TWI385423B - A waveguide device with energy compensation - Google Patents

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Description

具有能量補償之波導裝置
本發明是有關於一種波導裝置，特別是指一種具有能量補償之波導裝置。
參閱圖1，習知一波導裝置1包含一基材11，一般而言該基材11之材料為鈮酸鋰(LiNbO3 )。
該基材11具有極性，且該基材11具有一第一表面111及一第二表面112。
在將該基材製造成波導時會先在該基材11的第一表面111上鍍上一鋁柵(Grating)12，該鋁柵12具有多個呈等距並間隔排列的鋁條，且每一鋁條的寬度皆相同。鍍完鋁柵12之後，再將該鋁柵12之兩兩鋁條間的空隙填滿光阻(Photoresist)13以作為絕緣體，然後再覆蓋上一層導電液體14(如：氯化鋰(LiCl))，且該基材11之第二表面112亦覆蓋上該導電液體14’。
最後，分別於導電液體14、14’接上一極性與該基材11極性相反之電場，則該基材11之第一表面111與該鋁柵12接觸的面積會藉由導電液體14及該鋁柵12而被該電場導通，因此，由該第一表面111與該鋁柵12接觸的面積往該第二表面112延伸之基材(以下稱為第一極性部113)，將會因為該電場的影響而造成極性反轉，稱之為域反轉(Domain reverse)，相反地，該第一表面111與該光阻13接觸的部分面積，因為光阻為絕緣體而不會被電場導通，所以，由該第一表面111與該光阻13接觸的面積往該第二表面112延伸之基材(以下稱為第二極性部114)，其極性將不會受到電場的影響，因此，可以形成一具有交錯式極性的準相位匹配(Quasi-phase-matched,QPM)波導裝置。之後，當該電場以50ms為單位，緩慢將電場強度降低，受到電場影響而發生域反轉的第一極性部113，其極性亦不會再改變。
參閱圖2，當基材11的極性穩定之後，移除電場、鋁柵12、光阻13及導電液體14、14’，然後在該基材11之第一表面111上覆蓋一層鉻(Chromium)遮罩9，該鉻遮罩9中間具有一寬度為W的第一遮蔽部91，其餘部分為第二遮蔽部92，其中僅第二遮蔽部92有鍍上鉻，第一遮蔽部91沒有鍍上鉻。將該基材11與鉻遮罩9一同浸泡於一溫度為200℃的苯甲酸(Benzoic acid)溶液中約一小時，則基材11被鉻遮罩9之第二遮蔽部92遮蓋部分不會與苯甲酸起化學反應，而被鉻遮罩9之第一遮蔽部91遮蓋的部分則會與苯甲酸起質子交換(Proton-exchanged,PE)的化學反應，該反應式如下所示：
LiNbO 3 +C 6 H 5 COOH →Li 1- x H x NbO 3 +(C 6 H 5 COOLi ) x
由上述反應式，部分基材11中部分的鋰原子被氫原子置換，因此，使得基材11被鉻遮罩9之第一遮蔽部91遮蓋的部分，形成一光通道18且該光通道18之內壁的折射率可以升高約0.1~0.15，因此，光通道18的折射率會高於基材11中其他部分的折射率，當一光訊號進入光通道18時，藉由調整光訊號的入射角可以控制光訊號於光通道18內以全反射方式傳送。
最後，在移除鉻遮罩9之後，進行450℃約一小時的緩慢退火程序，以減少波導裝置1的光損及恢復基材11因質子交換所造成的非線性係數降低的情形。
值得注意的是，該光訊號進入光通道18後會產生一第二諧振波(Second harmonic wave)，而該第二諧振波與一訊號波(Signal wave)相互作用之後會產生一轉換波(Conversion wave)。此外，因為在製造的過程中，鋁柵的鋁條是等寬，所以所有的第一極性部會呈等寬，此外，因為鋁柵的鋁條是呈等距排列，因此所有的第二極性部也會呈等寬。若將相鄰的第一極性部和第二極性部當作一組極性單元，則於此習知的波導裝置中，每組極性單元的寬度會相同，可將此寬度稱為一標準寬度Λ0 ，或稱一標準週期。
舉例來說，當習知此波導裝置的標準寬度Λ0 為14.754μm時，且將其使用於現今光纖系統中以傳遞一脈波寬度為6微微秒(picosecond)的光訊號，參閱圖3，在不考慮鈮酸鋰材料色散(Dispersion)情形(即折射率為1)的波形A，與考慮鈮酸鋰材料色散情形的波形B，其轉換波能量隨著傳遞距離而衰減的情形並不嚴重(即波形A與波形B的差距不大)。
然而隨著光纖系統的演進，脈波寬度會隨著光纖系統於單位時間內所能傳輸的碼率增加而減小，以提昇系統的傳輸頻寬(或是運用光訊號以量測微小訊號的光示波器，其解析度越高伴隨著光訊號的脈波寬度也要越小)，因此，參閱圖4，當脈波寬度縮小至0.6微微秒時，鈮酸鋰材料色散的情形會使得轉換波能量衰減的情形將變得相當嚴重(波形B’)，甚至幾乎衰減至零，而且，不論基材材料為何，能量衰減的情形皆相當嚴重。
這種轉換波能量衰減現象已由Shih-Chiang Lin等人於2007年在Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO)上所發表的「Enhanced Cascade χ(2) SHG+DFG Interactions Based on Chirp Period Quasi-Phase-Matched Waveguide」文獻中確認，且該文獻也進一步提出改變波導裝置之極性單元的寬度，使所有極性單元的寬度並非完全相同且使該等寬度呈不規律變化的啁啾形式，如此可增加轉換波能量的轉換效率。根據實驗結果，其能量轉換效率可達採用標準寬度Λ0 之波導裝置的270%，然而，這樣的轉換效率仍不足以滿足未來更先進的光纖系統，導致光纖系統的未來發展面臨瓶頸。
因此，本發明之目的，即在提供一種具有能量補償之波導裝置，包含：一基材，包括一用以傳遞光訊號之光通道及複數個區段，且每一區段中包括複數個分別具有一寬度且並列的極性單元，每一極性單元包括一具有一第一方向之極性的第一極性部及一具有相反於該第一方向之極性的第二極性部；其中，每一區段中，該極性單元的寬度隨光訊號傳遞方向呈指數式上升。
本發明具有能量補償之波導裝置之功效，用以補償因光訊號的脈波寬度變小，而造成轉換波能量衰減效應，進而提昇能量轉換效率。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖5，本發明具有能量補償之波導裝置5的一個較佳實施例是利用一具有透光性、極性可改變且於高溫下極性仍可保持穩定之鐵電材料作為基材51，該鐵電材料可以是鈮酸鋰(LiNbO3 )、鉭酸鋰(LiTaO3 )、砷化鎵(GaAs)、磷酸類化合物(如：磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4 )、磷酸鈦氧銣(RbTiOPO4 )、磷酸鈦砷銣(RbTiAsPO4 )、磷酸二氫鉀(KH2 PO4 ))、硼酸類化合物(如：偏硼酸鋇(BaB2 O4 )、三硼酸銫(CsB3 O5 ))，及砷酸鈦氧鉀(KTiOAsO4 )其中之一，在本實施例中基材51材料是採用鈮酸鋰為例。
因採用鐵電材料的關係，該基材51具有一第一極性。
波導裝置的製作方式
該波導裝置5的製作方式是於該基材51上覆蓋一遮罩52，且該遮罩52包括一具有複數個區段(Section)，且每一區段具有複數條鋁條之鋁柵521及位於兩兩鋁條之間的光阻，該等鋁條呈間隔排列且光阻是填滿於兩兩鋁條之間，但值得注意的是，該等鋁條的寬度與該等鋁條間的間距有特殊的安排，並非像習知一樣等寬或呈不規則，且此部份的描述將於之後再詳加敘述。
在覆蓋上遮罩52之後，接著在該遮罩52之上覆蓋一層導電液體53，接上電場以使被該等鋁條覆蓋的基材發生域反轉(Domain reverse)效應(即基材的極性會被轉變為電場方向)，而產生一與第一極性反向之第二極性，而被光阻覆蓋的基材，因為電場不導通的關係不會發生域反轉效應，其中，未發生極性反轉之基材稱為一第一極性部511，而發生極性反轉之基材稱為一第二極性部512，且一第一極性部511與一相鄰之第二極性部512合稱為一極性單元510，且該極性單元510之寬度相等於該第一極性部511之寬度與該第二極性部512之寬度的總和。
參閱圖6，在產生極性部之後，緩慢將電場強度降低以使其等極性穩定。且於基51的極性穩定之後，移除電場、遮罩52及導電液體53，然後在該基材51上覆蓋一層鉻遮罩8，該鉻遮罩8中間具有一寬度為W的第一遮蔽部81，其餘部分為第二遮蔽部82，其中僅第二遮蔽部82有鍍上鉻，第一遮蔽部81沒有鍍上鉻。之後，將該基材51與鉻遮罩8一同浸泡於一溫度為200℃的苯甲酸溶液中約一小時，被鉻遮罩8之第一遮蔽部81遮蓋的部分會與苯甲酸起質子交換的化學反應而形成一用以傳遞光訊號之光通道58，該反應式如下所示：
LiNbO 3 +C 6 H 5 COOH →Li 1- x H x NbO 3 +(C 6 H 5 COOLi ) x
其中，光通道58的折射率會高於基材51中其他部分的折射率。最後，在移除鉻遮罩8之後，進行450℃約一小時的緩慢退火程序。
值得注意的是，該光訊號進入光通道18後會產生一第二諧振波(Second harmonic wave)，而該第二諧振波與一訊號波(Signal wave)相互作用之後會產生一轉換波(Conversion wave)。
遮罩與極性單元之寬度的設計
該基材51之每一極性單元510的寬度將會相等於對應的每一鋁條及相鄰之間隔的寬度總和，而該基材51為因應以下方式的設計被視為具有與該遮罩52之區段數量相等之複數個區段，因此，該鋁柵521對應於該基材51之每一極性單元510之寬度依照下列方式設計：
其中，Λ( x ) 為不同傳輸距離時所對應到之極性單元的寬度，Λ0 為習知的標準寬度(在本實施例中Λ0 =14.754μm )，m 為區段的索引值，x 為光訊號的傳遞距離，且x 的範圍為x m -1 <x <x m ，x m -1 與x m 分別為第m 區段的邊界位置，k 為每一區段的初始化參數，ΔS m 為第一調整因子，x m 為第二調整因子，Q 為第三調整因子。
依照公式(F.1)可將所有基材51之區段內的極性單元510的寬度依照一準規律式設計，所謂準規律式設計意味著，在基材51之每一區段內，極性單元510的寬度與標準寬度Λ0 的比值由該區段對應的起始點開始並逐漸成指數式上升，直到下一區段的起點時，再將該比值重新設定為下一區段對應的起始點，同時，隨著基材51之區段的遞增，區段的起始點隨之逐漸遞減。因而所產生的結果是：每一區段中，該極性單元(或鋁條)的寬度隨光訊號傳遞方向呈指數式上升，且假設每一區段中所包含的極性單元隨著光訊號傳遞方向分別是一第一極性單元至一第N極性單元，則對於該等區段中的第一極性單元而言，該等第一極性單元之寬度隨著光訊號傳遞方向而遞減。同樣，對於遮罩而言，所有區段中第一鋁條之寬度隨著光訊號傳遞方向而遞減。
此外，值得注意的是，於本實施例中，每一極性單元510內之第一極性部511與第二極性部512的寬度實質上相等，也就是說，遮罩之鋁條的寬度與該鋁條到下一鋁條的間隔實質上相等。
當習知之波導裝置的每一極性單元510的寬度皆為標準寬度Λ0 時，會使得光通道內的破壞性干涉區(destructive interference zone)和建設性干涉區(constructive interference zone)的長度相當，因而造成破壞性干涉與建設性干涉相互抵消，並使得轉換波能量的轉換效率衰減，而本發明之設計，將使得破壞性干涉區的長度縮減，同時，延長建設性干涉區的長度，也就是說調整後的極性單元510的寬度將會隨著光訊號的傳遞路徑而作對應的改變，進而提昇轉換波能量的轉換效率。
參閱圖7，假設一脈波寬度為0.6微微秒的光訊號經由一長度為50毫米的波導裝置5傳遞時，波導裝置5之基材51為九個區段，且每一基材51之區段內的每一極性單元510之寬度將隨著傳遞距離越大而成指數式增加，則可以有效降低能量衰減效應。相關實驗數據記載於表1中：
舉例來說，當傳遞距離x 為10mm時，因為x 介於x 1 (5.41毫米)與x 2 (10.97毫米)之間，因此，x 位於基材51之第二區段(m =2)範圍內，所以取k =0.9997、ΔS m =0.0065、，並計算x =10mm 時極性單元510之寬度如下：
換句話說，在傳遞距離為10毫米之處，對應的極性單元510之寬度需較習知的標準寬度Λ0 長0.58%。
當傳遞距離x 為30mm時，因為x 介於x 5 (27.49毫米)與x 6 (32.91毫米)之間，因此，x 位於基材51之第六區段(m =6)範圍內，所以取k =0.9978、ΔS m =0.0073、，並計算x =30mm 時極性單元510之寬度比例如下：
換句話說，在傳遞距離為30毫米之處，對應的極性單元510之寬度需較習知的標準寬度Λ0 短0.11%。
對於現今光纖系統中的光訊號而言，依照上述方程式(F.1)及表1的相關數據而調整出每一極性單元510之寬度，並將鋁柵12之每一鋁條寬度、兩兩鋁條間的間隔依此製作，進而生產出具有能量補償的波導裝置5，參閱圖8，根據實驗結果，本發明之波導裝置5相較於習知具有標準寬度Λ0 (Λ0 =14.754μm )且基材材料為鈮酸鋰之波導裝置，在光訊號之脈波寬度為0.6微微秒的條件下，在考慮鈮酸鋰材料色散的條件下，經由具有標準寬度Λ0 之波導裝置傳遞(波形B’)時，轉換波能量衰減情形相當嚴重，然而藉由本發明之波導裝置傳遞(波形C)時，其轉換波能量的轉換效率可以大幅提昇超過2500%，因此，可以有效補償轉換波能量以減少轉換波能量的衰減效應；而相較於習知技術Shih-Chiang Lin等人的文獻中所提出的轉換波能量的轉換效率達170%，亦有相當顯著的改善，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
5．．．波導裝置
51．．．基材
511．．．第一極性部
512．．．第二極性部
510．．．極性單元
52．．．遮罩
521．．．鋁柵
53．．．導電液體
58．．．光通道
8．．．鉻遮罩
81．．．第一遮蔽部
82．．．第二遮蔽部
圖1是先前技術之波導裝置結構圖；
圖2是先前技術之波導裝置進行質子交換的結構圖；
圖3是一光纖系統中光信號(脈波寬度為6微微秒)傳遞距離與轉換波能量關係之波形圖；
圖4是光訊號(脈波寬度為0.6微微秒時)傳遞距離與轉換波能量關係之波形圖；
圖5是本發明具有能量補償之波導裝置之結構圖；
圖6是本發明具有能量補償之波導裝置進行質子交換的結構圖；
圖7是本發明具有能量補償之波導裝置的極性單元寬度與標準寬度之比例與光訊號傳遞距離的關係圖；及
圖8是一光訊號(脈波寬度為0.6微微秒時)經由本發明具有能量補償之波導裝置時，傳遞距離與轉換波能量關係之波形圖。
5．．．波導裝置
51．．．基材
511．．．第一極性部
512．．．第二極性部
510．．．極性單元
52．．．遮罩
521．．．鋁柵
53．．．導電液體

Claims (10)

  1. 一種具有能量補償之波導裝置，包含：一基材，包括一用以傳遞光訊號之光通道及複數個區段，且每一區段中包括複數個分別具有一寬度且並列的極性單元，每一極性單元包括一具有一第一方向之極性的第一極性部及一具有相反於該第一方向之極性的第二極性部；其中，每一區段中，該極性單元的寬度隨光訊號傳遞方向呈指數式上升。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，每一區段中所包含的極性單元隨著光訊號傳遞方向分別是一第一極性單元至一第N極性單元，其中，N大於或等於2，且對於該等區段中的第一極性單元而言，該等第一極性單元之寬度隨著光訊號傳遞方向而減少。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，該基材之材料為鈮酸鋰。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，該基材之材料為鉭酸鋰。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，該基材之材料為砷化鎵。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，該基材之材料為磷酸類化合物。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，該基材之材料為硼酸類化合物。
  8. 依據申請專利範圍第項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，該基材之材料為砷酸鈦氧鉀。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，該光通道方向實質上與該等極性部垂直。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之具有能量補償之波導裝置，其中，每一極性單元之第一極性部與第二極性部的寬度實質上相等。
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