TW201217844A - Design for reducing loss at intersection in optical waveguides - Google Patents

Description

201217844 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於具有交叉處之光學波導及其製造方法。 【先前技術】 近年來，為了解決訊號延遲、更快的傳輸速率、以及因為 較尚封裝密度.與電子系統效能之其他問題，在封裝密度與類似 方面較佳之光學線路已受到注目。 由於對光學線路很重要的光學電路非常昂貴，所以可利用 簡單方法低成本製造且以樹脂材料(例如塑膠材料)製成的光學 波導被認為是很有前景的技術。 光學波導主要由核部與包覆層所組成，且典型具有包覆層 包圍核部的組態。根據核部與包覆層間折射率的差異以及光照 到核部與包覆層間之介面的入射角’重複光據以傳播之反射與 折射。 為了容易製造與降低成本，光學波導與其核部形成於平面 基板。然而’利用具有平面結構之光學波導的光學線路，有時 需，使複數核部相交叉。雖然交叉處不可避免會有光學損失.， 但是必須最小化交叉處之光學損失。 θ 於具有交又處之光學波導中，為了降低在交叉處的漏光 里’公開未審的專利申請案2004-205537號描述設計二維平面 結構之方法，其中在三個折射係數η的差異滿足η〗(核部的交叉 201217844 包覆層），以及描述製造具有二維平面結構之光 仿邱Ϊ而2開未審的專利申請案綱㉛5537號並未描述各 ϊί父i處ίΓ維結構之設計，以及並未將核部交又處上方與 下方之介面考慮進去。 处々興 ” 的專利申請案3-287206號描述具有核部彼此相交 之父又處的X形蚊絲波導。於此 不交==或_輸賴到⑽之核部= 組態然=ί f交又絲波料具林連續帶分隔整個核部的 ::再:疋僅改變提供於核部上方之上包覆層之厚度的組 帶作用出n A /乂又光學波導的目的僅容許有效折射率不連續 且光區，當光傳播通過時以降低在交又處的漏光量。 形成請:：6古139149號描述具有格形核層 隔核層中之蚊於平減行進方向並分 私八Μ土&處的縫隙，以及描述製造此光學波導之方法。 光學損失。的專利巾錢細6-139149號中，提供縫隙以避免 包覆請案2_·139149號並未描述以 維分開部分以及或並未考慮使用㈣材料來填充三 及术$成分隔部分的上方與下方部分 201217844 【發明内容】 本發明之目的在於降低由複數相交核部 叉空間(典型具有立方體形狀)之六個平面 之，部交 之，降低光學損失量為降低在技術上影響先朴，、失a換5 補陷光量。 '』技術之漏光量或 之光===:==層所形成 同的材料(而不是利用包覆層材料)加到複數個核 部交又m的兩辦面(上平面與下平面）^ 交的各核 成之srinf例猶—種在由複數核频包覆層所形 ^ 之核部交叉結構’此結構之特徵在於劃分(分隔） 門愈交之各核部蚊處之_平面，亦即在核部交叉空 二材·核1間之四個不連續空間’係利用與包覆層相同 ，储嫩咖無縫地連 她之核部交又空間(典型具有立 T降低先侧彳作量(漏光量)以友可捕捉光。— 【實施方式】 1為顯示光學波導主要組態之示意圖。圖h為光學波導 的千面圖。光學波導4由核部2與包覆層3所形成。 201217844 行言^圖1，不之細中，二條線性核部2於垂直方向彼此平 置的㈣且二條線性核部2於水平方向彼此平行設置。垂直設 直與水平設置的核部彼此不平行，而是在平面圖上以 域此相交。因此，核部2形成網格。 的單複數㈣2設置成包含在平面中彼此不平行之核組合 式:就產生核部2的交叉處1，此在幾何意義上是必 、、、，圖1所示的範例顯示有9個核部交叉處^。 之關置錢其_複触部2絲雜複數核部2 圖lb為石著圖la之Α_Α’線的剖面圖，而圖化為沿著圖 ㈣賴。現在假設三個折鮮n之縣異滿足 =八^Γ=ί)>η2(核部)>n3(包覆層）。此折射率設定亦描述 ;a開未審的專利申請案2004-205537號。 ^圖^為顯示輸人/輸出辆出圖1之絲波導與漏光間之關 ”示％、圖如圖2a所示，輸入光線性地傳播通過核部2,若 :能的話’^)%的輸人光理想上導引通過核部2做為輸出光。 、、、:而於各父叉處’部分的光漏到水料目 失，如圄2b所示。 仏取尤子捐 於圖所示的範例中，輸入光可流到兩個方向：於一 中’輸入光從左㈣^從右側輸出；於另—案例巾 從下侧輸人而★上側輪出。因此，應了解光學損失*僅發生在 201217844 光流向平面圖的-個方向，光傳播損失也發生在光流到平面圖 之一維上的不同方向，皆須列入考量。 圖3為核部交又處之結構之透視圖，以及沿著圖^之⑽ 線D面目。核部交又處丨為(總是)具有固定高度(厚度毋的空 間:且當複數核部2以直角（圖la中9〇度)彼此相交時核部交 叉處1具有立方體形狀。核部交叉處丨的寬度為W1&W2。當 it核痒部2傾斜地彼此相交且各對核部2形成X形(不是以圖1a ㈣時’造成嶋1為具有高度(厚雅之類似 鑽石形狀。於後’核部交叉處1有時稱為核部交叉空間卜 核部交叉空間！具有六個平面：上平面、下平面、以及四 侧平面。_觀看核部交叉㈣丨與其關。:核較叉H ，平®設置有包覆層3(包圍核部交又帥1}且_^_ =介面相接觸，而核部交又空^ _ + _ 曰才 圍㈣交叉㈣U且與包覆層材料以介面相接觸。另;·面( 核部交又空間1的四個侧平面益縫地 縫空間）。 Τ囬·、，、魏連接核部2(以形成無 上述參考圖1、2、以及3的句β日命上·☆、 抹索心 的說與則案公開未審的專利申 ”月案2004-205537 #b的說明相同。於本發明中入 部分整合於此做為基本組態，以下酬為組_改 [第一實施例] 圖4顯示根據本發明第—實 態。圖4所示的組態的特徵在於:參考圖 201217844 彡平面)上的部分是—2相同的 換言之ϋ;;=蝴的材卿成與包_的介面。 面與下平面上的部ί不。是料:二:又空間1之上平2 相同的材料形成蓋部5。 0糾所軸’而Τξ：賴核部2 各核部2的剖面形狀較佳實 播。當各核部2的方形’以各許光等向地傳 方體形狀。叫面域4方形時，核部交又扣i具有立 使用上述特徵組態的技術意 =二?調^^ n 由於核部交又空間1的折射率為η卜且由虚核部 介=;:::r部的折射率為η2，树上介面與下 另一方面 動μ ^ ’由於在不屬於核部交又空間1之位i的核部2 二包覆層3接觸之處之介_折射率_n3/n2，聽計蓋 率比跨越上述複數介面不會改變(保持固定），可由以;公 式(1)表不 n2/nl n3/n2 (公式⑴) 201217844 各蓋部的高度(厚度)L可足夠高而不會改變跨介面的折射 率比(而是使得折射率比保持固定）’實際上，降低了從光學波導 漏出之輸入光漏光量。高度亦可根據輸入光波長及其模式，且 可於設計程序中適當調整。 如上所述，核部交叉空間卜核部2、以及包覆層3可利用 具有不同折射率的材料來設計。再者，已知可於之後的階段， 述雜财關之朗纽騎鱗，例如藉由用 先照射材科。此類效應可用於本發明。 或任^二2波導可由樹i旨材料製成’且形成於光固化程序 造。-。上述包含_之組態可於郷圖案化製程製 具體而言，者曝^用時’已知樹脂材料的折射率增加， 當用先照^率的增加量越大。另-方面， 當曝光量越大時，偏玄 材料的折射率減少，具體而言， 此類材料可輕易地用於形tint。於微影圖案化製程中， [拿二實施例] 圖5顯示根據本發明第二眘 ，。此組態之特徵在於：在^n/彳之絲波射交又處的組 間的四個不連續空間 童4 2與對應核部交又空間i r之-個_面，亦即將圖3之核部交又空 立置），填充有與包覆層3吊^連^到核部交又空間！ 的材科。換言之，圖5所示結 201217844 構之特徵在於··核部交又空間1的四個側平面不以核部材料填 充使核部交叉空間1無縫地連接到相鄰核部2,而是填充有與包 覆層3相同的材料。 換言之，此結構是考量到不僅利用相同材料填充不連續空 間(其為三維劃分的部分）’還形成不連續空間的上方與下方部分 之設計。亦即，劃分的核部以包覆層材料填充，因而藉此橋接刀。 於-些案例中，於幾何意義上，各不連續空間描述成例如 間隙或溝槽(核部的間隙或溝槽，核部通常應無縫地連接但實際 上不是）。不連續空間可於微影圖案化製程t形成，或可藉由^ 時形成無雜’且_雷射或機械程序蝴無難產生 空間，以及利用包覆層材料填充不連續空間而形成。由於使= 與不連續㈣上方及下方部分之包覆層材料 料，可輕易地實施填充程序。 匕復潛材 =顯示用於計算本發明第二實施例之光學波導中交又處 ’亦顯示利用此模型與光束傳播方法計算的傳 播相失。圖6a顯示用於四個側平面各提供有間隙之案例的模型。 白1 4用^异的條件如下：核部2之折射率必為h593(l為選 自.4至Μ的值)、包覆層3之折射率旧為[ϋ i 射率姉差異△為5°/_於以下^之水平 軸(公式(2))、核部交又空 二a之水千 形别面形狀且η„〜3Γ、有方體形狀、核部2具有方 W2一35 # m、以及輸入光波長又為85〇nm。 201217844 圖6b顯示利用此模型計算的傳播損失。於圖6b中，水平 軸表示間隙間距，而垂直轴表示損失。當間隙間距占為2以爪（占 min)或具有附近的值時’此模型尤其重要。換言之，在溝槽間距 δ為1至6/2m之數值範圍’此模型很重要，而在溝槽間距占為 1至4ym之數值範圍，此模型更為重要。圖6b顯示當溝槽間 距為占min時，最小化光傳播損失。 θ 圖7顯示對應圖6之模型的折射率分布。於圖7中，水平 軸表示在垂直光傳播方向之方向上的位置，而垂直軸表示在光 傳播方向上的位置。交叉處位在垂直軸中央。於圖7中之數值 單位為人射光波長(850nm)。 圖8顯示利用光束傳播方法(BPM)計算的光電場強度分 布。於圖8中，水平軸與垂直軸對應與圖7相應的量測，2水 平軸的刻度比例比圖7中的放大兩倍。圖8顯示以扇形延伸的 變化表示在交叉處的漏光，雖然漏光量很小。 圖9顯示針對第二實施例之光學波導中的任意折射率相對 差異△以及包覆層之任意折射率n3，如何決定最小化光傳播損 失的間隙間距5 min。圖9a顯示當波長850nm的光入射到本發明 圖6所示之第二實施例的光學波導時，最小化傳播損失之間隙 間距占min對上包覆層與核部間之折射率相對差異△。圖％顯示 包覆層之折射率n3為1·5且光波長為850nm之案例。圖9a中 的線為表示在紐独射_與△間之_的賦。針對其他 的n3值，可利用線性近似類似地處理與△間之關係。圖 9b顯示在線性近似後圖中截距a與斜率B(係表示圖％中$ 12 201217844 與△間之關係)對上包覆層之折射率n3。於圖9b中的線為表示 在線性近似後上述關係的圖式。冑9c為表格，其含有代表^性 近似後A與tx3間之關係的圖式中的戴距A〇與斜率d對上波 長。圖9c錢示線性近似後B# n3㈤之關係的圖式中的截距 Β0與斜率Ε對上波長。由表巾可知，可針對任意折射率相對差 異△與包覆層之㈣折辨η3，計算最小化光傳播損失之間隙 間距6 min。 上述的理論計算在以下條件下施行。 <溝槽間距範圍> 溝槽間距的範圍在以下條件下計算： 包覆層折射率n3 : 1.4至1.8 · 入射光波長λ : 850至I350nm 核部與包覆層間之折射率相對差異△:丨至5% 於波導中核部之寬度與高度W2、以及H : 3〇至5〇 /zm (於此計算中wi=W2=H) <如何決定溝槽間距> 針對包覆層之任意折射率n3、光的任意波長λ、以及包覆 ^與核部間之特定折射率相對差異，最小化絲波導中光傳播 損失的溝湘㈣min’可彻以下方法決定。圖9a所示之圖式 表不當包覆層折射率n3為15時’最小化鮮波導中光傳播損 失的溝槽間距(5 min對上湘光束傳播方法計算5 _肖之折射率 相對差異△。所得資料經過線性近似後如下：

占 min — B/\ + A (公式(3))。 13 201217844 於公式(3)中，B表示斜率，而A表示γ戴距。可針對包覆 層折射率η3之其他值，類似地執行線性近似，以決定斜率及γ 截距。 率 圖9b所示之圖式表示斜率a與γ截距Β對上包覆層折射 η3。經過線性近似之圖式由以下公式表示： (公式(4)) (公式(5))。 A =Dn3 + AO Β = Εη3 + Β0 於公式(4)及(5)中，D及Ε表示個別圖式之斜率參數，而 Α0及Β0表示個別圖式之γ截距參數。 因此’可根據以下決定最小化光傳播損失之溝槽間距 1. 利用公式(4)及(5)，針對所需的n3值，計算a及B的 值。 2. 利用公式(3)與上述1所得之A及B的值，決定<5 min。 當交叉空間之尺寸為Η(高度)=W i (寬度)=W2(寬度)=35以 m ’且折射率相對差異.州時，溝槽間距占決定為2㈣。 當父又空間之尺寸為Η(高度)=wi(寬度)=W2(寬度)=30至 5〇_’且折射率相對差異5%時，溝槽間距占決定為工 至 6#m。 本發明已參考步.階式折射率光纖說明，在核部與包覆層間 201217844 之介面」，其折射率以步階方式改變 ==r)，其中核部之折射率不是均 == ^ @，折射率在中心具有最大值，_朝核部周 Πί覆層相接的介面等於包覆層的折射率。gi光 纖之折射率在核部與包㈣_介面不是步階式的改變。 H 「介面」是「根據」核部與包覆層間之「關係所形成」， 楚定義成固定空間或固定物理位置。根據波長又以 x「入’展到Y介面」的入射角，重複光據以傳播之反射與折 面J 4的意義應在本發明技術概念下廣泛的解釋。 '因此’纽意折射率的設.定不需要根據核部交叉區具有折 ^ nl、核部具有n2、以及包覆層具有 n3之正好均勻材料， -疋·、'此技藝者在某些賴巾可達成本發明之技術概念。 【圖式簡單說明】 ，1為顯示絲波導之主要組態之示意圖； 圖2為顯示輸入/輸出光進出圖丨之光學波導與漏光間之關 你之示意圖； 圖3為核部交又處之結構之透視圖； 錤；圖4顯示根據本發明第一實施例之光孥波’導中交叉處的組 . 離；圖5顯示根據本發明第二實施例之光學波導中交叉處的組 之值:f f 用於計算本發明第二實施例之光學波導中交又處 才貝失里的模型’亦顯示4彳用此模型與光束傳播方法計算 15 201217844 的光傳播損失； 圖7顯示對應圖6之模型的折射率分布； 圖8顯示利用光束傳播方法(BPM)計算的光電場強度分 布；以及 圖9顯示針對第二實施例之光學波導中的折射率相對差異 △，如何決定最小化光傳播損失的間隙間距6 min。 【主要元件符號說明】 1 核部交叉處 2 核部 3 包覆層 4 光學波導 5 蓋部 6 間隙 nl 核部交叉處折射率 n2 核部折射率 n3 包覆層折射率 16

Claims (1)

1. 201217844 七、申凊專利範圍： 1· 一種光學波導，包含： 料形式設置於-平面，包含在該 -勺涛t 部 由具有折射率n2之材料所製成； 關传而开t包圍該複數核部’設置成根據與該複數核部之 且由具有折射率n3之材料所製成;以* 折射:間’由該複數核部彼此相变而形成，且由具有 折射率nl之材料所製成； 部設定成nU核部交叉處)>n2(核 部交之所形成，且輕於該核 該核部與純覆層之關係形成之一介面:的一折射率 入面V1 在根據該核部交叉空間與該蓋部之關係形成之一 介面的一折射率比nl/n2。 2· —種光學波導，包含： =線性核部，以—單層核形式設置於一平面，包含在該 千面舰不平行的核雜合^由具有騎率⑽之材料所製成； ’包圍賴數核部’設置成根赫該複數核部之 關係而形，介面’且由具有折射率n3之材料所製咸；以及 核部父又空間’由該複數核部彼此相交而形成且由具有 折射率nl之材料所製成； 其中該些騎率_差異奴(核部)>n3(包覆層）， 各該核部交叉空間在該核部交叉空間之四個側平面斑四個 相交的核部分開， /' 17 201217844 四間隙各具有一間距(5， 交叉空間之間，以及 係形成於四個分開的核部與核部 具有該間距ά之該四個分開的間隙各係以具有折射率幻 材料填充。 n之 3·如申請專利範圍第2項所述之光學波導，其中在該核部交 又空間之尺寸Η(高度)=W1(寬度)=W2(寬度)=35ym，.且— 率相對差異Δ=5%之條件下，該間隙間距<5為2vm。 4·如申請專利範圍第2項所述之光學波導，其中在該核部交 又空間之尺寸Η(高度)=W1(寬度)=W2(寬度)=30至50/zm，且一 折射率相對差異△= 2至5%之條件下，該間隙間距在為1至6 β m。 5. 如申請專利範圍第3項所述之光學波導，其中該核部之折 射率n2為1.593，且該包覆層之折射率n3為1.542。 6. 如申請專利範圍第3項所述之光學波導，其中該核部之折 射率n2之範圍為14至16,且該包覆層之折射率n3之範圍為 U 至 1.6。