TWI444681B - 基於光柵的光纖對波導互連體 - Google Patents
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Description
本發明之實施例係有關於光纖對波導互連體。
光纖與波導間之耦合光乃任何晶片上及非在晶片上之光學通訊系統所不可或缺之一部分。從光纖至波導之耦合光,或從波導至光纖之耦合光存在有多項問題。舉例言之,傳統從波導至光纖之耦合光技術包括組配該波導末端來散射由該波導所載之光,及定位透鏡位在或接近光纖末端而導引部分散射光於纖維芯。用於多模式光纖,透鏡可用來導引聚焦射束之最大射線於纖維芯之數值孔徑內部,藉此方式,由該透鏡所捕捉之光可有效耦合入纖維芯。另一方面,為了耦合光進入單模式纖維,纖維芯模式及由透鏡所捕捉之光模式須密切匹配。
在單模式纖維與波導間耦合光之一項傳統技術係使用光柵耦合器。來自於波導之光係傳播通過光柵,及於與法線的某個有限夾角而在自由空間散射。因此褓光纖維需位在與法線的某個夾角來有效耦合。法線輸入/輸出操作為可能,但非極為有效,原因在於在光柵區的左與右傳播波間之耦合。雖然可將光纖定位為夾角某個角度,但經常使得晶片的設計及封裝變複雜。
物理學家及工程師仍然持續尋找減低光纖對波導耦合器成本與提高效率的加強之道。
依據本發明之一實施例,係特地提出一種光纖對波導互連體,其包含座落在一波導末端之一光柵耦合器;及配置在一光纖末端之一光柵層,該光纖包括一芯,及該光柵層包括一平面非週期性的次波長光柵,其中由該波導所攜載入該光柵耦合器之光係透過該光柵耦合器輸出及耦合入該芯,及沿該芯傳輸至該光柵層之光係藉次波長光柵而導入該光柵耦合器用以於波導傳輸
第1圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之光纖對波導互連體實例之等角視圖。
第2A至2B圖顯示依據本發明之實施例操作之第1圖所示互連體沿視線A-A之剖面圖。
第3A至3C圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配有一維及二維次波長光柵圖樣之次波長光柵之頂視平面圖。
第4圖顯示依據本發明之一或多個實施例來自二分開光柵次圖樣之線而顯示藉透射光所獲得之相角之剖面圖。
第5圖顯示依據本發明之一或多個實施例來自二分開光柵次圖樣之線而顯示透射波前如何改變之剖面圖。
第6圖顯示由依據本發明之一或多個實施例所組配的次波長光柵圖樣所產生之透射相角改變輪廓對映圖之實例之等角視圖。
第7A至7B圖顯示附接至光纖一端且係依據本發明之實施例操作的光柵層第一實例之側視圖。
第8圖顯示依據本發明之一或多個實施例所得相變(phase change)之透射相角輪廓隨著週期及工作週期變化之函數的作圖。
第9A至9B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配有一維非週期性次波長光柵之光柵層之頂視平面圖。
第10A至10B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配有二維非週期性次波長光柵之二光柵層之頂視平面圖。
本發明之實施例係針對光波導對光纖互連體。第1圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之光纖對波導互連體100實例之等角視圖。該互連體100包括形成在波導104末端之一光柵耦合器102。如第1圖之實例所示,光柵耦合器102包括錐形波導106及光柵區塊108。光柵區塊108包括藉約略垂直波導104定位向溝槽所隔開的一串列線所組成之一光柵。互連體100也包括配置在光纖112之平面化末端上的光柵層110。第1圖也包括光柵層110之端視圖,顯示該光柵層包括平面非週期性次波長光柵(「SWG」)116。次波長光柵(SWG)116係位在約略於光柵層110中心,及其尺寸可涵蓋光纖112之芯118末端。第1圖也顯示光柵耦合器102及光柵層110係藉空氣空間分開,及光纖112端部係實質上垂直於光柵耦合器102平面定向。
如第1圖所示,波導104具有比芯118之截面積顯著更小
的截面積。光纖112可為單模式纖維或多模式纖維。舉例言之,於若干實施例,波導寬度係於約2微米至4微米之範圍,芯118之直徑對單模式纖維可於自約8至約12微米之範圍,芯118之直徑對多模式纖維可於自約20至約70微米之範圍。互連體100可操作來耦合光從較小尺寸的波導104至相當大尺寸的芯118,及互連體100可於反向操作來耦合光從芯118進入波導104。
當互連體100係操作來耦合由波導104所載之光進入芯118時,光係沿波導104透射進入錐形波導106,於該處光展開而進入光柵區塊108。第2A圖顯示依據本發明之一或多個實施例操作來將光從波導104耦合入芯118之互連體100沿第1圖所示視線A-A之剖面圖。在光柵區塊108內部形成的光柵204造成光202以相對於法線206夾角α離開光柵區塊108,如雙向箭頭208指示。次波長光柵116係組配來使得離開光柵區塊108且以角α入射在次波長光柵116上的光係透射入芯118,如雙向箭頭210指示。
第2B圖顯示依據本發明之一或多個實施例操作來將光從芯118耦合入波導104之互連體100沿第1圖所示視線A-A之剖面圖。第2B圖中,沿芯118透射至次波長光柵116之光係以雙向箭頭212表示。次波長光柵116係組配來使得通過次波長光柵116透射之光係以角α入射在光柵204上,以雙向箭頭214表示。光柵204捕捉離開次波長光柵116之光。該光216離開光柵區塊108且係藉錐形波導106而呈漏斗形射進較窄的波導104。注意次波長光柵116係組配來以角α導引光
於光柵區塊108,使得該光可呈漏斗形而射進波導104。
如第2A至2B圖所示,次波長光柵116避免需要傾斜光纖來收集從光柵區塊108輸出之光。次波長光柵116也可操作作為抗反射被覆層,係藉由捕集入射光及從近野投射光至遠野,如後文參考第4圖所述。
波導104、錐形波導106、及光柵區塊108可形成為半導體或介電材料的單一實質塊體或整合一體。半導體包括但非限於元素半導體諸如矽(「Si」)及鍺(「Ge」)及化合物半導體。化合物半導體包括III-V化合物半導體及II-VI化合物半導體。III-V化合物半導體係由選自硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In)中之IIIa欄元素組合選自氮(N)、磷(P)、砷(As)及銻(Sb)中之Va欄元素所組成。III-V化合物半導體係依據III與V元素之相對數量歸類,諸如二元化合物半導體、三元化合物半導體、四元化合物半導體。舉例言之,二元化合物半導體包括但非限於GaAs、GaAl、InP、InAs及GaP;三元化合物半導體包括但非限於Iny
Gay-1
As或GaAsy
P1-y
,此處y係於0至1之範圍;及四元化合物半導體包括但非限於Inx
Ga1-x
Asy
P1-y
,此處x及y皆係於0至1之範圍。II-VI化合物半導體係由選自鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)中之IIb欄元素組合選自氧(O)、硫(S)及硒(Se)中之VIa欄元素所組成。舉例言之,適當II-VI化合物半導體包括但非限於CdSe、ZnSe、ZnS及ZnO乃二元II-VI化合物半導體之實例。合宜介電材料包括氧化矽(SiO2
)、氧化鋁(Al2
O3
)及碳化矽(SiC)。
光柵耦合器102可藉首先使用化學氣相沈積、物理氣相
沈積而沈積材料或晶圓連結在晶板上形成。然後,波導104、錐形波導106及帶有光柵204之光柵區塊108可使用奈米壓印光刻術、微影術、反應性離子蝕刻、聚焦射束研磨或用以形成脊波導及光柵之任何其它適當眾所周知之方法。
平面非週期性次波長光柵
第3A圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配有形成在光柵層301之一維光柵圖樣之次波長光柵300之頂視平面圖。該一維光柵圖樣係由多個一維光柵次圖樣所組成。於第3A圖之實例中,放大三個光柵次圖樣301-303。於第3A圖所表示之實施例,各個光柵次圖樣包含多個稱作為「線」的光柵層102材料之規則間隔線狀部分。該等線係在y方向延伸而係在x方向週期性間隔。第3A圖也包括光柵次圖樣302之放大端視圖304。線306係由溝槽308所分開。各個次圖樣可以線之特定週期性間隔及於x方向之線寬為其特徵。舉例言之,次圖樣301包含由週期p1
所隔開的寬度w1
之線,次圖樣302包含由週期p2
所隔開的寬度w2
之線,及次圖樣303包含由週期p3
所隔開的寬度w3
之線。於其它實施例,線間隔、厚度及週期可連續改變。
光柵次圖樣301-303形成次波長光柵,假設週期p1
、p2
及p3
係小於入射光波長,則該光柵優先透射於一個方向偏光的入射光。舉例言之,依入射光波長而定,線寬可於自約10奈米至約300奈米之範圍,而週期可於自約20奈米至約1微米之範圍。透射通過一區之光獲得相角θ,該相角θ係由線厚度t及工作週期η定義為:
此處w為線寬及p為線之週期性間隔。
次波長光柵300可經組配來施加特定相變給透射光而同時維持極高透射率。一維次波長光柵300可經組配來藉由調整線之週期、線寬及線厚度而透射入射光的x偏光成分或y偏光成分。舉例言之,特定週期、線寬及線厚度可能適合用以透射x偏光成分但非透射y偏光成分;而不同週期、線寬及線厚度可能適合用以透射y偏光成分但非透射x偏光成分。
本發明之實施例並未囿限於一維次波長光柵。次波長光柵可經組配來二維非週期性光柵圖樣來透射偏極性不敏感光。第3B至3C圖顯示依據本發明之一或多個實施例包括二維次波長光柵之兩個光柵層實例之頂視平面圖。於第3B圖之實例中,次波長光柵310係由柱而非由藉溝槽所隔開的線所組成。工作週期及週期性可於x及y方向改變。放大部分312及314顯示兩個不同矩形柱大小之頂視圖。第3B圖包括含放大部分312之柱的等角視圖316。本發明之實施例並非限於矩形柱,於其它實施例,柱可為方形、圓形、橢圓形或任何其它適當形狀。於第3C圖之實例,次波長光柵係由孔洞而非由柱所組成。放大部分320及322顯示兩種不同矩形孔洞尺寸。工作週期可於x及y方向改變。第3C圖包括放大部分320之等角視圖324。雖然第3C圖所示孔洞為矩形,但於其它實施例中,孔洞可為方形、圓形、橢圓形或任何其它適當形狀。
注意雖然一維及二維光柵圖樣係描述為由次圖樣所組成,但實際上,一維及二維光柵的線、柱及孔洞之週期性、工作週期及厚度可連續地變化。
第4圖顯示依據本發明之一或多個實施例來自一個次波長光柵實例之二分開區之線而顯示藉透射光所獲得之相角之剖面圖。舉例言之,線402及403可為於次波長光柵第一區之線,而線404及405可為於同一次波長光柵第二區之線。線402及403之厚度t1
係大於線404及405之厚度t2
;而線402及403相關聯之工作週期η1
也係線404及405相關聯之工作週期η2
。比較藉線404及405所捕捉的入射光部分,於x方向偏光且入射至線402-405之光變成藉線402及403所捕捉歷經相對長週期。然後,光柵將光從近野(field)投射至遠野。結果,部分透射通過線402及403比較透射通過線404及405的光部分獲得更大的相移。如第4圖實例顯示,入射波408及410係以約略相等相角的撞擊線402-405,但比較透射通過線404及405之波414所獲得的相角θ’,透射通過線402及403之波412獲得相對更大的相移θ(亦即θ>θ’)。
第5圖顯示依據本發明之一或多個實施例揭露透射波前如何改變之線402-405之剖面圖。如第5圖之實例顯示,具有實質上一致波前502之入射光撞擊線402-405而產生具有彎曲透射波前504之透射光。由於入射波前502部分係與具有相對較大工作週期η1
及厚度t1
之線402及403交互作用,而非相同入射波前502部分係與具有相對較小工作週期η2
及厚度t2
之線404及405交互作用,故導致彎曲波前504。透射波前504之形狀係與藉光撞擊線402及403獲得較大相角,相較於藉光撞擊線404及405獲得較小相角符合一致。
第6圖顯示依據本發明之一或多個實施例,藉光柵層604之特定次波長光柵602而產生相變輪廓對映圖600之等角視圖。輪廓對映圖600表示由通過次波長光柵602透射光所獲得的相變幅度。於第6圖所示實例,次波長光柵602產生輪廓對映圖602,其具有接近次波長光柵602中心所獲得之最大相角幅度,及具有遠離次波長光柵602中心而遞減的透射光所獲得之相角幅度。舉例言之,透射通過區606之光獲得相角θ1
,透射通過區608之光獲得相角θ2
。因θ1
係遠大於θ2
,透射通過區606之光獲得的相角係遠大於透射通過區608之光所獲得相角。
相變又轉成成形透射通過次波長光柵之光波前。舉例言之,如前文參考第4及5圖說明,具有相對較大工作週期之一區比較具有相對較小工作週期之一區,在透射光產生相移。結果,透射通過具有較大工作週期之一區的波前部分落後在透射通過具有較小工作週期之一不同區的相同波前第二部分之後。本發明之實施例包括對次波長光柵製作圖樣來控制相變,及最終控制透射波前形狀,使得次波長光柵之操作係類似稜鏡。
第7A至7B圖顯示附接至光纖702一端且係依據本發明之實施例操作的光柵層700之一實例之側視圖。如第7A至7B圖所示,光柵層700包括組配來透射具波長λ之光之次波長光柵704。於第7A圖之實例中,入射在次波長光柵704上之光係以入射波前708表示,係以與法線710夾角入射角α撞擊次波長光柵704。次波長光柵704係組配來線性地改變入射波前708之相角而產生透射波前712,波前712係沿纖芯706傳播。於第7B圖之實例中,沿纖芯706傳播至次波長光柵704之具波長λ之入射光係以入射波前714表示。入射光係以透射角α透射通過次波長光柵104而產生透射波前716。於其它實施例,次波長光柵704可經組配來產生具有任何期望形狀之透射波前,或次波長光柵704可經組配來將入射光散射入纖芯706。
注意光纖702可為單模式纖維或多模式纖維。對單模式纖維,次波長光柵704可經組配成具有支援TEM00
模式耦合進與出纖芯706的維度。對多模式纖維,次波長光柵704可經組配成具有支援其它TEMmm
模式耦合進與出纖芯706的維度。
次波長光柵可經設計來透射入射光,及藉由變更週期及工作週期來導入期望的相角波前。第8圖顯示依據本發明之一或多個實施例,使用眾所周知之有限元件方法或嚴格耦合波分析,所得透射光之透射相角輪廓隨著週期及工作週期變化之函數的作圖。輪廓線諸如輪廓線801-803各自對應於由透射通過次波長光柵具有週期及工作週期位在沿輪廓任何位置的該區所獲得之特定相角。相角輪廓分隔0.25π弧度。舉例言之,輪廓801係對應於施加-0.25π弧度相角至透射光的週期及工作週期;及輪廓802係對應於施加-0.5π弧度相角至透射光的週期及工作週期。點(p,η)804對應於700奈米之光柵週期及35%工作週期導入相角θ=0.5π弧度。介於-0.25π弧度與-0.5π弧度間之相角係適加至透射通過具有在輪廓801與802間具有週期及工作週期的次波長光柵之光。相角輪廓可使用應用程式「MIT電磁等化傳播(MEEP)」模擬封裝體而來模型化電磁系統(ab-initio.mit.edu/meep/meep-l.l.l.tar.gz),或康索(COMSOL)Multiphysics其為有限元件分析及解算器(solver)軟體封裝體,其可用於模擬各項物理及工程應用程式(參考www.comsol.com)獲得。
相角輪廓圖表示之點(p,η,θ)可用來對次波長光柵選擇週期及工作週期,該次波長光柵可操作為特定類型之透鏡或稜鏡。換言之,第8圖之相角輪廓圖所表示的資料可用來設計具有特定光學性質的次波長光柵。於若干實施例,可固定週期或工作週期,同時變更其它參數而設計與製造次波長光柵。於其它實施例,可變更週期及工作週期來設計與製造次波長光柵。
第9A圖顯示依據本發明之一或多個實施例操作的組配有一維次波長光柵902之光柵層900之頂視平面圖。次波長光柵902各自的影線區表示於y方向延伸之不同線的光柵次圖樣,較暗的影線區諸如區904表示具有比較淺影線區諸如區906相對更大的工作週期。第9A圖包括表示平行y方向跑的線二子區之放大圖908及910。放大圖908及910也顯示線寬w或工作週期η減少x方向。次波長光柵902表示一種組態,其中於x方向之適當波長光及偏光係透射通過具有線性改變中的波前之次波長光柵,如前文參考第7A及7B圖所述。
於若干實施例,次波長光柵可經組配而如此透射藉由使得次波長光柵之線適當逐漸變纖細而於任何方向偏光之光。第9B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配來操作之光柵層912之頂視平面圖。光柵層912包括次波長光柵914具有由環狀影線區916-920所表示的光柵圖樣。各個環狀區表示不同的線之光柵次圖樣。放大部分916-919顯示次波長光柵914包含於y方向逐漸變細,而於x方向具有常數線週期間隔p之線。放大部分916-919為於y方向平行虛線920跑的相同線之放大部分。放大部分916-919顯示線週期間隔p維持常數,但線寬係於y方向從次波長光柵914中心縮窄或逐漸變細。各個環狀區具有相同工作週期及週期。舉例言之,放大部分916、918及919具有實質上相同的工作週期。結果,環狀區的各部分在透射通過次波長光柵914之光產生相同近似相移。例如,虛線圓922表示表示單一相移輪廓,其中圓922沿線全一處透射通過次波長光柵之光獲得實質上相同相角θ。
光柵層也可組配有二維次波長光柵來將未經偏光的入射光耦合進或出光纖芯。第10A至10B圖顯示依據本發明之一或多個實施例之兩個二維次波長光柵之頂視平面圖。於第10A圖之實例中,如前文參考第3B圖說明,次波長光柵1002係由柱所組成。工作週期及週期可於x及y方向改變。放大部分1004及1006顯示柱大小係於x方向縮小。於第10B圖之實例,次波長光柵1008係由如前文參考第3C圖所述之孔洞組成。工作週期及週期也可於x及y方向改變。放大部分1010及1012顯示孔洞大小係於x方向增加。次波長光柵1002及1008為下述組態,使得適當光係以線性變更波前而透射通過次波長光柵,如前文參考第7A及7B圖說明。
次波長光柵可於由高折射率材料組成的光柵層製造。舉例言之,光柵層可由元素導體、III-V半導體、II-VI半導體或介電材料組成,但非限制性。光柵層可使用晶圓連結、化學氣相沈積或物理氣相沈積而直接沈積在平面化光纖末端。次波長光柵可使用反應性離子蝕刻、聚焦離子束研磨奈米壓印光刻術或微影術而形成於光柵層。次波長光柵可使用任一種適當眾所周知之技術形成。
前文詳細說明部分使用特定命名用於解釋目的以徹底瞭解本發明。但熟諳技藝人士將瞭解並未要求特定細節來實施本發明。前文本發明之特定實施例之詳細說明部分係僅供例示說明目的。絕非意圖為排它或囿限本發明於所揭示的特定形式。顯然,鑑於前文教示,多項修改及變化皆屬可能。實施例係顯示及描述以供最佳解釋本發明之原理及其實際應用,來藉此允許其它熟諳技藝人士及具有多種修改來適合適殊期望用途之各個實施例。意圖藉後述申請專利範圍及其相當範圍來界定本發明之範圍。
100‧‧‧光纖對波導互連體、互連體
102‧‧‧光柵耦合器
104‧‧‧波導
106‧‧‧錐形波導、波導
108‧‧‧光柵區塊
110、301、604、700、900、912‧‧‧光柵層
112、702‧‧‧光纖
114、304‧‧‧放大端視圖
116、300、310、318、602、704、902、914、1002、1008‧‧‧次波長光柵(SWG)、平面非週期性次波長光柵
118、706‧‧‧纖芯
202、216‧‧‧光
204‧‧‧光柵
206、710‧‧‧法線
208、210、212、214‧‧‧雙向箭頭
301、302、303‧‧‧光柵次圖樣
306、402-405‧‧‧線
308‧‧‧溝槽
312、314、320、322、908、910、916-919、1004、1006、1010、1012‧‧‧放大部分
316、324‧‧‧等角視圖
408、410‧‧‧入射波
412、414‧‧‧透射波
502‧‧‧實質上直線波前
504‧‧‧彎曲透射波前
600‧‧‧相變輪廓對映圖
606、608、904、906‧‧‧區
708、714‧‧‧入射波前
712、716‧‧‧透射波前
801-803‧‧‧輪廓線
804‧‧‧點
916-920‧‧‧光柵圖樣
922‧‧‧單一相移輪廓
第1圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之光纖對波導互連體實例之等角視圖。
第2A至2B圖顯示依據本發明之實施例操作之第1圖所示互連體沿視線A-A之剖面圖。
第3A至3C圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配有一維及二維次波長光柵圖樣之次波長光柵之頂視平面圖。
第4圖顯示依據本發明之一或多個實施例來自二分開光柵次圖樣之線而顯示藉透射光所獲得之相角之剖面圖。
第5圖顯示依據本發明之一或多個實施例來自二分開光柵次圖樣之線而顯示透射波前如何改變之剖面圖。
第6圖顯示由依據本發明之一或多個實施例所組配的次波長光柵圖樣所產生之透射相角改變輪廓對映圖之實例之等角視圖。
第7A至7B圖顯示附接至光纖一端且係依據本發明之實施例操作的光柵層第一實例之側視圖。
第8圖顯示依據本發明之一或多個實施例所得相變之透射相角輪廓隨著週期及工作週期變化之函數的作圖。
第9A至9B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配有一維非週期性次波長光柵之光柵層之頂視平面圖。
第10A至10B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配有二維非週期性次波長光柵之二光柵層之頂視平面圖。
100‧‧‧光纖對波導互連體
102‧‧‧光柵耦合器
104‧‧‧波導
106‧‧‧錐形波導
108‧‧‧光柵區塊
110‧‧‧光柵層
112‧‧‧光纖
114‧‧‧放大端視圖
116‧‧‧次波長光柵(SWG)
118‧‧‧纖芯
Claims (11)
- 一種光纖對波導互連體,其包含:座落在一波導末端之一光柵耦合器;及配置在一光纖末端之一光柵層,該光纖包括一芯,及該光柵層包括一平面非週期性的次波長光柵,其中由該波導所攜載入該光柵耦合器之光係透過該次波長光柵輸出及耦合入該芯,及沿該芯傳輸至該光柵層之光係藉該次波長光柵而導入該光柵耦合器用以於該波導之傳輸。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該光柵耦合器進一步包含附接至該波導之一錐形波導,及附接至該錐形波導之一光柵區塊。
- 如申請專利範圍第2項之互連體,其中該光柵耦合器進一步包含該波導、該錐形波導,及由一集積材料所組成之該光柵區塊。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該次波長光柵進一步包含一一維光柵圖案。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該次波長光柵進一步包含一二維光柵圖案。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該次波長光柵進一步包含一光柵圖案,其組配來耦合從該光柵耦合器輸出之光及以入射進入該芯之一特定角度入射至該次波長光柵。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該次波長光柵進 一步包含一光柵圖案,其組配來將從該芯所輸出之光以一特定入射角耦合至該波導之一光柵區塊。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該光柵耦合器與該光柵層係藉氣隙分開。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該光纖及該光柵耦合器進一步包含以約略垂直該光柵耦合器之平面定向之該光纖。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該光纖進一步包含一多模纖維。
- 如申請專利範圍第1項之互連體,其中該光纖進一步包含一單模纖維。
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