CN101124506B - 波长可选择调节的光电滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波长可选择调节的光电滤波器，它包括处在两个部分反射器(10，12)例如布拉格反射镜之间的一个谐振腔，所述谐振腔由一个高折射率的固体材料盘(16)构成，该盘在两个部分反射器(10，12)之间形成波导。所述滤波器具有杰出的选择性。
Description
本发明涉及波长可选择调节的光电滤波器，主要是用于WDM式(Wavelength Division Multiplexing)或DWDM(Dense Wavelength DivisionMultiplexing)式的光学通讯系统不同波导的波长信息分离。
我们知道，波长可选择调节的滤波器由许多元件MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mecanical System)组成，这些元件用常规的微技术制成，并且通过这些元件材料的机械变形进行调节。这些光纤是法布里-珀罗(Fabry-Perot)型，包括一个由空气薄层形成的谐振腔，空气薄层处在两个平行的部分反射器例如布拉格反射镜之间。利用两个部分反射器之间施加的控制电压所产生的静电压，通过移动至少一个用弹性变形方法安装的反射器实现谐振波长的调节。这种移动体现在谐振腔的厚度的变化上，因而也就体现在滤波器中心波长的变化上。
当限定谐振腔的反射器为平面，而且侧部尺寸很小时，不可能获得比0.5nm好的光谱选择性，而对于DWDM的信息分离信号来讲，必须力求达到低于或等于0.2nm的数值。
这种限定是由于在平面腔中，光束的自然汇聚限定了这种光束能在反射器之间进行的往返次数，而不会从谐振腔的侧部流出。这种现象叫做《腔的不稳定性》。
改善这种选择性的公知方法在于开始的时候迫使其中一个部分反射器进行适当的正向弯曲，以便在每一个往返时重新聚焦电磁波，从而增加可以在谐振腔中产生的电磁波的数量，而且感觉不到衰减。这种技术在Tayebati等人的文献US-A-6645784中已有记载，但实施起来很复杂，而且费用昂贵。
本发明主要在于提供一种解决该问题的简单，有效和经济的方案，改善上述形式的滤波器的光谱选择性。
为此，本发明提出一种波长可选择调节的光电滤波器，它包括形成在两个部分反射器之间的一个谐振腔，所述反射器由堆积成的具有实用波长的透明层构成；以及将电场施加到反射器端子上以便对滤波器波长进行调节的施加设备，其特征在于所述谐振腔由一个具有所述波长和具有高折射率的透明固体材料的盘构成，该盘在反射器之间形成波导，其特征还在于这些反射器中的至少第一个为活动部分或可变形部分，它与形成谐振腔的盘由一个空气薄层隔开。
由具有高折射率的透明固体材料构成的盘所形成的光导构成谐振腔，该光导的侧部为在部分反射器之间往返的电磁波，电磁波防止由谐振腔边缘造成的侧部损失。这种损失的减小体现在滤波器光谱选择性的极大提高。
此外，因为部分反射波渗透到反射器中的缘故，所以与引起上述活动部分或可变形部分移动的所述盘相邻的空气薄层的厚度变化可以调节滤波器的波长，这是因为由上述盘形成的谐振腔的有效厚度比该盘的厚度大的缘故。
为尽可能保证谐振波基本以单一模式传播，构成谐振腔的具有高折射率材料的盘的直径最好很小，通常约为10μm。
第一和第二部分反射器通常由具有实用波长的堆积而成的多层透明材料形成，这些层的一层或一组处在其中活动或可变形的一个反射器中或每个反射器中，并且用空气薄层将其与谐振腔的盘分开。
在本发明的一个特定优选实施方式中，第一反射器由交替的半导体材料层和空气层形成，并且包括一个活动的或可变形的半导体材料薄片，该薄片掺有P型(或N型，分别)杂质，此杂质与该第一反射器的其他半导体材料层的杂质相反。
形成谐振腔的盘也是半导体材料构成的，其杂质的类型与反射器的活动薄片的杂质的相反。
第二部分反射器最好也由具有实用波长的堆积而成的多层透明半导体材料形成，这些半导体材料层的一层或一组处形成活动的或可变形的薄片，用空气薄层将该薄片与形成谐振腔的盘隔开，该活动的或可变形的薄片的杂质的类型与第二部分反射器的其他半导体材料层的杂质的类型相反。
在这种情况下，上述两个活动的或可变形的薄片的杂质具有相同的类型。
在本发明的一个特定实施方式中，上述一个或每个活动的或可变形的薄片是一个悬挂着的薄片，该薄片通过尺寸合适的可弹性变形的臂连接到周围的一个固定支撑件上。
上述部分反射器的所有半导体材料层和形成谐振腔的盘都是悬挂式的，并且根据情况通过刚性臂或可弹性变形的臂连接到周围的一个固定支撑件上。
在第一种实施形式中，滤波器的波长调节设备包括与部分反射器的半导体材料固定层连接的两个电极，这两个固定层处在形成谐振腔的盘和活动薄片两边，并包括在这两个电极之间施加控制电压的施加设备。反射器的半导体材料层、活动薄片和谐振腔各自的掺杂实现了两个头对脚安装的二极管结构，因此可以使活动薄片或是朝其所属的反射器的固定部分方向变形，或是沿所加电压的极性朝谐振腔方向变形。因而实现了双向作用，该作用可以根据其初始值增大或减小谐振波长。
当本发明滤波器的另一个部分反射器也包括一个活动的或可变形的薄片时，波长调节设备包括三个分别与上述盘和处在盘和活动薄片两边的反射器的两个半导体材料固定层连接的电极，并且包括在与盘连接的电极和与上述固定层连接的电极之间施加相同电压的施加设备。
在这种情况下，可以同时使谐振腔两边的两个活动薄片变形，这样就可以使波长调节的范围加倍，例如在WDM型的通讯系统中可以覆盖C和L波段(1525-1562nm和1570-1615nm)。
通过阅读下面结合附图对实施例的描述将会更清楚地理解本发明，而且本发明的其它优点和特征将会清楚地体现出来，其中：
-图1示意性地表示本发明滤波器的结构；
-图2是该滤波器的一个元件的顶视示意图；
-图3是变形实施方式的示意透视图；
-图4示意性地表示本发明滤波器的变形实施方式的总体结构；
-图5是表示本发明滤波器的理论和测量透射函数的图表；
-图6是表示本发明的滤波器的中心波长和在-3dB通带下相对于控制电压的变化图表。
首先参考示意性地表示本发明滤波器总体结构的图1，该滤波器主要包括两个由基体14支撑的布拉格反射镜10，12，在这两个反射镜之间设有折射率高的固体材料盘16，该盘构成一个考虑了波长的谐振腔(该盘的厚度等于k.λ/2，其中，在所表示的例子中k等于3)。
图1中的上布拉格反射镜10包括交替设置的半导体材料层18，20，22，这些层形成波长为四分之一的薄片，薄片彼此间和与谐振盘16之间被波长为四分之一的空气薄层24隔开，下布拉格反射镜12由半导体材料层26，28，30形成，这些层是波长为四分之一的薄片，薄片彼此间和与谐振盘16之间分别被波长为四分之一的空气薄层32，34，36及38隔开。
布拉格反射镜的各个不同半导体材料层是固定的，也就是说不移动或不变形的，但除了与盘16相邻的一层以外，例如下布拉格反射镜12的层26，它朝盘16和朝该盘相反的方向径向活动或变形。
形成布拉格反射镜的各个不同半导体材料层的厚度示于图1中，它们等于(2k+1)λ/4，此处为了机械的最优化，k等于2或3。此处空气薄层的厚度等于(2k+1)λ/4，其中除了布拉格反射镜12的活动薄片26两边的厚度等于3λ/4的薄片32和34之外，k＝0。
活动薄片26沿一个方向或另一个方向的移动受到施加在上触点40和下触点42之间的电压的控制，例如上触点被固定在上布拉格反射镜10的上面，例如下触点被固定在基体14上或下布拉格反射镜12的半导体薄片上。活动薄片26的移动方向取决于所加电压的极性。布拉格反射镜10和12的各不同半导体薄片全部掺有相同类型的杂质(例如n)，但活动薄片26除外，它掺有相反类型的杂质(例如p)。
活动薄片26沿一个方向或另一个方向的移动改变该活动薄片26和谐振盘之间的空气薄层32的厚度，这种改变通过本发明滤波器传输的中心波长的变化体现出来，这是因为，由于有一部分反射波渗透到下布拉格反射镜12中，所以该滤波器的谐振腔的有效厚度大于盘16的厚度。
由于该谐振盘16的固体结构以及其具有高折射率，所以该谐振盘在两个布拉格反射镜10和12之间构成一个在相当大程度上限定因谐振电磁波从侧面泄漏而造成损失的波导。
为了确保该波在谐振盘16中基本以单一模式传播，选择该盘的直径相对小些，例如约10μm。
谐振腔中侧面损失的减少提高了布拉格反射镜的反射率，因而增加了谐振波的往返次数，这体现在本发明滤波器具有优异的选择性上。
该活动薄片26最好是悬挂结构，例如像图2所示。
在该例子中，活动薄片26的外形为圆盘形，其直径约为10μm，它通过4个臂46与固定连接件44连接，这些臂彼此间成90°地从盘26向外延伸，这些臂46弹性地弯曲变形。
在图3所示的实施方式中，布拉格滤波器10和12的所有薄片以及谐振盘16包括直径约为10μm的中心盘，通过成对角线地向框48内延伸的臂50将中心盘悬挂在该直角平行六面形的固定框架48上，这些臂的宽约为5μm，长为50-70μm。
通过将深离子刻蚀法和选用的化学刻蚀法结合起来，获得图3所示的结构。
在图4所示的滤波器的实施方式中，处在谐振盘16两边的布拉格反射镜10和12的两个半导体薄片22和26是活动薄片，它们分别通过厚度为3λ/4的空气薄层24和34与谐振盘16隔开。
两个布拉格反射镜的固定半导体薄片18，20，28，30和盘16都有n型杂质，而活动薄片22和26有P型杂质。这样就实现了一个二极管52的结构，该二极管在第一布拉格反射镜10的半导体薄片20，22，谐振盘16和第二布拉格反射镜12的半导体薄片26，28之间头-脚安装。例如将控制电极54，56，58连接到第一布拉格反射镜10的半导体层20上，谐振盘16上和第二布拉格反射镜12的半导体层28上，以便在电极54和56之间以及在电极56和58之间施加两个电压V，这两个电压与公共电极56的相同。
根据电压V的极性，活动薄片22和26同时与谐振盘16分开，增加谐振波长，或者这两个薄片同时靠近谐振盘16，减小谐振波长。
这样就可以使调节本发明滤波器波长的地方加倍。
可以用低折射率材料例如SiO2和高折射率材料例如TiO2的材料层制造该滤波器。因此具有图1结构的滤波器满足下面的光学公式：
L(HL)^96HAAA(HL)^7H
其中L表示λ/4的SiO2层，H表示λ/4的TiO2层，A表示λ/4的空气层，L(HL)^9表示上布拉格反射镜10，它包括9个不同薄片，6H表示高折射率谐振盘，其厚度等于3λ，AAA(HL)^7H表示下布拉格反射镜12，它具有厚度可调的空气薄层AAA。
对于1550nm的中心波长来讲，这种结构的选择性为0.1nm。其调节范围大于50nm，而且不会有损于选择性。
因而本发明的具有图4结构的滤波器对应于下面的光学公式：
(HL)^7HAAA6HAAA(HL)^7H
对于1550nm的中心波长来讲，这种滤波器的选择性约为0.1nm，在中心波长附近其调节范围大于100nm。
在另一种形式中，本发明滤波器可以由磷化铟(InP)薄片形成，薄片的厚度示于图4中，它们与厚度为λ/4的空气薄层交替设置，但在谐振盘16两边的厚度为3λ/4的空气薄层除外，盘16也是磷化铟。在该实施形式中，不同的磷化铟薄层彼此间用In Ga As的阻尼器或衬垫隔开。
调节范围大于100nm，可以覆盖WDM型光学通讯系统中的两个波段C和L。
图5是表示本发明滤波器根据波长透射的图表，该滤波器具有图1所示的结构。虚线C1是理论曲线，实线C2是对图1滤波器做的试验曲线，滤波器的半导体层和盘16均是磷化铟(InP)。我们发现这两条曲线C1和C2彼此靠得很近，在-3dB下测量到的通带小于0.15nm。在中心波长为±0.45nm时实现-20dB的抑制，最大抑制优于25dB。
在图6的图表中，曲线C3表示图1滤波器的中心波长随电极40和42之间的电压V的变化，曲线C4表示在-3dB下的通带或FWHM(Full Width atHalfMaximum)随控制电压V的变化。
曲线C3表明在45nm范围内实现波长的调节，对于控制电压为-6-+6V的情况下，选择性没有明显的衰减，曲线C3和C4是根据对具有图1结构的滤波器进行试验测量画出来的，如上所述，该滤波器的布拉格反射镜和谐振盘都是用磷化铟层形成的。
Claims (14)
1.一种波长可选择调节的光电滤波器，它包括形成在两个部分反射器(10，12)之间的谐振腔，所述反射器由对使用的波长透明的多个层的堆栈构成；以及将电场施加到两个部分反射器(10，12)端子上以便对滤波器波长进行调节的电场施加装置，其特征在于所述谐振腔由对所述使用的波长透明并具有高折射率的固体材料盘(16)构成，该盘在两个部分反射器(10，12)之间形成波导，其特征还在于所述反射器中的第一反射器由对所述使用的波长透明的固体材料层或薄片和空气层交替构成，第一反射器包括由半导体材料层构成的、活动的或可变形的固体材料层(26)，通过空气薄层(32)将所述第一反射器的活动的或可变形的固体材料层(26)与盘(16)分开，所述第一反射器的活动的或可变形的固体材料层(26)包括与该第一反射器的其他固体材料层的杂质相反的杂质。
2.根据权利要求1的滤波器，其特征在于所述反射器中的第二反射器至少为活动部分或可变形部分，第二反射器与形成谐振腔的盘(16)由空气薄层(24)隔开。
3.根据权利要求1或2的滤波器，其特征在于为使谐振波基本以单一模式传播，盘(16)的直径约为10μm。
4.根据权利要求1或2的滤波器，其特征在于所述反射器中的第二反射器由对所述使用的波长透明的固体材料层或薄片和空气层交替构成，第二反射器包括活动的或可变形的固体材料层(22)，通过空气薄层(24)将所述第二反射器的活动的或可变形的固体材料层(22)与盘(16)分开。
5.根据权利要求4的滤波器，其特征在于所述第二反射器的活动的或可变形的固体材料层由半导体材料层构成，并且第二反射器的活动的或可变形的固体材料层包括与该第二反射器的其他固体材料层的杂质相反的杂质。
6.根据权利要求5的滤波器，其特征在于所述第一反射器的活动的或可变形的固体材料层(26)和所述第二反射器的活动的或可变形的固体材料层(22)的杂质属于相同的类型。
7.根据权利要求1的滤波器，其特征在于所述第一反射器的活动的或可变形的固体材料层(26)是一个悬挂着的薄片。
8.根据权利要求4的滤波器，其特征在于所述第二反射器的活动的或可变形的固体材料层(22)是一个悬挂着的薄片。
9.根据权利要求1的滤波器，其特征在于将形成谐振腔的盘(16)与所述第一反射器的活动的或可变形的固体材料层(26)分开的空气薄层(32)的厚度等于(2k+1)λ/4，形成谐振腔的盘(16)的厚度等于kλ/2，λ为所述波长。
10.根据权利要求4的滤波器，其特征在于将形成谐振腔的盘(16)与所述第二反射器的活动的或可变形的固体材料层(22)分开的空气薄层(24)的厚度等于(2k+1)λ/4，形成谐振腔的盘(16)的厚度等于kλ/2，λ为所述波长，。
11.根据权利要求1或2的滤波器，其特征在于构成谐振腔的盘(16)的外形为圆的。
12.根据权利要求1或2的滤波器，其特征在于两个部分反射器(10，12)的所有固体材料层和构成谐振腔的盘(16)都是悬挂式的，其特征还在于用离子刻蚀法和选用的化学刻蚀法制造该滤波器。
13.根据权利要求1的滤波器，其特征在于还包括与半导体材料层连接的电极(40，42)以及向这些电极施加控制电压的控制电压施加装置，半导体材料层处在盘(16)和所述第一反射器的活动的或可变形的固体材料层(26)的两边。
14.根据权利要求4的滤波器，其特征在于所述滤波器的波长调节设备包括与两个部分反射器中的一个反射器的半导体材料固定层连接的第一电极(54)，与形成谐振腔的盘(16)连接的第二电极(56)，与另一个反射器的半导体材料固定层连接的第三电极(58)，以及在第二和第一电极(56，54)之间与第二和第三电极(56，58)之间施加相同电压的相同电压施加装置。
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