TWM648247U - 低損耗波導結構 - Google Patents
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Abstract
本新型提供一種低損耗波導結構,該低損耗波導結構包括一載板、一核心層和一包覆層;該包覆層設置於該載板上且包覆該核心層;該核心層具有一核心層折射率,該包覆層具有一包覆層折射率,且該包覆層的材料為一矽氧化物;就該核心層和該包覆層使用的材料而言,本新型的一折射率差異小於5%;並且,該核心層具有垂直於一波導延伸方向的一寬度和一高度,且該寬度比對該高度的一寬高比大於1;本新型能供應用於矽光子之基體光路中,且以較低的能量損耗(loss)傳輸光訊號。
Description
一種波導結構,尤指一種低損耗波導結構。
矽光子(Silicon Photonics)為現代科技所開拓的一新領域,相較於傳統積體電路所傳送的電子訊號,矽光子係以積體光路的光波導(optical waveguide)傳導光子作為運算的基礎。並且,相較於電子,光子作為傳導的媒介可以更快速且以更大的頻寬傳導資訊。然而,運用於矽光子領域之光波導,為了追求其核心結構(core)的光折射率遠高於包覆結構(cladding)的光折射率,導致了最終光訊號容易耗損的結果,限制了傳輸光訊號的強度。請參閱以下的詳細說明:
請參閱圖9所示,眾所周知的司乃耳定律(Snell's Law)如下所示:n1*sin(θi)=n2*sin(θt)
當光自一第一介質行徑至一第二介質時,且當該第一介質的一第一介質折射率n1大於該第二介質的一第二介質折射率n2時,光即有可能發生全內反射(Total Internal Reflection)。詳細來說,當一入射角θi等於一臨界角θcri時,一折射角θt就會等於90度,使得sin(θt)等於1。此時,根據司乃耳定律即可得到sin(θi)=sin(θcri)=n2/n1之結論,也就是說θi=arcsin(n2/n1)。這樣的結論可以被解釋為,當該入射角θi大於或是等於該臨界角θcri時,全內反射就會發生,使光被該包覆結構侷限於該核心結構內行徑。並且,當該入射角θi大於該臨界角θcri時,光即按照正常反射之邏輯,具有和該入射角θi相等的一反射角θr。從這樣的習知理論中,衍生出了希望該第一介質折射率n1越大於該第二介質折射率n2越好的想法,
因為當該第一介質折射率n1越大於該第二介質折射率n2時,n2/n1就越小,而連帶的該臨界角θcri就越小,使該入射角θi有較多的機會大於該臨界角θcri而形成全內反射。如此,該第一介質折射率n1和該第二介質折射率n2的差異除以該第二介質折射率n2在此稱為折射率差△n。
然而,根據近代的學術文獻顯示,當該折射率差△n越大時,光波導的一受曲折半徑(bending radius)就越大,而當該受曲折半徑越大時,光訊號的損耗(loss)或是衰減(attenuation)也就越明顯。並且,光訊號受到散射(scattering)的能量損耗和該折射率差△n的4次方成正比。
請參閱圖10和圖11所示,從一習知光波導100的一截面可見,該習知光波導100具有方形的一核心結構110和方形的一包覆結構120,且該包覆結構120設置於一承載板130(substrate)上。並且,方形的該核心結構110具有一上表面111、一下表面112、和兩側表面113。該核心結構的該上表面111和該下表面112因為拋光洗面以及沉積等製程而較不粗糙,然而該核心結構111的該兩側表面113因為經過蝕刻和曝光與顯影之微影製程等,故顯得極為粗糙。如此粗糙的該兩側表面113會影響光訊號的傳導效率,使光訊號因為粗糙表面的散射而受到極大的耗損。
請參閱圖12所示,根據現有之學術文獻中電腦模擬之實驗數據,圖12係以深色和淺色以代表光訊號的強弱,其中以淺色代表光訊號較強,深色表光訊號較弱。圖12所示該習知光波導100的光訊號大多被緊緊侷限於該習知光波導100的該核心結構110中,所述的光訊號近乎無法自該習知光波導100的該核心結構110延伸到該習知光波導100的該包覆結構120中作傳輸。並且,受到了大面積粗糙的該兩側表面113的影響,該核心結構110內所傳輸的光訊號,其強度有一大部分在該核心結構110的中央受到了削弱。如此使得該習知光波導100無法有效率的維持訊號強度傳輸光訊號。
綜上所述,現有的該習知光波導100受到了結構上具有粗糙該兩側表面113的限制與該核心結構110和該包覆結構120使用材料上的限制,使得現有的光波導具有可觀的光耗損,而這樣的光耗損是源自於粗糙的該兩側表面113的散射所帶來光訊號能量損耗的限制。
另外,雖說現有的光纖在技術上成熟,傳導光訊號的品質良好,但是現有光纖的體積過於龐大,因此無法適用於精密微小的基體光路中作為矽光子之光波導結構傳輸矽光子。
本新型提供一種低損耗波導結構,該低損耗波導結構能夠供應用於矽光子之基體光路中,並且具有較現有技術更低的能量損耗(loss),以確保傳輸光訊號的品質。
該低損耗波導結構,包括:一載板,具有一第一表面;一核心層,具有面向該第一表面的一底面、背對該第一表面的一頂面、以及兩個側面;其中,該核心層具有一核心層折射率;一包覆層,設置於該載板的該第一表面上,且包覆該核心層;其中,該包覆層具有一包覆層折射率,且該包覆層的材料為一矽氧化物;其中,一折射率差異滿足以下公式:
其中,W為該寬度,H為該高度,W/H為一寬高比。
透過選用特定的素材製作該核心層和該包覆層,使該折射率差異小於5%,本新型之該低損耗波導結構能以較現有技術更低的能量損耗傳輸光訊號。並且,本新型之該低損耗波導結構使該核心層的該寬高比大於1,因此降低了該核心層的兩個側面的粗糙的表面積,使得該低損耗波導結構傳輸光訊號時能夠降低受到粗糙的兩個側面所造成的散射,因而提升傳輸光訊號的強度,降低傳輸光訊號的耗損。另外,本新型只有使用矩形的該包覆層用以包覆梯形或是矩形的該核心層,因此可壓低高度受到微小化的製作,相較於習知的光纖更適用於矽光子之基體光路中作光訊號的傳輸。
1:低損耗波導結構
10:載板
11:第一表面
20:包覆層
21:包覆底層
22:包覆頂層
30:核心層
31:底面
32:頂面
33:側面
40:光罩
100:習知光波導
110:核心結構
111:上表面
112:下表面
113:側表面
120:包覆結構
130:承載板
H:高度
W:寬度
n1:第一介質折射率
n2:第二介質折射率
θi:入射角
θt:折射角
θr:反射角
θcri:臨界角
△n:折射率差
圖1~圖6為本新型一低損耗波導結構的製作方法的流程圖。
圖7為本新型該低損耗波導結構的示意圖。
圖8為本新型該低損耗波導結構傳輸訊號強度的示意圖。
圖9為司乃耳定律的示意圖。
圖10為一習知光波導的示意圖。
圖11為該習知光波導的另一示意圖。
圖12為該習知光波導傳輸訊號強度的示意圖。
本新型提供一種低損耗波導結構。下述圖1~圖6為示意本新型該低損耗波導結構的製作方法的複數流程圖,而圖7為經由製作方法製作完成之該低損耗波導結構的示意圖。圖1~圖6的該些流程圖以及圖7製作完成之該示意圖,皆以垂直於該低損耗波導結構延伸方向的剖面用以示意其結構。
請參閱圖1所示,本新型該低損耗波導結構的製作方法係開始於準備一載板10。該載板10具有一第一表面11,並且進一步,於該載板10的該第一表面11上沉積一包覆底層21。
請參閱圖2所示,於該包覆底層21上沉積一核心層30。該核心層30具有垂直於波導延伸方向的一高度H,且該核心層30具有一核心層折射率。
請參閱圖3所示,於該核心層30上設置一微影製程(photolithography)的一光罩40(mask),並且曝光該核心層30。
請參閱圖4所示,顯影受曝光後的該核心層30,以去除未受到該光罩40遮蔽的該核心層30,如此以透過該微影製程圖像化該核心層30。而透過該微影製程受到圖像化的該核心層30具有垂直於一波導延伸方向的一寬度W。重要的是,在本新型中,該核心層30的該寬度W比對該高度H的一寬高比大於1,即滿足以下公式:>1
請參閱圖5所示,去除該光罩40。
請參閱圖6所示,沉積一包覆頂層22以包覆核心層30。包覆核心層30的該包覆底層21和該包覆頂層22為一包覆層20,且該包覆層20具有一包覆層折射率。換言之,該包覆底層21和該包覆頂層22具有相同的材質,故當該包覆頂層22沉積於該包覆底層21上後,該包覆底層21和該包覆頂層22兩者合而為一形成該包覆層20。
請參閱圖7所示,進一步,經由平坦化該包覆層20後,即可得到經由本新型該製作方法製作完成之低損耗波導結構1。該低損耗波導結構1包括該載板10、該包覆層20和該核心層30。
該載板10具有為平面的該第一表面11。該核心層30具有面向該第一表面11的一底面31、背對該第一表面11的一頂面32、以及兩個側面33。並且,
該兩個側面33垂直於該低損耗波導結構1的延伸方向。該包覆層20設置於該載板10的該第一表面11上,且該包覆層20包覆該核心層30。此外,在本實施例中,該波導延伸方向係垂直該底面31、該頂面32及該二側面33。
重點是如前述,本新型之該核心層30具有該核心層折射率,該包覆層20具有該包覆層折射率,該核心層30具有垂直於波導延伸方向的該寬度W和該高度H。並且,就結構而言,該寬度W比對該高度H的該寬高比大於1。如此降低了該核心層30該兩個側面33的粗糙的表面積,使得該低損耗波導結構1傳輸一光訊號時能夠降低受到粗糙的該兩個側面33所造成的散射,因而提升傳輸光訊號的強度,降低傳輸該光訊號的耗損。
另外,就該核心層30和該包覆層20所使用的材料而言,可定義一折射率差異,該折射率差異滿足以下公式:
其中,△n為該折射率差異,n core 為該核心層折射率,n cladding 為該包覆層折射率。並且,該折射率差異小於5%,相對於折射率差異較大的現有光波導,本新型之該低損耗波導結構1能以較現有技術更低的能量損耗傳輸光訊號。事實上,該核心層折射率和該包覆層折射率會受到溫度、材料密度和傳輸之光頻率的不同而受到影響。本新型所定義之該折射率差異,係該核心層30的該核心層折射率和該包覆層20的該包覆層折射率在相同溫度與相同傳輸之光頻率的環境下所做的定義。而即使該核心層30的所處環境和該包覆層20的所處環境在變因上有些微的不同,該核心層折射率和該包覆層折射率還是基本上大致相同,故本新型所定義的該折射率差異在該核心層30和該包覆層20之間還是大致上一致。
進一步,在本新型的一實施例中,該核心層30係使用矽氧化物為底材,舉例來說,該核心層30所使用之矽氧化物為未摻雜其他元素的氧化矽
(SiOw),其中w為矽氧化物根據與其結合之不同元素而變異的數值。該包覆層20也係使用矽氧化物為底材,不過該包覆層20材料之密度和該核心層30不同,也因而可以造就出使用同一種材料時該核心層折射率和該包覆層折射率的不同。重點是,選用之材料需滿足本新型所制定的標準,使該核心層30所使用的材料和該包覆層20所使用的材料之間具有小於5%的該折射率差異。
在另一實施例中,該核心層30的材料為摻雜(doping)了非金屬元素的矽氧化物,例如核心層30的材料為氮氧化矽(SiON)、碳氧化矽(SiOC)或是氮碳氧化矽(SiOCN)。該載板10的材料為含矽基材,例如矽(Si)、矽氧化物、氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)或是矽酸鹽玻璃(Silicate glass)等。其中,該載板10之矽氧化物例如為石英(quartz)。另外,在垂直於波導延伸方向的一剖面中,該核心層30係呈一矩形。因此,該兩個側面33為垂直於該第一表面11且相對的該兩個側面33。
在本新型的另一實施例中,該核心層30的材料為摻雜金屬元素之矽氧化物,例如該核心層30的材料為氧化矽鍺(SiGeOx)、氧化矽鈦(TiSiOy)或是氧化矽鉭(TaSiOz),x、y、z也分別為矽氧化物根據與其結合之不同元素而變異的數值,舉例來說,x、y、z可為正整數。並且,為前述矽氧化物的該包覆層20,進一步可摻雜(doping)硼(B)或是磷(P)之元素,以使本新型所制定的該折射率差異標準受到滿足,並且該包覆層20的熔點下降,以使該包覆層20和該核心層30之間的厚度保有階梯覆蓋性(step coverage)而趨為一致。並且,在垂直於波導延伸方向的剖面中,該核心層30係呈一梯形。該梯形的形式不限,惟本新型所述的該寬度W係對應該梯形一上底寬度和一下底寬度的一平均寬度。
根據上述的例子,可知本新型係使用矩形的該包覆層20用以包覆梯形或是矩形的該核心層30,而非使用同軸電纜(coaxial cable)的雙層結構或是光纖(optical fiber)的圓心狀結構。因此,本新型可壓低該低損耗波導結構1的整體高
度,以利該低損耗波導結構1受到微小化的製作。相較於習知的光纖,本新型之該低損耗波導結構1更適用於矽光子之基體光路中作光訊號的傳輸。
在本新型較佳的一實施例中,該低損耗波導結構1該核心層30的該高度H係介於0.1微米(μm)至10微米(μm)之間,該折射率差係介於1.5%至4.5%之間,且該寬高比係介於5至15之間。
請參閱圖8和圖12所示,根據電腦模擬之實驗數據以及現有之學術文獻,圖8同圖12係以深色和淺色以代表光訊號的強弱,其中以淺色代表光訊號較強,深色表光訊號較弱。圖12所示習知光波導100如先前技術段落所述,無法有效率的維持訊號強度傳輸光訊號。然而根據圖8所示,在本新型的該低損耗波導結構1中,該光訊號未被緊緊侷限於一處,而是較有效率的傳輸於該核心層30和該包覆層20之間,使得訊號在該核心層30和該包覆層20之間不會受到明顯的衰減(attenuation)。並且,因為該兩個側面33粗糙表面積的減少,本新型該核心層30所傳輸該光訊號的強度並未同先前技術中受到明顯的削弱。因此,整體而言,根據模擬之實驗結果,本新型的該低損耗波導結構1能確實以較低的損耗傳輸該光訊號,使該光訊號縱使經由截面積較小的該核心層30傳輸還是具有較佳的訊雜比(Signal to noise ratio;SNR)。
1:低損耗波導結構
10:載板
11:第一表面
20:包覆層
30:核心層
31:底面
32:頂面
33:側面
H:高度
W:寬度
Claims (9)
- 如請求項1所述之低損耗波導結構,其中:該核心層的材料為摻雜非金屬元素之矽氧化物。
- 如請求項2所述之低損耗波導結構,其中:該核心層的材料為氮氧化矽、碳氧化矽或是氮碳氧化矽。
- 如請求項1所述之低損耗波導結構,其中:該核心層的材料為摻雜金屬元素之矽氧化物。
- 如請求項4所述之低損耗波導結構,其中:該核心層的材料為氧化矽鍺、氧化矽鈦或是氧化矽鉭。
- 如請求項1所述之低損耗波導結構,其中: 該包覆層的材料係未摻雜的該矽氧化物、摻雜硼的該矽氧化物或是摻雜磷的該矽氧化物,且該矽氧化物為氮氧化矽、碳氧化矽、氮碳氧化矽、氧化矽鍺、氧化矽鈦或是氧化矽鉭。
- 如請求項1所述之低損耗波導結構,其中:該載板的材料為矽、矽氧化物、氮化矽、氮氧化矽或是矽酸鹽玻璃(Silicate glass)。
- 如請求項1所述之低損耗波導結構,其中:該核心層的該高度係介於0.1微米(μm)至10微米(μm)之間,該折射率差係介於1.5%至4.5%之間,且該寬高比係介於5至15之間。
- 如請求項1所述之低損耗波導結構,其中:在垂直於波導延伸方向的一剖面中,該核心層係呈一梯形或是一矩形。
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