CN100345015C - 一类基于微机电系统技术的可调光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及可调衰减器、光学开关以及可调滤波器。在本发明中，光学开关、可调衰减器和可调滤波器中的核心元件都采用微机电系统技术中的表面微机械结构，由薄膜和薄膜之间的腔组成。光学上都为多腔法不里-珀罗干涉仪形式。每个膜都是由相互交替的高折射率介质层和低折射率介质层组成的多层介质膜。每个介质膜的介质层数有一定的相互关系，以保证器件有很好的光学特性。由於采用微机电系统技术，这些器件可以大批量生产，并且装配简单。并且由于采用静电驱动，这些器件的功耗非常低。

Description

一类基于微机电系统技术的可调光学器件

一、技术领域：

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及可调衰减器、光学开关以及可调滤波器。

二、技术背景：

DWDM(高密度波分复用)技术极大地扩展了光纤网络的传输能力。用这种技术可以用一根光纤在1530纳米至1570纳米的内传输几十个信道，每个信道对应于一个波长。随着光纤通讯的发展，光纤网络的结构变得越来越复杂。为了使光纤网络能够正常和有秩序的工作，网络应是能灵活管理和可扩展的。这些特性依赖于可调光学器件的应用，比如光学开关、可调衰减器以及可调滤波器。

光学开关用于光学信道的路由选择，或者说控制光信号的传输方向。可调衰减器用于调整各信道的光强以便网络能够正常的工作。可调滤波器用于在众多的信道中选择一个特定信道(波长)进行光信号的上载或下载，系统得以动态地控制网络。可调滤波器也可以用于监测光纤中各信道的工作状态。在光纤网络系统中这些器件是基本的，它们将得到广泛的应用。

这些可调光学器件应该具有以下特性：体积小，功耗小，可靠性高，调节速度快以及插入损耗小。到现在为止，光学开关、可调衰减器和可调滤波器可以用以下一些原理来制造，如机械移动、磁光特性、电光特性、声光特性以及热效应。这些方法来制造可调光学器件都有一些缺点。用磁光原理制造的器件功耗大，器件很难做的很小。对于用电光原理制造的器件，其所需的电压一般是很高的。而用声光原理制造的器件虽然响应速度快，但插入损耗大、旁模作用明显且偏振状态敏感。对于用热效应制造的器件，其可调节范围小并且响应速度慢。对于用机械原理制造的器件可以分成几类。一些器件用马达带动光学器件的移动，而一些用压电陶瓷来做运动部件。这些器件都需要大量的装配工作。近年来MEMS(微型电子机械系统)技术已用于光学器件的制造。这种技术可以用现有的半导体技术来批量制造光学器件。对于光学开关和可调衰减器，可以用静电力和磁力来移动尺寸微小的镜子来实现光学功能，但是这种结构的机械稳定性不好，制造工艺较复杂。

一般用衍射和干涉的方法来制造可调滤波器。衍射光栅作为核心器件已用于可调滤波器，但它难以用MEMS技术制造并且驱动装置也较复杂。而用传统的法不里-珀罗腔来制造干涉器件对波长的歧视很大，因此难于应用于光学开关和可调衰减器。法不里-珀罗腔广泛的应用于滤波器，并且可以有很高的分辨率。但这种腔的共振频率很窄，应用于信道的选择是比较困难的。这是因为每个信道由于被调制都有一定的带宽，用这种装置来选频时，有些信息要被过滤掉，这样就增加了误码率。当用于DWDM时，信道的间窄，可调滤波器需要有更窄的带宽以便在密集分布的信道中进行选择。而这样就会给被选择的信道引入更大的误码率。

多腔形式的法不里-珀罗干涉仪可以解决上面提到的误码率和选频的矛盾。但是如果用宏观物体来制造多腔形式的法不里-珀罗干涉仪是很困难的，因为腔与腔之间要保证非常精确的关系。美国专利6,424,466公布了一个涉及MEMS的多腔法不里-珀罗干涉仪形式的可调滤波器，但其主要内容是一种装配过程。

三、发明内容：

本发明描述一类基于MEMS制造技术的可调光学器件，如光学开关、可调衰减器以及可调滤波器的结构设计和制造过程。和已有的上面已经提及的可调光学器件相比，本发明中的光学可调器件有以下许多优点：第一，这些器件可以大批量生产，并且装配简单。第二，由于采用静电驱动，这些器件的功耗非常低。第三，这些器件的体积很小。第四，这些器件具有很好的机械稳定性。第五，用本发明所制造的可调滤波器具有平顶的滤波特性，可以解决DWDM中选择信道和误码率的问题。第六，用本发明所制造的光学开关和可调衰减器具有很小的WDL(和波长相关的损耗)。

在本发明中，光学开关、可调衰减器和可调滤波器中的核心元件都采用MEMS技术中的表面微机械结构(surface micromachining)，由薄膜和薄膜之间的腔组成。光学上都为多腔法不里-珀罗干涉仪形式。这些可调光学器件在膜的结构上是相似的。每个膜都是由相互交替的高折射率介质层和低折射率介质层组成的多层介质膜。并且对于每个膜来说，高折射率介质层和低折射率介质层的总数目是奇数。为了增加反射率，每个膜的第一层是高折射率介质层。而由于总的层数是奇数，所以每个膜的最后一层也是高折射介质层。每个膜由奇数层组成的另外一个好处是对于中间介质层来说其两边层数和组成是一致的，因此可以保证应力的平衡。

在本发明中，高折射率介质材料为多晶硅或无定形硅。低折射率介质材料为氮化硅。每个介质层的光学厚度是光波长的四分之一或四分之三。

这里光波长是指从1490纳米到1610纳米用于光纤通讯的任何一个波长。对于应用于C波段的可调光学器件一般选用1550纳米。对于L波段一般选用1590纳米。对于S波段一般选用1510纳米。

在本发明中，可调光学器件在光学结构上可由三个膜和它们之间的两个腔组成。三个膜分别称为第一外膜、中间膜和第二外膜。这三个膜之间形成的腔称为第一光学腔和第二光学腔。第一外膜和第二外膜可以只由一层高折射率介质层组成。可调光学器件在光学结构上也可以由四个膜和它们之间的三个腔构成。这四个膜分别称为第一外膜、第一中间膜、第二中间膜以及第二外膜。这四个膜之间形成的三个腔称为第一光学腔、中间光学腔和第二光学腔。本发明将描述这些结构相对应的制造过程和应用方式。

在本发明中，第一外膜的介质层数和第二外膜的介质层数相等，如果有两个中间膜，这两个中间膜的介质层数也是相等的。每个外膜的介质层数和每个中间膜的介质层数有以下关系：每个外膜的介质层数的两倍等于每个中间膜介质层数减去五。

这些可调光学器件在物理结构上可以分成两种。第一种结构是器件只包括一个基片，各个膜和腔均在这个基片上形成。第二种结构包括两个基片，经过加工的两个基片通过胶合或键合成一个完整的器件。

在本发明中，所说基片为掺杂的单晶硅片。

在本发明中，可调光学器件的光学可调特性是通过膜和基片或膜和膜之间的静电力而导致的膜的变形而实现的。

首先描述用于光学开关和可调衰减器的具有一个基片和两个光学腔的元件制造过程。一开始在基片上蒸镀上一层二氧化硅，这层二氧化硅是以下几种物质中的一种：LTO、PSG、BPSG或掺磷的LTO。下面所提及的二氧化硅就是指这几种物质中的一种。

这层二氧化硅的厚度为2微米到5微米。这层膜用于支持第一外膜，并且在以后通过腐蚀的方法在第一外膜和基片之间形成一个非光学腔。第一外膜蒸镀于此层二氧化硅上。第一外膜通过低压化学汽相沉积(LPCVD)或等离子增强化学汽相沉积(PECVD)的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜。然后在第一外膜上蒸镀上一层二氧化硅，这层二氧化硅是为了支撑中间膜，并且在以后通过腐蚀的方法形成第一光学腔。顺序地在这层二氧化硅上蒸镀上中间膜。中间膜通过LPCVD或PECVD的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜。在中间膜上蒸镀上一层二氧化硅，这层二氧化硅是为了支撑第二外膜，并且在以后通过腐蚀的方法形成第二光学腔。最后第二外膜蒸镀于此二氧化硅上，它的制造通过LPCVD或PECVD的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化作为低折射率介质层的多层介质膜。这样第一外膜、中间膜以及第二外膜都在一个基片上形成。

用于光学开关的元件也可以是具有两个基片和三个光学腔元件，这种元件的制造方法在中间膜蒸镀完成以前和上述制造具有一个基片和两个光学腔的元件方法是一样的。所不同的是当中间膜蒸镀完成后，在其上蒸镀一层二氧化硅和一层抗氢氟酸腐蚀的物质，如多晶硅或氮化硅，用这一抗氢氟酸层作掩膜，使中间膜之上的二氧化硅层在基片中心区域被腐蚀掉，而在基片边缘区域保留，这样在中间膜之上的这两层就作为两个基片胶合或键合时的间隔层。这时这种基片有第一外膜、中间膜，而没有第二外膜。

对于上述有第二外膜和没有第二外膜的两种基片，一般地，选择基片的中间区域作为通光区域。在通光区域附近，用感光胶作为掩膜用干法腐蚀的方法在膜和二氧化硅层上做出一些通孔，这些孔环绕于通光区域。并且通至基片上的第一层二氧化硅。为了使基片不阻挡光的传输，通光区域内的基片也被腐蚀掉，也就是从基片的背面在基片上腐蚀一个通孔。然后这些已经带有结构的基片放入含有氢氟酸的液体中进行湿法腐蚀。通过膜上的小孔和基片上的通孔，在通光区域附近的二氧化硅层被腐蚀掉，经过清洗和干燥后形成了以通光区域为中心的腔。同时以通光区域为中心，各个膜也得到释放。它们可以在静电力的作用下通过变形而运动。

已经有第一外膜、中间膜以及第二外膜的基片，经过上述加工形成一个完整的元件。其中第一外膜和基片之间的腔称为第一非光学腔。第一外膜和中间膜之间的腔称为第一光学腔，中间膜和第二外膜之间的腔称为第二光学腔。

对于上述只有第一外膜和中间膜的基片，在膜释放后，基片上有一个非光学腔和一个光学腔。把两个基片胶合或键合起来，形成具有两个外膜和两个中间膜的元件。并且由于基片上有间隔层，两个中间膜之间也形成一个光学腔，此腔称为中间光学腔。因此这种元件具有两个基片和三个光学腔。

在本发明中，外膜和中间膜的两端外层是半导体材料，它们掺杂后可成为电导体，这样掺杂后的膜可以成为静电力驱动的一个电极。掺杂时可以使每个膜的其中一个外层掺杂，也可以使每个膜的两个外层同时掺杂。为了减少膜对光信号的吸收，膜的通光区域可以不进行掺杂。

在膜与膜之间以及膜和基片之间加以电压，产生静电力，膜由于静电力产生变形使光学腔厚度发生变化，元件产生可调特性。对于只有一个基片和两个光学腔的元件，有四种加电压的方式，其中前两种是对于中间膜没有掺杂的情况。

第一种加电方式如下：在基片和第一外膜之间加有一可调电压，在第一外膜和第二外膜之间加有另一可调电压。其中两个外膜之间的电压起主要调节作用。当此电压增大时，第一外膜和第二外膜在静电力的作用下相互吸引，而中间膜不动，因此第一光学腔和第二光学腔同时变小。调整基片和第一外膜之间的电压可以修正第一光学腔的厚度，保证第一光学腔和第二光学腔厚度的相互关系。两个腔的厚度变化导致元件对光的响应变化，元件可以从对光的透明状态变到反射状态。

第二种加电方式如下：在基片和第一外膜之间、第一外膜和第二外膜之间各加有一个可调电压。当这两个电压都增加时，由于静电力，基片和第一外膜之间相互吸引，第一外膜和第二外膜相互吸引。第一外膜受到更大的向基片方向的静电力，因此向基片方向运动，而使第一光学腔的厚度变大。第二外膜受到第一外膜的吸引也向基片运动，而中间膜不动，所以在第一光学腔变大的同时第二光学腔变小。

第三种加电方式应用于中间膜掺杂的情况，电压运用如下：在基片和第一外膜之间加一可调电压。在中间膜和第二外膜之间加另一可调电压。为了使这两个电压不相互影响，第一外膜和中间膜处于同一电势。当这两个电压增大时，第一光学腔变大，同时第二光学腔变小。

第四种加电方式用于中间膜掺杂的情况，电压运用如下：在第一外膜和中间膜之间加一可调电压，在中间膜和第二外膜之间加一可调电压。这两个电压同时增大时，第一光学腔和第二光学腔同时变小。

在本发明中，对于这种只有一个基片和两个光学腔的元件，其第一光学腔和第二光学腔在不加电压时的厚度有以下五种优选方案。

1)两个腔等厚度，都为二分之一光波长。这样不加电压时光无损耗的透过元件。用上述第二种加电方式来调节元件，当第一光学腔变成四分之三光波长，而第二光学腔变成四分之一光波长时，光被全部反射。如果元件只在这两个状态变化时，元件可以作成光学开关。如果元件还在这两个状态的中间状态应用，元件可以作为可调衰减器。

2)两个腔等厚度，都为四分之三的光波长。这样不加电时入射光全部被反射。用上述第二种加电方式或第三种加电方式来调节元件，当第一光学腔变成一个光波长，第二光学腔变成二分之一光波长时，光全部透射。同样，如果元件只在这两个状态变化时，元件可以作成光学开关。如果元件还在这两个状态的中间状态应用，元件可以作为可调衰减器。这种情形还可以选用上述第一种加电方式来调节元件，使第一光学腔和第二光学腔都变成二分之一光波长。

3)两个腔等厚度，均为一个光波长，这样不加电压时光无损耗的透过元件。用上述第一种加电方式或第四种加电方式来调节元件，当第一光学腔变成四分之三光波长，而第二光学腔变成四分之三光波长时，光被全部反射。如果元件只在这两个状态变化时，元件可以作成光学开关。如果元件还在这两个状态的中间状态应用，元件可以作为可调衰减器。

4)两个腔不等厚度，第一光学腔四分之一光波长，第二光学腔四分之三光波长。这样不加电时入射光全部被反射，没有透射光。用上述第二种加电方式或第三种加电方式来调节元件，当第一光学腔变成一二分之一光波长，第二光学腔变成二分之一光波长时，光全部透射。同样，如果元件只在这两个状态变化时，元件可以作成光学开关。如果元件还在这两个状态的中间状态应用，元件可以作为可调衰减器。

5)两个腔不等厚度，第一光学腔二分之一光波长，第二光学腔一个光波长。这样不加电压时光无损耗的透过元件。用上述第二种加电方式和第三种加电方式调节元件，当第一光学腔变成四分之三光波长，而第二光学腔变成四分之三光波长时，光被全部反射。如果元件只在这两个状态变化时，元件可以作成光学开关。如果元件还在这两个状态的中间状态应用，元件可以作为可调衰减器。

具有一个基片两个光学腔的元件作成可调衰减器时，输入光纤中的光信号通过透镜照射在元件通光区域上，在元件的另一边，透射光经过另一个透镜收集进入输出光纤。

当这种结构的元件作成光学开关时，元件对入射光可以全部透射或全部反射。在和输入光纤相同的一侧放置一收集反射光的透镜和输出光纤，在元件的另一侧放置收集透射光的透镜和光纤。这样当元件处于全部反射状态时，光从和输入光纤同一侧的光纤输出。当元件处于全部透射时，光全部从另一侧光纤输出。在元件同一侧的两个光纤和透镜可以用一个双光纤透镜代替，也可以用光学环形器代替。

由两个基片胶合或键合而成的含有三个光学腔的光学元件一般用于光学开关，这种结构比只有两个光学腔的元件在用作光学开关时有更好的关断特性。在本发明中，这种元件不加电压时三个光学腔的厚度有两种优选方案，一种是三个光学腔的厚度均为二分之一光波长，另一种是三个光学腔的厚度均为四分之三光波长。通过适当调整各个膜上的偏置电压，可以纠正由于制造过程中引入的各光学腔厚度的误差。这种元件只在入射光全部透射和全部反射两种状态变化。对于第一种厚度优选方案，三个光学腔的厚度由二分之一光波长在驱动电压作用下统一变化为四分之三光波长。对于第二种厚度优选方案，三个光学腔的厚度由四分之三波长在驱动电压的作用下统一变化为一个光波长，或统一变化为二分之一光波长。

上面描述了用于光学开关和可调衰减器的光学元件的制造和应用方法。下面描述用于可调滤波器的光学元件的制造和应用方法。总的来说，这两种制造方法在膜的蒸镀和腔的形成方面有很多的相似之处。用于可调滤波器的元件是由两个基片胶合或键合而成，而这两个基片上的制造过程有所不同。我们分别称两个基片为第一基片和第二基片。

首先在第二基片的表面作一个底部平整的凹面，其底部尺寸比以后将形成的第二非光学腔大。其深度为6微米到30微米。然后在第一基片和第二基片上蒸镀上一层厚度为2微米到5微米的二氧化硅，接着在第一基片上蒸镀第一外膜，在第二基片上蒸镀第二外膜。第一外膜和第二外膜通过低压化学汽相沉积(LPCVD)或等离子增强化学汽相沉积(PECVD)的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜。在通光区域上用感光胶作掩膜，用干法腐蚀或湿法腐蚀的方法使未被感光胶保护的区域上的介质膜层数减少。这样第一外膜和第二外膜上在通光区域形成一个凸起的部分。这一部分在外膜得到释放后，由于应力而形成曲面。在第一基片和第二基片上环绕通光区域用光刻胶作掩膜腐蚀一些通孔。去掉掩膜后只在第一基片上蒸镀上一层二氧化硅，通过抛光的方法使这层二氧化硅的表面具有光学平整度。抛光后这层二氧化硅的厚度和第二基片上的底部平整的凹面的深度是一致的。然后只在第一基片上蒸镀上中间膜，中间膜通过LPCVD或PECVD的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜。在中间膜上环绕通光区域腐蚀一些孔。从第一基片和第二基片的背面，在其通光区域上腐蚀出通孔，基片上的第一层二氧化硅显露出。把第一基片和第二基片放入含有氢氟酸的液体中，各二氧化硅层在通光区域上的部分被腐蚀掉，干燥后在第一基片上形成了第一非光学腔和第一光学腔，在第二基片上形成了第二非光学腔。把两个基片通过键合或胶合的方法结合起来，由于第二外膜蒸镀在第二基片的底部平整的凹面上，两个基片键合或胶合后，第二外膜和中间膜之间形成第二光学腔。

第二光学腔的形成也可以通过第二基片上形成的间隔层。这时第二基片不需要作底部平整的凹面。在第二基片上蒸镀完第二外膜后蒸镀一层二氧化硅和一层抗氢氟酸腐蚀的物质，如多晶硅或氮化硅。用这层抗氢氟酸腐蚀的物质作掩膜，基片中心的二氧化硅被腐蚀干净，周围区域的二氧化硅到保存，这一区域的二氧化硅层和抗氢氟酸层一起作为两个基片胶合或键合时的隔离层。把第一基片和第二基片放入含有氢氟酸的液体中，各二氧化硅层在通光区域上的部分被腐蚀掉，干燥后在第一基片上形成了第一非光学腔和第一光学腔，在第二基片上形成了第二非光学腔。把两个基片通过键合或胶合的方法结合起来，由于间隔层，第二外膜和中间膜之间形成第二光学腔。

在第一基片和第一外膜之间加一可调电压，在第二基片和第二外膜之间一可调电压。在静电力的作用下，第一外膜向第一基片运动，第二外膜向第二基片运动，第一光学腔和第二光学腔同时变化。这种元件作可调滤波器时，输入光信号通过透镜照射在元件通光区域上，在元件的另一边，能透过元件的光信号经过另一个透镜收集进入输出光纤。所用透镜和外膜上的曲面相匹配。

当这种结构的元件作ROADM(可重组光学插分复用器)时，在和输入光纤相同的一侧放置一收集反射光的透镜和输出光纤，在元件的另一侧放置收集透射光的透镜和光纤。这样不需要下载的光信号被元件反射并从同一侧的光纤输出，需要下载的光信号全部透射过元件并从另一侧的光纤输出。在元件同一侧的两个光纤和透镜可以用一个双光纤透镜代替，也可以用光学环形器代替。

在上述由两个基片键合或胶合形成的元件中，两个基片的形状具有相对于通光区域的不对称性。当两个基片胶合或键合后，每个基片表面上的电极能够不被遮挡而显露出来。

四、附图说明：

图1具有一个掺杂硅基片两个光学腔的可调光学元件的剖视图

图2a至2b具有一个掺杂硅基片两个光学腔的可调光学元件镀膜过程的示意图

图3具有两个掺杂硅基片三个光学腔的可调光学元件剖视图

图4带有间隔层的掺杂硅基片

图5具有两个掺杂硅基片两个光学腔的可调光学元件的剖视图

图6a至6b第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片的镀膜过程示意图

图7第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片各个腔的形成和各个膜的释放

图8带有间隔层的具有两个掺杂硅基片两个光学腔的可调光学元件的剖视图

图9带有间隔层的基片结构

图10a至10c可调衰减器、光学开关以及可调滤波器的光路结构。

五、具体实施方式：

图1是具有一个掺杂硅基片两个光学腔的可调光学元件A10的剖视图。图中基片A11是掺杂的单晶硅片。A20、A40和A60是二氧化硅层。在通光区域及其周围腐蚀掉二氧化硅层A40和A60后形成的第一光学腔A41和第二光学腔A61。在相同区域内腐蚀掉二氧化硅层A20后形成的第一非光学腔A21。A30、A50以及A70分别是第一外膜、中间膜以及第二外膜。A80为分布在通光区域周围、贯穿各光学膜的通孔。A90为贯穿掺杂硅基片A11的在通光区域上的通孔。

图2a和图2b是具有一个掺杂硅基片两个光学腔的光学元件的制造过程示意图。首先在掺杂硅基片A11上用LPCVD或PECVD的方法蒸镀一层二氧化硅A20。这层二氧化硅厚度在2微米到6微米之间。它可以是LTO、PSG、BPSG或磷掺杂的LTO。然后在二氧化硅层A20上用LPCVD或PECVD的方法交替地蒸镀上高折射率介质和低折射率介质。在一种实施方案中，高折射率介质为多晶硅，低折射率介质为氮化硅。在另一种实施方案中，高折射率介质为无定形硅，低折射率介质为氮化硅。相互交替的高折射率和低折射率介质形成了第一外膜A30。每层高折射率和低折射率介质的光学厚度为光波长的四分之一的奇数倍。所指光波长是指用于光通讯的光波长，一般在1490纳米至1610纳米。在具体实施方案中优选1510纳米、1550纳米或1590纳米。在具体实施方案中所说奇数倍优选一倍和三倍。当设计制造覆盖两个波段的器件时，可以用这两个波段的中间波长的四分之一或四分之三作为确定每层介质的光学厚度。比如器件用于C波段和L波段，用1570纳米波长的四分之一或四分之三作为每层介质的光学厚度是比较恰当的。这样的制造方法同样用于中间膜和第二外膜的制造。也就是说在本发明中所有的多层介质膜都是用这种高折射率和低折射率介质交替蒸镀的方法来制造的。并且对于每个多层介质膜，其第一层和最后一层都是高折射率介质。第一外膜和第二外膜最少可以由一层高折射率介质构成。

对第一外膜的第一层或最后一层进行掺杂，使之成为导电层。在元件的边缘用掩膜保护的方法使这一区域没有掺杂，这样减少元件从晶片上分离后的漏电现象。在一种实施方案中除元件边缘外其它区域都掺杂。在另一实施方案中，除元件边缘外也用掩膜保护的方法使膜的通光区域没有掺杂，这样减少膜对光的吸收。这两种掺杂形式同样用于第二外膜和中间膜。

在第一外膜A30的上面用LPCVD或PECVD方法的蒸镀上一层二氧化硅A40，其厚度为光波长四分之一的整数倍。在具体实施方案中优选整数倍为1、2、3或4倍。

在A40上面用LPCVD或PECVD的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜，形成中间膜A50。在中间膜A50上面蒸镀上一层二氧化硅A60，其光学厚度为光波长四分之一的整数倍。在具体实施方案中优选整数倍为2、3、4倍。

在A60上面用LPCVD或PECVD的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜，形成第二外膜A70。

这时用光刻胶作掩膜，采用干法腐蚀或湿法腐蚀在不同的区域分别打通至掺杂硅基片和第一外膜，作为电极区域。在中间膜掺杂的情况下，也打通至中间膜的电极区域。以上这些区域可以蒸镀上金属，便于和导线相联。

图2b中A80是用光刻胶作掩膜，围绕通光区域用干法腐蚀的方法在第二外膜A70、二氧化硅层A60、中间膜A50、二氧化硅A40以及第一外膜A30上腐蚀出的通孔。在掺杂硅基片A11所对应的通光区域上用湿法或干法腐蚀作出的通孔A90。二氧化硅层A20在这一过程中也起到了腐蚀阻止层的作用。

把带有通孔的元件放入含有氢氟酸的液体中，在通孔附近的A20、A40以及A60等二氧化硅层被氢氟酸腐蚀，经过一定时间取出，在放入酒精或甲醇等易挥发液体中。干燥后形成如图1所示的结构。其中二氧化硅层A20被腐蚀的区域形成第一非光学腔A21。二氧化硅A40被腐蚀区域形成第一光学腔A41。二氧化硅A60被腐蚀区域形成第二光学腔A61。在这些区域，第一外膜A30、中间膜A50以及第二外膜A70都被释放出来，形成如图1所示具有一个掺杂硅基片两个光学腔的光学元件A10。

图3是具有两个掺杂硅基片三光学腔的元件结构示意图。这种元件的制造过程在蒸镀中间膜以前是和上述具有一个掺杂硅基片两光学腔元件的工序是一样的。如图4，在蒸镀完中间膜A60后蒸镀上一层二氧化硅和一层抗氢氟酸腐蚀的介质，如多晶硅或氮化硅，用抗氢氟酸层作为掩膜只保留元件边缘区域的二氧化硅，此部分二氧化硅和抗氢氟酸层一起作为两个掺杂硅基片键合或胶合的间隔层A72。同样用光刻胶作掩膜，围绕通光区域腐蚀出通孔A80。在掺杂硅基片所对应的通光区域上腐蚀出通孔A90。把元件放入含有氢氟酸的液体中，经过一定时间取出，经清洗干燥后，把两个掺杂硅基片胶合或键合起来就形成了图3所示的具有两个掺杂硅基片三个光学腔的光学元件A16。为了便于区分，两个中间膜分别称第一中间膜A50-1和第二中间膜A50-2。由于间隔层A72，第一中间膜A50-1和第二中间膜A50-2形成中间光学腔A100。

图5是具有两个掺杂硅基片两个光学腔的可调光学元件的第一种优选实施方案结构示意图。这种结构的元件可用于制造可调滤波器。C11-1和C11-2分别是第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片。首先用干法腐蚀或湿法腐蚀在第二掺杂硅基片上作出平底的凹面C15，如图6a，其底部尺寸比以后将形成的第二非光学腔大。其深度为6微米到30微米。然后分别在第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片上蒸镀上一层厚度为2微米到5微米的二氧化硅C20-1和C20-2，接着在第一掺杂硅基片上蒸镀第一外膜C30-1，在第二掺杂硅基片上蒸镀第二外膜C30-2。第一外膜和第二外膜通过低压化学汽相沉积(LPCVD)或等离子增强化学汽相沉积(PECVD)的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜。在通光区域上用感光胶作掩膜，用干法腐蚀和湿法腐蚀的方法使未被感光胶保护的区域上的介质膜层数减少。这样第一外膜上在通光区域形成一个凸起的部分C31-1，在第二外膜上的通光区域上形成一个凸起的部分C31-2。这部分在第一外膜和第二外膜得到释放后，由于应力而形成一个曲面。在第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片上环绕通光区域用光刻胶作掩膜分别在第一外膜和第二外膜上腐蚀出通孔C33-1和C33-2。去掉掩膜后只在第一掺杂硅基片上蒸镀上一层二氧化硅C40，通过抛光的方法使这层二氧化硅的表面具有光学平整度。抛光后二氧化硅层C40的厚度和第二掺杂硅基片上的底部平整的凹面C15的深度是一致的。然后只在第一掺杂硅基片上蒸镀上中间膜C50，如图6b。中间膜C50通过LPCVD或PECVD的方法交替蒸镀形成以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜。在C50上用光刻胶作掩膜环绕通光区域腐蚀一些通孔C51。分别从第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片的背面，在其通光区域上腐蚀出通孔C70-1和C70-2。把第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片放入含有氢氟酸的液体中，各二氧化硅层在通光区域上的部分被腐蚀掉。干燥后在第一掺杂硅基片上形成了第一非光学腔C21-1和第一光学腔C41-1，在第二掺杂硅基片上形成了第二非光学腔C21-2，如图7。把两个掺杂硅基片通过键合或胶合的方法结合起来后形成图5所示具有两个掺杂硅基片两个光学腔的光学元件C10。第二外膜和中间膜之间形成第二光学腔C41-2。由于二氧化硅层C40的厚度和第二掺杂硅基片上的底部平整的凹面C15的深度相等，第一光学腔C41-1和第二光学腔C41-2的厚度是相等的。

对于上述具有两个基片两个光学腔的元件也可以采用第二种优选实施方案。第二种优选实施方案中在第一掺杂硅基片上所进行的制造工艺和上述第一优选实施方案是一样的。不同的是不在第二掺杂硅基片上作底部平整的凹面。如图8，第二掺杂硅基片是平整的，在第二掺杂硅基片上蒸镀完第二外膜后蒸镀一层二氧化硅C62和一层抗氢氟酸腐蚀的物质C63，如多晶硅或氮化硅。用这层抗氢氟酸腐蚀层作掩膜，基片中心的二氧化硅C62被腐蚀干净，周围区域的二氧化硅得到保存，这一区域的二氧化硅层和抗氢氟酸层一起作为两个基片胶合或键合时的间隔层。此间隔层的厚度和第一掺杂硅基片上的二氧化硅层C40的厚度是一致的。把第一基片和第二基片放入含有氢氟酸的液体中，各二氧化硅层在通光区域上的部分被腐蚀掉，干燥后在第一基片上形成了第一非光学腔C21-1和第一光学腔C41-1，在第二基片上形成了第二非光学腔C21-2。把两个基片通过键合或胶合的方法结合起来形成两个基片两个光学腔的元件C16，如图9。由于二氧化硅层C62和抗氢氟酸层C63，中间膜C50和第二外膜之间形成第二光学腔C41-2。

图10a至10c是用光学元件组成可调光学器件的结构示意图。图10a表示在光学元件Y的一侧放置输入光纤F1，光信号通过透镜L1照射在光学元件Y的通光区域上，光学元件另一侧放置收集透镜L2和输出光纤F2。当光学元件Y为如图1所示的具有一个掺杂硅基片两个光学腔的元件A10时，这种结构用于制造可调衰减器；当光学元件Y为如图5或如图9所示的具有两个掺杂硅基片两个光学腔的元件C10或C16时，这种结构用于制造可调滤波器。图10b是光学元件Y另一种应用示意图，在光学元件的一侧放置一双光纤透镜L3，光信号通过输入光纤F1经透镜L3照射在光学元件的通光区域上，被元件Y反射的光信号被透镜L3收集由输出光纤F2输出。透过元件Y的光信号由透镜L4收集并由输出光纤F3输出。对于这种结构，当光学元件Y为如图1所示的具有一个掺杂硅基片两个光学腔的元件A10，或当光学元件Y为如图3所示的具有两个掺杂硅基片三个光学腔的元件A16时，这种结构用于制造光学开关。当光学元件Y为如图5或如图9所示的具有两个掺杂硅基片两个光学腔的元件C10或C16时，这种结构用于制造可重组光学插分复用器(ROADM)。图10c表示用一个光学环形器H代替图10b中的双光纤透镜L3，输入光纤F1和环形器的端口1相联，光纤F2联接环形器端口2和透镜L1，输出光纤F3和环形器端口3相联。元件Y另一侧放置输出透镜L2和输出光纤F4。这种结构也是用于光学开关或可重组光学插分复用器。

Claims (5)

1、一类基于微机电系统技术的可调光学器件，其特征在于：包括由两个外膜和不超过两个中间膜组成的多光学腔结构；一个掺杂硅基片和蒸镀在所说掺杂硅基片上的第一外膜、中间膜和第二外膜，所说掺杂硅基片和第一外膜由二氧化硅作为牺牲层形成第一非光学腔，所说第一外膜和中间膜由二氧化硅作为牺牲层形成第一光学腔，所说中间膜和第二外膜由二氧化硅作为牺牲层形成第二光学腔；所说外膜和中间膜均是以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜；

所说各个外膜和中间膜的两个外端介质层均是由所说高折射率介质构成；

所说两个外膜介质层数相等；

所说外膜的介质层数和中间膜介质层数有如下关系：每个外膜的介质层数的两倍等于每个中间膜介质层数减去五；

在膜与膜之间以及膜和基片之间加以电压，产生静电力，膜由于静电力产生变形使光学腔厚度发生变化，器件产生可调特性。

2、根据权利要求1所述的一类基于微机电系统技术的可调光学器件，其特征在于：所说第一光学腔和第二光学腔的厚度在不加外界驱动时为以下情况的一种：四分之三光波长和四分之三光波长，二分之一光波长和一个光波长，一个光波长和一个光波长，二分之一光波长和二分之一光波长以及四分之一光波长和四分之三光波长。

3、一类基于微机电系统技术的可调光学器件，其特征在于包括：

由两个外膜和不超过两个中间膜组成的多光学腔结构；第一掺杂硅基片和蒸镀在所说第一掺杂硅基片上的第一外膜、第一中间膜和形成于所说第一中间膜上的间隔层，以及第二掺杂硅基片和蒸镀在所说第二硅基片上的第二外膜和第二中间膜；

所说第一掺杂硅基片和第一外膜由二氧化硅作为牺牲层而形成第一非光学腔，所说第一外膜和第一中间膜由二氧化硅作为牺牲层而形成第一光学腔，所说第二中间膜和第二外膜由二氧化硅作为牺牲层而形成第二光学腔，所说第二外膜和第二掺杂硅基片由二氧化硅作为牺牲层而形成第二非光学腔；所说第一中间膜和第二中间膜在第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片键合或胶合后在所说间隔层的作用下形成中间光学腔；

所说外膜和中间膜均是以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜；

所说各个外膜和中间膜的两个外端介质层均是由所说高折射率介质构成；

所说两个外膜介质层数相等；

所说外膜的介质层数和中间膜介质层数有如下关系：每个外膜的介质层数的两倍等于每个中间膜介质层数减去五。

在膜与膜之间以及膜和基片之间加以电压，产生静电力，膜由于静电力产生变形使光学腔厚度发生变化，器件产生可调特性。

4、一类基于微机电系统技术的可调光学器件，其特征在于包括：由两个外膜和不超过两个中间膜组成的多光学腔结构；第一掺杂硅基片和蒸镀在所说第一掺杂硅基片的第一外膜和中间膜，以及第二掺杂硅基片和蒸镀在所说第二掺杂硅基片的第二外膜和间隔层；

所说第一掺杂硅基片和第一外膜由二氧化硅作为牺牲层而形成第一非光学腔，所说第一外膜和中间膜由二氧化硅作为牺牲层而形成第一光学腔，所说第二外膜和第二掺杂硅基片由二氧化硅作为牺牲层而形成第二非光学腔；

所说中间膜和第二外膜在第一掺杂硅基片和第二掺杂硅基片胶合或键合后在第二掺杂硅基片上的平底凹面作用下或在间隔层的作用下形成第二光学腔；

所说外膜和中间膜均是以多晶硅或无定形硅作为高折射率介质层和以氮化硅作为低折射率介质层的多层介质膜；

所说各个外膜和中间膜的两个外端介质层均是由所说高折射率介质构成；

所说两个外膜介质层数相等；

所说外膜的介质层数和中间膜介质层数有如下关系：每个外膜的介质层数的两倍等于每个中间膜介质层数减去五；

在膜与膜之间以及膜和基片之间加以电压，产生静电力，膜由于静电力产生变形使光学腔厚度发生变化，器件产生可调特性。

5、根据权利要求4所述的一类基于微机电系统技术的可调光学器件，其特征在于所说第一外膜和第二外膜上各有一圆形区域，所说圆形区域以外的介质层数由干法腐蚀或湿法腐蚀而减少。

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