導論

隨著科技的進步，資訊也愈來愈發達，一代比一代更優異的通訊 技術被提出並加以研究發展，藉以滿足人類的需求，從原本的以電訊 號傳輪進步至以光訊號傳輸，在在需要各種光的主動元件及被動元件 來控制傳遞光訊號，再加上近年來半導體製程技術的進步，愈來愈多 的光電元件朝向尺寸更小質量更輕的方向發展，更利於光電積體電路 的發展（Opto-Electric Integrated Circuit OEIC），也就是將一些原本體 積龐大的光學系統整合至一半導體晶片上。

而本論文所設計之光衰減器即為被動元件的一種，主要功能是用 來減低或控制光訊號，其應用範圍十分廣泛，可分為固定式與可調 式。前者較不具彈性，主要用於通訊系統中平衡光能量；後者在發展 上則較具優勢，能主動控制光訊號，易朝各式模組化發展。在發展元 件模組化與積體化過程當中，最需要的便是小尺寸的元件，而光衰減 器的製作上有利用微機電（MEMS）的設計來控制輸出〔15〕，也有 利用波導來製作或模擬，多利用材料的熱光效應加上波導結構上的應 用而成〔13,14,16,17〕，例如 Y-branch 或 X-junction 或縱向梯度等結 構。而我們所設計的衰減器也是利用材料的熱光效應加上二次偏折波 導結構，即兩通道結構加上一斜邊結構所組成，優點即為尺寸小，而

上更加有利並可大大提高單位面積上的元件密度，進而降低製作的成 本 ， 此 外 本 元 件 尚 可 利 用 埋 藏 式 高 分 子 波 導 （Buried Polymer Waveguide）的製程，相較脊樑式波導還有較高良率的優點。

我們所設計的可調變光衰減器（Variable Optical Attenuator VOA）

結構如圖1-1 所示，分為三部份，前後為直的通道結構波導，中間為 斜邊式的波導，之間插入兩個 micro-prism 區間，其作用為偏折光行 進方向並補償由光路徑差所造成之相位差；加熱器是由金屬通以電流 構成，針對斜邊部份提供熱源而達到光衰減的效果，而折曲式的設計 則是可增加金屬線長並降低金屬面積而提高電阻值，如此不需通過太 大電流量便可提供足夠的熱源。

Attenuated Signal

Heater Optical

Signal

圖 1-1 VOA 結構上視圖

之所以利用 micro-prism 結構來偏折的原因在於傳統式直接偏折 的結構在轉角處會造成較大的散射損耗，如圖1-2 所示，尤其隨著偏 折角度愈大，輸出效率也會更差，除此之外，偏折處尚有因光路徑差 所造成之相位差，而使得光行進時有相位不匹配的問題。改進方法即 是在偏折處插入一個比導光層折射係數要低的稜鏡區間，如圖 1-3 所 示，除可降低光在偏折時所造成的損耗並可補償相位差而改善了相位 的問題，這樣的設計在偏折角度即使在大於5 度時仍可保有不錯的光 輸出效率〔7,9,10〕。

α

n

圖 1-2 傳統式偏折波導結構

n

n

n

α

圖 1-3 插入 micro-prism 之改良式偏折波導結構

而我們所設計的VOA 衰減原理乃是基於材料的熱光效應。所謂 熱光效應即材料的折射係數會隨其溫度而有所變化，即受材料的熱光 係數dn/dT 值影響，當溫度的變化愈大，折射係數的變化也就愈大。

若提高溫度改變導光材料的折射係數，使其愈接近披覆層材料之折射 係數，則於其中傳播的光場將變得更加發散，在傳播過程中也會造成 一些損耗。故在二次偏折結構中，針對斜邊之導光材料予以加溫，一 方面使光場更加發散，而於傳播過程中造成一些損耗；另方面因斜邊 折射係數的改變，原先光行進的方向將受影響而開始產生偏移，隨溫 度增加愈多，偏移量也就愈大，於斜邊傳輸的損耗便愈大，再經第二 偏折處至輸出將可得極佳的損耗效果，此即為本論文之衰減器簡單作 用原理。

於論文第二章中先針對使用 microprism 之偏折結構原理作個介 紹，再藉著Ray Optics 簡單計算於兩導光材料隨溫度增加而造成之光 行進方向偏移量，再來分析比較兩種導光材料在不同溫度下之基模場 型圖，並利用 BPMCAD 計算 VOA 在不同角度二次偏折後的輸出對 溫度之關係曲線。

第三章則詳細說明波導製作流程，此外尚有製作中及完成後以電 子顯微鏡（SEM）與光學顯微鏡所拍攝的結果。

第四章是對量測系統的簡單介紹及所完成波導之量測結果。其一

為通道結構波導 TE 波之單位長度傳播損耗，另一個則為利用 microprism 所製作之二次偏折結構在四種角度的不同輸出。

第五章為結論及未來工作。