電層116及第五介電層118設置於隧道106中，且第四介電層116連接於第三介電層114而第五介電層118連接於第一介電層110。第三介電層114位於第二介電層112與第四介電層116之間，且第一介電層110位於第二介電層112與第五介電層118之間。第四介電層116具有第四折射率N4，而第五介電層118具有第五折射率N。第二折射率N2大於第一折射率N1且第一折射率N1大於第五折射率N5，以及第二折射率N2大於第三折射率N3且第三折射率N3大於第四折射率N4，即N2>N1>N5且N2>N3>N4。第二介電層112可視作為核心層。此外，第一折射率N1可異於第三折射率N3，且第四折射率N4可異於第五折射率N5。自基板102向上開始依序為第五介電層118、第一介電層110、第二介電層112、第三介 電層114及第四介電層116。換言之，第五介電層118為最接近基板102的介電層，且第五介電層118位於基板102與第一介電層110之間。

同於第一實施方式，第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114至基板102的垂直投影會與第四介電層116及第五介電層118至基板102的垂直投影相同，且第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114、第四介電層116及第五介電層118的組合體為內埋於包覆層104內。除此之外，與第四介電層116及第五介電層118分別接觸的包覆層104的材料可包含金屬。

請看到第8圖，第8圖為依據本揭露內容的第八實施方式繪示波導100H的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。本實施方式與第七實施方式的至少一個差異點為，波導100H更包含絕緣層108，且波導100H的絕緣層108可與第2圖所繪的絕緣層108相似。

如第8圖所示，同於第二實施方式，由於存在絕緣層108的凹陷部109，故包覆層104’以及設置於隧道106內的第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114、第四介電層116及第五介電層118的組合體的形狀會隨之變化。舉例而言，第五介電層118的一部分會以朝向基板102的方向突出，且第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114及第四介電層116可具有與第五介電層118相同的形狀。換言之，本實施方式的介電層的組合體可視作為折線形的通道。

請看到第9圖，第9圖為依據本揭露內容的第九實 施方式繪示波導100I的剖面示意圖，其剖面位置與第1B圖相同。本實施方式與第七實施方式的至少一個差異點為，本實施方式的包覆層104的其中至少一者，以朝向隧道106且背向基板102的方向突出，例如像是位於基板102與第一介電層110之間的包覆層104’。

如第9圖所示，由於包覆層104’以朝向隧道106且背向基板102的方向突出，故位於隧道106中的介電層的組合體的形狀也會隨之改變。舉例而言，第五介電層118的一部分會以背向基板102的方向突出，且第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114及第四介電層116會具有與第五介電層118相同的形狀。因此，本實施方式的介電層的組合體可視作為折線形的通道。

請看到第10圖，第10圖為依據本揭露內容的第十實施方式繪示波導100J的剖面示意圖，其剖面位置與第1C圖相同。本實施方式與第七實施方式的至少一個差異點為，於波導100J中，所形成之第一介電層110、第二介電層112、第三介電層114、第四介電層116及第五介電層118波導的組合體為環狀。

如第10圖所示，第一介電層110及第三介電層114互相連接，而第四介電層116及第五介電層118互相連接，以圍繞第二介電層112，且第一介電層110及第三介電層114之間的界線以及第四介電層116及第五介電層118之間的界線皆以虛線繪示。於部分實施方式中，這些界線為可辨識的。於另一部分實施方式中，介電層間的這些界線為不可辨識的。第一介 電層110及第三介電層114會圍繞第二介電層112，而因此第二介電層112的側表面會完全由具有較大折射率的介電層覆蓋(即折射率大於第二介電層112的介電層)。此外，第四介電層116及第五介電層118會圍繞第一介電層110、第二介電層112及第三介電層114。

綜上所述，波導包含了多層包覆層及多層介電層，且多層介電層為設置於由多層包覆層所定義的隧道中。於介電層的組合體中，具有最大折射率的介電層可做為核心層。藉由自核心層向外漸減少的折射率的配置，可增加行進於波導內的光束的行進方向之中的水平分量。因此，光束的光路可被縮短，且可以減少光束對於包覆層的組合體的反射次數。換言之，光束的總路徑之中的有效路徑的比例可被提升，藉以提升波導的傳輸效率。

雖然本發明已以多種實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (20)

1. 一種波導，包含：一基板；複數個包覆層，位於該基板上，並定義出至少一隧道於其中，且該些包覆層的其中至少一者為的材料包含金屬，其中該基板具有鄰近該些包覆層的一第一表面；一第一介電層，設置於該隧道中，並具有一第一折射率；一第二介電層，設置於該隧道中，並具有一第二折射率，其中該第二介電層具有朝向該基板的一第二表面，且該第一表面與該第二表面平行；以及一第三介電層，設置於該隧道中，並具有一第三折射率，其中該第二折射率大於該第一折射率，且該第二折射率大於該第三折射率，其中該第二介電層位於該第一介電層與該第三介電層之間，該第一介電層、該第二介電層及該第三介電層的材料包含二氧化矽。
2. 如申請專利範圍第1項的波導，其中與該第一介電層及該第三介電層分別接觸的該些包覆層的材料包含金屬。
3. 如申請專利範圍第1項的波導，其中該第一介電層的一部分以朝向該基板的方向突出，且該第二介電層及該第三介電層具有與該第一介電層相同的形狀。
4. 如申請專利範圍第1項的波導，其中該些包覆層的其中至少一者位於該基板與該第一介電層之間，並以朝向該隧道且背向該基板的方向突出。
5. 如申請專利範圍第4項的波導，其中該第一介電層的一部分以背向該基板的方向突出，且該第二介電層及該第三介電層具有與該第一介電層相同的形狀。
6. 如申請專利範圍第1項的波導，其中該第一介電層及該第三介電層互相連接，以圍繞該第二介電層。
7. 如申請專利範圍第1項的波導，更包含：一第四介電層，設置於該隧道中，其中該第三介電層位於該第二介電層與該第四介電層之間，該第四介電層具有一第四折射率，且該第三折射率大於該第四折射率。
8. 如申請專利範圍第7項的波導，其中與該第一介電層及該第四介電層分別接觸的該些包覆層的材料包含金屬。
9. 如申請專利範圍第7項的波導，其中該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層及該第四介電層之中的至少一者的厚度異於該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層及該第四介電層之中的其他者的厚度。
10. 如申請專利範圍第7項的波導，更包含：一第五介電層，設置於該隧道中，其中該第一介電層位於該第二介電層與該第五介電層之間，該第五介電層具有一第五折射率，且該第一折射率大於該第五折射率。
11. 如申請專利範圍第10項的波導，其中與該第四介電層及該第五介電層分別接觸的該些包覆層的材料包含金屬。
12. 如申請專利範圍第11項的波導，其中該第五介電層的一部分以朝向該基板的方向突出，且該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層及該第四介電層具有與該第五介電層相同的形狀。
13. 如申請專利範圍第11項的波導，其中該些包覆層的其中至少一者位於該基板與該第五介電層之間，並以朝向該隧道且背向該基板的方向突出。
14. 如申請專利範圍第13項的波導，其中該第五介電層的一部分以背向該基板的方向突出，且該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層及該第四介電層具有與該第五介電層相同的形狀。
15. 如申請專利範圍第11項的波導，其中該第一介電層及該第三介電層互相連接，以圍繞該第二介電層，且該第四介電層及該第五介電層互相連接，以圍繞該第一介電層、該第二介電層及該第三介電層。
16. 如申請專利範圍第10項的波導，其中該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層、該第四介電層及該第五介電層的其中至少兩者具有異於彼此的厚度。
17. 如申請專利範圍第10項的波導，其中該第一折射率異於該第三折射率，且該第四折射率異於該第五折射率。
18. 如申請專利範圍第1項的波導，更包含：一絕緣層，設置於該些包覆層的其中一者與該基板之間，其中該絕緣層具有一凹陷部，且該凹陷部承接位於其上之該包覆層的一部分。
19. 如申請專利範圍第1項的波導，其中該隧道的至少一部分具有一延伸方向，且該隧道之該延伸方向與該第一表面為實質上平行。
20. 如申請專利範圍第1項的波導，其中該基板由矽構成。