TWI777694B

TWI777694B - 基於光子晶體的定向耦合器

Info

Publication number: TWI777694B
Application number: TW110127590A
Authority: TW
Inventors: 吳曜東; 許翼鈞; 施天從
Original assignee: 國立高雄科技大學
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-09-11
Also published as: TW202305429A

Abstract

一種基於光子晶體的定向耦合器(Directional Coupler)，具有兩個用於供輸入光源信號以作為邏輯開關的信號輸入通道，及一介於該兩個信號輸入通道之間，供用於恆輸入參考光源信號的參考信號通道，利用該兩個信號輸入通道及該參考信號通道，形成一個具有3Y型的定向耦合元件，再利用將信號輸出末段設計成不對稱結構，藉由不對稱結構設計提升該定向耦合器訊號的傳輸能力，提升高低邏輯的輸出對比度，而可作為全光學式反互斥或邏輯閘(XNOR Logic Gate)，以應用於光通訊領域。

Description

基於光子晶體的定向耦合器

本發明是有關於一種定向耦合器，特別是指一種基於光子晶體的定向耦合器。

隨著光通訊技術發展，全光邏輯器件已是超小型全光積體電路已成為用於即時光處理和資訊通信最有吸引力的元件。全光邏輯器件雖然已大量應用在波導式集成光學邏輯器件，但對於大規模集成光路而言還是有體積較大的缺點。而量子光邏輯元件雖然尺寸上可滿足需求，但其製作則存在相當大的難度。

光子晶體(PC)由於其所具有的特殊光學性質，且製程具有優勢，因此，其發展備受關注。而隨著奈米光子晶體技術的發展，研究人員已可以有效的控制光子在光子晶體的運動，因此，透過設計及製造光子晶體及相關應用元件，以光子晶體為主的全光邏輯器件也正飛速發展。而如何提升以光子晶體為主的邏輯元件之輸出對比度，使其可更廣泛地應用於全光邏輯件，則是相關技術領域者不斷努力研究的方向。

因此，本發明的目的，即在提供一種具有高輸出對比度的基於光子晶體的定向耦合器。

於是，本發明的定向耦合器包含：兩個信號輸入通道，及一介於該兩個信號輸入通道之間的參考信號通道。

該等信號輸入通道供接收一輸入光源訊號，每一個信號輸入通道具有一輸入通道段，及一輸入干涉通道段，該兩個輸入通道段各具有一45°度彎折角且彼此相向延伸，該兩個輸入干涉通道段分別自相應的該輸入通道段的末端沿一第一方向彼此平行延伸。

該參考信號通道具有一成六邊形的信號干涉區，及分別位於該信號干涉區之相對兩端的一參考信號輸入段、一信號輸出段，及一輸出耦合段。

該參考信號輸入段用於接收一恆輸入之參考光源信號。

該信號干涉區具有兩個分別自該參考信號輸入段的末端成45°度並各自向相鄰的該輸入通道段延伸的信號通道段、兩個分別自相應的該信號通道段的末端與相鄰的該輸入干涉通道段平行延伸的信號干涉通道段，及兩個分別自該信號干涉通道段的末端成45°度彎折角且彼此相向延伸的通道末段。

該信號輸出段及該輸出耦合段分別自該兩個通道末段彼此平行延伸，其中，該信號輸出段的長度大於該輸出耦合段並供輸出訊號。

本發明的功效在於，利用兩個信號輸入通道及一參考信號通道，形成一個具有3Y型信號輸入端的定向耦合元件，並利用將作為信號輸出末段設計成不對稱結構，藉由不對稱結構設計提升該定向耦合器訊號的傳輸能力，提升高低邏輯的輸出對比度，而可作為全光學式反互斥或邏輯閘(XNOR Logic Gate)，以應用於光通訊領域。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明的定向耦合器(Directional Coupler)是一種基於光子晶體(PCs)，並具有3Y型結構的定向耦合器，可做為設計全光學式反互斥或邏輯閘(XNOR Logic Gate)。其中，該光子晶體為具有二維三角晶格柱形結構的矽晶體，折射率為3.48，晶格常數a約為500nm。該介質柱為矽，該等矽介質柱100的半徑(r)一致，且半徑(r)=0.2a(約為100nm)。

此外，要說明的是，本發明該定向耦合器是基於三角晶格的光子晶體，而對橫磁波(TM，transvers mode)而言，三角晶格於歸一化頻率(normalized frequency)0.28~0.45之間有完整的光子能帶，因此，本發明的定向耦合器更適用於以頻率介於0.28~0.45的橫磁波作為信號光源，以設計該反互斥或邏輯閘(XNOR Logic Gate)。

參閱圖1，本發明該定向耦合器的一實施例，包含：兩個信號輸入通道2，及一介於該兩個信號輸入通道2之間的參考信號通道3。

該等信號輸入通道2沿一第二方向Y間隔設置，供接收一輸入光源訊號。

每一個信號輸入通道2具有一輸入通道段21，及一輸入干涉通道段22，該兩個輸入通道段21具有一45°度彎折角且彼此相向延伸，該兩個輸入干涉通道段22分別自相應的該輸入通道段21末端沿一第一方向X彼此平行延伸。

詳細的說，該每一個輸入通道段21具有一信號輸入段211(圖1以211A、211B表示上、下不同位置的信號輸入段211)，及一與該信號輸入段211的末段連接延伸的彎折段212。該兩個信號輸入段211A、211B沿該第二方向Y間隔設置且彼此平行，該等彎折段212為自相應的該信號輸入段211成45°彎折且彼此相向延伸。該兩個輸入干涉通道段22分別自相應的該彎折段212的末段延伸，彼此平行且長度相同。

該參考信號通道3介於該兩個信號輸入通道2之間，具有一個成六邊形的信號干涉區32，及分別位於該信號干涉區32之相對兩端並與該信號干涉區32連通的一參考信號輸入段31、一輸出耦合段33，及一信號輸出段34。

該參考信號輸入段31位於該兩個信號輸入段211A、211B之間並與該兩個信號輸入段211A、211B平行，用於接收一恆輸入之參考光源信號。

該信號干涉區32具有兩個分別與該參考信號輸入段31的末端成45°度連接並各自向相鄰的該輸入通道段21延伸的信號通道段321、兩個分別自相應的該信號通道段321的末端延伸並與相鄰的該輸入干涉通道段22平行的信號干涉通道段322，及兩個分別自相應的該信號干涉通道段322的末端成45°度彎折角且彼此相向延伸的通道末段323。其中，該等信號干涉通道段322與相鄰的該輸入干涉通道段22之間是藉由沿該第一方向X排列的單排矽介質柱100彼此間隔，並於該等信號干涉通道段322與相鄰的該輸入干涉通道段22的重疊區域會形成讓經由該等通道的光源信號產生耦合的干涉通道。

該輸出耦合段33及該信號輸出段34分別自該兩個通道末段323沿該第一方向X平行延伸，該信號輸出段34的長度大於該輸出耦合段33並供輸出訊號，且該輸出耦合段33及該信號輸出段34之間是藉由沿該第一方向X排列的單排矽介質100柱彼此間隔。要說明的是，該信號輸出段34可以是位於該輸出耦合段33的上方或下方均可，於本實施例中，是以該信號輸出段34位於該輸出耦合段33的下方為例說明。

透過於耦合通道間設置矽介質柱100，由於該等矽介質柱100為一種差排(dislocation)線缺陷型式，當缺陷形成時，原本於光子能隙內禁止傳播的範圍內會產生缺陷態(defect mode)，使得缺陷態的頻率可在能隙內，因此，透過這些缺陷態可以將光子有效侷限在其中而形成區域化模態；當耦合通道之間少了矽介質柱100時會使光子能隙的頻率範圍減少，而不易於設計全光式邏輯閘。

此外，透過讓該信號輸出段34的長度大於該輸出耦合段33，而在信號輸出位置形成不對稱結構，透過該不對稱結構，產生高折射差，使光更容易維持在不對稱結構處，而提高參數的可調性。

前述該定向耦合器的製作，是利用在一具有完美二維的矽光子晶體結構中，分別移除預定位置的矽介質柱100，以形成所需方向及長度的通道(該等信號輸入通道2及該參考信號通道3)，且該等通道的寬度是移除一個矽介質柱100後的寬度。

於一些實施中，該兩個信號輸入通道2及該參考信號通道3為等距離地沿該第二方向Y間隔設置。

於一些實施例中，該定向耦合器沿該第一方向X及該第二方向Y的長度尺寸比值介於2.4~2.5。

於一些實施例中，該輸入干涉通道段22的長度不小於相應的該信號干涉通道段322長度的一半。

於一些實施例中，該兩個輸入干涉通道段22與相應的該信號干涉通道段322的重疊區域長度分別為L1、L2(分別相當於該兩個輸入干涉通道段22的長度)，該輸出耦合段33及該信號輸出段34的重疊區域長度為L3， L1:L2介於0.9~1.2，L1:L3介於0.9~1.2。

於一些實施例中，L1=L2=L3。

要說明的是，於特定波長時不同的耦合長度會有不同的傳輸效率，以及不同波長所需的耦合通道的長度也會不同，因此，透過耦合長度(即該輸入干涉通道段22的長度)與傳輸效率的結果可選擇適合元件尺寸的的耦合長度。於本實施例中，該定向耦合器的耦合長度(該輸入干涉通道段22的長度)是選擇讓該定向耦合器的邏輯閘為1(±1)時，傳輸效率(transmission efficiency)不小於80%，邏輯閘為0時，傳輸效率(transmission efficiency)可越趨近0為佳，以提升高低邏輯的輸出對比度，以更適用於設計反互斥或邏輯閘。

參閱圖2~5，圖2~5是利用時域有限差分法模擬光子波長為1310nm的TM波於圖1所示的該定向耦合器結構的電場傳播(field distribution)圖，且該參考信號通道3為恆輸入光源訊號(單一波長：1310nm，TM波)。

該定向耦合器的具體結構尺寸參數如下：

該光子晶體為具有二維三角晶格柱形結構的矽晶體，折射率為3.48，晶格常數a約為500nm。矽介質柱100半徑(r)=0.2a(約為100nm)。該等通道(包含該等信號輸入通道2與該參考信號通道3)的寬度(W1)=1μm，該兩個信號干涉通道段322之間的距離(W2)=4.5μm，該等信號輸入段211及該參考信號輸入段31沿該第二方向Y的距離分別為5.25μm。該等信號輸入段211及該參考信號輸入段31沿該第一方向X的長度為3μm；該等輸入干涉通道段22沿該第一方向X的長度為9.5μm，該等信號干涉通道段322沿該第一方向X的長度為13μm，該輸出耦合段33及該信號輸出段34為上、下設置，且沿該第一方向X的長度分別為9.5μm及13μm。

其中，傳輸效率(transmission efficiency)是指光源訊號自輸入端(參考信號輸入段31、信號輸入段211A、211B)輸入後，於輸出端(信號輸出段34)量測得到的輸出功率，回授率(Feedback)則是指光源訊號自輸入端輸入後，非由輸出端輸出，而是再經反射後由非輸出端(例如輸入端或其它干涉通道)量測得到的輸出功率，且傳輸效率+回授率=100%。

茲將圖2~5的信號輸入、輸出之邏輯值及傳輸效率的相關結果整理如表1。表1中，Port A、Port B分別表示位於該參考信號輸入段31上下兩側的該信號輸入段211A、211B，該信號輸出段34以Port Y表示。有輸入信號為1，沒有信號輸入為0。同時自Port A及Port B輸入信號，以及Port A及Port B均未輸入訊號的邏輯值為1，其於邏輯值為0。

表1

Port A	Port B	Port Y	傳輸效率%
0	0	1	82
0	1	0	7
1	0	0	1
1	1	1	92

參閱圖2~5及表1結果。

參閱圖2，圖2是僅自參考信號通道3輸入信號光(A=0、B=0)的電場傳播(field distribution)結果。由圖2可知，當A=0及B=0時，輸出邏輯值為1。此時，在Port Y監測得到傳輸效率(transmission efficiency)為82%，其餘18%回授至Port A、B。

參閱圖3，圖3是自Port A再輸入波長1310nm的訊號光源(A=1、B=0)的電場傳播結果。由圖3可知，當A=0及B=1時，輸出邏輯值為0。此時，Port Y監測得到傳輸效率7%，其餘93%大部分回授至Port B、及該信號干涉區32下方的信號干涉通道段322，少部分回授至Port A。

參閱圖4，圖4是自Port B再輸入波長1310nm的訊號光源(A=0、B=1)的電場傳播結果。由圖4可知，當A=0及B=1時，輸出邏輯值為0。Port Y監測得到傳輸效率1%，其餘99%大部分回授至Port A，及該信號干涉區32上方的信號干涉通道段322，少部分回授至Port B。

參閱圖5，圖5則是自Port A、B同時再輸入波長1310nm的訊號光源(A=1、B=1)的電場傳播結果。由圖5可知，當A=1及B=1時，輸出邏輯值為1。在Port Y監測得到傳輸效率為92%，其餘8%回授至該輸出耦合段33處。

參閱圖6~7，圖6~7是自一Y型濾波器(只有如圖1所示兩個信號輸入通道2，沒有參考信號通道3)的不同輸入端(Port A、Port B)輸入光源信號後的電場傳播圖。其中，光源信號：TM波，單點波長1310nm；通道寬道1μm，干涉通道長度為10μm。

由前述圖6~7結果可知，單Y型結構且沒有參考信號通道時，無論是由Port A或Port B輸入光源信號，其輸出端(Port Y)量測得到的傳輸效率均約為45~46%，回授至Port A或Port B約為50~51%，傳輸效率不佳，無法具有良好的輸出對比度。而由圖2~5之結果可確認，本發明之架構於單點共振波長為1310nm，輸出邏輯值為1時，傳輸效率可大於82%，而在輸出邏輯為0時，傳輸效率則小於7%，顯示本發明具有3Y型輸入端結構的定向耦合器於高低邏輯的輸出對比度佳。

本發明透過結構設計，讓信號輸入端具有兩個信號輸入通道2及一介於該兩個信號輸入通道2之間的參考信號通道3，而在該兩個信號輸入通道2與該信號參考通道3之間各自形成干涉臂(即信號輸入通道2與相鄰的該信號參考通道3的重疊區域L1、L2)，因此，可透過改變其中一個干涉臂的相位訊號，而使兩個干涉臂的相位訊號相同，並可在Out Port Y得到建設性及破壞性干涉的頻譜傳輸率，而有利於設計反互斥或邏輯閘；此外，透過讓信號輸出區域(包含該輸出耦合段33及該信號輸出段34)成不對稱結構設計，可產生高折射差，可使光更易於維持在不對稱結構處，而提升該定向耦合器訊號的傳輸能力，提升高低邏輯的輸出對比度，並可更提高參數(如各耦合通道長度)的可調性，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2:信號輸入通道 21:輸入通道段 211、211A、211B:信號輸入段 212:彎折段 22:輸入干涉通道段 3:參考信號通道 31:參考信號輸入段 32:信號干涉區 321:信號通道段 322:信號干涉通道段 323:通道末段 33:輸出耦合段 34:信號輸出段 100:矽介質柱 X:第一方向 Y:第二方向

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明定向耦合器的一實施例；圖2~5是一電場傳播圖，說明以該實施例所示之結構，於不同輸入狀態下的電場傳播(field distribution)結果；及圖6~7是一電場傳播圖，說明以Y型濾波器於不同輸入端輸入光源信號的電場傳播(field distribution)結果。

2:信號輸入通道

32:信號干涉區

21:輸入通道段

321:信號通道段

211、211A、211B:信號輸入段

322:信號干涉通道段

212:彎折段

323:通道末段

22:輸入干涉通道段

33:輸出耦合段

3:參考信號通道

34:信號輸出段

31:參考信號輸入段

100:矽介質柱

X:第一方向

Y:第二方向

Claims

一種基於光子晶體的定向耦合器，包含：兩個信號輸入通道，供接收一輸入光源訊號，每一f個信號輸入通道具有一輸入通道段，及一輸入干涉通道段，該兩個信號輸入通道的輸入通道段各自具有一45°度彎折角且彼此相向延伸，該兩個信號輸入通道的輸入干涉通道段分別自相應的該輸入通道段末端沿一第一方向彼此平行延伸；及一參考信號通道，介於該兩個信號輸入通道之間，具有一成六邊形的信號干涉區，及分別位於該信號干涉區之相對兩端的一參考信號輸入段、一信號輸出段，及一輸出耦合段，該參考信號輸入段用於接收一恆輸入之參考光源信號，該信號干涉區具有兩個分別自該參考信號輸入段的末端成45°度並各自向相鄰的該輸入通道段延伸的信號通道段、兩個分別自相應的該信號通道段的末端與相鄰的該輸入干涉通道段平行延伸的信號干涉通道段，及兩個分別自該信號干涉通道段末端成45°度彎折角且彼此相向延伸的通道末段，該信號輸出段及該輸出耦合段分別自該兩個通道末段彼此平行延伸，該信號輸出段的長度大於該輸出耦合段並供輸出訊號。
如請求項1所述的基於光子晶體的定向耦合器，其中，該信號干涉通道段與相鄰的該輸入干涉通道段之間，以及該信號輸出段及該輸出耦合段之間是藉由沿該第一方向排列的單排介質柱彼此間隔。
如請求項1所述的基於光子晶體的定向耦合器，其中，該輸入干涉通道段的長度不小於相鄰的該信號干涉通道段長度的一半。
如請求項1所述的基於光子晶體的定向耦合器，其中，該信號輸出段及該輸出耦合段的長度比值介於0.7~0.8。
如請求項1所述的基於光子晶體的定向耦合器，其中，該信號干涉通道段與相鄰的該輸入干涉通道段的重疊區域長度分別為L1、L2，該信號輸出段及該輸出耦合段的重疊區域長度為L3，且L1：L2介於0.9~1.2，L1：L3介於0.9~1.2。
如請求項1所述的基於光子晶體的定向耦合器，其中，該每一個信號輸入通道的該輸入通道段具有一信號輸入段及一與該信號輸入段成45°度彎折的彎折段，且該等信號輸入段與該參考信號輸入段沿一第二方向等間隔分佈且平行設置。
如請求項1所述的基於光子晶體的定向耦合器，其中，該光子晶體為具有二維三角晶格結構，該輸入光源訊號及該參考光源信號為橫磁波，且該定向耦合器於輸出邏輯值為1時的傳輸效率大於80%。