低應力之有機薄膜可調式光衰減器
研究人員：蘇國棟
光纖通訊相較於其他通訊系統有許多優點，主要為傳輸容量大與傳輸距離遠。現今的光通訊技術主要為分波多工器(WDM System)與光纖放大器的發明，可讓一條單模光纖同時傳送多個波長訊號，並且不需要將光訊號轉換為電子訊號做訊號放大，直接可以在全光學領域做訊號的放大，因此光纖通訊在這階段有了大躍進，位元速率高達了10Tb/s，奠定了光纖通訊截至目前為止無可取代的地位。光訊號經由雷射光源輸出，中間透過多工器(WDM MUX)將多個波長訊號多工偶合至一單一模態的光纖裡，然而訊號經由長距離的傳輸後能量會衰減，此時可用鍍鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 直接在光領域將光能量放大，不必透過光電訊號的轉換，最後再經由解多工器(WDM DEMUX)將各波長的訊號由單一模態光纖裡分開到各接收端做訊號處理。分波多工系統中，各波道的能量需要相等，所以光衰減器在光通訊系統中有重要平衡作用｡
在此子計畫六研發中的VOA的架構如圖5.6示，主要是由一光纖準直器(fiber collimator)與可形變之有機光學薄膜所組成。有機光學薄膜有兩層材料，一是作為機械結構層的有機材料，另一為反射光線的金屬反射層。光學薄膜功用類似鏡子，而且其可改變曲率成為凹面鏡。當鏡子平坦沒有形變時，光線幾乎沿原路徑反射回去，此時光能量衰減最小，偶合效率最高，但隨著鏡子曲率越大，光能量衰減便開始衰減。當我們使用80伏特電壓驅動, 可達到20 dB的衰減且其偏極化光衰減量可維持在0.3 dB左右｡
(a)
(b)
圖5.6.1
(a)光衰減器架構 與(b)可形變之有機光學薄膜.
(a)
(b)
圖5.6.2
(a)光衰減器架構 與(b)可形變之有機光學薄膜.
微機電1xN2波長選擇切換器之通道間響應分析
研究人員：蔡睿哲
1ÍN2波長選切換器(Wavelength-Selective Switch,
WSS)在光纖通訊系統中可作為一高輸出埠之路由器(Router)，其架構如圖5.7.1所示。我們於先前的研究中發現，在1ÍN2波長選切換器中，位於水平方向上輸出埠(即此輸出埠與輸入埠的位置，相連後可形成一水平線)，其頻譜響應上可觀察到所謂的「通道間響應(Interchannel Response)」，此通道間響應是WDM系統中所不希望見到的；反之，位於垂直方向上的輸出埠則不會觀察到通道間響應(詳見圖5.7.2)。通道間響應對於波長選擇切換器來說是個負面的因子，因此我們必須儘可能將其壓抑，以提升通道的頻寬，並增加系統對雷射波長飄移之容忍度。
我們開發了一個以傅氏光學﹝Fourier Optics﹞為理論基礎的模型，用以分析波長選擇切換器的通道間響應。此模型則證實了該響應與輸出埠位置之間的關聯性，因此我們可藉由調整輸出埠的位置來予以抑制。我們提出的改善方式，是將系統中的二維光纖陣列旋轉一小角度；如此一來，將不會有任何一個輸出埠位於水平方向上，通道間響應也可以因此獲得壓抑。根據我們的模擬分析，通道間響應除了與輸出埠的位置有關外，亦會受到微鏡片形狀及曲率的影響。分析的結果發現，若微鏡片形狀是方形且平整無曲率，光纖陣列旋轉10°及20°即可分別達到8.2 dB及32.5
dB之通道間響應壓抑；倘若微鏡片為八邊形(如Fig.6.4.1)且鏡面曲率半徑(R)為10
mm，光纖陣列旋轉10°及20°的通道間響應壓抑分別是3 dB及10 dB (實驗結果則分別是6.2 dB及8.2
dB)，如圖5.7.3所示。
圖5.7.1 Schematic of the 1xN2
wavelength-selective switch (WSS). A two-axis analog micromirror array is used
for 2D beam steering. The telescope expands the size of the optical beam.
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圖5.7.2 The spectral
responses at the horizontal and vertical output ports. The arrows indicate
the channel centers.
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圖5.7.3 The simulation
results for R =10 mm.
Output spectra for 0°, 10°, and 20° rotations of the collimator array are
calculated.
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矽奈米波導之高效率光纖耦合器及MMI 極化分離器
研究人員：黃鼎偉
矽奈米線(nanowire)波導是以矽為基材所製作之截面小於500nm之奈米尺寸通道型光波導。由於其核心層(矽)與包覆層(二氧化矽)間的折射率差異大，在奈米等級之波導結構上即可實現單模態光波導元件。由於矽奈米線波導技術可沿用現今極純熟之積體電路製程技術，可製作出高集積密度、大量生產之光電元件，因此它將是下世代光通訊與光電整合最有潛力的技術之一。我們已設計出高效能光纖與矽奈米線波導之耦合器，當光訊號由光先進入240nm厚的的奈米線波導時，其耦合效率可達75.4%，且反射損耗小於7.8%。同時我們也設計出矽奈米波導之多模態干涉式(MMI)極化分離器，其元件長度小於 150 mm。可應用在光纖通訊中作為耦光及極化分離與控制的用途。
圖5.8.1
Fiber to silicon photonic wire grating coupler
圖5.8.2
MMI polarization splitter on SOI
以平面波展開法計算光子晶體平板
研究人員：邱奕鵬
光子晶體由於有折射率週期性變化的特點,所以頻帶出現與半導體相似的頻隙，而這項特殊的物理現象成為目前當紅的研究方向，許多元件皆對此加以設計。然而奈米尺度的三維光子晶體製程複雜，要求晶格配向嚴苛，因此利用現今製程技術即可製造出的平板型光子晶體成為另一研究方向。
我們的分析是利用平面波展開法。首先，我們模擬正方形晶格的介質柱與六角形空氣洞的平板形光子晶體，可以發現導波模態，在平板結構中光在垂直方向因為受到折射率差異所以被侷限住，所以導波模態只能存在光椎下的區域中，另一方面，光在水平方向的自由與否則是像二維的光子晶體一樣，受到頻隙影響，也有類似 TE、TM 兩種極化模態產生。因此平板形光子晶體沒有所有方向都可侷限的頻隙，在此的頻隙是表示在平板內無法水平傳播，但垂直方向仍有輻射性模態。
接著，我們利用超晶格方法，模擬平板結構的波導頻帶圖。如下圖所示，模擬結果分別是正方形晶格的介質柱與六角形空氣洞的平板形光子晶體的耦合共振腔波導頻帶圖。使用耦合共振腔來製造波導，能夠降低傳播波的群速，這可以用在光通訊的延遲線，如果結合了非線性耦合共振腔，更可以做到全光的開關，這在高速光通訊上是非常重要的元件。
圖5.9.1
圖5.9.2
圖5.9.3
具任意三維各向異性之二維光子晶體有限元素分析
研究人員：張宏鈞
光子晶體為由具週期性組織的材質所形成的結構，可能產生稱為光子帶隙的頻率範圍，使電磁波無法在晶體中傳播。某些各向異性的材質，例如液晶，會被刻意加入光子晶體結構中以改變能帶結構，從而控制光子帶隙的行為。本研究發展一基於全波有限元素法之特徵值算法以分析具任意三維各向異性之二維光子晶體的平行面波傳播的能帶結構，此傳播現象中較簡單的橫向電場波與橫向磁場波可能無法清楚定義。因此，在不分離為橫向電場波與橫向磁場波的情況下，理論推導中同時將所有場量加以考慮，可獲致一全向量矩陣特徵值方程式，以波數的平方為特徵值。以此方程式，本研究深入檢驗了含有各向異性材質的正方晶格與三角晶格的能帶結構特性，並探討各向異性對於能帶結構形成的內在效應。我們發現在第一布洛瓦區中某些特定波向量方向的一些能帶結構的有趣關係，並提出這些現象的理論解釋(圖5.10.1)。利用此觀念，可以方便建構完整的能帶結構，圖5.10.2為一實例。(Optics Express, vol. 15, no. 24, pp. 15797–15811, 26
November 2007.)
圖5.10.1 左：二維三角晶格之各向異性光子晶體截面圖
中：液晶分子的旋轉角度。右：第一布洛瓦區
圖5.10.2 二維三角晶格之各向異性光子晶體在qc
= 90度及f = 30度之能帶結構圖.
四、重要論文
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