专利名称：利用负的古斯-汉欣位移的光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件，特别是涉及一种能够利用负的古斯-汉欣位移 (negative Goos-Hanchen shift)来对光进行延迟的光学元件。
背景技术：
随着计算机及信息家电(information appliance)的发展，信息量正以几何级数 方式增加。因此，信息早已由于迅速增多至超过各种技术(例如，电性通讯网络、计算机等 等)的当前开发速度而过剩。为此，需要一种用于更快速地处理更多信息的改进的通讯技 术。不同于电磁波，光由于不易受到电磁波干扰而能够进行平行的信息处理。目前正在开 发与光学计算机(opticalcomputer)及光学网络(optical network)相关的技术，这些光 学计算机及光学网络使用甚至比电子元件更快的光学元件。此外，对于各种光学元件的研 究也正在积极进行之中。光以约300，000km/s的高速在媒体中传播。由于在光学电路中使用光作为用于传 输信号的媒体，因而信号传输速率几乎等于光速。在设计电路时，可能要求根据电路设计者 的需要而改变信号传输速率。然而，根据现有技术的光学延迟元件却不能将光延迟所需要 的量。此外，现有技术的光学延迟元件所能实现的延迟不大于几十纳秒(ns)。因此，已在研 究一种不仅能够控制光的延迟程度、而且还能显著增大延迟程度的光学延迟元件。这些研究已提出了一种利用干涉调制器(interference modulator)的相位调 整方法、一种利用环形谐振器(ring resonator)的延迟方法、一种利用光子晶体结构 (photonic crystal structure)的非线性特性(nonlinearity)的延迟方法等等。尤其是， 目前正在积极地研究一种利用光子晶体结构的光学延迟元件。利用光子晶体结构的光学延迟元件可构成光子晶体波导，以考虑到频率带宽及高 阶色散(higher-order dispersion)的影响而获得低的光群速(groupvelocity)。根据光 子晶体波导的色散曲线，在穿过芯体(core)及包覆层(cladding)传播的光的多条色散曲 线之中，存在显示出非线性色散特性的区域。具有慢的光群速的光学延迟元件便是利用上 述原理来实现。然而，光子晶体波导需要非常复杂的制作工艺。而且，一旦制成之后，便难 以再调整光学延迟元件的延迟特性。
发明内容
本发明提供一种能够利用负的古斯-汉欣位移来对光进行延迟的光学元件。根据本发明的实例性实施例，提供一种利用负的古斯-汉欣位移的光学元件，包 括光波导，用以引导并射出入射光；第一反射层，设置于光波导的一侧上；以及第二反射 层，设置于光波导的另一侧上，其中第一反射层与第二反射层的至少一个是由具有负的古 斯-汉欣位移特性的材料制成。该具有负的古斯-汉欣位移特性的材料可以是贵金属。由该具有负的古斯-汉欣位移特性的材料制成的第一反射层与第二反射层的至少一个可包含图案，该图案形成于其面朝光波导的表面上。该图案可以是线条图案，该线条 图案包含呈周期性线条的形式的不平度(imevermess)，这些周期性线条垂直于光波导中传 播的光而排列。该光波导可由折射率随电场的变化而变化的材料制成。该光波导可包括诸如碲化 镉(CdTe)的II-VI化合物半导体。该光学元件还可包括电场施加单元，该电场施加单元用以对光波导施加电场，从 而调整穿过光波导而传播的光。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
结合附图阅读下文说明，可更详尽地理解本发明的实例性实施例，附图中图IA及图IB是用于解释古斯-汉欣位移的图。图2是显示根据本发明实施例的光学元件的示意图。图3是示出根据本发明实施例的光学元件中所提供的反射层的实例的示意图。[符号的说明]110:入射光120:光入射点130 较光入射点120靠前的点140 较光入射点120靠后的点150、160:反射光200 光学元件210 光波导220 第一反射层230 第二反射层240 电场施加单元250 入射光参考编号沈0 以虚线所示的传播路径270 以实线所示的传播路径
具体实施例方式本发明涉及一种利用负的古斯-汉欣位移的光学元件。在说明该光学元件之前， 将先对古斯-汉欣位移进行说明。图IA及图IB是用于解释古斯-汉欣位移的图。如图IA所示，当穿过第一媒体传播的光遇到具有不同于第一媒体的折射率的第 二媒体时，光会从第一媒体与第二媒体之间的界面发生反射。此处，入射光发生反射的点可 能不对应于入射光遇到第一媒体与第二媒体之间界面的点。更具体而言，如图IB所示，入射光110发生反射的点的位置可较入射光遇到第一 媒体与第二媒体之间界面的光入射点120更靠前或更靠后。也就是说，反射光150及反射光160可从较光入射点120靠前的点130或较光入射点120靠后的点140开始传播，这被 称为古斯-汉欣效应(Goos-Hancheneffect)。从入射光遇到界面的光入射点120分别到 反射光开始传播的较光入射点120靠前的点130以及较光入射点120靠后的点140的距离 则被称为古斯-汉欣位移。当反射光150从较光入射点120靠前的点130开始传播时，该 距离被称为正的古斯-汉欣位移。当反射光160从较光入射点120靠后的点140开始传播 时，该距离则被称为负的古斯-汉欣位移。光的古斯-汉欣位移是发生在正方向上还是发生在负方向上取决于第二媒体。通 常，诸如金(Au)和银(Ag)的贵金属具有负的古斯-汉欣位移。另外，古斯-汉欣位移的程 度可能不仅会因第二媒体的材料而异，而且还会因入射光波长、入射角及第二媒体的表面 轮廓(profile)而异。以下，将参照附图来详细地说明根据本发明实例性实施例的利用负的古斯-汉欣 位移的光学元件。然而，本发明可实施为不同的形式，而不应被视为仅限于本文所述的以下 实施例。相反，提供这些实施例是为了使本发明的揭示内容透彻且完整、并向所属领域的技 术人员全面传达本发明的范围。图2是显示根据本发明实施例的光学元件的示意图，图3是示出根据本发明实施 例的光学元件中所提供的反射层的实例的示意图。参见图2及图3，根据该实施例的光学元件200包括光波导210、第一反射层220、 第二反射层230及电场施加单元M0。光波导210引导向内入射的光并向外射出光。光波导210可由折射率随电场的 变化而变化的材料形成。作为范例，光波导210是由具有大的克尔常数(kerr-constant) 的材料形成，从而使折射率随外部电场的变化而相对大地变化。在光波导210是由折射 率随电场的变化而变化的材料形成的情形中，当从外部施加电场时，可根据电-光效应 (electro-optic effect)通过改变折射率来调整在光波导210内传播的光的群速。相应 地，能方便地调整在光波导210内传播的光的群速。尤其是当光波导210的材料具有大的 克尔常数时，更容易调整光的群速。为此，光波导210可包括II-VI化合物半导体，且更具 示范性地，可包括碲化镉(CdTe)。第一反射层220与第二反射层230可分别设置于光波导210的一端与另一端，以 反射在光波导210内传播的光。第一反射层220与第二反射层230的至少一者具有负的古 斯-汉欣位移的特性。在本实施例中，第一反射层220与第二反射层230 二者均具有负的 古斯-汉欣位移的特性。为此，第一反射层220与第二反射层230可由诸如Au及Ag的贵 金属制成。第一反射层220与第二反射层230可分别包含其面朝光波导210的表面上形成的 图案，以增大负的古斯-汉欣位移。此处，图案是指在一个表面上具有不平度(Unevenness) 的结构，例如光栅(grating)。第一反射层220与第二反射层230的图案可以如图3所示是 由周期性排列的线状突起与凹陷所构成的线条图案。示范性地，该线条图案的各线条垂直 于光传播方向而排列，从而增大负的古斯-汉欣位移。古斯-汉欣位移可通过入射光波长、 入射角及图案的表面形状来进行调整。此处，示范性的是使该图案为线条图案。在此种情 形中，可通过调整线条图案的不平度的高度来调整负的古斯-汉欣位移。如上文所述，当第一反射层220与第二反射层230是由具有负的古斯_汉欣位移
5特性的材料制成时，可降低光波导210内传播的光的群速。例如，在光如图2中的入射光参 考编号250所示入射到光波导210的情形中，如果第一反射层220与第二反射层230是由 不具有负的古斯-汉欣位移特性的材料制成，则光将如以虚线所示的传播路径260所示传 播而经过光波导210。然而，如果第一反射层220与第二反射层230是由具有负的古斯-汉 欣位移特性的材料形成，则光将如以实线所示的传播路径270所示进行传播。换句话说，当 第一反射层220与第二反射层230是由具有负的古斯-汉欣位移特性的材料形成时，光会 从比第一反射层220与第二反射层230不是由具有负的古斯-汉欣特性的材料形成时更靠 后的点反射。相应地，整个光程(light path)会增大。如此一来，便可降低穿过光波导210 传播的光的群速。电场施加单元240对光波导210施加电场，从而改变光波导210的折射率。由于 第一反射层220与第二反射层230均由金属制成，因而电场施加单元240能够以简单的结 构来对光波导210施加电场。通过利用电场改变光波导210的折射率，可如上文所述根据 电-光效应来调整光的群速。另外，可通过改变光波导210的折射率来调整负的古斯-汉欣 位移的程度。也就是说，当电场施加单元240对光波导210施加电场时，可调整光波导210 内传播的光的群速。虽然使用光子晶体结构的与现有技术相关的光学延迟元件在制成之后便不能再 调整光的群速，根据本发明实施例的光学元件200却甚至在制成之后也能够通过由电场施 加单元240对光波导210施加电场来调整光的群速。此外，根据光学元件200，通过调整波 长、入射角、图案轮廓、电场强度等等，可显著增大光的延迟时间。光学元件200可被应用作 为光学印刷电路板(optical printed circuit board，OPCB)、光子集成电路等等中的光学 延迟元件，以及作为光学网络系统、光学通讯系统及光学计算机系统。根据本发明的实施例，通过在光波导的两侧上提供由具有负的古斯-汉欣位移特 性的材料制成的反射层，可对穿过光波导的光进行延迟。特别地，可在反射层上设置具有周 期性不平坦线条的线条图案，以获得具有较大负值的古斯-汉欣位移。另外，光波导可由折 射率随电场的变化而变化的材料形成，从而可调整光的群速。尽管上文是参照具体实施例来描述利用负的古斯-汉欣位移的光学元件，然而其 并不仅限于此。因此，所属领域的技术人员将容易理解，可在未脱离由所附权利要求书所界 定的本发明精神及范围的条件下对其作出各种修饰及改动。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更 动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明 的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方 案的范围内。
权利要求
1.一种光学元件，包括 光波导，用以引导并射出入射光；第一反射层，设置于所述光波导的一侧上；以及 第二反射层，设置于所述光波导的另一侧上，其中所述第一反射层与所述第二反射层的至少一个是由具有负的古斯-汉欣位移特 性的材料制成。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述具有负的古斯-汉欣位移特性的材料包括贵金属。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中由所述具有负的古斯-汉欣位移特性的材料 制成的所述第一反射层与所述第二反射层的至少一个包含图案，所述图案形成于其面朝所 述光波导的表面上。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中所述图案是线条图案，所述线条图案包含呈 周期性线条的形式的不平度，所述周期性线条垂直于所述光波导中传播的光排列。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的光学元件，其中所述光波导是由折射 率随电场的变化而变化的材料制成。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述光波导包括II-VI化合物半导体。
7.根据权利要求6所述的光学元件，其中所述II-VI化合物半导体包括碲化镉。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，还包括电场施加单元，所述电场施加 单元用以对所述光波导施加电场。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其中所述电场施加单元对所述光波导施加电场， 从而调整穿过所述光波导而传播的光。
全文摘要
本发明提供一种利用负的古斯-汉欣位移(Goos-Hanchen shift)来对光进行延迟的光学元件。该光学元件包括光波导、第一反射层及第二反射层，其中光波导用以引导并射出入射光，第一反射层设置于光波导的一侧上，第二反射层则设置于光波导的另一侧上。第一反射层与第二反射层的至少一个是由具有负的古斯-汉欣位移特性的材料制成。
文档编号G02F1/03GK102147537SQ20101052891
公开日2011年8月10日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年2月5日
发明者吴锦润, 崔永完, 金弘升, 金斗根 申请人:财团法人中央大学校产学协力团