專利名稱：光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件的領(lǐng)域，特別是涉及可調(diào)的光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
大范圍可調(diào)激光器是密集波分調(diào)制(DWDM)光通信系統(tǒng)和波長路由光學(xué)系統(tǒng)中的重要單元。單塊激光器光源當(dāng)前的存在形式是多區(qū)分布的布拉格反射器(DBR)激光器。例如，由位于英國Towcester的Marconi Caswell有限公司提供了具有大于50nm調(diào)節(jié)范圍的4區(qū)采樣光柵注入調(diào)節(jié)DBR激光器(DC9806D)。然而，可以從這種單塊可調(diào)源得到的功率輸出低于固定波長設(shè)備。而且，對這些設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)需要基于所存儲(chǔ)的標(biāo)定數(shù)據(jù)的復(fù)雜控制算法，這可能會(huì)隨著激光器的老化而變得不準(zhǔn)確。
一種替換方案由外腔式激光器給出，該外腔式激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)輸出功率更高；控制信號與發(fā)射波長之間的關(guān)系更簡單；在調(diào)節(jié)期間的模態(tài)噪聲更?。粚匣拿舾卸雀?。基于熱調(diào)節(jié)外部光纖布拉格光柵的外腔允許優(yōu)秀的頻率選擇性，但調(diào)節(jié)范圍有限；機(jī)械調(diào)節(jié)的色散光柵提供較低的選擇性，但調(diào)節(jié)范圍較寬?，F(xiàn)在可以得到配備了色散光柵的外腔式激光器二極管。
與傳統(tǒng)光柵可調(diào)染料激光器一樣，光柵可調(diào)二極管激光器的最通常的幾何結(jié)構(gòu)是Littrow(見Wyatt R.和Devlin W.J.的“10kHzlinewidth 1.5μm InGaAsP external cavity laser with 55nmtuning range(具有55nm調(diào)節(jié)范圍的10kHz線寬1.5μm的InGaAsP外腔)”Elect.Lett 19，110-112(1983)和Littman(見Littman M.G.和Metcalf H.J.的“Spectrally narrow pulsed dye laser withouta beam expander(不具有光束擴(kuò)展器的光譜窄脈沖染料激光器)”Appl.Opt.17，2224-2227(1978--Liu K.C.和Littman M.G.的“Novelgeometry for single mode scanning of a tunable laser(可調(diào)激光器的單模掃描的新型幾何結(jié)構(gòu))”O(jiān)pt.Lett.6，117-118(1981)的空腔配置。
用戶面臨的關(guān)于這些空腔的主要問題是要確保1)無模跳躍的調(diào)節(jié)，2)熱和機(jī)械的穩(wěn)定性，3)高波長選擇性，以及4)大范圍調(diào)節(jié)。模跳躍的產(chǎn)生原因是因?yàn)榭涨恢С蛛x散集的縱模，這些縱模對應(yīng)于離散集的光波長。為了確保相同的模始終被光柵選擇，必須在調(diào)節(jié)期間改變空腔的長度。單獨(dú)的調(diào)節(jié)方案使用了壓電和發(fā)動(dòng)機(jī)平移、相位片和激光器中的相位調(diào)制器部分來改變外觀上的空腔長度。
然而，可以通過使用認(rèn)真選擇的單發(fā)動(dòng)機(jī)(已知為“同步調(diào)節(jié)”)來獲得相同的效果。這包含使調(diào)節(jié)單元(光柵或鏡子)繞其中心之外的一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，并且已經(jīng)找出了最佳旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，用于Littrow(FavreF.和Le Guen D.的“Process of adjustment of a continuouslytunable light source(連續(xù)可調(diào)光源的調(diào)整處理)”美國專利5 347527，9月(1994)和Littman(Radians“INTUN 1530 ContinuousTunable External Cavity Laser(INTUN 1530連續(xù)可調(diào)外腔式激光器)”產(chǎn)品公告)空腔。
多數(shù)商業(yè)上可得的可調(diào)外腔式激光器二極管系統(tǒng)是由低膨脹系數(shù)的金屬模擬板上的分立元件構(gòu)成的。在最通常的情況中，調(diào)節(jié)是通過發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)或壓電激勵(lì)來執(zhí)行的。盡管它們的光學(xué)性能很好，但這些系統(tǒng)極其昂貴，總體封裝尺寸較大(很多cm)，并且對于通信中的應(yīng)用來說調(diào)節(jié)速度過慢?？捎玫南到y(tǒng)因此通常被限于測試功能。所證實(shí)的最小的系統(tǒng)包含小型化的封裝，該封裝中包含固定的或可調(diào)的Littrow空腔。
小型化和集成是具有吸引力的，因?yàn)樗鼈兛梢越档统叽绾统杀?，并增加機(jī)械和溫度的穩(wěn)定性、縱模的間隔以及同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的速度和精確度。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)的激光器可包含DWDM系統(tǒng)中的有價(jià)值的節(jié)約功能，或作為基于波長調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)中的靈活源。
微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是指通過使用硅(或類似的)處理技術(shù)制成的小型機(jī)電設(shè)備。MEMS設(shè)備可以用很多種材料制成，這些材料包含半導(dǎo)體(硅、鍺、砷化鎵、磷化銦)、鉆石和金屬。MEMS技術(shù)是合適的集成路徑，但至今為止，它對可調(diào)激光器的影響還很小?；旌系腗EMS可調(diào)外腔式激光器已被證實(shí)包含小型的鍍鎳鏡，該鍍鎳鏡的位置接近于二極管激光器的AR激光器面，而非炫耀反射光柵。因此，該外腔是Fabry-Perot型的外腔。該系統(tǒng)顯示出不佳的調(diào)節(jié)特性(Uenishi Y.、Tsugai M.和Mehregany M.的“Hybrid-integrated laser diodemicro-external mirror fabricated by(110)siliconmicromachining(通過(110)硅顯微機(jī)械加工制成的混合集成的激光器二極管微型外部鏡)”Elect.Lett 31，965-966(1995)，UenishiY.、Honma K.和Nagaoka S.的“Tunable laser diode using a nickelmicromachined external mirror(使用鎳顯微機(jī)械加工外部鏡的可調(diào)激光器二極管)”Elect.Lett 32，1207-1208(1996)。
垂直空腔半導(dǎo)體激光器(VCSEL)是一種替換形式的激光器，它垂直于晶片平面(而不是像傳統(tǒng)激光器二極管一樣從切開的邊緣面)發(fā)射光線。可以通過使用多層堆積和蝕刻來在晶片表面形成可機(jī)械移動(dòng)的鏡子。這可以與VCSEL組合以形成可調(diào)激光器，但它也具有外部Fabry-Perot空腔。
VCSEL方案的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用自對準(zhǔn)外腔來構(gòu)建體積極小的、單塊集成的激光器。調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)定性因此可能較高，而且空腔自動(dòng)設(shè)置以發(fā)射激光。測試也可以在晶片上執(zhí)行。主要的缺點(diǎn)是需要全新的激光器結(jié)構(gòu)，而且輸出功率可能較低，這是由于降低的有效容積所造成的。調(diào)節(jié)特性也可能被復(fù)雜化，因?yàn)樾枰O(shè)計(jì)等效于前面所討論的最佳旋轉(zhuǎn)中心的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
因此，對于混合可調(diào)激光器存在一種情況，該混合可調(diào)激光器包含基于現(xiàn)有的條紋(stripe)發(fā)射二極管的增益塊(即光學(xué)放大器)，但使用用于可調(diào)外腔的MEMS技術(shù)。直到最近，也沒有可用的處理過程能制造這種激光器中所需的高質(zhì)量元件。例如，多數(shù)微型設(shè)計(jì)的設(shè)備是通過使用多晶硅表面的顯微機(jī)械加工構(gòu)建的。這種制造技術(shù)的確允許旋轉(zhuǎn)中心軸承的建立，但使用較薄的堆積的多晶硅層的結(jié)果是得到機(jī)械屬性不佳的較弱元件，而且對于光刻法清除的需求會(huì)造成軸承的不穩(wěn)定性以及溢出(Fan L.S.、Tai Y.-C.和Muller R.S.的“Integrated Movable micromechanical structures for sensorsand actuators(用于感應(yīng)器和激勵(lì)器的集成的、可移動(dòng)的微型機(jī)械結(jié)構(gòu))”IEEE Trans.Electron Devices 35，724-730(1988)，MehreganyM.、Gabriel K.J.和Trimmer W.S.N.的“Integrated fabricationof polysilicon mechanisms(多晶硅機(jī)構(gòu)的集成制造)”IEEETrans.Electron Devidcees 35，719-723(1988)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可調(diào)光學(xué)共振器，該可調(diào)光學(xué)共振器包含一個(gè)空腔，在一個(gè)軸中，該空腔在一端上由反射器限定，在相對的一端上由反射光柵限定；其中反射光柵被固定到一個(gè)柔性支承，該光學(xué)共振器還包含這樣一種裝置，該裝置通過彎曲該柔性支承而使光柵圍繞選定點(diǎn)的模擬旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整該空腔沿該軸的長度。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明提供了包含可調(diào)光學(xué)共振器的一種可調(diào)激光器光源。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明提供包含可調(diào)光學(xué)共振器的一種可調(diào)濾光器。


下面參照附圖通過示例的方法描述本發(fā)明，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的Littrow空腔的主要單元的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的Littman空腔的主要單元的示意圖；圖3顯示了適用于本發(fā)明的示例性的MEMS懸掛機(jī)械部分；圖4顯示了按照本發(fā)明的MEMS Littrow空腔的布局；圖5和6分別解釋了懸臂和門式框架結(jié)構(gòu)的原理；圖7顯示了適用于本發(fā)明的梳狀驅(qū)動(dòng)靜電微型激勵(lì)器；圖8顯示了將梳狀驅(qū)動(dòng)靜電激勵(lì)器安裝到按照本發(fā)明的懸掛彎曲上；圖9顯示了按照本發(fā)明的MEMS可調(diào)激光器系統(tǒng)的一個(gè)動(dòng)態(tài)模型。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的可調(diào)光學(xué)共振器進(jìn)行描述，其中參照了該可調(diào)光學(xué)共振器在可調(diào)激光器中的應(yīng)用。
同步調(diào)節(jié)的Littrow空腔的原理如圖1所示的Littrow空腔使用了通過光柵的單通路，旋轉(zhuǎn)該通路來對波長進(jìn)行調(diào)整。該空腔包含具有一個(gè)高反射涂覆端面(10)和一個(gè)非反射涂覆面(20)的光學(xué)放大器(OA)、一個(gè)非反射涂覆的透鏡(LE)和一個(gè)高反射性炫耀反射光柵(G)，但也可以使用諸如標(biāo)準(zhǔn)具、柱面透鏡和棱鏡(未顯示)的其它元件來改善光學(xué)性能，如下面所述的。
如圖2所示的Littman空腔使用通過光柵(G)的雙通路，并需要一個(gè)外部的鏡子(M)，旋轉(zhuǎn)該外部鏡子可用于調(diào)節(jié)。在這種幾何結(jié)構(gòu)中可增強(qiáng)光譜純度，因?yàn)樵诿總€(gè)往返中會(huì)遇到光柵的兩次過濾作用。
在Littrow幾何結(jié)構(gòu)中，在波長λ處滿足縱向共振，對于該波長λλ＝2Lc/m (1)其中Lc是有效的空腔長度(即，空腔的所有部分的光學(xué)長度，包含激光器、透鏡和空氣傳播距離)，m是模數(shù)。
現(xiàn)在，從設(shè)置為角度θ的、周期為Λ的炫耀光柵到接近的橫梁的第n階回射發(fā)生在這樣的波長上λ＝{2Λ/n}sin(θ)(2)為了使共振與光柵反射性中的峰值匹配，應(yīng)該在最初將空腔長度調(diào)整為同時(shí)滿足等式(1)和(2)，此時(shí)Lc＝{mΛ/n}sin(θ)(3)在將光柵旋轉(zhuǎn)角度dθ以調(diào)節(jié)波長的時(shí)候，為了維持這個(gè)條件，必須將空腔長度改變相應(yīng)的長度dLc，以使得dLc/dθ＝{mΛ/n}cos(θ)＝Lc/tan(θ) (4)對于第一階，這可以通過以下方法獲得將光柵安裝在沿光柵切向延伸的半徑臂上，如圖1所示，并選擇半徑R為R＝Lc/sin(θ) (5)這種構(gòu)造代表用于同步調(diào)節(jié)的最佳光柵安裝。需要注意，等式5的結(jié)果獨(dú)立于模數(shù)m和光柵階數(shù)n，因此最佳旋轉(zhuǎn)中心的半徑是唯一的。
對準(zhǔn)激光器空腔以便發(fā)射激光的處理過程本身是較為復(fù)雜的。一種方法包含這樣一種激光器(通常還有其它元件)，該激光器被安裝在彎曲的懸掛物上，允許對線和角進(jìn)行逐漸地、精確地調(diào)整。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射之后，可通過點(diǎn)焊將彎曲固定在一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 可調(diào)激光器二極管系統(tǒng)的小型化按照本發(fā)明的設(shè)備基于一個(gè)深蝕刻(即，至少10微米深)的硅微型設(shè)計(jì)的模擬板，該模擬板提供用于激光器二極管和漸變折射率(GRIN)透鏡的對準(zhǔn)特征部件，并在彎曲懸掛物上攜帶電子調(diào)節(jié)的炫耀光柵以形成Littrow空腔。深蝕刻被描述于Laermer F.和Schilp A.的“Method of anisotropically etching silicon(各向異性地蝕刻硅的方法)”美國專利5 501 893，3月26日(1996)和Gormley C.、Yallup K.、Nevin W.A.、Bhardwaj J.、Ashraf H.、Hugget P.和Blackstone S.的“State of the art deep silicon anisotropicetching on SOI bonded substrates for dielectric isolation andMEMS applications(在用于電介質(zhì)隔離法和MEMS應(yīng)用的SOI結(jié)合基底上的技術(shù)深硅各向異性蝕刻的狀態(tài))”關(guān)于半導(dǎo)體晶片結(jié)合的第五屆國際研討會(huì)，電子化學(xué)學(xué)會(huì)秋季會(huì)議，夏威夷，美國，10月17-22日(1999)。使用深蝕刻和結(jié)合的硅絕緣體(BSOI)來形成該結(jié)構(gòu)可得到較高的機(jī)械質(zhì)量，而使用彎曲支架則可消除對旋轉(zhuǎn)中心軸承的需要。
將安裝支架設(shè)計(jì)成能夠最初進(jìn)行被動(dòng)調(diào)整，之后進(jìn)行動(dòng)態(tài)波長調(diào)節(jié)。光柵是深蝕刻結(jié)構(gòu)，它被設(shè)置為垂直于晶片平面，并被安裝在新型的彈性彎曲懸掛物上，該彈性彎曲懸掛物模仿優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)中心的作用以允許大范圍的、無模跳躍的調(diào)節(jié)。光柵旋轉(zhuǎn)和軸向模同步化的電力控制是通過靜電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，但也可使用其它的激勵(lì)方法。
與傳統(tǒng)光柵調(diào)節(jié)的外腔式激光器二極管相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的小型化將允許更高的調(diào)節(jié)速度，并改善機(jī)械和熱穩(wěn)定性，大批量生產(chǎn)技術(shù)的使用將使成本降低。使用現(xiàn)有的條紋發(fā)射二極管將允許把輸出功率維持在與固定波長設(shè)備相似的電平上，典型地，這些電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前可從VCSEL獲得的電平。
MEMS可調(diào)激光器二極管的構(gòu)造方案示例一種示例性的MEMS可調(diào)激光器系統(tǒng)是基于一種激光器二極管的，該激光器二極管被混合安裝在一種硅模擬板上，該硅模擬板是通過對其上結(jié)合的硅絕緣體(BSOI)進(jìn)行深反應(yīng)離子蝕刻而形成的。這種方法允許在單晶硅中制出厚的、不產(chǎn)生張力的懸掛機(jī)械部分。例如，高級硅蝕刻(ASE-Analog Devices(貝爾法斯特)的商標(biāo))，處理過程可以以每分鐘約3μm的速率將硅蝕刻到大于350μm的深度，以便使深結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟(jì)的。同樣地，90°±25°的側(cè)面角、大于0.99的各向異性和40∶1的特征方面在此基礎(chǔ)上是可能的，這允許生產(chǎn)出高質(zhì)量的部件。
使用這種方法，可以制造圖3所示的普通形式的懸掛機(jī)械部分。這里，通過深反應(yīng)離子蝕刻將長度為L、寬度為w的橫梁蝕刻到BSOI晶片的結(jié)合層(本身厚度為d)中。通過使用(例如)濕酸蝕刻(諸如緩沖的氫氟酸)來蝕刻犧牲的氧化物夾層，從而從相對窄的橫梁下面去除氧化物底層。通過適當(dāng)?shù)剡x擇尺寸和仔細(xì)地對蝕刻進(jìn)行定時(shí)，就可以對橫梁進(jìn)行完整地底切，這樣，它就可以在晶片的平面內(nèi)彎曲，同時(shí)保持在左手端由相對更大的島支持。
通過組合這種性質(zhì)的制造技術(shù)，可以制造更復(fù)雜的微型光機(jī)電系統(tǒng)。圖4顯示了按照優(yōu)選實(shí)施例的MEMS Littrow空腔的布局。其尺寸可能約為5mm×6mm比傳統(tǒng)系統(tǒng)的線尺寸大約小10倍。該基底被各向異性地進(jìn)行蝕刻，以便在形成a≈2μm厚熱氧化物層和附帶a≈400μm厚結(jié)合硅層之前，形成埋入的對準(zhǔn)V凹槽以用于a≈1mm直徑1∶4高跨比GRIN透鏡。
機(jī)械部分和光柵被形成于結(jié)合層中。兩個(gè)深干燥蝕刻的水平面限定了該設(shè)備第一個(gè)從右邊通過結(jié)合層，并畫出所有的精密特征部件(光柵、彎曲、靜電驅(qū)動(dòng))的輪廓，而第二個(gè)只通過一半，并形成一個(gè)平臺(tái)以便使激光器大致安裝在光軸上。使用兩個(gè)掩模(抗蝕劑和氧化物)將所有的特征部件蝕刻在一起，掩膜之一被通過蝕刻剝?nèi)?即去除)一半。然后去除犧牲氧化物。得到的結(jié)構(gòu)被金屬化以便增加光柵反射性并允許電連接，然后為激光器模具堆積焊塊。
激光器和透鏡支架必須能夠進(jìn)行一次設(shè)置調(diào)整，以便補(bǔ)償模具結(jié)合誤差和透鏡直徑(OD)和中心同心度誤差。該激光器因此被安裝在雙軸彎曲上，同時(shí)透鏡對準(zhǔn)凹槽提供自由度的第三級。系統(tǒng)的集合包含將硅模擬板安裝在反饋控制的熱電冷卻器上，以保證空腔的溫度穩(wěn)定性；將激光器模具焊在適當(dāng)?shù)奈恢靡苑纻浯植诘摹⒈粍?dòng)對準(zhǔn)停止(alignment stop)；以及引線接合。
空腔的對準(zhǔn)是通過使用外部微型操縱器，用于使GRIN透鏡沿V-凹槽滑動(dòng)以達(dá)到瞄準(zhǔn)(最不關(guān)鍵的操作)；靜電激勵(lì)，用于彎曲激光器的支承懸臂并更正位置上的誤差(最關(guān)鍵)。橫向調(diào)整是通過靜電梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的，垂直調(diào)整是通過平行板驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的。通過使用掃描Fabry-Perot光譜分析器來監(jiān)視激光器的輸出，直到實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射。然后將透鏡和激光器支撐固定在適合的位置。
制造在λ≈1.5μm、θ≈45°處反射的第一階光柵需要0.75μm的特征部件。雖然使用第二階衍射將使光柵的光譜選擇性減半，但第二階光柵的1.5μm特征部件在直接電子束光刻法的范圍之內(nèi)，而且可通過使用現(xiàn)有的深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)來將得到的圖案轉(zhuǎn)移到結(jié)合的硅材料上。
用于對MEMS可調(diào)二極管進(jìn)行同步調(diào)節(jié)的彎曲支架用于光柵的彎曲支架具有下列屬性，以便進(jìn)行無模跳躍的調(diào)節(jié)1)一個(gè)主要的端位移，該端位移模擬圍繞優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)，和2)一個(gè)次要的線運(yùn)動(dòng)，該線運(yùn)動(dòng)允許在不改變光柵定向的條件下調(diào)整空腔長度。如果我們考慮如圖5所示的簡單懸臂，那么由點(diǎn)負(fù)載F造成的線和角的偏移Δ和θ為Δ＝F/kL，θ＝F/kA (6)其中kL和kA是線和角的剛度，由下面等式給出kL＝3EI/L3，kA＝2EI/L2(7)其中E是楊氏模量，I是面積的二階矩。對于圖3所示類型的矩形橫梁，I＝dw3/12。
根據(jù)等式6和7，線和角偏移之間的關(guān)系是Δ＝2θL/3 (8)然而，對于模擬圍繞固定點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)的端偏移，我們要求Δ＝θL (9)在等式8和9不同的前提下，旋轉(zhuǎn)中心不能被正確地固定。因此上面的要求1)不能被圖5的簡單懸臂滿足。
本發(fā)明有利地提供一種復(fù)合式彎曲，它允許對線和角位移進(jìn)行分別調(diào)整，以便使上面的條件1)和2)被滿足。圖6顯示了包含連到長度為L1的門式框架的長度為L2的懸臂的復(fù)合式彎曲。這里，線和角的端位移Δ和θ2為Δ＝Δ1+Δ2＝F{1/k1L+1/k2L}，θ2＝F{1/k2A}其中門式框架的線剛度k1L、懸臂的線和角的剛度k2L和k2A由下面的等式給出k1L＝24EI1/L13，k2L＝3EI2/L23，k2A＝2EI2/L22(11)其中I1和I2分別是門和懸臂彎曲的二階矩。
對于模擬旋轉(zhuǎn)的端位移，我們要求Δ＝θ2{L1+L2} (12)等式12可以通過認(rèn)真選擇比率α＝L1/L2來滿足。在I1＝I2的特殊情況中(即，對于寬度和深度各處相等的橫梁)，α是下面三次方程的解α3-12α-4＝0 (13)可以找到數(shù)字上的解α＝3.62。
由于這個(gè)尺寸比可以容易地從實(shí)踐中得到，所以我們可以推出尺寸為L1＝3.62L2的復(fù)合式彎曲可以因此提供一個(gè)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)，該調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)等效于Littrow空腔幾何結(jié)構(gòu)的最佳旋轉(zhuǎn)中心的調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。
通過使用梳狀驅(qū)動(dòng)靜電微型激勵(lì)器，可以方便地將調(diào)節(jié)所需的點(diǎn)負(fù)載F加到懸臂，如圖7中所示[103]。該設(shè)備本質(zhì)上是一個(gè)可變電容器，它的一半是固定的，另一半是移動(dòng)的，其上攜帶互鎖的指狀電極。假設(shè)有N個(gè)內(nèi)部指狀電極和N+1個(gè)外部電極，它們之中每一個(gè)的深度均為d，并由間隙g分開，當(dāng)指狀物重疊長度X時(shí)，可以從平行板電容器近似等式得出該結(jié)構(gòu)的總電容CC＝ε02NXd/g (14)其中ε0是自由空間的介電常數(shù)。
當(dāng)電容器被充電到電位V時(shí)，可以簡單地示出在該結(jié)構(gòu)的兩半之間存在吸引力，該吸引力取決于電容與位置的導(dǎo)數(shù)，形式為F＝1/2dC/dXV2(15)由于重疊長度X與x線性相關(guān)，所以可得出該力為F＝(ε0Nd/g)V2(16)因此，可通過將梳狀驅(qū)動(dòng)靜電激勵(lì)器的移動(dòng)的一半安裝在懸掛彎曲上(如圖8所示)來執(zhí)行對MEMS可調(diào)激光器的調(diào)節(jié)，以便等式16給出的力產(chǎn)生作用而使懸掛偏移。該偏移將與外加的力線性相關(guān)。由于等式16中的平方項(xiàng)，該偏移不會(huì)隨外加的電壓線性變化，但是，存在一種替換的電極幾何結(jié)構(gòu)，該幾何結(jié)構(gòu)包含一個(gè)線性的力-電壓關(guān)系。
更重要的是，如圖8所示地使用第二梳狀驅(qū)動(dòng)靜電激勵(lì)器來向門式框架外加另一個(gè)點(diǎn)負(fù)載允許對光柵的線位置進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，而不影響其角定向。此第二調(diào)節(jié)單元因此允許對空腔進(jìn)行軸向調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償在將空腔軸向模與光柵反射性峰值對準(zhǔn)時(shí)造成的初始設(shè)置誤差。
示例設(shè)計(jì)參數(shù)我們可估計(jì)一些典型的示例設(shè)計(jì)參數(shù)，如下所示，其中假設(shè)彈性懸掛被制成在攜帶100μm厚結(jié)合層的硅絕緣體晶片中，恒定的橫梁寬度為10μm。
在這種情況中，橫梁寬度和深度為w＝10μm，d＝100μm，面積的二階矩為I＝(100×103)×10-24/12＝8.333×10-21m-4，對于硅的楊氏模量為E＝1.08×1011N/m2。
我們可以假設(shè)下面任意(但是典型的)長度以用于懸掛部件，即L1＝3.62mm，L2＝1mm。在這種情況下，光柵旋轉(zhuǎn)中心臂的有效半徑R為R＝L1+L2＝4.62mm，空腔長度為Lc＝3.27mm。
使用這些參數(shù)，就可以從等式11中獲得線剛度參數(shù)k1L和k2L，為K1L＝24×1.08×1011×8.333×10-21/(3.62×10-3)3＝0.45N/m，K2L＝3×1.08×1011×8.333×10-21/(1×10-3)3＝2.7N/m (17)可以通過使用對于串聯(lián)彈性彈簧的傳統(tǒng)關(guān)系式得出復(fù)合式懸掛系統(tǒng)的總體線性剛度kL，即I/kL＝1/k1L+1/k2L＝2.6m/N，使得kL＝0.385N/m(18)調(diào)節(jié)包含光柵的很小的旋轉(zhuǎn)。對等式2求導(dǎo)，我們得到dθ＝tan(θ)dλ/λ (19)對于工作于λ＝1.5μm波長、光柵角被設(shè)為θ≈45°的激光器，Δλ＝±25nm的調(diào)節(jié)范圍要求光柵旋轉(zhuǎn)通過Δλmax＝±0.95 °的角度范圍。
通過這個(gè)小角度的旋轉(zhuǎn)要求光柵的線切向運(yùn)動(dòng)Δmax＝±RΔθmax＝4.62×10-3×0.95×π/180≈80×10-6m，或80μm (20)為了通過靜電激勵(lì)獲得這個(gè)運(yùn)動(dòng)，要求該力為F＝kLΔmax＝80×10-6/2.6≈30×10-6N，或30μN(yùn) (21)然后可以通過比較等式16和21來獲得最大驅(qū)動(dòng)電壓(ε0Nd/g)Vmax2＝F＝kLΔmax(22)使得最大電壓為Vmax＝√{kLΔmaxg/ε0Nd}(23)如果考慮靜電激勵(lì)器包含(假定)寬度為6μm的指狀物陣列，其中指狀物由g＝4μm的間隙分開，那么在總長度為(假定)1mm的激勵(lì)器中可包含N＝50個(gè)指狀物對。最大電壓則為
Vmax＝√{30×10-6×4×10-6/8.85×10-12×50×100×10-6}≈50V (24)在這種設(shè)計(jì)中還有對驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行改變的余地，所述的改變是通過以下方式實(shí)施的(1)減小電極間隙，或(2)通過增加電極數(shù)量，或(3)通過降低懸掛剛度。
我們可如下估計(jì)光柵和調(diào)節(jié)激勵(lì)器的質(zhì)量。上面的計(jì)算建議了一種具有1mm跨度的梳狀電極。在這個(gè)跨度上支持光柵和移動(dòng)指狀電極的橫梁可具有1mm×50μm的典型尺寸。如果光柵的最大平移為80μm左右，那么梳狀指狀物的長度必須近似為100μm。假設(shè)有50個(gè)電極，每個(gè)電極寬度為6μm(如上)，并假設(shè)結(jié)構(gòu)深度為100μm，對于硅的密度為2330kg/m3，那么近似的總移動(dòng)質(zhì)量為m＝{(10-3×50×10-6)+(50×100×10-6×6×10-6)}×10-4×2330＝1.864×10-8kg (25)對于質(zhì)量彈簧共振，共振頻率ω由下式給出ω＝√(kL/m)＝√(0.385/1.864×10-8)＝4544rad/s，或725Hz(26)調(diào)節(jié)時(shí)間因此可能超過2ms。這意味著調(diào)節(jié)的速率可能大幅超過傳統(tǒng)的外腔式激光器。
在圖9中顯示出該支架實(shí)際具有三級自由度，因?yàn)樗行У匕粋€(gè)安裝在耦合到另一個(gè)質(zhì)量塊m2(光柵及其激勵(lì)器)的線彈簧(軸向調(diào)節(jié)激勵(lì)器)上的質(zhì)量塊m1，該質(zhì)量塊m2還具有慣量J2，并被安裝在具有線和角剛度的彈簧上。因此，可預(yù)測三個(gè)特性模。然而，可以根據(jù)最低階模的頻率來獲得合適的動(dòng)態(tài)行為。
本發(fā)明的可調(diào)共振器的選擇性質(zhì)還可應(yīng)用于可調(diào)濾光器中，有利地提供無模跳躍的調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)光學(xué)共振器，該可調(diào)光學(xué)共振器包含一個(gè)空腔，在一個(gè)軸中，該空腔在一端上由反射器限定，在相對的一端上由反射光柵限定；其中反射光柵被固定到一個(gè)柔性支承，該光學(xué)共振器還包含通過彎曲該支承使光柵圍繞選定點(diǎn)的模擬旋轉(zhuǎn)從而調(diào)整該空腔沿該軸的長度的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)共振器，包含用于彎曲柔性支承以便以單個(gè)運(yùn)動(dòng)的方式使光柵旋轉(zhuǎn)和平移的裝置。
3.根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的可調(diào)光學(xué)共振器，其中柔性支承是以半導(dǎo)體材料實(shí)施的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可調(diào)光學(xué)共振器，其中柔性支承是通過對半導(dǎo)體材料進(jìn)行深蝕刻而制成的。
5.根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的可調(diào)光學(xué)共振器，其中反射光柵包含炫耀光柵。
6.根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的可調(diào)光學(xué)共振器，其中柔性支承包含與懸臂組合在一起的門式框架。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可調(diào)光學(xué)共振器，其中門式框架包含一個(gè)固定端和一個(gè)自由端，其中懸臂由自由端支持。
8.根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的可調(diào)光學(xué)共振器，其中反射光柵的移動(dòng)提供無模跳躍的調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的可調(diào)光學(xué)共振器，包含用于徑向調(diào)整光柵位置的第一調(diào)整裝置，還包含用于獨(dú)立軸向調(diào)整光柵位置的第二調(diào)整裝置。
10.一種可調(diào)激光器光源，該可調(diào)激光器光源包含根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的可調(diào)光學(xué)共振器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的可調(diào)激光器光源，其中反射器被包含在光學(xué)放大器中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10和11中任一項(xiàng)所述的可調(diào)激光器光源，包含條紋發(fā)射二極管。
13.一種可調(diào)濾光器，該可調(diào)濾光器包含根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的可調(diào)光學(xué)共振器。
14.一種光通信系統(tǒng)，該光通信系統(tǒng)包含前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的可調(diào)光學(xué)共振器。
全文摘要
一種可調(diào)光學(xué)共振器，該光學(xué)共振器被用作包含一個(gè)空腔的濾光器或可調(diào)激光器，其中該空腔由反射光柵和反射器來限定，其中反射光柵被固定于一個(gè)柔性支承，該共振器還包含用于彎曲該柔性支承以使光柵模擬圍繞選定點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)的裝置。如上所述的一種微型機(jī)械可調(diào)共振器提供無模跳躍的調(diào)節(jié)。
文檔編號H01S5/14GK1502153SQ02807044
公開日2004年6月2日 申請日期2002年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月25日
發(fā)明者R·R·A·賽姆斯, R R A 賽姆斯 申請人:馬科尼英國知識(shí)產(chǎn)權(quán)有限公司