利用二維光子晶體波導結構所設計之多通道分波多工器及全光式光開關之研究(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

利用二維光子晶體波導結構所設計之多通道分波多工器及

全光式光開關之研究 (II)

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-151-006- 執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計 畫 主 持 人 ： 吳曜東 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：姜宏蒝 碩士班研究生-兼任助理人員：王慶昌 碩士班研究生-兼任助理人員：陳萬友 碩士班研究生-兼任助理人員：陳宗延 博士班研究生-兼任助理人員：李建樟 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 10 月 25 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告

□期中進度報告

利用二維光子晶體波導結構所設計之多通道分波多工器及全光式光

開關之研究(II)

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC98－2221－E－151－

006－

執行期間： 98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日

執行機構及系所：國立高雄應用科技大學 電子系

計畫主持人：吳曜東

計畫參與人員：博士班研究生-兼任助理：李建樟

碩士班研究生-兼任助理：姜宏蒝、王慶昌、陳萬友、

陳宗延

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

■出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：

除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 10 月 16 日

利用二維光子晶體波導結構所設計之多通道分波多工器及全光式光開關之

研究(II)

The Study of Multichannel Wavelength Division Multiplexers and All-optical

Switches by using Two-dimensional Photonic Crystals Waveguide

Structures(II)

中文摘要

我們提出一種新的多通道二維光子晶體光濾波器，這個光子晶體元件依據每個區段波導邊界不同 的孔洞半徑能成功的工作在相對應波長。這些區段的波導扮演著反射鏡的功能，透過光子能隙效應反 射特定頻率光波回來。隨著區段的波導孔洞半徑的的遞增，反射回來的光波頻率從低頻至高頻並且經 由各輸出端輸出。 關鍵詞：光子晶體、光子能隙

Abstract

We have proposed a new design of optical filter based on a two-dimensional photonic crystal (2D PC) with multi-channel. This PC device was successfully operated at relative wavelengths corresponding to different the hole radius at the border of each section waveguide. These section waveguides act as reflection mirrors to reflect specific frequencies by photonic band gap (PBG) effects. The hole radius increases at each section waveguide. The reflection lightwaves are from lower frequency to high frequency through their respective outputs.

報告內容

一、前言

光子晶體(Photonic crystal) [1, 2]是利用不同介電常數的材料呈週期性排列產生而成。光子晶體結構 特性類似傳統半導體中電子在晶體中的行為，所以光子晶體也會如電子在晶體中傳輸時產生能隙，並 且能阻擋某特定頻率的電磁波在此範圍中傳播，此特性被稱為光子能隙(Photonic band gap)。光子晶體 在光通訊領域裡被廣泛的研究與應用，例如分波多工器(Wavelength division multiplexer, WDM) [3-5]、 光塞取濾波器(Add-drop filter) [6, 7]、方向耦合器(Directional coupler) [8]等。這些所設計出來的光子晶 體元件藉由點缺陷或線缺陷來導引光的行進，當缺陷形成時，原本於光子能隙內禁止傳播的範圍內形 成一導帶，使得共振波長存在於缺陷之中，因此設計缺陷在光子晶體是最重要的一個部份。 隨著現今資訊傳輸量的大增，人們對於頻寬的需求也隨之變大，為配合業者對頻寬容量的要求， 光子晶體應用於光通訊系統中已成為一大趨勢。近年來，由於奈米科技與製程技術的發展，對於製作 光子晶體結構有很大的幫助。我們能以更精進的製程技術和搭配傳統光學理論來達到光通訊元件的開 發，此外用光子晶體結構所設計的光通訊元件能有效的縮小元件體積。

二、研究目的

目前政府極力推動光纖到家(Fiber-to-the-home, FTTH)的服務，可提供更高頻寬利用，除了影像、 檔案甚至到高畫質電視皆可達到更高速的傳輸。然而要構成光纖到家的網路需要 Triplexer[9]分離三個 主要波長 1.31μm、1.49μm、1.55μm，做為用戶端與伺服端之間的上、下傳輸。另外還需搭配一些重要 的光通訊零組件，如分光器(Power splitter)、分波多工器、摻鉺光纖放大器(Erbium-doped fiber amplifer, EDFA) 等 。 本 計 畫 主 要 設 計 一 個 多 通 道 的 二 維 光 子 晶 體 分 波 多 工 器 ， 主 要 應 用 波 段 範 圍 約 為 1.25μm~1.55μm 之間。我們於光子晶體波導引入缺陷態達到不同波長的反射，而其中反射回去的光波 將沿著輸出波導輸出進而達到分波多工的功能。本研究的結構模擬利用平面波展開法(Plane wave expansion, PWE)來計算光子能隙和時域有限差分法(Finite-difference time-domain, FDTD)計算電磁波在 光子晶體傳播的行為。

三、研究方法

首先我們針對一孔洞結構呈三角晶格排列的光子晶體波導分析，如圖一所示。其中晶格常數 a 為 340nm 代表二個孔洞之間的間距，而背景折射率假設為矽(n=3.476)。由於孔洞結構的光子晶體其電場 方向平行於波導表面，因此它只適合 TE 極化。我們從能帶圖可以發現該光子晶體結構存在一個較大範 圍的能帶(圖二)，能導引 1082nm~1580nm 的波長於波導中傳播。如圖三(a)所示，我們進一步的改變鄰 近波導二側的空氣洞半徑，從原本半徑 115nm 增加至 120nm(如圖藍色標示處)，從色散曲線可以發現 有二個模態於波導中傳播，分別為基模(Fundamental mode)和一階模(First-order mode)，如圖三(b)所示。 因為只有基模在波導可以被激發，所以在這裡我們考慮基模情形，其中基模在最低頻處為 0.223(a/λ)。 接著再增加鄰近空氣洞半徑至 129nm，色散曲線的基模在最低頻處為 0.228(a/λ)。從結果可以知道當空 氣洞逐漸增大時，其基模最低頻處會往較高頻移動，如果入射光源的頻率落在在基模曲線之外，那將 導致光源反射回來。該反射效果類似於傳統波導的布拉格(Bragg)反射，藉由不同厚度達到不同波長的 反射效果。

圖一：孔洞結構呈三角晶格排列的光子晶體波導

圖二：光子能帶圖

(a) (b)

圖四：波導邊界空氣洞半徑為 129nm 的色散曲線。 在這裡我們提出一個多通道的光子晶體波導，如圖五所示。因此我們可以利用此特性，改變鄰近波導 空氣洞達到分波多工的效果。最後為了證明我們提出的方法的可行性，我們設計了一個八通道的光子 晶體波導，如圖六所示。其中 r1~r8分別為不同區段波導的半徑，分別為 120nm、129nm、137nm、143nm、 149nm、154nm、160nm、165nm。較長波長的光波將由前面的波導引導出去，較短波長的光波將由後 面的波導引導。而它們各別的場分佈情形如圖七所示，其中所過濾的波長各別為 1280nm、1333nm、 1361nm、1391nm、1422nm、1454nm、1488nm、1523nm。各通道間的串音干擾(Crosstalk)顯示於表一， 整體串音干擾小於-9.61dB。 圖五：多通道光子晶體波導示意圖。 圖六：八通道光子晶體分波多工器。

(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) 圖 7：各個通道的電場分佈 表一：各通道間的串音干擾

Channel Ch1 Ch2 Ch3

Ch4

Ch5

Ch6

Ch7 Ch8

Ch1 -

-14.33

-19.88 -24.52 -32.09 -41.74 -55.62

-29.67

Ch2 -9.61 - -12.81 -18.27 -22.43 -25.85 -22.74

-33.65

Ch3 -29.35

-10.68 - -13.89 -16.05 -20.22 -24.24

-36.96

Ch4

-39.48 -26.58 -12.56

-

-13.23 -15.38 -17.58 -27.57

Ch5 -56.52

-45.11

-28.05 -13.1

- -13.64 -16.87

-17.54

Ch6 -39.36 58.37 -49.67 -32.53 -16.11

-

-13.24 -15.46

Ch7

-56.07 -54.04 -51.78 -36.8 -37.33 -20.72

-

-10.43

Ch8 -50.14 61.37 -53.21 51.24 -52.57 -50.54 -14.89

-

Unit: dB

四、結果與討論

我們設計了一個多通道的二維光子晶體分波多工器，該結構為孔洞結構呈三角晶格排列。我們又 提出一個八通道的範例證明該方法的可行性，其中各個通道的波長依序為 1280nm、1331nm、1361nm、 1391nm、1422nm、1455nm、1489nm、1524nm。該結構的工作原理是類似布拉格(Bragg)反射的概念， 依據每個區段波導邊界不同的孔洞半徑，能反射回相對應的波長。每個區段波導的孔洞半徑依序的由 小到大，因此長波長的光波會在前面區段波導被反射回去。反之短波長光波會通過前面區段波導並於 後面區段波導反射回去。這提出的光子晶體分波多工器除了元件體積小外，其穿透效率可達 80%以上。 整體的設計相當簡單，對於實際製程較容易達到。

參考文獻

1. E. Yablonovitch, “Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics,” Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).

2. S. John, “Strong localization of phonics in certain disordered dielectric superlattice,” Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).

3. L. Y. Mario Desmond, C. S. Lim, and M. K. Chin, “Proposal for an ultranarrow passband using two coupled rings,” IEEE Photon. Technol. Lett. 19, 1688-1690 (2007).

4. S. T. Chu, B. E. Little, W. Pan, T. Kaneko, S. Sato, and Y. Kokubun, “An eight-channel add-drop filter using vertically coupled microring resonators over a cross grid,” IEEE Photon. Technol. Lett. 11, 691-693 (1999).

5. A. Melloni, R. Costa, P. Monguzzi, and M. Martinelli, “Ring-resonator filters in silicon oxynitride technology for dense wavelength-division multiplexing systems,” Opt. Lett. 28, 1567-1569 (2003).

6. P. P. Yupapin and W. Suwancharoen, “Chaotic signal generation and cancellation using a micro ring resonator incorporating an optical add/drop multiplexer,” Opt. Commun. 280, 343-350 (2007).

7. T. Barwicz, M. A. Popovic, P. T. Rakich, M. R. Watts, H. A. Haus, E. P. Ippen, and H. I. Smith, “Microring-resonator-based add-drop filters in SiN: fabrication and analysis,” Opt. Express 12, 1437-1442 (2004).

8. Y. D. Wu, M. L. Huang, and T. T. Shih, “Optical interleavers based on two-dimensional photonic crystals,” Appl. Optics., 46, 7212-7217 (2007).

9. T. T. Shih, Y. D. Wu, and J. J. Lee, “Proposal for compact optical triplexer filter using 2-D photonic crystals,” IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 18-20 (2009).

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■

達成目標

□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□ 實驗失敗

□ 因故實驗中斷

□ 其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表

■

未發表之文稿 □撰寫中 □無

專利：□已獲得 □申請中

■

無

技轉：□已技轉 □洽談中

■

無

其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

我們提出一種新的多通道二維光子晶體光濾波器，這個光子晶體元件依據每個區段波導邊 界不同的孔洞半徑能成功的工作在相對應波長。這些區段的波導扮演著反射鏡的功能，透 過光子能隙效應反射特定頻率光波回來。隨著區段的波導孔洞半徑的的遞增，反射回來的 光波頻率從低頻至高頻並且經由各輸出端輸出。藉由上述功能達到分波多工的效果，實現 多個波長的傳輸。 附件二

國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期： 99 年 7 月 15 日

一、參加會議經過

本次 OECC2010 在日本北海道札幌市會議中心舉行，由 IEICE Communications

Society 及 IEICE Electronics Society 共同贊助，並由 IEEE Photonics Society 及 OSA

技術上協辦，明年 OECC2011 將在台灣高雄舉行，由中山大學光電工程研究所主辨。

本次研討會的會議期間為七月五日至七月九日，共分為五天。第一天皆為 Workshop

session，Postdeadline 論文發表則安排於七月八日進行，本人於七月 3 日星期六抵達

日本札幌市，並於七月七日下午進行論文發表，而於七月九日離開。

二、與會心得

計畫編號

NSC－98－2221－E－151－006

計畫名稱

利用二維光子晶體波導結構所設計之多通道分波多工器及全光式光開

關之研究 (II)

出國人員

姓名

吳曜東

服務機構

及職稱

國立高雄應用科技大學 電子工程系

教授

會議時間

99 年 7 月 3 日

至

99 年 7 月 9 日

會議地點

日本札幌市

會議名稱

(中文) 2010 年光電和通訊會議

(英文) 2010 OptoElectronics and Communications Conference

發表論文

題目

(中文) 利用平板光子晶體慢光結構設計一新穎的分時多工系統

(英文)

A Novel Time Division Multiplexing System Using Slow Light

Design Base On Planar Type Photonic Crystal Structures

大會第一天第一場 Plenary talk 由光通訊的專家林清隆(Chinlon Lin)進行報告，報

告中指出光通訊的發展至今，所要求的頻寬需求越來越高，因此光纖到家 fiber-to-the

home (FTTH)成為 21 世紀很重要的一個平台，因為高頻寬的網路使得 HDTV 和 HD

VOD (video-on-demand)容易達到高速的網路存取。另外高寬頻的視訊會議應用可減

少在交通上時間的浪費，實現天涯若比鄰的特點。

第二場為日本的學者 Masataka Nakazawa 進行報告，報告中該學者提出 Three M

Technologies 應用於光通訊系統中，這三個 M 包含了(1)multi-level modulation format、

(2)multi-core fibers、(3)mode division multiplexing。這 Three M Technologies 使用小於

1ps 的光脈衝達到 terabit/s OTDM。

第三場為美國 AT&T 的學者 Peter Magill 進行報告，報告中該學者指出 Carrier

transport network 必須(1)學習如何處理具有同調檢測與 DSP 的通訊系統(2)發展新的

程序而利用 ROADMs 的 colorless 和 non-directional 的優點使效率提高、更靈敏的光

網路系統。

三、建議

本次研討會發現在光通訊網路的發展上的要求越來越重視，例如光纖到家

fiber-to-the home (FTTH)，並且也相對提出針對光通訊系統的技術改善，可得知這方

面是目前最為重視與發展的目標，建議相關單位重視此目標，以提升台灣的競爭，

以免錯失機會。

五、攜回資料名稱及內容

1.會議議程一本

2.論文集(CD-ROM)一片

六、其他

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：吳曜東 計畫編號： 98-2221-E-151-006-計畫名稱：利用二維光子晶體波導結構所設計之多通道分波多工器及全光式光開關之研究 (II) 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 1 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 5 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 4 0 100% 博士生 1 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次

其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 無 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 ■未發表之文稿 □撰寫中 □無

專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無

其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

我們提出一種新的多通道二維光子晶體光濾波器，這個光子晶體元件依據每個區段波導邊 界不同的孔洞半徑能成功的工作在相對應波長。這些區段的波導扮演著反射鏡的功能，透 過光子能隙效應反射特定頻率光波回來。隨著區段的波導孔洞半徑的的遞增，反射回來的 光波頻率從低頻至高頻並且經由各輸出端輸出。藉由上述功能達到分波多工的效果，實現 多個波長的傳輸。