宽频环形共振腔元件及其设计系统

技术领域

本发明涉及一种环形共振腔元件(ring resonator)，尤其是涉及一种可于宽频波段(broadband；或称broad wavelength band)下具有高均一性的光输出表现的环形共振腔元件；还涉及一种环形共振腔元件的设计系统，尤其是涉及一种用以设计得到上述环形共振腔元件的配置参数的设计系统。

背景技术

环形共振腔元件(或称微环形共振腔元件(micro-ring resonator,MRR))在高密度体积化的光学系统中是相当重要的基本元件。通常而言，环形共振腔元件是由封闭型波导及长直型波导所组成，上述两波导彼此靠近设置以进行光耦合，并使光子自长直型波导耦合至封闭型波导。上述封闭型波导的尺寸目前已多被制作为小至微米级的维度，以与集成电路进行整合并在同一芯片中而实现高密度的光电集成电路。

发明内容

有鉴于此，一些实施例提出一种宽频环形共振腔元件，其包含第一波导及第二波导。第一波导为封闭环，该封闭环具有第一耦合段，该第一耦合段具有第一宽度及第一半径。第二波导包含依序相连的第一段、第二耦合段及第二段，该第二耦合段具有第二宽度及第二半径。该第二波导于一宽频段耦合至该第一波导的一耦合效率实质相近。该第二半径大于该第一半径。1.3≤W1/W2≤1.7，其中W1为第一宽度，W2为第二宽度。

依据一些实施例，上述第二耦合段与第一耦合段具有耦合角度并相距耦合间隙。

依据一些实施例，上述宽频段所对应的入射光波长段为1250纳米(nm)至1370纳米(nm)。

依据一些实施例，实质相近的上述耦合效率的宽频段所对应的入射光波长段为1280纳米至1330纳米。

依据一些实施例，上述第二半径是根据式1的半径与有效折射率关系式而得：

其中，n

依据一些实施例，实质相近的上述耦合效率位于0％至85％的范围内。

依据一些实施例，实质相近的上述耦合效率是通过调整耦合角度及第一宽度中之一而得。

依据一些实施例，上述宽频环形共振腔元件还包含基层、第一保护层、波导层以及第二保护层。第一保护层位于基层上。波导层位于第一保护层上，且上述第一波导及第二波导位于该波导层上。第二保护层位于波导层上。

此外，一些实施例还提出一种宽频环形共振腔元件的设计系统，其用以根据一模拟共振元件得到上述宽频环形共振腔元件的配置参数。上述模拟共振元件具有第一波导及第二波导。该第一波导包含第一耦合段，该第二波导包含第二耦合段。该第二耦合段与该第一耦合段具有一耦合角度并相距一耦合间隙。该设计系统包含使用者界面及处理器。上述输入元件接收耦合间隙、多个波导宽度及多个波导半径。上述处理器是通信连接上述使用者界面，且上述处理器是用以：

获得一半径与有效折射率关系，以根据该半径与有效折射率关系得到第一耦合段的宽度与半径以及第二耦合段的宽度与半径；

调整上述耦合角度，使第二波导于一宽频段耦合至第一波导的耦合效率实质相近；

调整上述第一耦合段的宽度与半径、第二耦合段的宽度与半径、耦合间隙及耦合角度中之一，使该宽频段的该耦合效率位于0％至100％；以及

输出包含上述第一耦合段的宽度与半径、第二耦合段的宽度与半径、耦合间隙及耦合角度的配置参数。

依据一些实施例，上述处理器还用以再调整上述配置参数中之一，使位于0％至100％的耦合效率提升或降低1％至20％，以输出已提升或降低的耦合效率及对应的配置参数。

依据一些实施例，上述半径与有效折射率关系为符合式1的关系：

其中，n

综上，一些实施例提供一种宽频环形共振腔元件及其设计系统，由于该宽频环形共振腔元件的第一波导及第二波导的各配置参数均可经过上述设计系统设计而彼此实质匹配，因此其第一波导及第二波导可在宽频段内具有实质相近的耦合效率(couplingratio；或称耦合系数(coupling coefficient))，进而可于此宽频段内产生多个高均一性的光输出表现。由此，通过同一个经模拟设计过的宽频环形共振腔元件，一些实施例的宽频环形共振腔元件即可提供适用于多种不同波长的入射光的耦合，且此些不同波长的入射光能产生多个高均一性的光输出表现。因此，一些实施例可在微米级的元件制造维度下，提供具有于宽频段内的光输出表现高且稳定、光学损耗(optical loss)低且一致的宽频环形共振腔元件。

附图说明

图1为一些实施例，宽频环形共振腔元件的顶面结构示意图；

图2为如图1的宽频环形共振腔元件的A-A’剖面结构示意图；

图3为一些实施例，模拟共振元件的顶面结构示意图；

图4为一些实施例，宽频环形共振腔元件的设计系统的示意图；

图5为一些实施例，模拟共振元件的半径与有效折射率关系图的操作示意图；

图6A为一些实施例，模拟共振元件的不同耦合角度对耦合效率的模拟关系图；

图6B为如图6A的不同耦合角度对整体耦合效率的第一实施例的模拟关系图；

图6C为如图6A的不同耦合角度对整体耦合效率的第二实施例的模拟关系图；

图7A为一些实施例，固定第一宽度(W

图7B为如图7A的配置参数及特定耦合角度(θ＝23°)配置的模拟共振元件的于宽频段对耦合效率的模拟关系图；

图8A为一些实施例，固定第一宽度(W

图8B为如图8A的配置参数及特定耦合角度(θ＝20°)配置的模拟共振元件的于宽频段对耦合效率的模拟关系图；

图9A为一些实施例，固定第一宽度(W

图9B为如图9A的配置参数及特定耦合角度(θ＝16.5°)配置的模拟共振元件的于宽频段对耦合效率的模拟关系图；

图10为一些实施例，模拟共振元件的光耦合段与具有长直型第二波导的共振腔元件的光耦合段于不同第一宽度及宽频段下对耦合效率的模拟关系图；

图11为如图9B的配置参数的环形共振腔元件的光耦合段与具有长直型第二波导的共振腔元件的光耦合段于宽频段对光穿透系数(transmission coefficient)的模拟关系图；

图12A为如图7B的配置参数及调整不同的耦合间隙、第一宽度及第二宽度配置的模拟共振元件的于宽频段对耦合效率的模拟关系图；

图12B为如图8B的配置参数及调整不同的耦合间隙、第一宽度及第二宽度配置的模拟共振元件的于宽频段对耦合效率的模拟关系图；

图12C为如图9B的配置参数及调整不同的耦合间隙、第一宽度及第二宽度配置的模拟共振元件的于宽频段对耦合效率的模拟关系图；

图13A为如图9B的配置参数，固定耦合角度(θ＝16.5°)，模拟共振元件的不同耦合间隙、第一宽度及第二宽度于宽频段对耦合效率的模拟关系图；

图13B为如图13A的配置参数配置的模拟共振元件的不同耦合间隙、第一宽度及第二宽度于宽频段对耦合效率的实际测量关系图；

图13C为如图13A及图13B的第一配置参数配置的模拟共振元件于宽频段对耦合效率的实际测量关系图；

图13D为如图13A及图13B的第二配置参数配置的模拟共振元件于宽频段对耦合效率的实际测量关系图；

图13E为如图13A及图13B的第三配置参数配置的模拟共振元件于宽频段对耦合效率的实际测量关系图；

图13F为如图13A及图13B的第四配置参数配置的模拟共振元件于宽频段对耦合效率的实际测量关系图；

图13G为如图13A及图13B的第五配置参数配置的模拟共振元件于宽频段对耦合效率的实际测量关系图；

图13H为如图13A及图13B的第六配置参数配置的模拟共振元件于宽频段对耦合效率的实际测量关系图；

图13I为如图13A及图13B的第七配置参数配置的模拟共振元件于宽频段对耦合效率的实际测量关系图。

符号说明

10a:宽频环形共振腔元件

10b:模拟共振元件

12a,12b:第一波导

120a:封闭环

120b:非封闭环

122:第一耦合段

14:第二波导

140:第一段

141:第一前段

142:第一中段

143:第二耦合段

144:第二段

145:第二中段

146:第二末段

16:波导层

20:第二保护层

30:第一保护层

40:基层

50:宽频环形共振腔元件的设计系统

52:使用者界面

520:输入元件

522:显示元件

54:处理器

A-A’:剖面线

C:中心

H

H

H

H

H

L1:第一配置参数

L2:第二配置参数

L3:第三配置参数

L4:第四配置参数

L5:第五配置参数

L6:第六配置参数

L7:第七配置参数

P

P

P

R

R

W

W

W

θ:耦合角度

具体实施方式

请同时参考图1及图2，图1绘示依据一些实施例，宽频环形共振腔元件10a的顶面结构示意图，图2绘示如图1的宽频环形共振腔元件10a的A-A’剖面结构示意图。在图1及图2，宽频环形共振腔元件10a包含第一波导12a及第二波导14。该第一波导12a为具有中心C的封闭环120a，例如该第一波导12a可为波导线圈(ring waveguide)。该封闭环120a具有第一耦合段122，该第一耦合段122的宽度及半径分别为第一宽度W

此外，通过模态耦合理论(Coupled-Mode Theory)及相位匹配条件(Phasematching condition)进行各配置参数的模拟匹配，第一耦合段122与第二耦合段143之间的耦合间隙W

请参考图2，在一些实施例中，上述宽频环形共振腔元件10a是应用于硅光子(silicon photonics)平台，因而可具有高速光连接、化学及/或生医感测、温度感测、光运算以及光频谱滤波等功能。例如，在图2，宽频环形共振腔元件10a另包含基层40、第一保护层30、波导层16及第二保护层20。第一保护层30位于基层40上。波导层16位于第一保护层30上。第一波导12a及第二波导14位于波导层16上。第二保护层20位于波导层16(包含第一波导12a及第二波导14)上。上述基层40的材料例如为但不限于硅，其厚度并无特别限制。上述第一保护层30的材料例如为但不限于二氧化硅(SiO

为更清楚说明各实施例，在本文中仅以应用于硅光子平台的宽频环形共振腔元件10a进行示例性的说明，而非用以限制本发明仅限于该些特定实施态样。

请继续参考图1，在一些实施例中，第一段140包含第一前段141及第一中段142，第二段144包含第二中段145及第二末段146，第一前段141与第二末段146之间依序通过第一中段142、第二耦合段143及第二中段145相连接。上述第一中段142的两端分别连接长直型的第一前段141及第二耦合段143。第一中段142具有一曲率半径且其圆心位于相对于该中心C的另一侧。上述第二中段145的两端分别连接第二耦合段143及长直型的第二末段146；类似地，第二中段145具有一曲率半径且其圆心位于相对于该中心C的另一侧。上述第一中段142与第二中段145二者的形状及曲率半径可为彼此相同(例如镜像对称)或彼此不同。由此，通过第一中段142及第二中段145的设置，一些实施例可更精准地调控第一耦合段122与第二耦合段143之间的耦合程度(例如耦合角度θ及耦合长度(例如为第二半径R

请参考图1及图3，图3绘示依据一些实施例，模拟共振元件10b的顶面结构示意图。在一些实施例中，如图1的宽频环形共振腔元件10a的配置参数是根据如图3的模拟共振元件10b进行预先的模拟及调整而得(容待后述)。相较于图1的宽频环形共振腔元件10a，图3的模拟共振元件10b中的各元件及其配置关系大致与图1的宽频环形共振腔元件10a类似，不同之处在于：图3的第一波导12b具有一非封闭环120b，例如为但不限于具有开口角度为180°的半圆形环或具有其他开口角度的弧形环。在本文中仅以图3的半圆形的第一波导12b进行示例性的说明，而非用以限制本发明仅限于该些特定实施态样。在图3，第二波导14的两端分别为输入端口P

在图1，由于第一波导12a为封闭环，故原耦合至图3的第一波导12b的光子将可继续停留在图1的第一波导12a内。而被耦合至第一波导12a的光子因较长时间地停留在第一波导12a内，即可能造成该些光子的光学损耗。在一些实施例中，上述光学损耗可通过实际测量宽频环形共振腔元件10a的穿透频谱而得到的品质因子(quality factor)进行定义，其中上述品质因子例如可通过入射光的波长除以该穿透频谱的对应的半高宽而得，且品质因子愈高即代表其相对光学损耗愈小、光子愈容易被局限于第一波导12a内，而可用以判断宽频环形共振腔元件10a的品质。在一些实施例中，以高速环形共振腔光调变器为例，经上述模拟及调整的宽频环形共振腔元件10a的品质因子为5000至10000之间，例如为至少约7000；更具体地，在宽频段为1300nm至1320nm(例如1310nm)时，该品质因子为至少约8000。在一些实施例中，上述宽频环形共振腔元件10a的品质因子更可被优化而操作在更佳的耦合状态下，进而使其品质因子达到百万等级。

请同时参考图1、图3至图5，图4绘示依据一些实施例，宽频环形共振腔元件10a的设计系统50的示意图，图5绘示依据一些实施例，模拟共振元件10b的半径与有效折射率关系图的操作示意图。在一些实施例中，如图1的宽频环形共振腔元件10a的配置参数是通过宽频环形共振腔元件10a的设计系统50(见于图4)根据如图3的模拟共振元件10b进行预先的模拟及调整而得。在一些实施例中，上述宽频环形共振腔元件10a的设计系统50包含使用者界面52及处理器54(见于图4)。上述使用者界面52包含输入元件520及显示元件522(见于图4)，上述输入元件520是用以接收耦合间隙W

上述处理器54用以于步骤1，根据上述耦合间隙W

n

接着，上述处理器54用以于步骤2，根据式1的半径与有效折射率关系、第一波导12b的第一耦合段122的宽度及半径(即分别如前述的第一半径R

在一些实施例中，上述处理器54于步骤2-1，固定耦合间隙W

举例而言，在图5，上述处理器54用以于步骤2-1，选择并固定一第一半径-第一有效折射率n

接着，上述处理器54用以于步骤2-3，根据所得到的第二半径R

接着，上述处理器54用以于步骤2-4，根据下式4得到第二半径R

举例而言，在上述步骤2-4至步骤2-5中，上述式1的误差门槛值d为1％或0.5％，将经上述处理器54处理所得到的符合上述式1的误差门槛值d的配置参数罗列如下表1所示。在表1，上述处理器54依据式4可得到经处理器54处理而得且符合上述式1的误差门槛值d的误差百分比DV的范围，例如为-0.033％至0.431％(若取绝对值，上述误差百分比DV的范围即为0.033％至0.431％)，而均低于上述式1的误差门槛值d(即1％或0.5％)。

表1

接着，上述处理器54用以于步骤3，通过调整第一波导12b及第二波导14的耦合角度θ(即间接调整其耦合长度，该耦合长度例如为第二半径R

表2

请再同时参考图6A至图6C，图6B及图6C分别绘示如图6A的不同耦合角度θ对整体耦合效率的第一及第二实施例的模拟关系图。图6B及图6C是上述处理器54分别将图6A所得到的各耦合端口P

接着，上述处理器54用以于步骤4，根据步骤3所得到的配置参数(包含第一半径R

接着，上述处理器54用以于步骤5，输出上述已调整的耦合效率及对应的配置参数(即第一半径R

请参考图7A、图8A及图9A，图7A、图8A及图9A分别绘示依据一些实施例，固定第一宽度(W

表3

在上述配置参数中，由于此处的耦合间隙W

请继续参考图7A，在图7A，上述处理器54用以于步骤4，根据步骤3所得到的配置参数，仅调整不同的第一宽度W

请参考图7B，图7B绘示如图7A的配置参数及特定耦合角度(θ＝23°)配置的模拟共振元件10b的于宽频段对耦合效率的模拟关系图。更具体地，图7B是根据图7A中的耦合角度θ＝23°所得到的耦合端口P

请参考图8A，图8A绘示依据一些实施例，固定第一宽度(W

表4

请参考图8B，图8B绘示如图8A的配置参数及特定耦合角度(θ＝20°)配置的模拟共振元件10b的于宽频段对耦合效率的模拟关系图。更具体地，图8B是根据图8A中的耦合角度θ＝20°所得到的耦合端口P

请参考图9A，图9A绘示依据一些实施例，固定第一宽度(W

表5

请参考图9B，图9B绘示如图9A的配置参数及特定耦合角度(θ＝16.5°)配置的模拟共振元件10b的于宽频段对耦合效率的模拟关系图。更具体地，图9B是根据图9A中的耦合角度θ＝16.5°所得到的耦合端口P

接着，上述显示元件522接收上述处理器54于步骤5中所输出的配置参数(包含第一半径R

请参考图10，图10绘示依据一些实施例，模拟共振元件10b的光耦合段与具有长直型第二波导的共振腔元件的光耦合段于不同第一宽度W

表6

请参考图11，图11绘示如图9B的配置参数的宽频环形共振腔元件10a的光耦合段与具有长直型第二波导的共振腔元件的光耦合段于宽频段对光穿透系数(transmissioncoefficient)的模拟关系图。在图11，CDC及SDC的环形共振腔的波导损耗均设定为65dB/cm，在宽频段(例如图11的入射光的波长为1250nm至1370nm)内满足多个波长的共振条件，CDC及SDC的第二波导14的入射光因此可分别被耦合并局限于分别对应的第一波导12a中，并在图11中出现多个光输出的信号波谷(即共振凹陷)。在图11，CDC的此些信号波谷的深度相当均一(其消光比例(extinction ratio)约为14±2dB)，因此表示如图11所示的CDC(即宽频环形共振腔元件10a)确实可于宽频(例如图11的入射光的波长为1250nm至1370nm)下进行操作，且可具有高均一性的光输出表现。相对地，在图11，SDC的此些信号波谷的深度则彼此之间有相对明显且较大的差异，例如波长分别为1250nm及1365nm的光穿透系数二者之间即差异约10％，此即表示SDC确实较难于宽频(例如图11的入射光的波长为1250nm至1370nm)下进行操作，且亦难以提供高均一性的光输出表现。由此可知，一些实施例的宽频环形共振腔元件10a确实可稳定地于宽频段(例如1250nm至1370nm)内产生多个具有高均一性的光输出表现(例如高均一性的共振凹陷及低的光学损耗/消光比例)。

在一些实施例中，上述处理器54用以于步骤4，根据步骤3所得到的配置参数，调整不同的耦合角度θ、耦合间隙W

在一些实施例中，第一宽度W

请接着参考图12A，图12A绘示如图7B的配置参数及调整不同的耦合间隙W

请参考图12B，图12B绘示如图8B的配置参数及调整不同的耦合间隙W

请参考图12C，图12C绘示如图9B的配置参数及调整不同的耦合间隙W

由图12A至图12C可知，上述处理器54可通过稍微调整(可为调升或调降)耦合角度θ、耦合间隙W

请同时参考图13A及图13B，图13A绘示如图9B的配置参数，固定耦合角度(θ＝16.5°)，模拟共振元件10b的不同耦合间隙W

以图13A中耦合间隙W

请同时参考图9B、图13C至图13I，图13C至图13I分别绘示如图13A及图13B的第一配置参数L1至第七配置参数L7配置的模拟共振元件10b于宽频段对耦合效率的实际测量关系图。在图13C至图13I，固定如图9B的耦合角度θ(16.5°)，并选定耦合间隙W

以图9B的模拟的输出端口P

类似地，在图13D至图13I，其耦合间隙W

此外，由图13A至图13E也可知，在实际制造宽频环形共振腔元件10a时，一些实施例对于耦合间隙W

综合以上，在一些实施例中，由于宽频环形共振腔元件的第一波导及第二波导之间的配置参数是通过其设计系统所模拟设计而得且上述配置参数彼此为实质匹配，因此上述第一波导及第二波导可实际在宽频段内具有0％至100％的范围内且实质相近的耦合效率。此外，仅至少通过调整第一波导的宽度(即前述的第一宽度)即可达到调整该耦合效率的效果，而无须大幅修改其他例如第二波导的半径(即前述的第二半径)等配置参数。由此，宽频环形共振腔元件因能满足于宽频段内的不同波段的共振及耦合条件，进而能产生多个具有高均一性的光输出表现。因此，即便是在微米级的元件制造维度下，一些实施例仍能精准地且无须因调整耦合效率而大幅变动其配置参数地制造出可具有于宽频段内的光输出表现高且稳定、光学损耗低且一致的宽频环形共振腔元件，进而提升其制作工艺优势、并拓展其可能的应用范围及领域。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉相像技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围应当以本说明书所附的权利要求所界定的为准。