行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
積體化微稜鏡在鈮酸鋰光波導元件之應用研究(3/3)
Application of Integrated Microprism on
Lithium Niobate Waveguide Devices (3/3)
計畫編號：NSC 90-2215-E-002-018
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：王維新 國立台灣大學光電工程研究所
一、中文摘要 本計畫之目的是將高傳輸率的大 角度 Y 形光波導應用到馬赫任德干涉 器，以縮短整個元件的長度。大角度 光 波導係採用 退 火式 質 子交換 法 製 作，特點是採用本實驗室最近發表的 簡式同調多段耦合彎曲波導結構。每 一彎曲小段先轉 2°，結果顯示 Y 形張 角可在短距離內達到 12°，使得後續製 作之馬赫任德干涉器長度可以大幅縮 短。因此採用本項成果可提高元件在 基板上的密度，這對光電元件之積體 化設計與製造，極有助益。 關鍵詞：鈮酸鋰，大角度 Y 形光波導， 退火式質子交換，馬赫任德干涉器 AbstractThe purpose of this work is to improve the design of wide-angle Y-branch optical waveguide such that the total length of a Mach-Zehnder interferometer can be reduced. The annealed proton exchange (APE) waveguide with a simplified coherently-coupled multi-sectional bending structure is used for the
Y-branch waveguide. The guided light can be turned at an angle of 2° at each corner. Experimental results show that substantial reduction in device length yet with high transmission efficiency has been obtained. The Y-branch angle can be extended to as large as 12°. These results are useful for the design and fabrication of the integrated optical waveguide devices.
Keywords: Lithium niobate, wide-angle
Y-branch waveguide, annealed proton exchange, and Mach-Zehnder interferometer 二、計畫緣由與目的 Y 形光波導是光纖通信網路中常 用的元件，其扮演的角色通常是功率 分離器、極化分離器，亦可應用在馬 赫任德干涉器等。為了減少光損耗，Y 形光波導的張角通常限制在小於 1°左 右。如此則元件變得很狹長，浪費許 多可作其他用途的面積，同時也使元
件積體化密度變低。因此製作低損耗 的大角度 Y 形光波導極具關鍵性。 本計畫是之目的是將本實驗室從 前研發之大角度 Y 形光波導應用在馬 赫任德干涉器之製作上，以縮短其整 體長度。大角度彎曲係採用微稜鏡之 原理製作。鈮酸鋰微積體化微稜鏡有 高折射率和低折射率兩種，高折射率 微稜鏡是利用質子交換法製作，面積 小，但損耗大。低折射率微稜鏡則是 通常利用基板來代替，因其折射率低 於光波導之折射率，如此則只需設計 波導圖形即等於製作微稜鏡，面積稍 大但損耗則較小。在本研究中發現若 將同調耦合多段彎曲結構應用在退火 式質子交換波導，其功能就如同在波 導轉彎處放置一連串的基板微稜鏡使 光做每次約 1~2°的多次轉彎，因此整 個 波 導結 構之傳 輸損 耗可 以 變得很 小。若再配合本實驗室最近發表的簡 式同調多段耦合彎曲波導結構，則在 縮短長度和增加傳輸率會同時有大幅 改善，Y 形張角更可大到 12°，因此後 續 製作的 馬 赫任 德干 涉器 可縮 短長 度。利用本項成果可提高積體光學元 件在基板上的密度，這對積體光學元 件之設計與製造上極有助益。 本計畫所用之簡式同調耦合多段 彎曲波導原理說明如圖一(a)所示。當 光經過一小段耦合長度的距離後，輻 射模態會耦合回導光模態而增加傳輸 率。同時光場的等相位面會垂直於下 一小段波導。此機制就如同稜鏡使外 側 光場減 速，而 讓內 側光場 加 速趕 上，使光場的行進方向平行於下一小 段波導的方向。因此多段彎曲結構， 只要在適當的長度設計下，每一小段 彎曲波導結構，可視為是一個基板微 稜鏡，而整個結構則如同由許多基板 微稜鏡組成的。但一般利用質子交換 法製成的高折射率微稜鏡則需要兩次 微影技術，且第二次的曝光需仰賴精 準的光罩對準技術才能將波導正確放 入微稜鏡中，製作過程較為複雜。本 研究所提之簡式同調多段彎曲波導結 構，只需要做一次微影技術，且沒有 微稜鏡和波導的對準問題，製程比用 質子交換法製造微稜鏡容易得多，應 用在大角度的 Y 形分差結構和馬赫任 德干涉器更是適合。 三、結果與討論 本研究所提之多段彎曲結構是根據同 調耦合原理簡化而設計的。同調耦合 原理係由 Taylor 和 Johnson [2]-[5]所提 出的。當波導每次轉一固定角度，且 每一段波導長度一樣，在經過第一彎 曲 時 ，光 的等相 位面 會出 現振盪現 象。此種振盪現象係由導光模態和在 轉角處所激發出之輻射模態有不同的 傳播常數所造成。經過一段適當的距 離後，兩者會產生建設性干涉使得傳 輸率達到最大，且光的等相位面會垂 直於下一小段彎曲波導，即相當於是 垂直入射，所以光在此段波導中不會 振盪的，因而對傳輸率亦不會造成影 響。而根據此原理組成之多段彎曲波 導如圖一(a)所示。所謂適當長度即 Taylor 所提出的同調耦合長度如下 式： ) /( 2 eff eff,R c m N N L (1) 式中
為操作波長，Neff為基本模態的 等效折射率，Neff,R 為輻射模態的等效 加權平均折射率。本計畫則利用簡式同調耦合之彎曲結構如圖一(b)所示 [6][7] ，即將光相位不會振盪的波導 分 段 省略 ，而直 接下 一小 段 彎曲波 導，所以會有大約相同的傳輸率但長 度卻只有原結構的一半，適合積體化 的應用。但如應用到 Y 形光波導，則 尚須考慮第一段分岔之長度。因為此 段係由基本導光模態變成第一導光模 態，所以長度也較同調耦合長度長。 就不同長度而言，傳輸率會有差別。 根據模擬，當此段長度為 160μm 時， 會有最大傳輸率 84％。利用此結構， 本計畫提出的大角度 Y 形光波導如圖 二所示，大角度馬赫任德干涉器如圖 三所示。製作流程則是利用微影技術 將波導圖案轉移至晶片上。再將金屬 鈦鍍上去作為質子交換遮罩。質子交 換過程為 190°C，1 小時，接著利用硫 酸將金屬鈦袪除，並進行高溫退火： 360°C，2.5 小時。再經過拋光，即可 量測。 量測裝置使用氦氖雷射(波長為 0.6328μm)作為光源。測量結果顯示， 當 Y 形光波導張角為 6°時，傳輸率為 74%。傳統 Y 形光波導，張角最高僅 可達 1°。進一步增加時，傳輸率將低 於 50%。兩者相比較，本計畫在傳輸 率有很大改進，可有效提昇大角度 Y 形光波導的應用。就馬赫任德干涉器 而言，傳輸率可達 50％。就相同角度 而言，傳統馬赫任德干涉器的傳輸率 幾接近於 0，改善效果極為明顯。 四、計畫成果自評 本研究結果已圓滿達成原計畫的預期 目標，完成製作大角度馬赫任德干涉 器，改良傳統馬赫任德干涉器在大角 度 時傳輸 率 損耗 甚 高 之 缺失，且設 計、製作容易。而提出的大角度 Y 形 光波導將可用於其他具有 Y 形結構的 元件如：耦合器、功率分離器等，具 有商業應用價值。本計畫有效提升光 波導結構的製作技術，提供未來在製 作光通訊元件時更多和更佳的選擇， 成效應屬優良。 五、參考文獻
[1] J. M. Hsu and C. T. Lee, “Systematic design of novel wide-angle low-loss symmetric Y-junction waveguides,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 34, no. 4, pp. 673-679, 1998.
[2] H. F. Taylor, “Power loss at directional change in dielectric waveguides,” Appl. Opt., vol.13, pp.642-647, 1977.
[3] H. F. Taylor, “Losses at corner bends in dielectric waveguides,” Appl. Opt., vol.16, pp.711-716, 1977.
[4] L. M. Johnson, and D. Yap, “Theoretical analysis of coherently coupled waveguide bends,” Appl. Opt., vol.23, pp.2988-2990, 1984. [5] L. M. Johnson and F. J. Leonberger,
“Low-loss LiNbO3 waveguide bends with coherent coupling,” Opt. Soc. Am., vol.8, pp.111-113, 1983. [6] 蘇振嘉, “同調耦合型彎曲波導之
研製, ”國立台灣大學電機工程學 研究所碩士論文, 2001.
[7] J. J. Su and W. S. Wang, “Novel coherently-coupled multi-sectional
bending optical waveguide,” Photo. Tech. Letts., pp.1112-1114, 2002.
