CN100354659C - 微机电角隅镜面阵列元件的外腔式可调变激光系统 - Google Patents

Abstract

一种可调变激光系统，包含光源、光栅、角隅镜面阵列以及接收器。其中该光源是用以发射出一光束；该光栅则设于该光源前方以便反射该光束而生成一第一反射光束。该角隅镜面阵列则设于该光栅前方以便承接该第一反射光束并反射出一第二反射光束，而该接收器则是用来接收一第三反射光束，其中该第三反射光束是为该第二反射光束经该光栅反射而成。另外，通过结合角隅镜面阵列的光反馈功能以及光开关的设计，此激光系统不但拥有波长调变的功能，还具有选择输出频道数的功能。

Description

微机电角隅镜面阵列元件的外腔式可调变激光系统

技术领域

本发明有关一种可调变激光系统，尤指一种应用角隅镜面阵列的可调变激光系统。

背景技术

微机电系统(micro-electromechanical system，MEMS)自1980年末期起即广受重视；其是为整合性的微元件或系统总称，更进一步地说，其包含了利用IC相容批次加工技术制造的电子和机械零件；而制成的元件或系统的尺寸小至微米，最大亦不超过毫米。

由于微机电系统具有体积小、功能性强大以及成本低廉的特性，近年来，不论是半导体、电子、机械、通讯、生物或是化学等产业都对其投以大量的研究经费；而相关产品，例如加速度计、光通讯开关以及生物传感器等产品亦相继问世。

自从第一部红宝石激光在1960年问世之后，气体激光或是半导体激光便相继出现并快速的发展。其中，可调波长激光在光纤通讯、光数据处理以及多波长干涉等科技领域中皆有广泛的应用，其中光栅式外腔可调变激光(Grating-feedback External Cavity Tunnable Laser)又其所具有的优点：波长可调范围大、信号频宽窄、易驱动、制作成本低、操作简易，而在近几年中吸引了各界的注意。

为适应通信技术的蓬勃发展以及相关产业的激烈竞争，光纤通讯势必将由现有的长距电信网络以及有线电视干线网络，逐渐转变为短距离的区域信息网络以及用户回路端上。因为光通讯主动元件与模拟技术在光通讯产业上具有决定性的影响，因此各大厂商无不朝着提升光通讯主动元件的功效而努力。由于可调变激光为光通讯主动元件中的必要组件，因此如何改进可调变激光是目前的研究主要方向。

传统的外腔式可调变半导体激光系统可简单分为力特罗型(Littrow type)、削角入射型(Grazing incident type)以及法布里-派洛型(Fabry-Perot type)，其中力特罗型激光系统的光栅结构绕射效率高，但所使用的光栅条纹数较少，因此解析度一般较削角入射型激光系统为小。而削角入射型激光系统因其入射光对于内部的光栅而言，是为一斜向入射，因此解析度(受入射光对于该光栅的入射角所影响)较力特罗型激光系统为高；另外，削角入射型激光系统常具有一全反射镜、一透镜以及I型或是V型挡板的设计，藉此设计，削角入射型激光系统便可利用微调角度的方式来控制输出光的波长，唯独此种微调控制(藉助控制I型与V型挡板遮蔽部分的全反射镜)却使得激光系统的结构变得复杂。另外，法布里-派洛型激光系统所利用的调变设计是有别于前述利用光栅分光来达到输出光波长的选定，其是在激光二极管的一侧面上先镀一反抗层，再将一反射镜置入此激光系统，使得该反射镜与此激光系统不具有反抗层的侧面形成一新共振腔，藉由微调该反射镜而改变共振腔长度，进以达到调变输出波长的目的。此设计虽可克服输出光波长仅为单一的问题，但其制作成本与结构复杂度却都是三者之最。

由于削角入射型外腔式可调变激光系统的解析度高于力特罗型，而控制又较法布里-派洛型为简便，因此，削角入射型外腔式可调变激光系统已成为当前发展的主要方向。然而，在传统的削角入射型外腔式可调变激光系统中，为了达到可调变波长的功效，激光系统的架构中将需要有可遮光功效的光学元件，如前述的I型板或是V型板，此将使得整个激光系统的组织变得复杂而不适用于当前一切讲究轻、巧的趋势；因此，如何在不影响具有调变波长功效的原则下将系统架构得更加精简俨然已成为提升削角入射型外腔式可调变激光系统应用范围的重点。然而，目前为了使入射光可与原路径平行而反射，目前所使用的反射镜多为一个由一垂直镜面与一水平镜面所共组的组合，然而，目前在市面上所可购得的反射镜面组合虽强调其垂直镜面与水平镜面的夹角精度都在90°+0.08°，而此误差范围(+0.08°)在一切讲究精与巧的微机电领域无疑是影响仪器效率的一大限制因子，因此，如何提升镜面组合的垂直度亦是半导体激光系统的一大研究主题。

由上可知，如何架构一个外腔式可调变激光系统以便同时达成提高解析度、简化系统元件、降低光路对准的难度、简化调变波长的控制以及降低成本等的目的俨然已成为当前最重要的研究课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可提高解析度、简化系统元件、降低光路对准难度和简化调变波长的外腔式可调变激光系统。

为实现上述目的，本发明提供一种镜面结构，含有：一第一镜面；一旋转梁，位于该第一镜面的一侧；一垫片，具有一第一接合面与一第二接合面，其中该第一接合面是与该第一镜面相接；以及一第二镜面，其与该第二接合面相接而与该第一镜面相垂直配置。

根据上述构想，其中该第一镜面是为一第一晶格面。

根据上述构想，其中该第一晶格面是为硅晶片的晶格面。

根据上述构想，其中该第二镜面是为一第二晶格面。

根据上述构想，其中该第二晶格面是为硅晶片的晶格面。

根据上述构想，其中该旋转梁是用以供作为该第一镜面的一转动轴。

根据上述构想，其中该垫片的厚度是藉该第一镜面与该第二镜面的夹角而定。

根据上述构想，其中该第一镜面还与一上电极形成一组合。

根据上述构想，其中该镜面结构还包含一下电极，是用以与该上电极搭配而控制该第一镜面的位置。

根据上述构想，其中该上电极与该旋转梁相接触。

本发明还提供一种一种角隅镜面阵列，包含：一第一镜面阵列，该第一镜面阵列包含多个第一镜面，每一该多个第一镜面各具有一旋转梁；一第一电极阵列，是与该第一镜面阵列相连；一垫片组，该垫片组具有多个垫片，其中每一垫片具有一第一接合面与一第二接合面，该每一垫片的该第一接合面是与该第一镜面相接；以及一第二镜面阵列，是分别接于该垫片组的该第二接合面而与该第一镜面阵列相垂直配置。

根据上述构想，其中该第二镜面阵列为一垂直方向镜面阵列。

根据上述构想，其中该第一镜面阵列为一水平方向镜面阵列。

根据上述构想，其中该第一镜面阵列还包含一第二电极阵列。

根据上述构想，其中当该第一电极阵列与该第二电极阵列间存有一作用力时，各个该第一镜面可相应该作用力而以该旋转梁为轴而转动。

根据上述构想，其中该第二镜面阵列包含数个第二镜面。

根据上述构想，其中该第一镜面与该第二镜面皆为晶格面。

根据上述构想，其中该晶格面为硅晶格面。

根据上述构想，其中该多个第一镜面与该多个该第二镜面是藉助该多个垫片而相接。

根据上述构想，其中该多个垫片的厚度是由该第一镜面阵列与该第二镜面阵列的夹角所决定。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

附图说明

图1(A)～(C)：为已有技术中可达成光反馈的光学元件示意图；

图2(A)～(B)：为本发明较佳实施例的角隅镜面组合示意图；

图3(A)～(B)：为本发明较佳实施例的角隅镜面致动示意图；

图4：为本发明较佳实施例的角隅镜面阵列激光系统示意图；

图5：为本发明较佳实施例的另一角隅镜面阵列激光系统示意图。

具体实施方式

本发明的角隅镜面阵列元件的外腔式可调变激光系统的结构，将可由以下的实施例说明而得到充分了解，并使得熟习本技术的人士可以据以完成，然而本发明的实施型态并不限制于下列实施例中。

就自由空间(free space)的微光学元件而言，若要达到光路沿与原路径平行但反向的方式来反馈(feedback)，通常可借助下列三种元件以达成，即微镜面(micro mirror)、微角隅镜面(micro corner mirror)或是微角隅立方(micro corner cube)，其分别如图1(A)～(C)所示。其中，就图1(A)所示的微镜面而言，当入射光的方向与微镜面的法线方向重叠时，光线在反射后方可沿着与原路径平行但是反向的方式来反馈，但在实际应用时，多需要搭配一致动器以便调整微镜面，进而使其的法线方向可与入射光重合而达到光学校准的目的。而就图1(C)所示的角隅立方镜面(corner cube mirror)而言，理论上，当光入射角隅立方镜面的任一反射面时，其反射光必定以平行原入射方向但反向的方式射出，若激光光的光点大小与角隅立方镜面的开口尺寸相近时，即可视为反射光沿原入射路径反向射出，并同时实现了光反馈的功能；其在制作工序中多利用MEMS的体型微细加工(bulkmicromachining)的方式分开制作角隅立方镜面的三个反射镜面，再以卡榫的方式将三面结合，惟以卡榫方式进行结合并无法完全确定该反射镜面间的垂直度。而就图1(B)所示的角隅镜面而言，其与角隅立方镜面相同，在理论上，当光入射角隅镜面的任一反射面时，其反射光必定以以平行原入射方向但反向的方式射出，若光点大小与角隅镜面的开口尺寸相近时，即可把反射光是沿着入射路径反向射出；若经控制而破坏两反射面的垂直度则可破坏光的反射路径，进以达到选取特定反射光的功效。为减少设计的复杂度并达轻易控制反射光波长的选取，本发明利用微机电制作方式将微角隅镜面阵列架设于削角入射型外腔式可调变激光系统中。在本发明所架设的激光系统中，除了利用具有的光开关以选择性地决定光反馈来达成调整输出波长的功效之外，还提出一个通过垫片与旋转梁的设计来提升角隅镜面的垂直度。

鉴于一般市面所购得的角隅镜面的垂直度标准为90°+0.08°，该误差(+0.08°)的出现是起因于制作仪器的耗损、设计偏差或组装过程疏忽等等，另外，此误差在一般光学元件的制作上并不具有显著影响，但在微机电领域中却具有决定性的影响。

请参考图2(A)～(B)，是为本发明的较佳实施例的一角隅镜面组合示意图，其是通过一垫片的设计来提升镜面组合的垂直度；另外，该角隅镜面1具有水平镜面11、垫片12、垂直镜面13、旋转梁14以及接合胶15，其中该水平镜面11与垂直镜面13皆为硅晶格面，接合胶15则使用BCB(BenzoCycloButene)_4022，而垫片12则分别具有第一接合面121与第二接合面122。当垂直镜面13与水平镜面11接合时，利用垂直镜面13挤压垫片12而造成水平镜面11以旋转梁14为轴而旋转，进而修正了水平镜面11与垂直镜面13间的垂直度，换句话说，本发明在组装角隅镜面1时即已完成了垂直度的修正。更进一步地说，由于组装仪器随着使用时间的增加会有一定的耗损，而且仪器本身在制作过程的品质管制不一，故所组装出的角隅镜面垂直度便存有一定程度的误差。再者，角隅镜面所使用的反射镜面(不论是垂直镜面或是水平镜面)在制作过程中，可能因为抛光研磨而产生一些微角度的偏差，此不但造成镜面本身的厚度不均一，更进而影响到组装后的角隅镜面的垂直度。因此，为了减少组装出的角隅镜面所出现的垂直度误差，本发明通过提出以一垫片12以补偿组装仪器本身的垂直度偏差或是镜面本身在进行抛光研磨时所产生的镜面垂直度误差。其修正概念如下，步骤1：当水平镜面11的延伸线11’(其实就是水平线)与垂直镜面13的延伸线13’的夹角大于90°时，则测量垂直镜面13与垂直线17的垂直误差角θ；反之，当水平镜面11的延伸线11’与垂直镜面13的延伸线13’的夹角小于90°时，则先倒置垂直镜面13，那么此时新产生的垂直镜面13的延伸线13’与水平镜面11的延伸线11’的夹角便会大于90°，那么便亦可测量到一垂直误差角θ。接着进行步骤2：测量垫片12与旋转梁14的距离a。最后再进行步骤3：决定垫片12的厚度h，其中

h’＝a×sinθ

h＝h’-ha

sin：正弦函数

h’：水平镜面11将被下压的高度

ha：用以接合垂直镜面13与垫片12的接合胶15的厚度

而当θ值接近于0时，一般把sinθ视为θ

综上所述，此实施例是藉由控制垫片12的厚度h来修正角隅镜面的垂直度不完全的问题，当然，在实施时也可藉由调整接合胶15的厚度ha来改变垫片12的厚度h，进而达到最佳调控，因此，通过此修正方式便能在沿用既有仪器以便节省资源与成本的原则下，来提高角隅镜面的垂直度，进而制作出一个垂直度可达90°+0.015°的角隅镜面(此在精确度上提升了至少5倍)。

请参阅图3(A)～(B)，是为本发明较佳实施例的角隅镜面致动示意图，其中该角隅镜面1具有水平镜面11、垫片12、垂直镜面13、上电极111、下电极16、旋转梁14以及接合胶15。其中，图3(A)是为未通电前的角隅镜面示意图，图3(B)则为通电后的角隅镜面示意图。通过控制下电极16的电压量将可决定控制下电极16与上电极111间的静电力，进而控制水平镜面11是否以旋转梁14为轴而转动并进而实现光开关的作用。然而，电压量的控制需适中，电压太小水平镜面11会发生振荡，电压过大则水平镜面11可能与下电极16过于紧贴而有迟滞或是短路之虞。再者，通过控制静电力的应用，在实际应用角隅镜面做为其他仪器的组装元件时，毋须针对管制光路径的开与闭而特别设置专用的设备，此即可满足当前讲究结构精与简的潮流。

请参阅图4，是为本发明较佳实施例的角隅镜面阵列激光系统示意图，其中该角隅镜面阵列激光系统包含：激光二极管2、光栅3、接收器4、光纤5以及角隅镜面阵列6。其中由激光二极管2所发射出的光束7先经光栅3反射成一第一反射光71，该第一反射光71再经角隅镜面阵列6的调变而反射出特定波长的第二反射光72，第二反射光72再经光栅3反射而生成第三反射光73，该接收器4则用以接收该第三反射光73并将所接受到的光通过光纤5而传送出去。其中，该第一反射光71多为利用光束7经光栅3在-1^st(负1阶)绕射后将不同波长于空间中展开后所产生的光。该角隅镜面阵列6是由数个图2所示的角隅镜面1所组成，且，通过控制流经的电压量将可决定各个角隅镜面的开、闭，进而可依不同需要而挑选特定波长进行反馈，亦即达到了调变该第二反射光72波长的功效；另一方面，通过光开关的调控，反射光输出的频道数亦可随意控制；亦即通过各个角隅镜面的开、关，使用者可依需要而让特定的光线反馈、输出，因此可同时以多个频道进行输出(多模态)或是以单个频道进行输出(单模态)。举例来说，可依需要而仅输出波长为1550nm的光线，或是仅输出波长为1550.8 nm的光线，或是仅输出波长为1551.6nm的光线，此即为以单模态进行输出；反之，若同时输出波长为1550nm、1550.8nm以及1551.6nm的光线则为多模态。

请参阅图5，是为本发明较佳实施例的另一角隅镜面阵列激光系统示意图，其中该角隅镜面阵列激光系统是具有激光二极管2、光栅3、接收器4、光纤5、角隅镜面阵列6以及凹透镜8。其中该凹透镜8是用以将第一反射光71依波长差异而发散，进而使得角隅镜面阵列6所接收到的光束间的波长差异被划分更精细，换言之，通过增加一凹透镜8的设计，再搭配角隅镜面阵列6的光开关调控，此实施例是成就了一个更精细的波长调变，例如当光束抵达关闭的角隅镜面时，其会以与原路径平行但反向的方式反射，而当光束抵达被开启的角隅镜面时，其则不会沿与原路径平行的方向而反射，此将可进行更精细的光反馈调控。

综上所述，本发明除了提供了一个利用垫片设计来提升角隅镜面垂直度的结构之外，还提供了一个利用致动概念与镜面阵列以使得激光系统可依不同需要而选择特定波长进行反馈。更甚者，本发明是是通过利用一个在组装过程中即已达成垂直度修正、本身亦可实现光开关功效的角隅镜面而架构出一个可调变的激光系统，其除了可提升光的利用效率、降低激光系统的结构复杂度之外，还可依据特定需求而在单模态输出(指的是激光在输出信号时，仅利用一个非常狭窄的波段做输出，除此波段外并不利用其他波段进行输出)或是多模态输出下进行精细的光学波长调变，进而提高了的所架构出的光学仪器的应用范围。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种镜面结构，含有：

一第一镜面；

一旋转梁，位于该第一镜面的一侧；

一垫片，具有一第一接合面与一第二接合面，其中该第一接合面是与该第一镜面相接；以及

一第二镜面，其与该第二接合面相接而与该第一镜面相垂直配置。

2.如权利要求1所述的结构，其特征在于：

该第一镜面是为一第一晶格面，而该第一晶格面是为硅晶片的晶格面；及/或

该第二镜面是为一第二晶格面，而该第二晶格面是为硅晶片的晶格面。

3.如权利要求1所述的结构，其特征在于：

该旋转梁是用以供作为该第一镜面的一转动轴；及/或

该垫片的厚度是藉该第一镜面与该第二镜面的夹角而定。

4.如权利要求1所述的结构，其特征在于：

该第一镜面还与一上电极形成一组合；

该镜面结构还可包含一下电极，是用以与该上电极搭配而控制该第一镜面的位置；及/或

该上电极与该旋转梁相接触。

5.一种角隅镜面阵列，包含：

一第一镜面阵列，该第一镜面阵列包含多个第一镜面，每一该多个第一镜面各具有一旋转梁；

一第一电极阵列，是与该第一镜面阵列相连；

一垫片组，该垫片组具有多个垫片，其中每一垫片具有一第一接合面与一第二接合面，该每一垫片的该第一接合面是与该第一镜面相接；以及

一第二镜面阵列，是分别接于该垫片组的该第二接合面而与该第一镜面阵列相垂直配置。

6.如权利要求5所述的角隅镜面阵列，其特征在于该第二镜面阵列为一垂直方向镜面阵列。

7.如权利要求5所述的角隅镜面阵列，其特征在于：

该第一镜面阵列为一水平方向镜面阵列；

该第一镜面阵列还包含一第二电极阵列；

当该第一电极阵列与该第二电极阵列间存有一作用力时，各个该第一镜面可相应该作用力而以该旋转梁为轴而转动；

该第二镜面阵列包含数个第二镜面；

该第一镜面与该第二镜面皆为硅晶格面；

该多个第一镜面与该多个该第二镜面是藉助该多个垫片而相接；及/或

该多个垫片的厚度是由该第一镜面阵列与该第二镜面阵列的夹角所决定。

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