055_093-079AP-TW

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055_093-079AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：093131439	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	內含液晶之光波導干涉器及光子晶體光波導干涉器(全文下載)
	WAVEGUIDE INTERFEROMETER WITH LIQUID CRYSTALS AND PHOTONIC CRYSTAL WAVEGUIDE INTERFEROMETER

二、

中文發明摘要：

本發明係關於一種光波導干涉器，其包括一輸入端、一輸出端、一第一光學路徑及一第二光學路徑，其中該輸入端係用以輸入一光線，該第一光學路徑及該第二光學路徑係分別連接該輸入端及該輸出端，用以於該輸出端形成干涉，其特徵在於，該光波導干涉器中該第一光學路徑或該第二光學路徑至少其一更包括一液晶區，用以調整通過該該第一光學路徑或該第二光學路徑之光之光程。藉此，可有效縮短光波導干涉器之總長度，且可作為光開關元件與光能量調節器。

三、

英文發明摘要：

The present invention relates to a waveguide interferometer comprising an input end, an output end, a first optical propagation and a second optical propagation. The input end is used for inputting a light beam. The first optical propagation and the second optical propagation connect the input end and the output end respectively, and cause interference at the output end.The characteristic of the present invention is that at least one of the first optical propagation and the second optical propagation has a liquid crystal area that is used for modulating the light beam passing through the first optical propagation or the second optical propagation by rotating the directors of the liquid crystals. As a result, the total length of the waveguide interferometer is reduced hugely, and the waveguide interferometer can be used either as an optically controlled on-off switch or as anamplitude modulator in optical circuits.

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第2圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	20．．．本發明光子晶體光波導干涉器
	21．．．柱狀物
	22．．．輸入端
	23．．．輸出端
	24．．．第一缺陷波導
	25．．．第二缺陷波導
	26．．．第一調變裝置
	27．．．第二調變裝置

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[n]	本發明係關於一種光波導干涉器，詳言之，係關於一種內含液晶之光子晶體光波導干涉器。
	【先前技術】
[n]	光子晶體(Photonic crystal)的的概念於1987首先由Yablonovitch[E. Yablonovitch, “I nhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics, ”Physical Review Letter 58(1987)2059]及John[S. John, “Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices, ”Physical Review Letter 58(1987)2486]分別提出，其係在二維或三維空間中讓材料的折射率或介電常數產生週期化變化的結構，這種結構模仿原子在固態晶體中的排列，因此類似於電子於固態晶體中的能帶結構，在光子晶體中就產生光子的能帶結構，所以在光子晶體中電磁波的傳播特性，包括振幅、相位、偏極化方向和波長都可以經由控制發光頻譜、群速色散、偏極特性、相位匹配等光子晶體的特性來加以大幅度的調變。如果在週期性的晶體排列中故意安排一些缺陷，將會在光子晶體的能隙範圍內產生特定的光子穿透頻道，進而可以應用在許多光電元件的設計，包括：(1)利用乾式蝕刻在三五族半導體上產生空氣洞配合於中心一個點缺陷，形成一個微腔半導體雷射的共振腔，其已揭示於 [O.J.Painter,R.K.Lee,A.Scherer,A.Tariv,J.D.Obrien,P.D.Dapkus, andI.Kim,”Two-dimensional photonic band-gap defect mode laser,”Science 284(1999)1819]；(2)在矽/二氧化矽結構或三五族化合物層上用空氣洞排列成低損失、大角度彎曲的光波導，其已揭示於[E. Chow, S. Y. Lin, S. G. Johnson, P. R. Cilleneuve, J. D. Joannapoulos, J. R. Wendt, G. A. Vawter, W. Zubrzycki, H. Hou, and A. Alleman, “Three-dimensional control of light in a two-dimensional photonic crystal slab,” Nature 407 (2000) 983]；(3)由具有刻意安排空氣洞的二氧化矽細絲形成的光子晶體光纖，其已揭示於[M. Loncar, T. Doll, J. kovi, and A. Scherer, “Design and fabrication of silicon photonic crystal optical waveguides,” Journal of Lightwave Technology 18 (2000) 1402]等。然而上述之應用均為固定的光波傳導裝置，其缺點為無法開關或加以調變。在積體光學迴路中，可調式的光子晶體光波導元件是必須的。
[n]	參考圖1，顯示習用之積體光學干涉器之立體示意圖。該習用之積體光學干涉器10係由Khalfallah所提出[S. Khalfallah, Optics Communications 167 (1999) 67-76]，其係利用全反射原理所製成，因此需要足夠的路徑才可以產生所需之干涉效果，其缺點為總長度L最小只能縮至18cm，尺寸仍然過大。
[n]	因此，有必要提供一種創新且具進步性的光子晶體光波導干涉器，以解決上述問題。
	【發明內容】
[n]	本發明之目的在於提供一種滲有液晶之光波導干涉器，利用外加電場的變化來控制旋轉液晶的主軸可以改變光通過液晶時所感應的折射率，進而得到所設定之輸出光。藉此，可有效縮短光波導干涉器之總長度，且可作為光開關元件與光能量調節器。
[n]	本發明之另一目的在於提供一種光子晶體結構之光波導干涉器，其包括一輸入端、一輸出端、一第一缺陷波導(defect waveguide)、一第二缺陷波導，其中該輸入端係用以輸入一光線，該第一缺陷波導及該第二缺陷波導係分別連接該輸入端及該輸出端，用以於該輸出端形成干涉，其特徵在於，該光子晶體光波導干涉器更包括一第一調變裝置，設置於該第一缺陷波導，用以調整通過該第一缺陷波導之光之光程。藉此，可有效縮短光波導干涉器之總長度至數十μm。
	【實施方式】
[n]	參考圖2，顯示本發明光子晶體光波導干涉器之示意圖。該光子晶體光波導干涉器20係由複數個沿y軸方向延伸之柱狀物21所排列而成之光子晶體結構，因此圖2 所示之二維光子晶體平面係為x-z平面。在本實施例中，該等柱狀物21之排列方式係為三角形陣列，然而可以理解的是，該排列方式亦可為方形陣列或是其他習知方式。
[n]	該光子晶體光波導干涉器20包括一輸入端22、一輸出端 23、一第一缺陷波導(defect waveguide)24、一第二缺陷波導25、一第一調變裝置26、一第二調變裝置27。其中該輸入端23係用以輸入一光線，該第一缺陷波導24及該第二缺陷波導25，係分別為第一光學路徑及第二光學路徑，其分別連接該輸入端22及該輸出端23。該光線從該輸入端23輸入後會被分成兩束光線，分別經由該第一缺陷波導24及該第二缺陷波導25後，最後於輸出端23會合。若在該第一缺陷波導24及該第二缺陷波導25的光線有不同的相位差，則在該輸出端23會產生不同的干涉現象。在本實施例中，該第一缺陷波導24之長度係與該第二缺陷波導25之長度相同。
[n]	該第一調變裝置26係設置於該第一缺陷波導24，用以調整通過該第一缺陷波導24之光之光程。該第二調變裝置27係設置於該第二缺陷波導25，用以調整通過該第二缺陷波導25之光之光程，使得通過該第一缺陷波導 24及該第二缺陷波導25的光線會有不同的相位差。在本實施例中，該第一調變裝置26及該第二調變裝置27皆為液晶，因此另外需要一第一上電極及一第一下電極，分別設置於該第一調變裝置26之上方及下方，以控制該第一調變裝置26之液晶。此外需要一第二上電極及一第二下電極，分別設置於該第二調變裝置27 之上方及下方，以控制該第二調變裝置27之液晶。該第一上電極、該第一下電極、該第二上電極及該第二下電極可用銦錫氧化物(indium-tin oxide，ITO)玻璃製成，如此在x和z方向均可施加電場來控制液晶旋轉。值得注意的是，該第一調變裝置26及該第二調變裝置27並不一定要同時存在。此外，該第一調變裝置26及該第二調變裝置27不一定是液晶，其可以是其他可調變光程之裝置。
[n]	在本實施例中，該光子晶體結構之晶格常數(即柱狀物21間之距離)a=0.54 μm，柱狀物21之半徑r=0.18a，柱狀物21之折射率n=3.4。經過平面波展開法(plane wave expansion)的計算，可以得到該光子晶體結構的光子能隙(Photonic Band Gap)30之範圍在0.30至0.46之間，如圖3所示，換算成入射光波長λ約為1.2 μm到1.7 μm之間，因此可以利用該光子能隙範圍30來設計需要的光波導元件。在本實施例中，所選用之入射光波長λ為1.42 μm。
[n]	在本實施例中，該第一調變裝置26及該第二調變裝置27皆為5CB液晶，其尋常光與非尋常光之折射率分別為=1.522和=1.706。在溫度方面，因為液晶在操作溫度方面有所限制，所以將元件操作溫度設定在室溫下操作。
[n]	本發明係使用時域有限差分法(finite difference time domain method)來進行該光子晶體光波導干涉器20的模擬分析。時域有限差分法是Yee教授於1966年首先提出，它主要利用中央差分的技術來解時域的 Maxwell方程式。首先假設液晶主軸平行於2D平面，如圖2中左下角之插圖所示，其中n表示液晶主軸方向，而ψ表示液晶主軸的旋轉角。液晶主軸的旋轉角可利用外加電場來加以控制，因為電場存在於2D平面，所以選用TE模態來處理分析。為了求得光子晶體液晶光波導的色散關係，其光波方程式可以表示成：
[n]
[n]	其中介電張量ε(r)=ε(r+R)，R為介電常數變化的週期，且▽‧H(r)=0。
[n]	一般而言，液晶材料擁有兩種介電常數，一個稱為主要的介電常數ε⁰，另一個稱為次要的介電常數ε^e，當光波通過液晶時會被這兩種介電常數所影響。在2D平面液晶的介電張量可以寫成下列的形式：ε_xx(r)=ε⁰(r)sin²Φ+ε^e(r)cos²Φ　(2) ε_zz(r)=ε⁰(r)cos²Φ+ε^e(r)sin²Φ　(3) ε_xz(r)=ε_zx(r)=[ε^e(r)-ε⁰(r)]cosΦsinΦ　(4) 其中Φ是液晶的旋轉角，而n=(cosΦ,sinΦ)是液晶的主軸向量。
[n]	使用時域有限差分法可以有效分析光在此光子晶體光波導干涉器的傳播特性。我們可利用外加電場的變化來控制旋轉液晶的主軸可以改變光通過液晶時所感應的折射率。在圖2中，若通過第一缺陷波導(defect waveguide)24、一第二缺陷波導25的光有不同的相位差，則在該輸出端23會產生不同的干涉現象。若產生建設性干涉則該輸出端23會有光輸出，若產生破壞性干涉則該輸出端23不會有光輸出。利用液晶的相位調變正好可以造成不同的光程差，隨之就會產生不同的干涉現象。液晶因不同主軸旋轉角所造成的光程差ψ_d可由下式來計算：
[n]
[n]	其中n_e係隨著液晶主軸旋轉角而變化的液晶有效折射率，ψ₁係為該第一缺陷波導24內之液晶之第一旋轉角，ψ₂係為該第二缺陷波導25內之液晶之第二旋轉角，L_LC係液晶的總長度，在本實施例中該第一缺陷波導24內之液晶之總長度與該第二缺陷波導25內之液晶之總長度相同，皆為L_LC。
[n]	參考圖4至圖6，顯示利用時域有限差分法模擬計算該光子晶體光波導干涉器20的光場分佈。參考圖4，當液晶旋轉角Φ₁=0°、Φ₂=0°時，該輸出端23產生建設性干涉而有光波輸出。參考圖5，當液晶旋轉角Φ₁=0°、Φ₂=±45°時，輸出端有光波輸出，但光能量僅有一半。參考圖6，當液晶旋轉角Φ₁=0°、Φ₂=±90°時，該輸出端23產生破壞性干涉而完全無光波輸出。
[n]	參考圖7，顯示本發明之光子晶體光波導干涉器20在不同的液晶第二旋轉角ψ₂所造成的輸出頻譜，其中該第一旋轉角ψ₁固定在0度，然後控制該第二旋轉角ψ₂，在不同的第二旋轉角ψ₂所造成的輸出頻譜係為一連續之曲線。由圖中可看出隨著該第二旋轉角ψ₂的變化，由該輸出端23所輸出之光可由有輸出轉變成無輸出，如此便可控制光的傳播及開關。由此可知，本發明在積體光學光波導迴路中可成為一個相當良好的開關元件。
[n]	惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，習於此技術之人士可在不違背本發明之精神對上述實施例進行修改及變化。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
	【圖式簡單說明】
[n]	圖1顯示習用之積體光學干涉器之立體示意圖；
[n]	圖2顯示本發明光子晶體光波導干涉器之示意圖；
[n]	圖3顯示本發明光子晶體光波導干涉器之光子晶體結構能帶圖；
[n]	圖4顯示利用時域有限差分法模擬計算該本發明光子晶體光波導干涉器的光場分佈，其中液晶旋轉角分別為Φ₁=0°、Φ₂=0°；
[n]	圖5顯示利用時域有限差分法模擬計算該本發明光子晶體光波導干涉器的光場分佈，其中液晶旋轉角分別為Φ₁=0°、Φ₂=±45°；
[n]	圖6顯示利用時域有限差分法模擬計算該本發明光子晶體光波導干涉器的光場分佈，其中液晶旋轉角分別為Φ₁=0°、Φ₂=±90°；及
[n]	圖7顯示本發明之光子晶體光波導干涉器在不同的液晶第二旋轉角ψ₂所造成的輸出頻譜，其中該第一旋轉角ψ₁固定在0度。
	【主要元件符號說明】
[y]	10．．．習用之積體光學干涉器
[y]	20．．．本發明光子晶體光波導干涉器
[y]	21．．．柱狀物
[y]	22．．．輸入端
[y]	23．．．輸出端
[y]	24．．．第一缺陷波導
[y]	25．．．第二缺陷波導
[y]	26．．．第一調變裝置
[y]	27．．．第二調變裝置
[y]	30．．．光子能隙
[y]	L．．．習用之積體光學干涉器之總長度

七、

申請專利範圍：

1. 一種光波導干涉器，其包括一輸入端、一輸出端、一第一光學路徑、一第二光學路徑，其中該輸入端係用以輸入一光線，該第一光學路徑及該第二光學路徑係分別連接該輸入端及該輸出端，用以於該輸出端形成干涉，其特徵在於，該光波導干涉器更包括一第一液晶區，設置於該第一光學路徑。
2.如請求項1之光波導干涉器，其係為一光子晶體結構。
3.如請求項1之光波導干涉器，更包括一第二液晶區，設置於該第二光學路徑。
4.如請求項1之光波導干涉器，更包括一第一上電極及一第一下電極，分別設置於該第一液晶區之上方及下方，以控制該第一液晶區之液晶。
5.如請求項3之光波導干涉器，更包括一第二上電極及一第二下電極，分別設置於該第二液晶區之上方及下方，以控制該第二液晶區之液晶。
6.如請求項1之光波導干涉器，其中該第一液晶區之長度係與第二液晶區之長度相同。
7.如請求項1之光波導干涉器，其中該第一光學路徑之長度係與該第二光學路徑之長度相同。
8.一種光子晶體光波導干涉器，其包括一輸入端、一輸出端、一第一缺陷波導、一第二缺陷波導，其中該輸入端係用以輸入一光線，該第一缺陷波導及該第二缺陷波導係分別連接該輸入端及該輸出端，用以於該輸出端形成干涉，其特徵在於，該光子晶體光波導干涉器更包括一第一調變裝置，設置於該第一缺陷波導，用以調整通過該第一缺陷波導之光之光程。
9.如請求項8之光子晶體光波導干涉器，其中該第一調變裝置係為液晶。
10.如請求項9之光子晶體光波導干涉器，更包括一第一上電極及一第一下電極，分別設置於該第一調變裝置之上方及下方，以控制該第一調變裝置之液晶。
11.如請求項8之光子晶體光波導干涉器，更包括一第二調變裝置，設置於該第二缺陷波導，用以調整通過該第二缺陷波導之光之光程。
12.如請求項11之光子晶體光波導干涉器，其中該第二調變裝置係為液晶。
13.如請求項12之光子晶體光波導干涉器，更包括一第二上電極及一第二下電極，分別設置於該第二調變裝置之上方及下方，以控制該第二調變裝置之液晶。
14.如請求項8之光子晶體光波導干涉器，其中該第一缺陷波導之長度係與該第二缺陷波導之長度相同。
15.如請求項8之光子晶體光波導干涉器，其中該第一調變裝置之長度係與該第二調變裝置之長度相同。

八、	圖式：
	圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 圖6 圖7

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