光导光纤及其同轴半导体光源与检光器共构的光导系统的制作方法

专利名称：光导光纤及其同轴半导体光源与检光器共构的光导系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用于通信的光纤及其光源和检光器共构的同轴光导 系统。
背景技术：
公元2500年前人类发现玻璃，直至罗马时代才把玻璃抽成细丝来用。 在1950年代医学界以这些棵丝玻璃成束来传导影像，希望做成内视镜;但漏 光太大而传不清影像，因这些棵丝玻璃纯度低且是以外部折射率较低的空 气估文全反射层。1956年Dr.Narinder Singh Kapany首先杜撰"fiber optical" 光纤这个名字，当时是为了在棵玻璃丝上更精确地包了 一层折射率较低的 玻璃材料做外壳，其可控地造成全反射并避免光漏出去而达到光纤更完全 传光及影像，以做内视镜的目的。从此，光纤即以折射率高低不同而分成 内外两层，并以整个直径作导光所需折射率分布为底的依据去设计及产制 各种光纤。原在内部折射率较高的棵丝玻璃成为导光的主要部份并以光纤 核心core称之，外部折射率较低的外壳称为光纤的cladding纤壳并沿用至 今。而大家公众所接受其以光线在光纤中以全反射屈曲前进的"光线理论"， 其几何光学物理描述也沿用至今。
图1表示习知光纤结构，101部分为光纤核心，102为光纤纤壳。图 2-l，2-2，2-3为光线在光纤中传导图，图2-3为多模态阶射率MULTIMODE STEP-INDEX光纤，图2-2为多模态斜(渐变折射率)射率MULTIMODE GRADED-INDEX光纤，图2-1为单模态SINGLE-MODE光纤。以上各种 光纤也皆因初始以玻璃抽丝时，而自然成为圆形状波导所一再发展的结果; 然在1963年英国STL KARBOWIAK曾提出弹性薄膜波导理论FLEXIBLE THIN-FILM WAVEGUIDE,其虽能以平层波导SLAB WAVEGUIDE的极薄 电介质结构来传送单模态光波，但因光在由框支持的电介质薄膜周围空间 传播如图3-1所示，由于薄膜301和其上下空气介质302折射率差极大，薄 膜若非极薄，无法达成实用的传送损失值，因此放弃此种作法。
同样如图3-1的平层波导的实现，1968年R.A.KAPLAN美国发明专利 US 3386787的"MACROSCOPIC OPTICAL WAVEGUIDES"及美国贝尔通信 实验室MARCTILI等人于1970年的发明专利US 3659916"SINGLE-MODE DIELECTRIC WAVEGUIDE"直接以平层结构的单模态波导系统实现传播结 果，如图3-2所示。1974年康宁玻璃公司KECK等人获得美国发明专利的
US 3806223"PLANAR OPTICAL WAVEGUIDE"亦完成平层波导结构及其 相关的制造方法。由于之前，1964年英国STL华乔高锟，CHARLES K.KAO 及GEORGE ROCKHAM放弃薄膜波导而倾向改用单模态圓形波导光纤后， 于1966年经详查研究玻璃中的损失要因后，提出将来改良制造技术并使玻 璃中引起损失要因的过渡金属离子成分低于lppm,即可使吸收损失降为 20dB/Km以下，并可做为远距离通信用的低损失光纤维。此理论随后几年 获得证实;而因此其决定成为光纤制造发展的方向，并即掀启光纤通信的大幕。
制造以上传统习知光纤常用的方法是先制造预型体PREFORM，此预型 体的横截面结构和最后所要抽丝完成的细小光纤横截面结构一致即可。
通信用玻璃(石英)光纤的制造过程， 一般包括先制成上述横截面预形体 Preform md(棒)及再抽丝Drawing两技术。以目前已成熟稳定的光纤制造技 术而言，光纤在抽丝成细小直径如常用125微米或其它规格之前，都以放
先行放大制造。然后再放入高温炉;抽成细丝、。这是光纤制造的两大步::
所以所有不同种类的光纤内部折射率分布和传播特性所需的各项设计如材 料选用、几何结构安排、光学特性、，.等考虑都在预型体制成时大致己定。 因此预型体制造技术是光纤制造技术的核心及关键技术。
近二十年来，己为大家所熟知的光纤预形体制造技术主要分成两大类 的四种方法。两大类分别为内沉积方法IVPO Inside Vapor-Phase Oxidation process和外;冗积、方法OVPO Outside Vapor-Phase Oxidation process 。 内'沉,只 方法又有MCVD(Modified Chemical Vapor D印osition即改良式化学气相沉 积法)及PCVD(Plasma-activated Chemical Vapor Deposition即电浆激励化学 气相沉积法)。2004年有我国人杨春足所发明中国台湾专利第1261073号 VLSD —种直立大量同步管内沉积的光纤预型体制造方法，可大量制造光纤 预型体。
外沉积方法又有OVD(Outside Vapor Deposition即夕卜沉积法)及 VAD(Vapor-phased Axial Deposition即轴向化学气相沉积法)等共多种预型体
通信用的光纤是一种具有传送电磁(°光;波从一端点至另 一远端、的能力。 如前所述，传统的光纤是条细长均匀透明的材料;但沿着其横截面具有折射 率变化的安排。例如其较高折射率中心的核心部位被有较低折射率的纤壳 部位所包住。如此的光纤可从純硅纤壳的熔硅材质，包住己掺杂的硅材使 其折射率提高的核心而制成。则光在核心被限制住，并以发生在界于核心 及纤壳间的全反射传送。通常此类型光纤都含有高于一种模态的光波被限 制在核心内传导，称为多模态，而各模态以不同路径速度传导，这常使输
出端光脉冲宽PULSE WIDTH变宽，称为色散DISPERSION。
此种多模态色散其结果为群延主因，使频宽降低。因此有以抛物线形 核心结构的斜射率分布型光纤GRADED INDEX MULTIMODE OPTICAL FIBER将各种不同速度的模态以自我聚焦方式an optical self-focusing如图 2-2所示来提高频宽的方法;但因抛物线形核心结构的折射率分布在制作上， 当从轴心最高折射率在掺杂量往外增加距离而逐渐降低掺杂量时，控制在 掺杂量设备精确度、复现性及复杂度的问题及渐变折射率间产生的涟紋 ripple,皆难以符合理论设计上的最佳频宽表现。最后，为了使各模态速度 一致而成为同时出发且同时到达远端的通信目的，不得不采取让核心缩小 至只剩唯一 即基本模态的光被限制在核心内传导的方式来消除模态分散,
即成为单模态光纤。
除了极短距离使用多模态斜射率光纤如LAN网络外;至今，用在通信的 光纤市场有90。/。以上为单模态光纤，可见单模态光纤为光纤通信的主要产 品。但在单模态光纤内，主要传送光波的媒材核心;其面积却只占全体光纤 面积的1%，其余99%只用做全反射的反射层及强度支撑用，十分可惜!在 考虑光纤强度及接续操作容易的条件下，不去改变传统光纤外径125|im时， 可发现单模态光纤内还有许多可用的面积存在，理应充分加以利用。例如 提高单模态光纤的光通量以提供接收端更多的光子能量供应，增加接收端 的功率能量来源，以使相同灵敏度的检光器可以移至更远距离的接收机使
以;低系统成本。或i^低灵;度检光器降低k ii本并增长通信距离:'、
以免浪费精纯的半导体资源。
光纤通信除了要求系统成本效益外，也期望使用完美无缺的产品。在 数十年来亲身从事光纤制造经验，尤其在以内沉积法制程去熔缩预型体后 的许多光纤制造经验来看，不论是单模态光纤或多模态光纤在折射率分布 中心皆有凹陷的问题产生如图4-1,4-2所示。
图4-1为单模态光纤折射率分布中心凹陷，图4-2为斜射率分布中心凹 陷。以目前光纤预型体主要制造方法中的MCVD、 PCVD、 OVD及VAD法 中的前三种方法，皆存有此缺点。因MCVD和PCVD法在完成约数百千层 内沉积步骤(此时尚存有中空状态，称为预型管PREFORMTUBE)并进行熔 缩后、及OVD法在完成约数百千层外沉积步骤并进行脱水及透明化后(此 时尚存有一小中空孔状态，亦可称为预型管)，其中空尚未成实心部分的沉 积层的Ge0.sub.2掺杂材料因大量挥发出去，而造成折射率分布中心凹陷， 常困扰本人的思维至今。
通常GeO.sub.2掺杂核心层是为了增加折射率。但当施以更高于沉积温 度的熔缩或透明化制程，常使其挥发而降低其在纯硅中的浓度，也就无法
达到原预期的折射率值。因此不论是单模态光纤或多模态光纤的折射率分 布中心凹陷，都不利于光纤的传输特性。这全非以上三种光纤预型体制程 的缺点;而是传统以直径为导光折射率分布的全反射光路为依据时，其折射 率分布中心的较高折射率部分，刚好在制造时暴露在长时间高温加热的实
际最后制程而产生GeO.sub.2参杂高温挥发，而引起折射率分布中心凹陷的 错误。
传统以直径为导光折射率分布的依据制造光纤，除了引起折射率分布 中心凹陷外;以内沉积法做预型体制程的MCVD及PCVD法在完成所有沉 积层步骤成为上述还尚属空心的预型管后，常因无法立刻做预型体品管量 测及抽丝，而影响制造效率。因最内部还尚属空心的核心层在熔缩 COLLAPSE前没受到保护，容易在各操作过程时污染以至抽丝、成实心后 影响损失特性甚大。而且为了提高折射率目的所掺杂二氧化铐的参杂浓度， 是由外往内逐渐增加，至最中心的核心层为最高掺杂浓度。由外往内层的 材料膨涨系数因而逐渐增大而止于中空的开放部分。此种预型管内外层材 料膨涨系数不均的情形，常因制程变化或环境温差的变化过大造成严重龟 裂。因此必须直接熔缩成实心才能移出品管量测及抽丝，造成许多问题。
折射率分布中心凹陷而降低频宽的情形，在多模态光纤十分普遍;尤其 是在LAN网络多模态的斜射率光纤特别严重，虽然有发展技术将激光射入 核心较外环部分或使用中空的环形核心光纤RING CORE HOLLOW FIBER 的方法，即避免受中心折射率凹陷影响波导不完全的弥补方法，但只是过 渡性暂用己布放至管道光纤的方法，并无法彻底提高频宽。在单模态光纤 方面，因其只有极小直径的核心部位，折射率凹陷部分占整体折射率不均 比例甚大，影响更是严重。此虽有折射率分布中心凹陷补偿的技术;但皆耗 时费功且并不尽理想。
单模态光纤的高频宽传输特性无疑是光纤通信最高质量的主要产品。 但是单模态光纤却只有极小直径的核心部位可供传送光能，目前传统习知 单模态光纤核心光通量极低，为了传送更远距离，皆以较大功率的激光光 源聚焦缩小光点进入光纤核心来达到目的;且其侧射型强光激光如图5所示 的椭圓形光辐射波形505聚焦进入圓形微小核心结构，不符自然法则，致 浪费功率且需增加控制电路费用及冷却高电流产生高温的装置，增加系统 成本。图5的501为电41, 502为基板，503为作用层，504为发光区域， 506为Si02绝缘层。
面射型激光光源VCSEL如图6所示的圆形出射波虽能与圓形核心匹 酉己;但因上下所做分布的布拉格反射镜DBR光栅极细层的沉积层或磊晶成 长层601及605,因高折射率及A/4低折射率材料磊晶层在组件被顺偏时， 通过这些极细层的电压降，特别是异质接面，其伴随的能带的不连续会妨
碍电流流动。此引起的不稳定电流不利于功率的提升致无法做高功率的输 出，无法取代侧射型激光。因此侧射型激光的椭圆形光输出匹配圓形核心 仍然是不符自然法则的缺点。

发明内容
鉴于上述先前技术的背景依据所制造的传统习用光纤及其光源和检光
器，其有下列六项缺点；致习知光纤通信系统的光纤、光源及检光器无法发 挥最自然匹配的整合效果
一、 使用MCVD、 PCVD及OVD等方法制造习知光纤皆无法制造出折 射率分布中心完美的事实。因己沉积完成最高折射率分布中心附近数层，
尚在空心的轴心区域，高温使中空逐渐收缩成实心的制程，让毫无遮蔽保 护的沉积层中，其内部提高折射率的GeOsub.2参杂材料，因大量挥发出去 而降低了预定的折射率，造成折射率分布中心凹陷;产生中心导光不全的缺 点。
二、 预型管内层曝露无法预先品管且浪费熔缩制程成本。使用MCVD 及PCVD等内沉积方法制造习知光纤预型体时，当己沉积完成最高折射率 分布中心附近数层后，因尚属空心的原预定轴心区域层，在未经熔缩成实 心的预型体前，除非十分严苛的温度环境保护;否则难于移至普通环境做折 射率分布量测以预先品管。尤其是MCVD及PCVD法此时的预型管中空部 分内径甚大且无保护，因此必须直接熔缩制程，避免最重要的核心污染致 引起OH离子吸收损失及内外应力差产生的龟裂。但又因预型管内层曝露 且又必须直接熔缩，在数小时熔缩过程为了避免预型管因外部加热高温气 体沖击而凹陷变形，又必须通入气体保持一定内压以维持预型体真圆度及 抽丝后光纤真圓度。由于长时间的内部通气时，通气系统的气密度和气体 的含水分问题，常使日后光纤内主要导光核心OH含量增加，造成损失增 加的问题。
三、 最高频宽的单模态导光核心太小接续不易，且其有效导光材料使 用比率太低，浪费高纯度材料资源，不符环保及精纯材料善用法则。现采 用的光纤通信最宽带域的单模态光纤主要核心太小，只约10pm直径。其导 光核心面积占不到光纤截面积百分之一;却要用99倍大的面积支撑使用，单 位面积可用的有效导光材料使用面积比率(A)太低，浪费精纯材料资源。如 以外径125jim，核心直径10|im的单模态光纤为例，其有效导光材料使用面 积比八=52兀/62.52^100%=0.64%，实在太低!可见其错用最佳单模态光波传送 通信位置。
四、 习知单模态核心导光面积太小，不但光通量低而降低可接收距离; 且其必须以强光激光的椭圆形辐射波形聚焦进入圓形微小核心结构，又不
符自然法则，致增加系统成本。602为作用层，603为緩沖层，606为环形 电极。现传统采用的光纤通信最宽带域的单模态光纤主要核心太小，由于 导光面积很小，孔径值又低，因此必须以强光激光光源经透镜聚焦整形， 再射入小圓核心，才能传送到更长距离。这不但要采用昂贵的激光，且增 加控制电路费用及冷却装置，增加系统成本。
五、 光源椭圆形辐射波形状对光纤圓形核心匹配问题-又因强光激光目 前皆为侧射型，其产生的椭圓形辐射波，无法与圓形核心的波导完全匹配， 致生功率浪费。甚至因椭圆形光一开始即具有垂直及水平轴向电场幅度不 相等的极化模态偏差值。在进入光纤内传输长距离后，因光源初始垂直及 水平极化值大小微偏差且又经长距离光纤波导结构内部几何不均的内部应 力差及外部成缆过程产生的应力原因，致在接收端产生 POLARIZATION-MODE DISPERSION(PMD)偏极化模态色散失真，尤其以 更高速率通信时影响频宽更为严重。
六、 光纤输出光强度分布与检光器检光效能匹配问题-因传统光纤输出 光波，其强度分布形状为从轴心最强并依离轴心距离的增加而强度减弱成 为高斯分布的形状，而光通信采用最多的前照式检光器，其表面电极又为 环状供电，如图7所示。701为空乏层，702为S(02绝缘层，703为环形电 极，704为抗反射层，705为p-型半导体层，706为电场分布，707为光子 射入，708为n-型基板。当表面环状电极703和底层平面电极的两电极对中 间各层半导体逆偏压供电，因上表面中间中空的环形电极其内缘端面的电 子密度较高，及电流走最短距离的作用，其空乏层区电子与电洞形成电位 障壁的电场分布,形成轴心中心区域比外环低的不均现象，则因受激产生电 子与电洞对，受空乏层701DEPLETION LAYER内电场由轴心最小至外环 渐大的不均匀分布作用。反观此种由光纤输出中心最强光能分布的光讯号 高斯分布(GAUSSION DISTRIBUTION),却进入拥有中心检光反映效率较 低的不匹配，不符合自然法则。造成检光器轴心推动区域的电场分布产生 中空低分布状态。故空乏层呈现环状分布,其不完整分布易降低检光效能及 产生噪声。
在世界铜资源逐渐短缺及光纤制造技术已发展二十多年历史情况下，
人们对频宽须求逐日殷切时，光纤还无法快速肩负替代通信媒材的任务，人 类还无法享用光纤到家宽频利益;以亲身投入此项技术二十五年努力的经历 者而言，甚感遗憾！
因此，以上现有传统光纤技术的缺点为本发明所要解决的问题。
为提出二案一体三项的发明，、以重新^位光纤波导二结构:'半导体光源及
半导体检光器等结构做为同时解决上述问题的技术，并以整合成一同轴共构
的同轴光导系统来加以完整应用。三项发明为
(1) 同轴光导光纤:本发明的同轴光导光纤是以折射率分布在半径所制 成;异于习知以折射率分布在直径的光纤。构成同轴的圆外壳和轴心部折射 率相同，导光依据的折射率分布其中心已从轴心移到光纤所有半径上;光改 在轴心和其同轴的圆外壳间传导，而不在轴心中传导，如此因轴心折射率
和外壳折射率已相同，从而使光波从传统集中于光纤轴心的核心传播的安 排，移到各半径的中间所组成的圓环形带状核心传播，如图8-1,8-2所示。
图8-l示同轴多模态斜射率光纤的圆环形核心803中自我众焦方式的传 播，其以大众所能了解的光以几何图示路径方式全反射于相同折射率的轴 心及外壳的同 一半径上:亦即以光纤的半径纵向切面为导光面的设计来产制 光纤;取代传统以直径纵向切面为导光面的光纤设计。图8-2图示同轴单模 态光纤801圆环形核心802中的光传播。则本发明的光纤结构已异于传统 光纤结构，如图9-l，9-2,9-3所示。并产生新的部位名称，举图9-1例如下: 新的环层结构主要的导光区域901称为圆环核心层ANNULAR CORE,其折 射率为nl。而作为产生全反射作用的内外两较低折射率的部分分别称为外
内壳(INTERCLADDING)，内壳折射率以^2表示，外壳折射率^ 。:2表示， 因折射率相同即in2=。n2。但有时为考虑导光的环核心掺离材料对光波传播 特性的影响，或如比折射率差(A。/。)对微弯引起的损失敏感度或其他因素如 OH水份的防止进入核心而作成两层以上的壳层，如平壳层MATCHED CLADDING及凹壳层DEPRESSED CLADDING以调整比折射率差者，皆 可以另符号表示。
图9-1为本发明同轴光纤的单模态阶射率光纤，图9 -2为本发明同轴 光纤的多模态斜射率光纤，图9-3为本发明同轴光纤的多模态阶射率光纤的 结构及其各自光纤内光波传导方式。
(2) 同轴半导体光源:因同轴光纤中心轴壳不再导光，而导光的环核部分 正围绕着轴心壳，此正好可将光源轴心改变成中心电极供电的部位，并构 成以同轴导体所形成的同轴半导体光源。使正负内外同轴的两电极形成对 中间发光的环形半导体层同轴方式供电，达成圓环形发光体对圆环形核心 光纤完美发射光波的目的，避免产生习知的射入光功率损失。符合本发明 同轴光纤最佳的能量形状匹配。
同轴半导体结构的激光光源结构如图io-l所示，1001为轴心正电极， 1002为外环负电极，1003为n-型基板，1004为n-型半导体层，1005为p-型作用层，1006为p-型半导体层，1007为反射层。图10-1为本发明同轴 化的半导体环形层激光结构剖面示意图(以下剖面图为从中央剖开对半的示 意图，除图16， 17, 18， 22， 23-1， 23-2， 24， 25， 26外)，图10-2为传统
平层化分布制造的半导体激光基本结构示意图，1004为n-型半导体层，1005 为p-型作用层，1006为p-型半导体层，1007为反射层，1008为正电极， 1009为负电极，IOIO为激光输出。而本发明所示各同轴半导体光源，可依 构成各种发光功能的圓环形半导体层的安排，去制造能达成发光作用以完 美射入同轴光纤者，例如以同轴DFB分布回授型半导体激光或同轴可调波 长的半导体激光等习知发光原理去安排意欲达成的发光作用。
(3)同轴半导体检光器:因同轴光纤中心轴壳不再导光，从同轴光纤射出 光波形状亦为圆环状;故传统检光器中间受光部位不再有使用必要且可能成 为噪声的来源。此轴心部位正好可以成为供电的电极部位，并构成以同轴 导体所形成的同轴半导体检光器。使正负内外同轴共构的两电极形成对中 间受光的环形半导体层做同轴供电，达成对环形核心光纤完美接收光波的 目的，可避免产生传统技术的射入光功率损失并提高灵敏度。此符合对本 发明同轴光纤最佳的能量形状匹配。
同轴化半导体结构的检光PIN 二极管及雪崩APD检光二极管结构如图 11-1及图12-1所示，图11-1,12-1为本发明同轴化的半导体层检光器结构图， 图11-2，12-2为传统平层分布半导体检光器结构示意图。而本发明所示各同 轴半导体检光器可依构成各种检光功能的圓环形半导体层的安排，去制造
能达成对同轴光纤所射出光的检光作用者。图12-1中，此同轴APD包括供 正电的导体轴心电极1101及供负电的同轴外环导体1102，与其间多层环形 同心半导体层共同设置在一P+型InP1106基板上制成。1103为n+InP,1201 为p-InP倍增层，1104为n-InGaAs本质INTRINCT吸收层，1105为P+-InP 层，1107为反射层，1108为抗反射层。图11-2的1008为正电极，1009为 负电极，1109为光子射入。 it见i羊细i兌明长口下
一、同轴光导光纤可解决上述缺点一的问题。光导同轴光纤其导光折 射率分布依据重新定位在半径上后，光波能量主要集中通过的折射率分布
中心，已移到半径中段部位，因此制造预型体采用管内沉积制程的MCVD 法及PCVD法的沉积步骤，是由最外壳层的折射率依据去调配掺杂材料开 始，往内层的一层又一层的折射率增加的安排依序沉积，并往内层逐渐增 厚。当完成折射率分布中心的最高折射率层沉积后，开始依序逐渐降低折 射率层的沉积。最后完成和外壳石英管纯硅材料相同折射率的数层纯硅沉 积步骤，此时完成的整支透明的预型管即可进行熔缩制程。
如图13-1,13-2以多模态斜射率光纤预型体的沉积例所示，图13-1为预 型管沉积完成后未熔缩成实心预型体的剖面折射率分布，沉积顺序由A,往 An, 130为石英管，131为折射率分布，132为折射率分布无中心凹陷，133 为预型管中空。图13-2为预型体经熔缩成实心预型体的剖面折射率分布。
心折射率和外壳折射率相同，掺杂较高折射率的沉积层已远离移到各半径 中段部位的安排。成功避免高折射率掺杂物在高温熔缩制程而挥发渗出。 同样地，OVD法是以由内轴心折射率和外壳折射率相同的纯硅层开始由内
层往外依序沉积(顺序和MCVD及PCVD法相反，即由An往AJ。当完成 最后沉积步骤并进行高温脱水及透明化的制程时，因本发明的轴心折射率 和外壳折射率相同的安排，掺杂较高折射率的沉积层己远离移到各半径中 间部位。成功避免高折射率掺杂物在高温制程而挥发渗出。故本发明以光 纤的半径纵向切面为导光面的设计所产制而成的光纤，使用MCVD、 PCVD 及OVD等方法不会产生折射率分布中心凹陷的问题，并使三种制造方法得 以发挥其各具有的制造优势。
二、 同轴光导光纤可解决上述缺点二的问题。光导同轴光纤其导光折 射率分布依据重新定位在半径后，由上项说明沉积完成的整支透明预型管
可预先品管并可直接抽丝。当己沉积完成后，因尚属空心的原预定轴心区 域层折射率和外壳折射率相同，在未经熔缩成实心的预型体前，预型管内 外层材料结构一致，可移至普通环境做折射率分布量测以预先品管，无虞 污染内管。甚至可于品管量测后直接抽丝，以节省大量的熔缩制程费用。 虽MCVD及PCVD法此时的预型管中空部分内径尚大，最重要的导光核心 部分因有数百层无铐掺杂的纯硅保护层，且已远离后制作的污染，且内外 应力差也因材料的内外对称分布的一致性而平衡，消除应力差够大产生龟 裂的问题。
三、 同轴光导光纤可解决上述缺点三的问题。通信用光纤为了降低传 输损失特性的要求，使用纯度极高的昂贵材料制成，其中也包括使用精密 昂贵设备成本，所制造的产品可谓寸材万金。因此如何有效安排和有效使 用光纤内波导材料以提高光通量，来传送更多能量的目的，是件可贵的成 本考虑。单位面积有效的光通量可以衡量材料是否有效率的使用。将光纤 单位面积有效的光通量设为A，并以有效光通比称之，则A用下式定义<formula>formula see original document page 13</formula>
式中Af为光纤的横截面面积。Aw为光纤内导光的横截面面积。如图 14-1,14-2所示，若以一有相同外径125|am的单模态光纤1401计算，设传 统的图14-1单模态导光核心1403直径为10pm，有效光通比为AT,而本发 明玻璃同轴光纤其新的单模态光纤1402如图14-2所示，如亦以相同截止波 长时的圆环形平层波导结构的10pm厚度2t计算，则t为<formula>formula see original document page 13</formula>
(2)式为平板型导波路的理论计算，式(3)为圆筒型导波路理论计算，则
求得平板层本同轴单模态光纤的波导层1404之厚，其t=0.653a=0.653x 5=3.3，亦即平板层厚2t=6.6)am厚度。
故其有效光通比为An来比校，由式(l)求得
AT=:tx52/7ix62.52x腦％=0.64%
AN=7ix(34.552-27.952)/7cx62.52xl00%=10.56%
AN/AT=M56/0.似=16.5倍，
由以上两者的比较，制造同样外径的一条单^^莫态光纤，可知:本发明的 同轴单模态光纤有效光通比为传统单模态光纤的16.5倍。有效光通比增加 使有效导光材料使用效率提高16.5倍，让原来只为了支撑光纤强度及容易 接续的相同面积，也相对增加光通量。这不但增加有效光导材料资源使用 率16.5倍，也提高单模态光纤提供接收端更多的能量供应通道，使相同接 收灵敏度接收端往后延长通信距离的目的。
四、同轴光导光纤可解决上述缺点四的问题。本发明光导同轴光纤其 将导光折射率分布依据重新定位在半径上，单模态导光区域从传统轴心的 小圓核心，往外扩大成在各半径中段组成的环形带状面积，可使导光面积 增加16.5倍，有效光通比增加16.5倍，使传统核心极小的第四项问题得以 解决。如以上例来计算传统及本发明的单模态光纤内导光的横截面面积 Aw，传统的单模态光纤为Aw^5、^25兀pml本发明的单模态光纤为 Aw=(34.552-27.952)7i=412.57t|im2。
两者的导光面积相差412.5/25-16.5倍。光通量和导光面积成正比，使 用本发明的同轴单模态光纤的导光面积增加16.5倍，也因此可提供16.5倍 的单模态光纤内能量供应通道。在此单模态平层导光结构所传递16.5倍光 波能量供应下，如接收端检光器灵敏度不变情况下，可大大地降低光源激 光功率及成本，或以相同的光源激光功率去增长通信距离。
设P。为输入检光二极管的光功率，Np为每单位时间射入检光二极管的 光子数，1)为光线频率,h为蒲朗克常数。贝'J:
Po=Np x hm
设传统单模态传送进检光二极管的光功率为Po(l)，本发明单模态传送 进检光二极管的光功率为Po(2)，则 Po(l)=Np x hm Po(2)=16.5Np x hi)
因本发明单模态光纤光通量为传统的16.5倍，可传送16.5倍的光子量， 因此在相同检光二极管可以接收Po(2)/Po(1)46.5倍的光功率。16.5倍光功 率的传送，其可增加光强度10 x l0g16.5=12dB。因此在使用相同灵敏度 检光器及相同激光功率的光源的情形下，改用本发明单模态光纤，即可以 传输损失0.4db/km的1300nm零色散波长，增加12/0.4二30Km的距离，因
本发明单模态光纤让传送零色散波长所携带的16.5倍光子量，足够消耗增
至30公里远的距离使相同灵敏度检光器判别出最少光子接收量。故在接收
端检光器灵敏度不变情况下，可大大地降低光源激光功率及成本，或者以 相同的光源激光功率大大地增长通信距离的目的。
射率分布:半径上的同;由光纤"光纤导光结构已变成所有二径上可导光的 线段所组成的圓环形面，亦即靠圓环核部位导光。其轴心的内壳部位不再
导光，正配合本同轴半导体光源轴心电极部位不发光的安排;而以发光的圆 环形半导体层所发射的圆环形光进入同轴光纤的圓环核部位，完成圆环形 对圆环形自然匹配的法则。解决形状不匹配的功率耗损问题后，也同时解 决PMD偏极化色散损失问题。因形成同轴供电的两电极对两电极间圆环形 半导体层所产生电子及电洞流动，取最近距离形成的方向，正好为各半径 的极化方向，亦即在其形成最大径向电场作用中，载子及受激的光子依最 大径向电场推动方向移动。当以本发明同轴半导体层制造单频或选频共振 腔产生受激发光的同调光波激光时，受激光的极化及辐射方向受本同轴供 电所产生半径极化方向最强电场的引诱作用，形成依半径极化辐射的射出 波。此半径极化波如同水平极化为零的唯一垂直极化波，因此可降低偏极 化色散的问题。如以本发明同轴半导体激光产生的环形零色散1300nm单频 同调半径极化激光光，射入本发明同轴单模态平层光纤的环核内，半径极 化光如同进入各半径纵向切面内传导的同轴半径纵向波导光纤力殳(THE RADIIS LONGITUDINAL WAVEGUIDED OPTICAL FIBER),可实现更高频 宽和更长距离的光纤通信。本发明同轴半导体结构的光源，正好完美匹配 本发明的同轴光纤的环核导光结构如图15 A及B所示。
六、同轴半导体检光器解决上述缺点六的问题。因本发明的同轴半导 体检光器是以形成同轴的两电极供电，以本轴心电极为中心的同心半导体 各环层厚度一致，电子或电洞皆沿其半径走最短路径至外环电极。以逆偏 压供电所形成环形空乏层或雪崩二极管的倍增层或吸收层的电场分布方 向，皆以依半径极向分布。如以横切面来看，其环形空乏层正足以完美匹 配同轴光纤输出的环形光波，达到最佳的功率耦合检光目的。虽然传统检
为s:i发明光纤最佳的能量形状匹配:使每一射出的光子有最佳的接收 效益，达到最佳耦合效率以充分发挥检光效能，还是使用本发明同轴半导
体层结构的检光器结构最符合自然法则。如图15B及C所示。又因主要检 光的空泛层直接受光产生电子电洞对的光电流为驱动电流DRIFT，非扩散电 流，故可提高反应速度，增长通信距离。
总结以上，本发明重新定位光纤内导光的折射率分布依据在半径上后，
光源和检光器之间的缺点，并达到下列目的:
一、 以前使用MCVD、 PCVD及OVD等方法所产生折射率分布中心凹 陷的问题从此消失，并让MCVD、 PCVD及OVD法可以做出折射率分布完 美的各种高质量光纤，使光在光纤内依预定的路径传播。
二、 内沉积法完成的预型管，不但可预先品管及直接抽丝，节省大量 熔缩制程成本外;又可使传给损失降低，频宽提高。因不必熔缩预型管节省 大量能源而直接抽丝，并可避免传统数小时熔缩过程中水分子污染，及在 水平操作玻璃车床上熔缩时，预型体因玻璃车床两边夹头的准直度因高温 离位和旋转操作时受到变形的影响.因此类操作变形，常使得完成实心化 的预型体内部结构真圆度降低，核心偏心度提高，使传输特性变差，影响 品质。本发明的同轴光纤预型管可经量测品管后直接在垂直抽丝机械上直 接抽丝；可减少预型管实心化成预型体的能源浪费、缩短制造时间及降低水 平熔缩制程机械设备的投入成本。且又因导光核心已不受污染，可获得高 品质的产品。
三、 光波能量主要集中通过的完美折射率分布中心，移到半径中间部 位，又让单模态光纤内有效光通比提高16.5倍，昂贵半导体材料使用效率 提高，也相对降低制造成本。
四、 光波能量主要集中通过的完美折射率分布中心，移到半径中间部 位所增加的总光通量提高16.5倍，此集合传统单模态光纤及多模态光纤双 重优点，则本发明不但耐接续损失而以可舍弃制作复杂、成本昂贵的斜射 率多模态光纤，就最简单制作的光纤结构及最完美自然功率匹配的光源和 检光器，且更可以选用硅质单模态光纤天赐最自然的零色散波长1300nm, 将可以最优势的条件组合如增长通信距离或降低光源及操作成本，去创造
光纤通信的各种应用，尤其是光纤到家的宽频应用，实现信息畅流及知识 共享的世界大同理想。
五、 同轴光纤、同轴光源及同轴检光器三者一体共构，形成最符自然 法则并达到完美匹配的组合，并创新此一同轴光导系统。促进有效导光材 料资源使用率、珍贵激光激发光能量利用度及已传送至远端稀有光子的充 分检光效益。
六、 同轴世纪的延续-同轴电线电缆贡献一世纪之久，二十多年来， 传统习知光纤光导系统虽已证实其抗电磁干扰、低损失及高频宽等多种优 点，而将传统电子通信时代最高频的同轴电缆线逐渐取代甚至淘汰出局;但 同轴完美的特性有本发明同轴光纤、同轴光源与同轴检光器三者共构一体 如实施例2及各实施例扩大应用优势的再现光辉，将电磁波升华为纯净光 波，延续再为人类所用，使大家共享先人累积智慧发掘大自然奥秘的成果。
由于导光折射率分布在光纤半径上的改变，达到上列目的，光纤通信 以前存在的许多问题，及为了解决这些问题，所采取的先前技术，将因本发 明的重新定位，使以上根本问题不再发生。已往复杂而且提高成本又浪费 材料资源的作法，可以放弃使用并可重新开启新而有效的光纤制造技术和 通信方式。光纤到家所使用的普及化光纤，可因新一代的简单同轴单模态 结构，以低功率同轴激光在零色散波长发挥高频宽的经济效应。人类追求 高频宽信息应用的未来生活，从此光纤新定位的出现，知识分享更为方便 容易，大同社会的理想目标透过大家努力可及早实现。
为解决同轴光导光纤符合最自然的光导结构，而重新定位本发明同轴 半导体光源及检光器的结构，其实已激发出另一创新的同轴半导体制程， 而超越传统习知半导体平面制程。此一制造优秀同轴半导体结构的同轴半 导体制程，可制出同轴等距半径向内建电场及供电结构。因此除了以上同 轴光导光纤所使用的同轴半导体光源及检光器装置外;举例光源部分还可以 同轴发光二极管结构，在平面上组合制造出高分辨率直接发光的显示器及 高亮度的白光照明装置。举例检光器部分还可以同轴检光二极管结构，在 平面上组合制造出高像素密度的彩色影像感测装置及高饱和电流输出的太 阳电池供电装置。这些以同轴半导体结构创新定义所产制的新装置，皆以 其同轴半导体层结构和供电结构，所形成等距径向内建均匀电场，及其成
功避免习知上下电极阻挡光波进出的优点，所共同产生的卓越特性。这将 在以下的实施例部分说明。
四十多年来，有感我华人为西方世界在光电各方面技术创新的贡献皆 尚未反哺至我国自身工业的价值获益上。此次本发明在同轴光导结构科技 的创新，重新定义光纤光导结构、半导体光源结构及半导体检光结构于一 同轴光导结构系统的精神基础上，将为我中华民族创造本世纪一新的利基。 更值得一提的是在能源开发及耗能减少的贡献上，同轴发光二极管在白光 照明的节能表现，及同轴检光发电的太阳电池在饱和电力供电的洁净电力
开发表现，将是我"华人之光"！
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，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和 其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，'并配合附 图，详细说明如下。


图1为习知光纤剖面结构示意图
图2-l，2-2，2-3为习知各种光纤构造及各波导示意图
图3-1为弹性薄膜波导结构示意图
图3-2为1970年发明专利US3659916平层波导示意图 图4-1为单模态光纤折射率分布中心凹陷 图4-2为斜射率分布中心凹陷 图5为侧射型激光的椭圓形光输出辐射波形示意图 图6为传统环状供电前照式面射型VCSEL激光光源剖面示意图 图7为传统环状供电前照式检光器其空乏区电场分布示意图 图8-1为本发明同轴光纤的多模态斜射率光纤的结构及光纤内光波传 导方式示意图
图8-2为本发明同轴单模态光纤的结构及光纤内光波传导方式示意图 图9-1为本发明同轴光纤的同轴单模态阶射率光纤的结构及光纤内光 波导方式示意图
图9-2为本发明同轴光纤的多模态斜射率光纤的结构及光纤内光波导 方式示意图
图9-3为本发明同轴光纤的多模态阶射率光纤的结构及光纤内光波传 导方式
图10-1为本发明同轴化的半导体环形层激光结构剖面示意图 图10-2为传统平层化分布制造的半导体激光基本结构示意图 图U-l为同轴化半导体结构的检光PIN二极管，为本发明同轴化的半
导体层PIN检光器结构剖面示意图
图11-2为传统平层分布半导体PIN检光器结构示意图
图12-1为同轴雪崩APD检光二极管结构，为本发明同轴化的半导体层
检光器结构剖面示意图
图12-2为传统平层分布雪崩APD检光二极管结构示意图
图13-1为预型管沉积完成后未熔缩成实心预型体的剖面折射率分布，
沉积顺序由A,往An
图13-2为预型体经熔缩成实心预型体的剖面折射率分布示意图。 图14-1单模态导光核心直径为9pm。
图14-2本发明玻璃同轴单模态光纤，在相同截止波长条件的薄膜厚
7(im。
图15为同轴光导系统实施例为由一同轴光纤、同轴光源及同轴^r光器 三者同轴共构组成的光纤及收发端结构剖面示意图。
图16为同轴光导系统实施例2的剖面图，为由同轴的半导体收发器同 轴共构制造在同一基板上，以共用唯一同轴光纤节省一条光纤的应用例子
图17为在同轴彩色显示器结构实施例3示意图
图18为同轴彩色发光二极管结构立体剖面示意图
图19为实施例4红绿蓝光三条同轴化长线形发光二极管组成白光固体
照明结构示意图
图20为双异质结构同轴长线形发光二极管立体结构示意图 图21为同轴发光二极管同轴供电的电子与电洞在径向内建电场等距分 布顶视示意图
图22为实施例5在平面上组成的彩色影像感测器结构示意图 图23-1为同轴彩色检光二极管结构立体剖面示意图 图23-2为同轴检光二极管结构立体剖面示意图 图24为实施例6中PIN型同轴太阳电池结构立体剖面示意图 图25为实施例6中同轴太阳电池组供电装置示意图 图26为实施例6中线形同轴太阳电池组供电装置示意图 图27为实施例6中线形同轴太阳电池组供电装置内的光子射入路径顶 视示意图
(以上有些图同轴半导体上的轴心电极和其环形电极所位于基板问的 绝缘层为简化说明并未标图出来)
具体实施例方式
以下举例说明
具体实施例方式
实施例1
以一同轴光纤、同轴光源及同轴检光器组成三者同轴共构的光纤及收 发端结构为实施例，如图15所示来说明。本发明实例阐述各种细节所引用 各参考编号的组件，皆可视为相同或功能上类似的组件，且意欲以极简化 的图解方式来图说实例所表示的主要实施特点;因此，此图示并非意欲描绘 出实际实施例的所有特点，亦并非意欲描绘所绘元件的相对尺寸，故所示 的图并非按比例绘成，其系按本发明的同轴光导基本精神所绘成。
参照图15的光源A为一同轴半导体激光，其显示一同轴圆环形半导体
质^合;4体激光结构的局部剖面图，此结构为习知平层板型结构口DFB异 质接合激光，将其以更符合自然法则的同轴共构的创新发明。具体而言， 此分布田授型异质接合半导体激光结构包括供正电的导体轴心电极1001及 供负电的同轴外环导体1002,与其间多层环形同心半导体层共同设置在一 n 型InP基板1003上所制成。本同轴半导体激光其间各层环形半导体层可以 同质接合(HOMO JUNCTION)或同位型(ISOTYPE)异质接合(HETERO JUNCTION)或非同位型(UNISOTYPE)异质接合等各种半导体材料结构组 合成自然发光或受激发光的发光作用，此等发光作用 一如习知技术可采布 拉格光栅(BRAGG'S GRATING)的回授作用，以作成分布回授型单模激光二
极管(DISTR IBUTED FEEDBACK LASER DIODE)。本发明同轴半导体光源 主要精神是以同轴的结构为主张，本实施例的同轴半导体激光光源系以上 述中的一种同轴异质接合分布回授型激光二极管代表说明。1504为圓环形 活性作用层。1505为圆环形半导体层、1503为布拉格回授光栅、1503此光 栅由1501 n-型圆环形InP半导体层及1502n型InGaAsP圆环形半导体层组 成，布拉格光栅的回授波长？ib可用XB=2nA/m求得,n为所用半导体材料折 射率，A为布拉格光栅的周期长,m为1或2的数值称为绕射序数(ORDER OF DIFFRACTION，'通常为1)。
参照图15的光纤B为一同轴光导单模光纤，其外径以128(jm为例说 明，所示单模平板型导光的圓环形部位厚度为2a二7pm,环核心折射率 n|=1.4629，内壳折射率in2等于外壳折射率。n2,即化=。n2=1.46,操作波长 ^o=1.3|im，则依平板型导波路理论，可得在2a厚平板传播模态数N为
N=4a/ io x (ni2—in22)1/2=o.99^1
N^l时，可成为同轴单模态光纤，其截止波长Xc为
Xc=4a x (ni2— (n22)l/2= 1.289,
此7pm厚圆环形平板层波导结构可以让同轴半导体激光射入的单模光 波以单模波导方式，及以玻璃的零色散波长1.3lam,在同轴光纤中传送至远 端的同轴检光半导体端，如图15的光纤B所示。
图15的检光器C显示一同轴圆环形半导体层同心共构的COAXIAL APD同轴APD 二极管结构的局部剖面图，此结构为将习知平层扳型半导体 结构APD创新以更符合自然法则的同轴共构的发明。具体而言，此实施例 的同轴APD包括供正电的导体轴心电极1101及供负电的同轴外环导体 1102，与其间多层环形同心半导体层共同设置在一 P'型InP 1106基板上制 成。1103为n+ InP, 1201为p-InP倍增层，1104为n-InGaAs本质INTRINCT 圆环形半导体吸收层，1105为P'-InP圆环形半导体层。1107为反射层，1108 为抗反射层。在平层板型构成的习知雪崩二极管可分为许多类;然本同轴雪 崩二极管，仅作为代表本发明同轴半导体检光器主要精神的同轴共构的主 张，以说明其他可据以等效发挥同轴圆环形检光半导的检光功能及据以应 用的各种样态。
实例上所谈，本同轴单才莫光纤的外径128pm较传统125pm大，因改以 2的指数倍(即22、 23、 24、 25、 26、 27=128)，可增加其易算性，如此任何数 值除以2皆可为整数，此改变比传统以125起算较符科学性且又增大不多， 半径约大1.5)im，本例的向轴单模态光纤其光通面积比传统单模态光通面积 大22倍，且又拥有与传统50(iM直径多模态光通面积约72°/。的高光通量易 接续的优点，因
同轴的光通面积Aw=(35.52-28.52)7i
=448兀而
传统9(iM直径单模光通面积=4.52兀=20.25兀 传统50pM直径多模光通面积=252兀=625兀
亦即本发明单模态光纤不但拥有多模态光纤容易操作及使用低功率收 发器来降低成本的优点，且保有自身单模态高频宽的特性;故可以舍弃传统 少于一哩(mileless)宽频能力的多模态光纤了 。因此将光纤通信复杂多样变 化致阻碍全面光纤化的瓶颈予以克服，以更低成本实现宽频光纤通信的目 的。
实施例2
图16为同轴光导系统的实施例2结构简化剖面图，是由同轴的半导体 收发器同轴共构制造在同一基板1602上，以共用唯一同轴光纤801,且可 以节省 一条光纤的应用例子。传统光纤的收发器因光源发射器及光信号接 收的检光器是分开制造后再组配在一起。因光纤本身具有双向光波导能力， 如以本发明的同轴半导体光送受器，同轴共构制造在同一基板上，即可节 省许多硬体架构的成本。因为三者同轴，所以十分容易上下重叠共构互为 利用，产生各种应用组合。此收发器的上层为APD检光器，1103为11+-半 导体层，1201为p型倍增层，1104为InP本质半导体层(INTRINSIC), 1105 为p型半导体层，1107为反射层，1601为绝缘层，1604为上层检光器外环 导体。下层为DFB激光，1603为下层同轴外环导体，1501~1505同实施例 1的光源结构组件，1101为收发器共用轴心正电极。由实施例2的右图供 电顺序来决定光纤用户的收发状态，1605表示激光不动作时上层APD检光 器高压供电，以逆偏提供检光冲击并发生倍增电流的检光作用。当光纤用 户发射信号时，下层DFB激光高压供电1606，以产生单频光波射出，同时 因上层检光器以低压供电1607，且因InP能量间隙比光子能量大，在低压 逆偏时对光线是透明的，故可通过大量光功率送至同轴光纤输入环核心 802;同时只吸收一点光子所产生的电流可作为激光发射功率的回授功率监 测功能。如此构成的同轴光送受器可节省大量建设网路成本，节省光纤送 受网路一半经费。
实施例3
以一水平列1024个同轴彩色发光二极管，及垂直行768个同轴彩色发 光二极管组成的彩色显示器结构为实施例3,如图17所示来说明。参照图17 的彩色显示器内各发光体系由1024 X768 =786432个如图18的同轴彩色发 光二极管组成。同轴彩色发光二极管系由同轴化后的三色发光二极管的轴 心共用共构后，所形成的彩色发光二极管(以下称同轴彩色发光二极管CCLED-COAXIAL COLOR LIGHT EMITTING DIODES),举例图的1801为 三色轴心共用电极、1802为红色R层、1803为绿色G层、1804为蓝色B 层、1805为红色R同轴外环形供电电极、1806为绿色G同轴外环形供电电 极、1807为蓝色B同轴外环形供电电极、1808为基底平板、1809为透明 绝缘层、1810为透明绝缘层、1811为透明绝缘层、1812为环形发光作用层、 1813为环形电洞注入或传导层、1814为环形电子注入或传导层。则由习知 平面彩色显示器上以平面方向三色块排列布置，变成本实施例三色层以在 同轴心垂直向直立重叠共构布置后，所有CCLED组成后的显示器相对于使 用彩色滤光片的LCD显示器可以提高三倍分辨率。同轴共构后的RGB三 色层(1802为红色R层、1803为绿色G层、1804为蓝色B层)可以最少层 数直接向上发色，三色并集中在同 一像素区以原色呈现并摆脱使用彩色滤 光片避免间接发光。因各发光体1701为直接发光且直接合成显示器各位址 的色彩，显示器上方不再用彩色滤光片。各水平方向的1024个同轴彩色发 光二极管的1024个轴心在显示器底层所连接而成的连接导线1702，接至显 示器的垂直步进方向扫描及多任务处理器(VIRTICAL STEP SCAN AND MULTIPLEXER PROCESSOR)控制电路1703。当显像需要的信号依水平位 址线内容，提供各水平行轴心电压至同行各同轴发光二极管的轴心。
在同行垂直步进方向扫描供电开启时间内，显示器的水平步进方向扫
信号控制电路1704，依显像需要的位址上彩色RGB信号内容，逐一输出各 自彩色电压准位至同轴彩色发光二极管上的同轴外环电极。使第 一水平同 行上的1024个同轴彩色发光二极管依次完成显像发色作用。垂直步进方向 扫描控制电路接随输出下一水平位址线信号，并在同行垂直步进方向扫描 供电开启时间内，显示器的水平信号控制电路1704，再依显像需要的位址上 彩色RGB信号内容，逐一输出各自彩色电压准位至同轴彩色发光二极管上 的同轴外环电极。使第二水平同行上的1024个同轴彩色发光二极管依次完 成显像发色作用。当彩色显示产生器(COLOR DISPLAYGENERATOR)的显 示过程控制电路1705依序完成768条垂直步进方向扫描输出控制信号及 1024 X 3条水平位址内容后，即快速完成一个完整画面的显示动作。重复 以上相同显示程序即能持续将静态或动态的影像内容不断播出。
图18显示本发明的同轴彩色发光二极管，仅作为代表本发明同轴半导 体发光二极管主要精神的同轴共构的主张，以说明其他可据以等效发挥同 轴共构的发光功能及据以应用的各种样态。例如以动态图像配合红光或绿 光来当作交通号志灯的发光功能。又例如以全面红光、绿光及蓝光三色层 全亮信号的输出，来当作白光固体照明的发光功能等应用，皆包含在本发 明的各种样态应用范围内。实例上所谈，本同轴彩色发光二极管所组成的彩色显示器，不但拥有 高显像像素而以更高分辨率来表现在各种应用场合的显示器，且可以任何 放大投影而不失真的方式呈现真接合成彩色及达到逼真的效果。比较于要 多花成本以彩色滤光片间接合成彩色的方式，演色将较生动得多。
应可了解，上述每一组件的功能及其同轴使用发光功能、或两个或多 个组件的功能及其同轴使用光导功能，皆可单独或共同有效应用在不同于 上述类型的其它类型的同轴共构发光系统中。例如用于照明发光的同轴发 光二极管，其同轴使用光导功能的轴心组件可加粗以提供较高电流及较多 的光导出或热散出功能。
尽管本文系以光电共导同轴发光二极管及其组成同轴彩色显示器系统
图解说明并阐述本发明;但此并非意欲仅将本发明局限于此等图示细节，因
为在以不脱离本发明精神的任何方式的前提下，可对本发明实施各种修改 及结构的改变。
实施例4
同轴长线形红绿蓝色发光二极管并排组成白光照明装置 三支同轴长线形红绿蓝色发光二极管组成白光固体照明装置如图19所 示。1901为红光同轴长线形发光二极管，1902为绿光同轴长线形发光二极 管，1903为蓝光同轴长线形发光二极管，1904为具反射面的固定座。同轴 长线形发光二极管(简称CLLED)为一种将发光二极管同轴结构化且加长制 造如图20所示的构造，使习知发光二极管电极的上下层排列布置变成为本 发明内外供电两电极及其中所夹各环形半导体层的同轴化布置。举例图20 中的加长轴心的同轴发光二极管，其2001为轴心电极、2002为同轴外环形 透明电极、2003为环形发光作用层(本例采用DH双异质结机发光的材料， 以GaAs当P型活性作用层)、2004为环形电洞注入或传导层(如当P型局限 层的AL、Ga^As材料)、2005为环形电子注入或传导层(如当N型局限层的 AL、Ga:—、As材料)。则电流由轴心的阳极2001提供，并以半径向辐射状等距 推动(DRIFT)及扩散至外环导体2002的安排，如图21的一 LED内建电场 顶视图所示以半径向辐射状等距推动至外环导体。发光二极管系将电能转 变为光能的半导体组件。因此需要电流的注入，尤其是如何使注入电流很 均匀的推动及扩散在整个发光二极管中则极为重要，尤其是能均匀进入发 光活性作用层。依图示，在同轴供电两电极提供电压形成电场的驱动下， 电洞和电子对在环形发光层2003中因不同的发光机制(如HOPPING， EXC1T1NG…)产生自然发光(SPONTANEOUS EMISSION)而四向射出。因形 成同轴供电的两电极，对两电极所提供的电子及电洞流动至其间所夹的圆 环形发光层2003,走最近距离方向移动，也正好为各半径的电场极化方向，
亦即在其形成最大径向电场作用中，载子依最大径向电场推动方向移动(亦 是最高注入电流成因)。以本发明加长轴心电极为中心所制成的同心半导体 各环层厚度一致，电子或电洞皆沿其半径走最短路径十分均匀越过pn内建 电位障壁，各自推动及扩散至外环电极及轴心电极，并在穿透过电位障壁
S单位跳跃式hopping移i),;生的光由折射率i导往外传送的设计，
穿透过透明外环电极射出。此图为横切面所看者。因电极是以同轴等距供 电方式，以致在持续供电或脉沖供电开关区间内，两内外电极所提供发光 作用的各电子电洞对因其所行路径长相同，且同时出发并皆以最短距离行 进至发光层结合发光。更重要的是所有提供发光的电子电洞对因同轴等距 分布的安排，在供电脉沖开关区间或持续供电区间同时放光发色，不但亮 度集中以增加发光效率，且因长线形活性发光层全体发光，如数百粒习知 点状发光二极管成串组成，其面积十分长且大，功率可随特性需求弹性改 变长度来达成。因此本实施例以制成各IO公分长的长圓柱状红光、绿光及 蓝光CLLED并排固定在一具反射光座位上，形成一白光固体照明装置(或 是以10公分蓝光CLLED及一支10公分长黄光CLLED组成互补发出白光 的固体照明装置)。则本发明的CLLED可大为提升发光二极管作为固体照 明的最佳结构，从而达到为人类降低照明耗电50 %的目的。
实施例5
图22为一水平列3072个同轴彩色检光器，及为提高像素密度排列成 重复折曲式的垂直行2304个同轴彩色检光器，在平面上组成的彩色影像感 测器结构为实施例。
参照图22的彩色影像感测器内各彩色检光器系由3072 X 2304=7,077,888个同轴彩色检光二极管(COAXIAL COLOR DIODES DETECTOR以下简称CCDD)组成。此为将同一像素上蓝绿红(BGR)三色各 同轴构造化的检光二极管，依各色波长光子预计可射入深度次序上下垂直 方向重叠，并以相同正极供电的轴心共构，其各色层间以透明绝缘层隔开， 而构成一个同轴彩色检光器CCDD，如图23-1所示。图23-1中23011为蓝 光同轴检光层、23021为绿光同轴检光层及23031为最下层的红光同轴检光 层，而23041为同轴心共构重叠成串的轴心电极。由于本发明同轴检光器 可制成三色层、四色层、五色层、六色层、七色层或更多色层可选多波长 等，依光子射入深度能力分别设计多层取出输出方式。但为简化说明以便 于了解，以下用相同原理的特选红绿蓝的RGB三色层其中最上一层来举例， 亦达到同原理的说明效果。将检光二极管同轴结构化后，使习知检光二极 管电极的上下层排列布置，变成为同轴化布置。则光激作用层即空乏区不
再以平层分布型态被隐藏在底层下，而形成为环切棵露空乏区的同轴环形 分布型态。
本图23-1中举例，又以图23-2的同轴检光二极管为PIN结构者来举例， 2301为同轴轴心电极、2302为N型环形半导体层、2303为I型环形半导体 层、2304为P型环形半导体层、2305为同轴外环形电极、2306为绝缘电介 质层、2307为轴心共电输出端。其环形空乏区(P-I接面至I-N接面)直接露 出在表面上的直接受光面方式，纵使在表面最短波长光子，亦可立刻吸收。 因受光激电子与电洞对，直接在推动区域电场内加速，且直接形成快速移 动的推对电流输出，短波长可获快速反应的结果。且本发明的同轴检光二 极管内的环形等厚度PN接合区，其游离化产生内建(BUILT-IN)的正负径向 等距分布电场，如图21所示。因光子直接射入而产生的电子及电洞对，各 受PN接面形成半径向电场驱动，以最短等距路径推动至各同轴层的内外二 电极，直接可被取出的快速反应电流;已非如习知的光子必须穿透空乏层上 层的P型半导体内的扩散区，而产生延后输出的扩散电流。故本同轴检光 二极管可获得高反应速度。其他各层同轴检光二极管亦同样可获得高反应 速度及提高灵敏度，并在更暗条件下拍取影像。同轴化检光二极管检光效 能提升又将三色同轴共用共构，如实施例3 —样又可使其组成的彩色检光 器分辨率提高三倍。
因各CCDD2201为直接检光且直接检出各位址像素的色彩，CCDD上 方不再用彩色滤光片。各水平方向的3072个CCDD的3072个轴心在影像 感测器底层所连接而成的连接导线2202，接至影像感测器的垂直步进扫描多 工处理器 2203(VERTICAL STEP SCAN AND MULTIPLEXER PROCESSOR)控制电路。当时序产生器2204(TIMINGGENERATOR)启动摄 像需要的信号，依水平位址线内容，提供各水平行轴心正电压至同行各 CCDD的轴心。在同列扫描供电启时间内，摄像感测器的水平步进扫描多 工处理 2205 ( HORIZOTAL STEP SCAN AND MULTIPLEXER PROCESSOR)信号控制电路，也依摄像需要的位址逐一输出负电压至 CCDD同轴外环电极上，则在类比信号处理器2206(ANALOG SIGNAL PROCESSOR)负荷上检出行与列交插点像素位址上(CROSS POINT IMAGE ADDRESS)的彩色RGB电流信号内容，逐一输出各自彩色电压准位至类比 转变数位转换电路2207(A/D CONVERTER )，再由数位信号处理器 2208(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR)处理控制并送至介面端部 2209(INTERFACE SECTION)以输出至各显示或储存装置上。则完成第一水 平同行上的3072个CCDD的摄像检光作用。当时序产生器启动摄像需要的 信号，依第二水平位址线所欲摄取内容，提供下一水平行轴心正电压至同 行各CCDD的轴心。在同行扫描供电开启时间内，摄像感测器的水平步进
扫描多工处理器信号控制电路，也依摄像需要的位址逐一输出负电压至 CCDD同轴外环电极上，则在类比信号处理器负荷上检出第二行与各垂直
列交插点像素位址上各CCDD的RGB电流信号内容后。并逐一输出各自彩 色电压准位至类比转变数位转换电路(A/D CONVERTER),再由数位信号处 理器处理控制并送至介面端部以输出至各显示或储存装置上。完成第二水 平同行上的3072个CCDD的摄像检光作用。当垂直步进扫描控制电路依序 完成2304条水平行各行3072个CCDD像素信号内容后，则获得一个画面 影像完整的检出动作。重复以上相同扫描程序即能持续将静态或动态的影 像内容不断地输出。
实施例6
利用本发明的同轴检光半导体结构，其所具有将接收光子能量检出并 输出电流的特性，以制成同轴太阳电池的发电结构。太阳电池发电二极管 同轴结构化后如图24所示，使习知太阳电池二极管电极的上下层排列布置， 变成为同轴化布置后。则光激作用层即空乏区不再以平层分布型态隐藏在 底层下，而改变成同轴环形分布型态。本举例同轴太阳电池为PIN结构， 2401为同轴轴心电极、2402为N型环形半导体层、2403为I型环形半导体 层、2404为P型环形半导体层、2405为同轴外环形电极、2406为绝缘电介 质层、2407为轴心共电输出端。其环形空乏区直接露出在表面上，形成直 接受光面，纵使最短波长光子，可立刻吸收。因受光激电子与电洞对，直 接在推动区域内建电场内加速，且直接形成快速移动的推对电流输出，短 波长可获得快速直接输出的结果。
将同轴太阳电池平面排列成如图25的平面同轴太阳电池组，可以制成 大面积的供电装置。参照图25的同轴太阳电池供电器内各太阳电池，系由 各行100个如图,24所述硅质P-I-N型同轴太阳电池组成，共100行。各同 轴太阳电池2501为P-I-N型同轴太阳电池，2502为各同轴太阳电池的供电 轴心电极。2503为各同轴太阳电池的同轴化的外圓环集电负电极，2509则 为此负电极的集电共用输出端子。2504为P—型圆环形半导体。2505为I-型圆环形本质半导体层。2506为内环N—型圓环形半导体层。2507为平面 绝缘电介质，2508为将所有2502轴心电极底部，连接在同平面的正极共平 面，2510为此平面的正极输出端子。如上述说明所述的本发明同轴太阳电 池发电原理，因各波长光子直接射入推动区，不同深度受激电子与电洞， 受均匀分布PN接面内建径向电场等距同步推动，顺利分离流出的电流，形 同共10000个同轴太阳电池并联排列^T出电流的供电电池组。此电池组可 以再依用电设备所需的电压与电流值的最低与最高状况，分别串联或并联 供电，达到完美供电的目的。
将同轴太阳电池结构加长制造，以制成长线形同轴太阳电池，并组成 一大单位面积的供电装置，如图26所示。此一大单位面积的供电装置是由
1000条各长1000毫米(l公尺)的线形同轴太阳电池2601并联后，镶在同一 平面或有一特定曲面，如飞机或汽车外体流线形曲面的固定座2602上所构 成。如此构成的每一单位电池组，可以再依用电设备所需的电压与电流值 的最低与最高状况，分别串联或并联供电，达到所需供应的电功率目标。
每一线形同轴太阳电池2601,由下列同轴化材料组成，包括具有反射作 用的金属导体轴心正电极2603、圓管状N型半导体层2604、圆管状I型半 导体层2605、圓管状P型半导体层2606、透明圆管状外环电极导体层2607、 外侧抗反射镀膜及表面保护层2608及固定座上镶入介面的反射镀膜层2609 等。将各线形同轴心正电极2603并联构成正电输出端子2610，及将2607外 环负电极并if关构成负电输出端子的2611。
线形同轴太阳电池也具有高效能集电原理， 一如同上述本发明同轴化 的均匀内建电场作用，将侧面射入光子产生光激沖击电子与电洞对后，持 续分离及累积容电及供电的能力。虽没有直接棵露推动区而稍有失去极短 波长光能的遗珠之憾;但由于侧面大面积进入一如球透镜状的同轴太阳电池 后，内部依材料特性需要所安排反射及折射后，可获得一长短兼具的光吸 收路径。故可制成较小半径且较轻的同轴太阳电池构造，达成宽光谱面的 吸收作用，并弥补较短波长稍微损失的部分，如图27所示，各元件号同图 26所说明内容。
实例6上所谈，本线形同轴太阳电池所组成的供电设备，不但可以更 小线径同轴太阳电池构造，达到更宽光谱面光子能量吸收的作用，又可以 更大单位面积组成平面或任何曲面排列，以适合作任何应用场合及发电工 具所必要的外形组合、角度组合、串并联组合、供电量组合、或地形及綷 度组合等发电作用。如此能脱离以昂贵晶棒切割成基板形式的制程，或非 单晶硅平面制程所制成小片组合的各种方式，而达到低成本制造大面积太 阳电池供电的效果，以扩大供人类使用，创造人类福祉。
可应了解，上述各实施例上每一组件的功能及其同轴使用光导功能、 或两个或多个组件的功能及其同轴使用光导功能，皆可单独或共同有效应 用在不同于上述类型的其它类型的同轴共构光导及光学系统中。
尽管本文是以同轴光导光纤及其同轴半导体光源和检光器组合的同轴 光导系统图解说明并阐述本发明;但此并非意欲仅将本发明局限于此等图示 细节，因为在以不脱离本发明精神的任何方式的前提下，可对本发明实施 各种修改及结构的改变。
无需再分析以上说明所全面披露本发明的要旨，其己可以使人们能够 应用现有知识在合并根据先前技术观点，以合理构成本发明的一般或具体
样态的基本特征的前提下，可轻易地将本发明修改用于各种应用，例如实 施举例中的同轴彩色影像显示器、同轴固态白光照明装置、同轴彩色影像 感测装置、同轴太阳电池等应用;且因此，此等修改应该且已意欲包含在随 附权利要求书的等效意义及范围内。
权利要求
1、一种同轴光导光纤结构，包括内轴壳(903)、环核心层(901)与外壳(902)三部份，而主要导光的环核心层(901)介于内轴壳(903)与外壳(902)中间且其折射率高于无掺杂的纯氧化硅、熔硅或其他导光材料所制成的内轴壳(903)与外壳(902)所形成的同轴光纤结构，其特征在于光纤导光的折射率分布依据设定在半径上，光在两相同折射率的内轴壳(903)及外壳(902)所形成的同轴导光结构中，依折射率分布安排的波导方式传送的同轴光导结构。
2、 根据权利要求1所述的同轴光导光纤结构，其特征在于依折射率分 布安排的波导形式结构光纤为单模态波导形式的同轴光导光纤结构。
3、 根据权利要求1所述的同轴光导光纤结构，其特征在于依折射率分 布安排的波导形式结构光纤为多模态波导形式的同轴光导光纤结构。
4、 根据权利要求1所述的同轴光导光纤结构，其特征在于其折射率相
5、 一同轴半导体光源结构，其在一基板(1003)或平板上制作由形成同 轴供电的两内外导体(1001,1002)，其间隔以多层同心圓环形半导体层 (1004,1005,1006)或导体层所组成的同轴半导体光源结构，其特征在于使其形成正负同轴的两电极(1001,1002)对中间发光作用的圓环形半导 体层(1004,1005，1006)同轴供电后，达成圓环形发光半导体层1005对同轴光 纤；或受光装置发射光波目的的结构。
6、 根据权利要求5所述的同轴半导体光源结构，其特征在于其形成正 负同轴的两电极(1001,1002)对中间产生的发光作用结构(1005),为一种电子 与电洞结合产生的自然性发光作用的有机或无机同轴发光二极管结构。
7、 根据权利要求5所述的同轴半导体光源结构，其特征在于其形成正 负同轴的两电极(1001,1002)对中间产生的发光作用结构(1504),为一种电子
8 、 一种同轴半导体检光器结构，其在一基板(1106)上制作由形成同轴 供电的两内外导体(1101,1102),其间隔以多层同心圓环形半导体层 (1103,1104,1105)或导体层所组成的半导体检光结构，其特征在于使其形成正负同轴的两电极对中间产生检光作用的圆环形半导体层 (1103,1104， 1105)同轴供电后，达成圆环形检光半导体空乏区直接吸收来自 同轴光纤所传送光波的光子能量；或来自光学系统接收影像光子能量，并 在均匀半径向内建电场作用下，将受激电子与电洞对分离的推动电流检出 目的的结构。
9、根据权利要求8所迷的同轴半导体检光器结构，其特征在于其形成正负同轴的两电极对中间安排圆环形半导体检光层(1103,1104，1105)产生检 光作用的结构，为光子进入圓环形检光半导体层(1103，1104，1105)的吸收， 产生电子与电洞的推动电流检光作用的同轴半导体PN检光二极管。
10、 根据权利要求8所述的同轴半导体检光器结构，其特征在于其形 成正负同轴的两电极对中间安排圓环形半导体检光层(l 103,1104,1105)产生 检光作用的结构，为光子进入圓环形检光半导体层(1103,1104，1105)的吸收， 产生电子与电洞的推动电流检光作用的同轴半导体PIN检光二极管结构。
11、 根据权利要求8所述的同轴半导体检光器结构，其特征在于其形 成正负同轴的两电极对中间安排圆环形半导体4全光层(1103， 1201,1104,1105) 产生检光作用的结构，为光子进入圓环形检光半导体层具高电场沖击电离 区1201，产生受沖击高速度或高能量的电子与电洞，再继续电离众多新电 子及电洞的倍增电流的检光作用，所构成的同轴雪崩二极管检光结构。
12、 一种同轴光导系统，包含 一种权利要求5所述的同轴半导体光源结构；或 一种权利要求1所述的同轴光导光纤结构；或 一种权利要求8所述的同轴半导体检光器结构； 其特征在于施行同轴光导系统的通信及感测目的，其将同轴半导体光源与同轴光 纤组合；或将同轴光纤与同轴半导体检光器组合；或将同轴光纤、同轴半 导体光源与同轴半导体检光器組合使用。
13、 一种彩色影像显示器装置，由权利要求5所述的同轴光源结构所 组成，其特征在于将同轴发光二极管光源结构，以在一基板或平板的同一 共同透明供电轴心上，直立重叠制作三层蓝绿红色的同轴发光二极管 (1701)，形成三色同轴共构方式，且分层各外环电极可分别控制发光量的同 轴可调色彩发光二极管，所排列组成的彩色影像显示器装置，其各水平行 或垂直列所有同轴彩色发光二极管的供电轴心的连接线(1702)作为寻址供 电垂直步进方向或水平步进方向扫描线；其各垂直列或水平行同色层外环 电极联线作为水平步进方向或垂直步进方向逐点寻址扫描供电。
14、 一种影像传感器装置，由权利要求8所述的同轴检光器结构所组 成，其特征在于将同轴检光二极管结构，以在一基板或平板的同一共同透 明供电轴心上，依各波长可射入深度次序直立重叠制作所定义的三层蓝绿 红色的同轴检光二极管(2201)，形成三色同轴共构方式，且分层各外环电极 可分别检出受光量的一种同轴可选色彩检光二极管结构，并依序排列组合 在同一平面上组成的彩色影像感测装置，其各水平行或垂直列所有同轴检 光器供电轴心的连接线(2202)作为寻址供电垂直向或水平向扫描结构，且其 的内容。
15、 一种固体照明装置，由权利要求5所述的同轴半导体光源结构所 组成，其组成发光可供照明的白光；或红外线光源；或彩色光源的发光二 极管，其特征在于将同轴半导体发光二极管结构在平面组合成固体照明装置结构。
16、 一种固体照明装置，由权利要求5所述的同轴半导体光源结构所 组成，其组成发光可供照明的白光；或红外线光源；或彩色光源的发光二 极管，其特征在于以同轴化结构增长成线形同轴发光二极管结构，组合成 同轴长线形固体照明装置结构。
17、 一种同轴半导体太阳电池结构，由权利要求8所述的同轴半导体 检光器结构所制成，，其特征在于将同轴半导体检光结构组合在一平面或基 板上，制作由形成同轴供受电的两内外导体(2401，2405)，其间隔以多层同的;并联发电装置，使其中持续i受太阳光子射至;环形半导体层所累;、 转变的电能，而形成正负同轴能够供电输出的两电极，达成圆环形半导体 空乏区直接吸收太阳光子能量，并在均匀半径向内建电场作用下，将受激 电子与电洞对分离的推动电流输出目的的太阳电池结构。
18、 一种同轴半导体太阳电池结构，由权利要求8所述的同轴半导体成线;同/由太阳电池结构:组合在i平面或曲面上，:;:形成同轴供受电的两内外管线状导体(2603,2607)，其间隔以多层同心圓管形半导体层 (2604,2605，2606)或导体层所组成的长线形同轴太阳电池受光结构的串并联 发电装置，使其中持续接受太阳光子射至圆管形半导体层(2604，2605，2606) 所累积转变的电能，而形成正负同轴能够供电输出的两电极(2610,2611)，达 成圓管形半导体空乏区直接吸收太阳光子能量，并在均匀半径向内建电场 作用下，将受激电子与电洞对分离的推动电流输出目的的长线形太阳电池 结构。
全文摘要
本发明同轴光导系统的同轴光导光纤是以折射率分布在半径所制成；异于习知以折射率分布在直径的光纤。构成同轴的圆外壳和轴心部折射率相同，导光依据的折射率分布其中心已从轴心移到光纤所有半径上；光改在轴心和其同轴的圆外壳间传导。此新定位不但避免习知光纤制造后折射率分布中心凹陷问题，且依本发明所制同轴单模光纤的光通量比习知单模光纤大，而增加通信距离。配合此新定位所发明以同轴供电的内外导体，其间隔以多层圆环形半导体构成的同轴光源和检光器，不但解决侧射型椭圆光源射入圆核心的耗能问题，且使同轴的光纤、光源及检光器可一体共构组成完美光电匹配的同轴光导系统。
文档编号H04B10/12GK101393302SQ20071015466
公开日2009年3月25日 申请日期2007年9月20日 优先权日2007年9月20日
发明者杨春足 申请人:杨春足