TWI641882B - 全光學式編碼元件 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種全光學式編碼元件，其包括：一表面形成有光子晶體結構的基板，該光子晶體結構包含複數個依該基板材質的晶格排列之第一柱狀物；一第一環狀共振器波導及一鄰近該第一環狀共振器波導的第二環狀共振器波導，形成於該基板上；一第一輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導的一第一邊；一第二輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導的一第二邊與該第二環狀共振器波導的一第三邊；一第三輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該環狀共振器波導的一第四邊；一第一輸出埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導；以及一第二輸出埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第二環狀共振器波導；其中，該等波導係為將部分的該等第一柱狀物自該光子晶體結構中移除所形成之缺陷線段。
Description
本發明係關於全光學式編碼元件，特別是一種以光子晶體技術來實現的全光學式編碼元件。
奈米科技與日俱進，使得以光子晶體來實現光波導已成為可行的製程。由於光子晶體具有許多獨特的物理特性，光子晶體波導亦隨而具有低損耗、可直角彎曲、無波導相交所致的串音干擾等優點，非常適於積體光路的連接應用，更可用以實現各種積體光學元件，例如：分光器、濾波器、調變器、光開關。然而，至今仍鮮有針對光子晶體波導在全光學式編碼器的實現或應用上加以探討。因此，有必要發展新的全光學式編碼元件技術，以改善上述的問題。
為達成上述之目的，根據本發明的一方面，一實施例提供一種全光學式編碼元件，其包括：一表面形成有光子晶體結構的基板，該光子晶體結構包含複數個依該基板材質的晶格排列之第一柱狀物；一第一環狀共振器波導及一鄰近該第一環狀共振器波導的第二環狀共振器波導，形成於該基板上；一第一輸入埠波導，
形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導的一第一邊；一第二輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導的一第二邊與該第二環狀共振器波導的一第一邊；一第三輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第二環狀共振器波導的一第一邊；一第一輸出埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導；以及一第二輸出埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第二環狀共振器波導；其中，該等波導係為將部分的該等第一柱狀物自該光子晶體結構中移除所形成之缺陷線段。
在一實施例中，該基板包含矽，且該等第一柱狀物係以三角形晶格排列於該基板的表面。
在一實施例中，該第一柱狀物為垂直於該基板的表面之一圓柱或一等邊多邊柱。
在一實施例中，複數個第二柱狀物形成於該光子晶體結構中、該等第一柱狀物被移除的部分所形成之缺陷線段中，且該等第二柱狀物形成該等波導。
在一實施例中，該第一環狀共振器波導與該第二環狀共振器波導皆為六邊形的環狀。
在一實施例中，該第一環狀共振器波導與該第二環狀共振器波導的形狀及尺寸彼此不同。
在一實施例中，該第一環狀共振器波導為六邊形的環狀，該第二環狀共振器波導皆為正方形的環狀。
在一實施例中，該第一輸入埠波導與該第一環狀共振器波導的該第一邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第一輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間；該第二輸入埠波導與該第一環狀共振器波導的該第二邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間；該第二輸入埠波導與該第二環狀共振器波導的該第三邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間；該第三輸入埠波導與該第二環狀共振器波導的該第四邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第三輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間。
在一實施例中，該第一輸出埠波導直接連接該第一環狀共振器波導的其中二邊之連接點，該第二輸出埠波導直接連接該第二環狀共振器波導的其中二邊之連接點，且該第一輸出埠波導、該第二輸出埠波導、該第一輸入埠波導、該第二輸入埠波導、及該第三輸入埠波導彼此平行。
在一實施例中，只有一列的該等第一柱狀物介於該第一輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間，只有一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間，只有一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間，且只有一列的該等第一柱狀物介於該第三輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間。
100‧‧‧編碼元件
110‧‧‧第一環狀共振器波導
120‧‧‧第二環狀共振器波導
111/112/113/114/115/116/121/122/123/124/125/126‧‧‧邊波導
130‧‧‧第一輸入埠波導
140‧‧‧第二輸入埠波導
150‧‧‧第三輸入埠波導
160‧‧‧第一輸出埠波導
170‧‧‧第二輸出埠波導
180‧‧‧基板
181‧‧‧第一柱狀物
182‧‧‧第二柱狀物
第1圖為根據本發明實施例之全光學式編碼元件的結構示意圖。
第2圖為根據本發明另一實施例之全光學式編碼元件的結構示意圖。
第3圖為根據本發明另一實施例之全光學式編碼元件的結構示意圖。
第4圖為根據本發明另一實施例之全光學式編碼元件的結構示意圖。
第5圖為根據本發明另一實施例之全光學式編碼元件的結構示意圖。
為對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明本發明的實施例如後。在所有的說明書及圖示中，將採用相同的元件編號以指定相同或類似的元件。
在各個實施例的說明中，當一元素被描述是在另一元素之「上方/上」或「下方/下」，係指直接地或間接地在該另一元素之上或之下的情況，其可能包含設置於其間的其他元素；所謂的「直接地」係指其間並未設置其他中介元素。「上方/上」或「下方/下」等的描述係以圖式為基準進行說明，但亦包含其他可能的方向轉變。所謂的「第一」、「第二」、及「第三」係用以描述不同的元素，這些元素並不因為此類謂辭而受到限制。為了說明上的便
利和明確，圖式中各元素的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各元素的尺寸並未完全為其實際的尺寸。
第1圖為根據本發明實施例之全光學式編碼元件100的結構示意圖。如第1圖所示，該編碼元件100包含一第一環狀共振器波導110、一第二環狀共振器波導120、一第一輸入埠波導130、一第二輸入埠波導140、一第三輸入埠波導150、一第一輸出埠波導160及一第二輸出埠波導170；其係形成於一基板180上，該基板180的表面將會製作成光子晶體結構，藉以形成光子晶體波導形式的上述波導110/120/130/140/150/160/170，使得該編碼元件100可執行全光學式的元件操作。這裡所謂的「全光學式」的元件操作，係指該元件的操作完全是以光能量或光信號來達成元件的驅動及其功能，不需要引入電能量或電信號。
該基板180的組成可以是介電質(Dielectric)材料；在本實施例中，我們將採用半導體的晶體材料作為該基板180，例如，矽(Si)基板。藉由適當的製程，例如，電子束蝕刻(Electronic beam lithography)，可在該基板180的表面形成光子晶體結構，其可包含複數個第一柱狀物(rod)181，以正方形或三角形晶格的形式排列成陣列；在如第1圖所示的實施例中，該等第一柱狀物181係排列成三角形晶格的陣列。該第一柱狀物181可以是圓形或等邊多邊形剖面的柱體，例如，圓柱體、方柱體或等邊六邊形柱體；且在本實施例中，該等第一柱狀物181係為垂直於該基板180表面的圓柱體之柱狀物。
在本實施例中，該第一環狀共振器波導110與該第二環狀共振器波導120具有相同的形狀及尺寸；例如，該第一環狀共振器波導110的輪廓為六邊形，具有一一接續的六個邊波導111/113/114/112/116/115而形成一環、且其六個內角皆為120度。
該第二環狀共振器波導120的輪廓亦為六邊形，具有一一接續的六個邊波導121/123/124/122/126/125而形成一環狀輪廓、且其六個內角亦皆為120度。如第1圖所示，該第一環狀共振器波導110的上側邊為第一邊波導111，其下側邊為第二邊波導112，其右側邊則有第三邊波導113及第四邊波導114，其左側邊則有第五邊波導115及第六邊波導116；該第一邊波導111與該第二邊波導112互相平行，該第三邊波導113與該第六邊波導116互相平行，該第四邊波導114與該第五邊波導115互相平行；該第二環狀共振器波導120的上側邊為第一邊波導121，其下側邊為第二邊波導122，其右側邊則有第三邊波導123及第四邊波導124，其左側邊則有第五邊波導125及第六邊波導126；該第一邊波導121與該第二邊波導122互相平行，該第三邊波導123與該第六邊波導126互相平行，該第四邊波導124與該第五邊波導125互相平行。該第一輸入埠波導130光學連接該第一環狀共振器波導110的第一邊波導111，該第二輸入埠波導140，光學連接該第一環狀共振器波導110的第二邊波導112與該第二環狀共振器波導120的第一邊波導121，該第三輸入埠波導150光學連接該第二環狀共振器波導120的第二邊波導122，該第一輸出埠波導160光學連接(夲實施例為直接連接)該第一環狀共振器波導110的第三邊波導113及第四邊波導114之連接點，且該第二輸出埠波導170光學連接(夲實施例為直接連接)該第二環狀共振器波導120的第三邊波導123及第四邊波導124之連接點。在如第1圖所示的實施例中，上述的該等波導110/120/130/140/150/160/170係為將部分的該等第一柱狀物181自該光子晶體結構中移除所形成之缺陷線段。
在另一實施例中，我們亦可在上述的缺陷線段中設置複數個第二柱狀物182，藉以形成該等波導110/120/130/140/150/160
/170。該第二柱狀物182亦可以是圓形或等邊多邊形剖面的柱體，例如，圓柱體、方柱體或等邊六邊形柱體；如第2圖所示，該等第二柱狀物182為形成於該等被移除第一柱狀物181原本的晶格位置上的方柱體，其餘皆與如第1圖的描述相同，在此不再贅述。請注意，該等第二柱狀物182的材質、形狀及其尺寸必須有別於該等第一柱狀物181，而產生不同的光子晶體之光學特性，藉以設計成該等波導110/120/130/140/150/160/170，並調整其波導特性。倘若該等第一柱狀物181與該等第二柱狀物182皆採用圓柱體，則其該等第二柱狀物182的直徑或材質可選用與該等第一柱狀物181不同者。
如第1圖所示，該第一輸入埠波導130平行於該第一環狀共振器波導110的第一邊波導111，且一列的該等第一柱狀物181介於該第一輸入埠波導130與該第一環狀共振器波導110之間，則該第一輸入埠波導130與該第一環狀共振器波導110的第一邊波導111形成一類似方向耦合器(directional coupler)的操作機制，以作為分光器(beam splitter)之用；該第二輸入埠波導140平行於該第一環狀共振器波導110的第二邊波導112與該第二環狀共振器波導120的第一邊波導121，且各有一列的該等第一柱狀物181介於該第二輸入埠波導140與該第一環狀共振器波導110之間、以及該第二輸入埠波導140與該第二環狀共振器波導120，則該第二輸入埠波導140、該第一環狀共振器波導110的第二邊波導112、及該第二環狀共振器波導120的第一邊波導121形成一類似複合式方向耦合器的操作機制，亦作為分光器之用；該第三輸入埠波導150平行於該第二環狀共振器波導120的第二邊波導122，且一列的該等第一柱狀物181介於該第三輸入埠波導150與該第二環狀共振器波導120之間，則該第三輸入埠波導150與該第二
環狀共振器波導120的第二邊波導122形成另一類似方向耦合器的操作機制，亦作為分光器之用。此外，該第一輸出埠波導160連接該第一環狀共振器波導110的第三邊波導113及第四邊波導114之連接點，以形成一類似Y形分岔(Y-branch)波導的操作機制，以作為合光器(beam combiner)之用，而該第二輸出埠波導170連接該第二環狀共振器波導120的第三邊波導123及第四邊波導124之連接點，形成另一類似Y形分岔波導的操作機制，亦作為合光器之用。在如第1圖所示的實施例中，該第一輸出埠波導160、該第二輸出埠波導170、該第一輸入埠波導130、該第二輸入埠波導140、及該第三輸入埠波導150互相平行。
如第1圖所示，當一光束經由該等輸入埠波導130/140/150而進入該等環狀共振器波導110/120，藉由上述的光子晶體結構波導之佈局設計，可使部分的(例如，55%~85%)光束能量順時鐘(或逆時鐘)方向行進於該等環狀共振器波導110/120中，其餘部分的(例如，15%~45%)光束能量則逆時鐘(或順時鐘)方向行進。如此，當信號光進入該等輸入埠波導130/140/150時，該信號光會被分光成在該等環狀共振器波導110/120中逆時鐘方向行進的信號光與順時鐘方向行進的信號光。在本實施例中，我們可設計該等環狀共振器波導110/120如下，使得對於上述逆時鐘方向與順時鐘方向行進的信號光而言，在該等環狀共振器波導110/120的第三邊波導113/123與第四邊波導114/124之Y形分岔連接點相遇時，會產生建設性或破壞性干涉，而使輸出至該等輸出埠波導160/170為建設性干涉的邏輯「1」輸出光或破壞性干涉的邏輯「0」輸出光。這可依據環狀共振器的光束重疊原理(superposition principle)而加以推論，因而可依據該等輸入埠波導130/140/150的輸入光信號，而輸出能量接近原光信號能量的邏輯「1」輸出光至該輸出埠
波導160/170，或是幾乎不輸出光能量的邏輯「0」至該輸出埠波導160/170。
以第1圖之光子晶體結構波導的編碼元件100為例，我們可藉由電磁場計算方法，例如，時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，簡稱FDTD)，來進行其光傳播特性的模擬，並針對三種波長1.31μm(micro-meter或微米)、1.49μm、1.55μm的信號光進行分析，其結果列示於第1表如下。其中，輸出/入光信號的能量將以邏輯「1」輸入光信號的能量為基礎進行規一化(normalization)來表示；因此，當輸入光信號為邏輯「1」與「0」，其規一化能量分別為100%與0%，且輸出光信號的規一化能量大於80%與小於10%時，分別視為邏輯「1」與邏輯「0」的輸出。由此結果可知，本實施例的光子晶體結構波導確能實現全光學式編碼的功能，且多種波長(例如，1.31μm、1.49μm、1.55μm)的信號光皆可操作。
在另一實施例中，其有別於第1圖，該等輸出埠波導160/170亦可不直接連接該等環狀共振器波導110/120的第三邊波導113/123與第四邊波導114/124之Y形分岔連接點，而是該等輸出埠波導160/170的左半部為一Y形結構，其二邊分別平行於該等環狀共振器波導110/120的第三邊波導113/123與第四邊波導114/124，並間隔一列的該等第一柱狀物181，如第3圖所示，則該等輸出埠波導160/170與該等環狀共振器波導110/120係為方向耦合式的光學連接。此外，該等輸入埠波導130/140/150與該等環狀共振器波導110/120的第一邊波導111/121以及第二邊波導112/122所形成的方向耦合器之耦合長度較短，藉以提供該等環狀共振器波導110/120適當的共振或干涉機制。除此之外，本實施例的其餘部份皆與如第1圖的描述相同，在此不再贅述。
在另一實施例中，我們亦可針對正方形晶格形式的光子晶體結構進行編碼元件的設計佈局。在如第4圖所示的實施例中，該等第一柱狀物181係排列成正角形晶格的陣列，垂直設置於該基板180表面。該等環狀共振器波導110/120的輪廓為正方形，具有四個邊波導111/112/113/114/121/122/123/124而各自形成一環狀。如第4圖所示，該等環狀共振器波導110/120的上側邊為第一邊波導111/121，其下側邊為第二邊波導112/122，其右側邊為第三邊波導113/123，其左側邊為第四邊波導114/124。該第一輸入埠波導130光學連接該第一環狀共振器波導110的第一邊波導111，該第二輸入埠波導140光學連接該第一環狀共振器波導110的第二邊波導112及該第二環狀共振器波導120的第一邊波導121，該第三輸入埠波導150光學連接該第二環狀共振器波導120的第二邊
122，該第一輸出埠波導160直接連接該第一環狀共振器波導110的第三邊波導113之中點，且該第二輸出埠波導170直接連接該第二環狀共振器波導120的第三邊波導123之中點。如第4圖所示，上述的該等波導110/120/130/140/150/160/170係為將部分的該等第一柱狀物181自該光子晶體結構中移除所形成之缺陷線段。除此之外，本實施例的其餘部份皆與如第1圖的描述相同，在此不再贅述。
在另一實施例中，該基板180的表面可形成不同結構的光子晶體晶格陣列及/或不同形狀的環狀共振器波導。在如第5圖所示的實施例中，該基板180的上半表面為三角形晶格形式的光子晶體結構，藉以形成該第一環狀共振器波導110的輪廓為六邊形，且該基板180的下半表面為正方形晶格形式的光子晶體結構，藉以形成該第二環狀共振器波導120的輪廓為正方形。上述的該等波導110/120/130/140/150/160/170係為將部分的該等第一柱狀物181自該光子晶體結構中移除所形成之缺陷線段，但本發明不以此為限制。除此之外，本實施例的其餘部份皆與如第1圖及第4圖的描述相同，在此不再贅述。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
Claims (7)
- 一種全光學式編碼元件，包括：一表面形成有光子晶體結構的基板，該基板包括一第一區域表面及一第二區域表面，該光子晶體結構包含複數個第一柱狀物，其係以三角形晶格排列於該基板的該第一區域表面，並以正方形晶格排列於該基板的該第二區域表面；一六邊形環狀的第一環狀共振器波導，形成於該基板的該第一區域表面上；一正方形環狀的第二環狀共振器波導，形成於該基板的該第二區域表面上，該第二環狀共振器波導鄰近該第一環狀共振器波導；一第一輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導的一第一邊；一第二輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導的一第二邊與該第二環狀共振器波導的一第一邊；一第三輸入埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第二環狀共振器波導的一第二邊；一第一輸出埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第一環狀共振器波導；以及一第二輸出埠波導，形成於該基板上，並光學地連接該第二環狀共振器波導；其中，該等波導係為將部分的該等第一柱狀物自該光子晶體結構中移除所形成之缺陷線段。
- 如申請專利範圍第1項所述之全光學式編碼元件，其中，該基板包含矽。
- 如申請專利範圍第1項所述之全光學式編碼元件，其中，該第一柱狀物為垂直於該基板的表面之一圓柱或一等邊多邊柱。
- 如申請專利範圍第1項所述之全光學式編碼元件，更包括複數個第二柱狀物，其形成於該光子晶體結構中、該等第一柱狀物被移除的部分所形成之缺陷線段中，且該等第二柱狀物形成該等波導。
- 如申請專利範圍第1項所述之全光學式編碼元件，其中，該第一輸入埠波導與該第一環狀共振器波導的該第一邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第一輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間；該第二輸入埠波導與該第一環狀共振器波導的該第二邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間；該第二輸入埠波導與該第二環狀共振器波導的該第一邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間；該第三輸入埠波導與該第二環狀共振器波導的該第二邊平行，且至少一列的該等第一柱狀物介於該第三輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之全光學式編碼元件，其中，該第一輸出埠波導直接連接該第一環狀共振器波導的其中二邊之連接點，該第二輸出埠波導直接連接該第二環狀共振器波導的其中二邊之連接點，且該第一輸出埠波導、該第二輸出埠波導、該第一輸入埠波導、該第二輸入埠波導、及該第三輸入埠波導彼此平行。
- 如申請專利範圍第1項所述之全光學式編碼元件，其中，只有一列的該等第一柱狀物介於該第一輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間，只有一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第一環狀共振器波導之間，只有一列的該等第一柱狀物介於該第二輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間，且只有一列的該等第一柱狀物介於該第三輸入埠波導與該第二環狀共振器波導之間。
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- 2017-06-15 TW TW106120037A patent/TWI641882B/zh not_active IP Right Cessation
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