CN1248020C - 选择波长的滤光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种选择波长的滤光器(240)，用于接收输入辐射和输出对应的经滤波的输出辐射，其特征在于，滤光器(240)包含多个可至少部分地相互耦合的Fabry-Perot光谐振器(330，340，360；360，400，430)，用于对输入辐射滤波以产生输出辐射，通过各谐振器在各谐振器从第一辐射波长(λ1)失谐到第二辐射波长(λ2)的一段时间内相互失谐。使滤光器(240)可从第一辐射波长调谐到第二辐射波长，从而使得滤光器器件(240)在该段时间内基本上处于非谐振状态。谐振器包含可自由悬挂的可以静电方式动作以便影响谐振器(330，340，360；360，400，430)的调谐的反射镜(360，430)。因此，滤光器器件(240)能够在不同的波长之间调谐而不经过其间的波长调谐。

Description

选择波长的滤光器
技术领域
本发明涉及一种选择波长的滤光器，更具体地说，涉及但不专指一种可操作以便形成可控衰减度的选择波长的滤光器。
背景技术
在一种当代光学系统中，采用波分多路复用(WDM)技术。这种技术能够使负担通信量的很多通道多路复用到沿一例如为光纤的导引光通路传播的辐射。每个通道具有与其相关联的用于传输与通道相关联的通信量的波长分配范围。因此，为了满足对提高在通信网络中的数据速率的未来要求，WDM技术要能不断拓宽光纤带宽。
在当代光学系统中采用WDM已提出一种对于器件的需要，这些器件可以连接到传输WDM通信量的光通路，这些器件是可操作的以便提取与特定通道对应的通信量，而不影响在其它通道中的通信量；与这些其它通道对应的辐射基本上不变地通过这些器件传输。这些器件通常称为引入-引出式(add-drop)滤光器。
在采用WDM技术和包含引入-引出式滤光器的当代光学系统中，还提出需要需重组的滤光器，即需要可重新调谐以选择不同通道的滤光器。此外，在传输通信量操作的同时还要求重组通信系统。因此，每一引入-引出式滤光器需要从第一选择的通道可重新调谐到第二选择的通道，而不通过第一通道和第二通道之间的中间通道调谐，以及不使在这些中间通道传输的通信量中断或在重新调谐的过程中受到干扰影响。
在该文献中已报道并有销售的一些常规的引入-引出式滤光器，它们能从一个通道调谐到另一个通道。这样一些引入-引出式滤光器包含连续调谐的滤光器；因此，当重组时它们可能影响在中间通道上的通信量。按很多方式提供这些滤光器，例如按照级联的制成硅平面波导的Mach-Zehnder滤光器以及以机械方式可微调谐的Fabry-Perot滤光器。5739945号美国专利介绍了一种包含以静电方式驱动的反射镜的单腔连续可调谐的滤光器。
在现有技术中公知一些可调谐的滤光器。
例如4240696号美国专利介绍了一种包含多对相邻层的滤光器，每对相邻层具有入射和出射表面。每对相邻层还包含第一介电层、第二介电层、和配置在其间并与这两层相接触的控制电极。该滤光器还包含：配置在成对各层上与每个入射和出射表面电接触的接地电极、一电压源以及一用于连接控制电极和接地电极之间电源的开关。在该滤光器中，在闭合该开关时由滤光器反射辐射并以此将电压沿相反的方向施加在第一介电层和第二介电层上。因此将成对各层的电极并联，使得各对相互之间不能独立地调谐。然而，在本发明的范围内使各对能独立地调谐是有利的。
此外，在另一个实例中，5170290号美国专利介绍了高的总透射可调谐梳状滤光器结构。这些结构包含一些适中厚度的光学材料层，这些光学材料层具有周期性的折射系数调制特性，包含多个相干耦合的弱谐振的光谐振腔。这些结构的特征在于：相对于基础的最低级的谐振腔谐振而言，光谱至少有5级，由在一个或多个光谱区出现的狭窄的中到高密度的一些反射光谱线组成，每一个光谱区特征在于：如果忽略光的色散，各谱线均匀地按波数隔开。利用这种结构形成的滤光器可以进行光电方式或机械方式调谐，在所关注的谱带内的峰值移动一个谐波次序(order)以反射或透射在频带内的任何特定波长的光辐射。在该专利中所介绍的实施例中各谐振腔不能相互独立地调谐。况且，在该发明的文本中根本没有便于各腔独立调谐的基础。
在现代系统中提供一些不连续调谐的引入-引出式滤光器的第一方案涉及多路分解和再分多路复用技术。利用这些技术能够将各引入-引出式滤光器隔离，同时当系统重组时将它们从一个通道重调到另一个通道。这些技术的应用导致与包含在系统中的引入-引出式滤光器相关联的插入损耗的增加，当传输通信量的通道数量增加时，插入损耗增加。
在现代系统中采用的包含引入-引出式滤光器的第二方案是关于引入-引出式滤光器的，包含一些可调谐的光栅，这些光栅可从两个相邻通道之间的一个适中的波长调谐到一指定的通道。这种方案形成这样一种特性，即在达到它们的选择的通道之前，在系统中的各滤光器不通过一些通道调谐。然而，该方案需要为在系统中使用的每个通道提供光栅，因此出现的一个问题是，当通道的数量增加时与系统中的引入-引出式滤光器相关联的插入损耗增加。
还存在的一个缺点是，当采用第一方案和第二方案时，引入-引出式滤光器的设计要适应特定最大数量的通道；这一最大数量是指：如果系统中使用的通道的数量增加使系统升级超过该最大数量，则必须更换这些引入-引出式滤光器。
本发明人已认识到，需要能够包含在通信系统的引入-引出式滤光器中的选择波长的滤光器，它可以不通过在第一通道和第二通道之间的中间通道调谐，而是直接从第一通道调谐到第二通道。此外，本发明人已认识到，滤光器应当可在相当大数量的通道内调谐，从而当实施系统升级时无需替换滤光器。
发明内容
根据本发明的第一个方面，这里提供一种可调谐的波长选择性的滤光器，包括：多个至少部分地相互耦合的光谐振器，每个谐振器都包括一个Fabry-Perot腔，该腔被限定在部分反射平面之间并具有与其相关联的一个谐振波长，其中当每一个腔的谐振波长基本相同时，该滤光器至少部分地是透射的，该滤光器在相应于该谐振波长的一个波长范围是透射的，而当每个腔的谐振波长基本不相同时基本上是不透射的，该滤光器的特征在于，这些腔通过对这些腔是公共的一个反射平面彼此相互耦合，并且与每个腔相关联的至少一个反射平面可独立地移动，以便使得在该平面之间的间距是可独立地可改变的，由此使得每个腔的谐振波长可被独立地调谐。
该滤光器具有的优点是能够从一个波长范围调谐到另一范围，而不必经过其间的中间波长范围的调谐。腔的相互耦合比现有技术当前实现的只是级联的滤光器更有选择性的响应。当在腔反射平面之间传播的辐射的整数半波长存在时各腔提供谐振特性。
最好，公共反射平面是可独立移动的。
为了从该滤光器得到可用程度的选择性，从一个谐振器到一个与其相邻的谐振器的相互耦合有利地处在0.01-0.1％范围。
在一个优选实施例中，每个反射平面包括各自的反射镜组件，其中第一腔被限定在第一和第二反射镜组件之间，而第二腔被限定在第二反射镜组件和第三反射镜组件之间，第二反射镜组件空间上被定位在第一和第三反射镜组件之间并且可独立地移动。该第二反射镜组件提供在腔之间的相互耦合的程度，以便给滤光器提供其波长选择性响应。
有利地，该反射镜组件包括多层结构，最好是分布式的Bragg反应器。
对于砷化铝镓、砷化镓和砷化铝下文将分别使用简写的AlGaAs、GaAs和AlAs。
最好，每一多层结构包含多个交替的AlGaAs和氧化铝层。通常，每一氧化铝层均具有范围在300-350纳米的厚度，但314.5纳米是更优选的。
此外，第一和第三组件中的AlGaAs层是这样的，每层最好包含第一、第二和第三子层，其中第一和第三子层具有成分AlaGabAs，其中a在0.58-0.62的范围，b在0.38-0.42的范围；以及第二子层具有成分AlcGadAs，其中c在0.28-0.32的范围内，d在0.68-0.72的范围内。包含子层使得反射镜组件的光学特性能在制造的过程中密切地控制。
此外，在第三组件中，第一和第三子层均具有范围在10-20纳米的厚度，第二子层具有范围在90-100纳米的厚度。另外，在第一组件中，第一和第三子层均具有范围在45-55纳米的厚度，第二子层具有范围在15-25纳米的厚度。然而，对于这些层，52.8纳米和19.9纳米分别是优选的特定厚度。
最好，第二组件的AlGaAs层具有成分AlaGabAs，其中a处在0.58-0.62的范围内，b处在0.38-0.42的范围内。最好，第二组件中的AlGaAs层具有范围在115-140纳米的厚度。这样的层的厚度和组成有助于提供用于滤光器的满意的组件反射特性。
为了方便调谐每个腔的谐振波长，该第二和第三反射镜组件可以弹性地悬挂，并且它们相互的空间间距可通过向反射镜组件施加压电作用力加以改变。另外，该第二和第三反射镜组件可以弹性地悬挂，并且它们相互的空间间距可通过向反射镜组件施加静电作用力加以改变。通常，可以将各反射镜组件电连接，以在它们之间施加电位差来产生静电作用力。
在该滤光器的优选实施例中，弹性地悬挂的反射镜组件每个包含一在多个柔性的(Compliant)支臂上悬挂的中心反射镜区。在一个实施例中，每个中心反射镜区基本上是圆形的以悬挂在4个支臂上。通常，中心区域具有范围在50-150微米的有效直径，每个支臂具有范围在600-2000微米的长度，不过100微米的有效直径和1000微米的长度是特别优选的尺寸。
为了易于电连接到滤光器，各腔和它们相关联的反射镜最好被以台阶的形式制造到一基片上，以便能作出到反射镜组件的电连接，各组件相互是电隔离的。
当实施该滤光器时，每个腔最好在其相关联的反射平面/反射镜组件之间的一个区域内包括空隙。有利地，该空隙在与其相关联的反射平面的主平面的法线方向上具有范围在10-20微米的宽度。
按本发明的第二方面，提供一种引入-引出(add-drop)式滤光器，用于接收输入的波分多路复用(WDM)通信辐射，其包括多个通道，每个通道均具有一个与其相关联的、被分配的波长范围，并能引出和引入与在该输入通信辐射中的选定通道相对应的辐射，该引入-引出式滤光器的特征在于包含符合本发明第一方面的一个可调滤光器。
根据本发明的第三个方面，提供一种制造符合本发明的第一个方面的滤光器的方法，该方法包含如下步骤：
(a)在一基片上形成一系列的层，这些层形成反射镜组件和其间的衬垫层；
(b)在这些层中确定对应于悬挂的反射器和相关联的柔性支撑支臂的部件；
(c)通过蚀刻工艺来处理该基片和其相关联的各层，以产生反射镜组件和其间的光谐振腔，在其中存在有衬垫层；
(d)在组件上限定和形成一些部件，这些部件可操作来驱动彼此相关的各反射镜组件；以及
(e)把该滤光器安装在一载体上并制作到滤光器的电连接。
有利地，通过金属氧化物化学汽相淀积(MOCVD)形成各层。此外，最好对于垫层进行湿法蚀刻来形成光谐振腔并使反射镜组件能被自由地悬挂。
通常，在该方法中，每个反射镜组件包含交替的各AlGaAs和AlAs层，并且该方法进一步包括对于AlAs进行热处理以便形成氧化铝。这些交替的层为反射镜组件提供最佳的光学特性。
根据本发明的第四个方面，提供一种符合本发明的第一个方面调谐一可调谐滤光器使之从第一波长到第二波长的方法，该方法包含如下步骤：
(a)将各谐振器的谐振波长调谐到第一波长，使得滤光器在第一波长范围具有选择性的过滤；
(b)改变至少一个谐振器的谐振波长，以使这些谐振器相互失谐；
(c)朝向第二波长来改变处于相互失谐状态下的每个谐振器的谐振波长；以及
(d)最终把每个谐振器的谐振波长调谐到第二波长，使得滤光器在第二波长范围具有选择性的过滤。
有利地，通过在第一波长方向和在与该第一波长方向相反的另一方向上调谐至少一个谐振器，来使这些谐振器与第一波长相互失谐。最好，该方法进一步包括朝向第二波长范围来调谐处在相互失谐状态的谐振器。
按本发明第五方面，提供一种从波分多路复用(WDM)辐射选择一个选定通道的方法，所说WDM辐射包括多个通道，每个通道具有一个与其相关联的、被分配的波长范围，该方法的特征在于：
(a)提供一个包括多个至少部分地相互耦合的光谐振器的可调滤光器，其中，每个谐振器的谐振波长了独立调谐；
(b)把所述WDM辐射施加到所述滤光器的一个输入端；
(c)把每个谐振器的谐振波长调谐到与第一选择通道相对应的第一波长，使得该滤光器在相应于第一选定通道的第一波长范围提供选择性的过滤；
(d)改变至少一个谐振器的谐振波长，以便使这些谐振器相互失谐；
(e)朝向相应于第二选择通道的第二波长来改变处在相互失谐状态下的每个谐振器的谐振波长；以及
(f)最终把每个谐振器的谐振波长调谐到第二波长，使得该滤光器在相应于第二选定通道的第二波长范围提供选择性的过滤。
最好该方法包括通过处于在第一和第二选定通道之间波长内的任意通道调谐处在相互失谐状态下的谐振器。
通常，该方法包括通过在第一波长方向和在与该第一波长方向相反的另一方向上调谐至少一个谐振器，来使该谐振器与第一波长相互失谐。有利地该方法包括接着朝向该第二波长来调谐处在相互失谐状态的谐振器。
附图说明
下面通过仅以举例方式参照如下附图描述本发明的各实施例，其中：
图1是在先技术的引入-引出式滤光器示意图，说明其隔离通道功能；
图2是在先技术的通信系统示意图，其中包含三个与图1所示滤光器相似的引入-引出式滤光器；
图3表示根据本发明的选择波长的滤光器，它包含一连接到循环器(circulator)的滤光器模块以便为图1中所示的引入-引出式滤光器提供光衰减功能；
图4是图3中所示的滤光器模块中包含的滤光器器件示意图；
图5是图4中所示的的滤光器器件的透射和反射特性的曲线图；
图6是从一个波长调谐到另一个波长时图4中所示的滤光器器件的透射特性的曲线图；
图7是当失谐时图4中所示的滤光器器件的衰减和反射特性的曲线图；
图8和9表示制造图4中所示的的滤光器器件所需的制造步骤。
具体实施方式
参照图1，图1表示的是以10标注的在先技术的引入-引出式滤光器。滤光器10包含：输入端口(IN)、直通端口(THROUGH)、引出端口(引出)和引入端口(引入)；所有端口都适合于连接光纤波导。输入端口可操作以接收输入辐射Sin，直通端口可控制操作以提供输出辐射Sout。
设计滤光器10使其可在适应辐射Sin波长的范围内工作。辐射Sin是与各通道Ci的顺序相关联的辐射部分的总和，这里下标i是可单个识别每个通道的从1到n的范围内的一个整数，在辐射Sin中总共有n个通道；例如，辐射Sin的波长处在1550纳米的量级，按照0.8纳米的波长间距分割通道。通道Ci按照它们的对应通道号的下标i单调地变化。
下面参照图1介绍滤光器10的工作情况。输入辐射Sin传播到输入端口(IN)并由这里进一步传播到滤光器10，在该处从辐射Sin中提取一与通道Cx相对应的辐射部分并输出到引出端口(引出)。辐射Sin减去与通道Cx相对应的辐射部分，即改变的辐射S′in进一步传播到滤光器10，在该处与通道C′x相对应的辐射部分输入到引入端口(引入)，该辐射部分然后在直通端口(直通)输出。因此，除去在输入辐射中与通道Cx相对应的辐射部分用输出辐射中与通道C′x相对应的辐射部分替代以外，输出辐射Sout对应于输入辐射Sin。
常规的通信系统包含一些与引入-引出式滤光器10相似的滤光器。这样一种常规的通信系统在图2中用100标注。系统100包含多路复用单元110、多路分解单元120、和3个串联的并插入在将多路复用单元110连接到多路分解单元120的通信通路中的引入-引出式滤光器130、140、150。每个滤光器130、140、150具有与滤光器10相同的设计结构。此外，滤光器130、140、150可操作以便分别对通道Ca、Cb、Cc滤波，其中整数的下标a、b、c可以相互不同，并包含在从1到n的范围内。
发送单元110包含一系列用于接收分别与通道C1到Cn相对应的辐射的光输入TC1到TCn。按照相似的方式，接收单元120包含一系列用于接收分别与通道C1到Cn相对应的光输出RC1到RCn。
下面将介绍系统100的工作情况。多路复用单元110将各输入Tc多路复用成在输出光辐射K1中的对应的波带。辐射K1从单元110传播到滤光器130，该滤光器滤出辐射K1中的与通道Ca相对应的部分并在其引出端口输出该部分。滤光器130还将输入到其引入端口的辐射相加到通过滤光器130传播的一部分辐射K1，以产生输出辐射K2。辐射K2传播到滤光器140，在该处将辐射中与通道Cb相对应的部分隔离并在其引出端口输出。按照与滤光器130相似的方式滤光器140也将输入到其引入端口的辐射相加到通过滤光器140传播的一部分辐射K2，以产生输出辐射K3。辐射K3传播到滤光器150，在该处将辐射中与通道Cc相对应的部分隔离并在其引出端口输出。滤光器150也将输入到其引入端口的辐射相加到通过滤光器150传播的一部分辐射K3，以产生输出辐射K4。辐射K4传播到多路分解单元120，在该处将辐射K4多路分解以便在输出RC处产生输出光辐射。在输出RC处的辐射对应于在输入TC处的辐射，除了在输入TCa、TCb、TCc处的辐射计入滤光器130、140、150的滤波作用以外。将附加的部分(未表示)连接到滤光器130、140、150，以便处理在各滤光器隔离的辐射以及产生要输入到滤光器130、140、150的引入端口的辐射。
本发明人已认识到，非常需要一种在不中断从多路复用单元110到多路分解单元120的通信流的情况下就可重组的系统100以改变下标a、b、c。系统100的这种重组可以利用其中包含选择波长的滤光器的引入-引出式滤光器130、140、150实现，每个滤光器能够从第一通道调谐到第二通道，而没有经过第一和第二通道之间的中间通道调谐，并可操作以便为它们的相关联的引入-引出式滤光器提供引入-引出功能。
参照图3，图3以200标注根据本发明的选择波长的滤光器，其可操作以便为它的相关联的引入-引出式滤光器10提供光引出功能。滤光器200包含循环器210和滤光器模块220，所示的滤光器模块220包含在虚线框225内。滤光器模块220包含一个输入透镜230、可调谐的滤光器器件240、以及输出透镜250。滤光器200包含输入端口，输入端口通过光纤260连接到循环器210的输入端口J1。此外，循环器210包含输出端口J3，输出端口J3通过光纤270连接到滤光器200的输出端口。此外，滤光器200包含一另外端口J2，该另外端口J2通过光纤280连接到输入透镜230。输出透镜250通过光纤290连接到滤光器200。
下面参照图3介绍滤光器200的工作情况。滤光器200的输入端口接收提供到滤光器10的IN端口的辐射Sin。辐射Sin沿光纤260传播到循环器210的输入端口J1。在循环器210内的辐射Sin传播到端口J2，在该处输出以便沿光纤280传播并通过透镜230到滤光器器件240；透镜230形成直径范围在50-100微米的光束，由滤光器器件240接收。由滤光器器件240接收的光束宽于100微米，将使滤光器200中的响应特性恶化。将滤光器器件240调谐到通道Cx，其中整数下标x在从1到n的范围内。在辐射Sin中与通道Cx相对应的辐射部分通过器件240传播并在透镜250接收，该辐射部分通过透镜250继续传播通过光纤290到达滤光器200中的引出端口。在辐射Sin中与通道C1到Cx-1及Cx+1到Cn相对应的辐射部分从器件240反射并通过透镜230和光纤280反向传播到循环器210内的端口J2；这些部分还在循环器210中传播到其输出端口J3并且在这里沿光纤270传播到滤光器200中的输出端口。
滤光器10包含第一和第二滤光器单元，第一单元对应于滤光器200，以及第二单元对应于适合于注入与通道Cx相对应的辐射部分的滤光器200的改进形式。
下面参照图4更详细地介绍滤光器器件240。器件240包含厚度范围在150-250微米的薄的GaAs基片300，厚度为200微米是优选的。基片300包含用310标注的第一主表面，该主表面涂敷防反射的涂层305以便减少从主表面310产生的量级为1500纳米的红外线波长的光反射。基片300包含用320标注的第二主表面，该主表面在基片300上与主表面310相反的一侧。第二表面320其上制造有第一反射镜组件330，反射镜组件330包含交替的AlGaAs和氧化铝层，即4层AlGaAs和3层氧化铝。每层氧化铝厚度范围在300-350纳米，但厚度为314.5纳米是优选的。每一AlGaAs层包含3个顺序的子层，即第一、第二和第三子层：
(1)第一和第三子层的成分为AlaGabAs，其中a处在0.58-0.62的范围内，b处在0.38-0.42的范围内；以及
(2)第二子层的成分为AlcGadAs，其中c处在0.28-0.32的范围内，d处在0.68-0.72的范围内。
对于第一和第三子层的优选成分为Al0.6Ga0.4As，第二子层的优选成分为Al0.3Ga0.7As。
第一和第三子层厚度范围都为45-55纳米，第二子层的厚度范围为15-25纳米。然而，对于第一和第三子层的优选厚度为52.8纳米对于第二子层的优选厚度为19.9纳米。
上述远离的基片300的反射镜组件330是沿与反射镜组件330的主面垂直的方向的高度范围为10-20微米的第一腔340，优选高度为14微米。悬挂在第一组件330上方的并由第一腔340与之分开的是用350标注的第二反射镜组件。
第二反射镜组件350是一整体，并包含一从组件350的周边区域380悬挂在4个支臂(例如支臂370)上的中心基本上圆形的反射镜360，周边区域380通过第一相对厚的GaAs层连接到第一组件330，第一相对厚的GaAs层的厚度基本上为14微米。
中心反射镜360和其相关联的各支臂是通过形成深入到反射镜组件350的4个孔(例如孔390)制造的。因此，中心反射镜360其相关联的各支臂和周边区域380全为整体结构。中心反射镜360的有效直径范围为50-150微米，但100微米是优选的。每个支臂的长度范围为600-2000微米，但1000微米是优选的。每个支臂的横向宽度范围为15-30微米，但20微米是优选的。
第二组件350与第一组件330的方式相似，为一多层结构，包含交替的AlGaAs层和氧化铝层。每个氧化铝层的厚度范围为300-350微米，但314.5微米是优选的。与之相似，每个AlGaAs层的厚度范围为115-140纳米，但125.0纳米是优选的。AlGaAs层的成分为AlaGabAs，其中a处在0.58-0.62的范围内，b处在0.38-0.42的范围内，但Al0.6Ga0.4As对各层都是优选的。
在第二组件中，有6个氧化铝层和7个AlGaAs层。
在远离基片300的上述反射镜组件350的上方是沿与第一组件330的主平面310垂直方向的高度范围为10-20微米的第二腔400，但14纳米是优选的。悬挂在第二组件350上方的和由第二腔400与之分开的是用420标注的第三反射镜组件。
第三组件420包含一由周边区域450悬挂在4个支臂(例如支臂440)上的基本上圆形的中心反射镜430。反射镜430、各支臂、和周边区域450是组件420的整体部分。此外，反射镜430和组件420的各支臂具有与反射镜360和第一组件330中的各支臂相似的横向尺寸。此外，反射镜360、430是沿与第一组件330和第二组件350的平面垂直的方向是相互对准的。周边区域450利用和周边区域380、450之间的第二相对厚的GaAs层连接到第二组件350的周边区域380，该层的厚度范围为10-20微米，但厚度14微米是优选的。
与第一组件330和第二组件350相似，第三组件420方式为一包含交替的AlGaAs和氧化铝层的多层结构。每个氧化铝层的厚度范围为300-350纳米，但厚度314.5纳米是优选的。
第三组件420中的AlGaAs层包含3个顺序的子层，即第一、第二和第三子层：
(1)第一和第三子层的成分为AlaGabAs，其中a处在0.58-0.62的范围内，b处在0.38-0.42的范围内；以及
(2)第二子层的成分为AlcGadAs，其中c处在0.28-0.32的范围内，d处在0.68-0.72的范围内。
对于第一和第三子层的优选成分为Al0.6Ga0.4As，第二子层的优选成分为Al0.3Ga0.7As。
第一和第三子层厚度范围都为10-20纳米，第二子层的厚度范围为90-100纳米。然而，对于第一和第三子层的优选厚度都为13.5纳米，对于第二子层的优选厚度为94.9纳米。
第一和第二腔340，400使反射镜360，430能够自由地悬挂在它们对应的支臂上，通过向反射镜360，430施加作用力使反射镜360，430和第一组件330之间的相互间隔是可调的。这些作用力可以静电方式或压电方式产生。调节这些作用力使得器件240是可调谐的。
此外，在组件330，350，420中选择相对复杂的各层配置，使得能够精确地调节层的折射率并因此分别精确地调节总体中心反射镜360，430以及第一组件330。
如图4中所示的按台阶形式配置周边区域380，450，是为了便于用线分别电连接到与组件330，350，420相关联的连接片460，470，480。相对厚的AlGaAs层可使组件330，350，420基本上相互电隔离。此外，当利用静电力彼此相对驱动中心反射镜360，430和第一组件330时，组件330，350，420是充分导电的，使得通过粘接在其上的相关联的线施加在片460，470，480上的电压能够控制中心反射镜360，430相对于第一组件330的电压。
下面参照图3和图4介绍滤光器器件240的工作情况。利用透镜230将来自循环器210沿光纤280传播的入射辐射聚焦在第三组件420中的中心反射镜430上。中心反射镜430是部分透射的，入射到其上的辐射传播到第二腔400并且大部分在中心反射镜360被反射回中心反射镜430。如果该辐射具有一种波长的部分，使中心反射镜360和中心反射镜430之间的有效距离为严格数量的半波长，在第二腔400内发生谐振，并且这些辐射部分导致在第二腔400内产生驻波。另外，如果该辐射具有一种波长的部分，使中心反射镜360和中心反射镜430之间的有效距离不为严格数量的半波长，则不会形成驻波。第二腔400通过中心反射镜360弱耦合到第一腔340，反之亦然，因此，从一个腔向另一个腔的耦合(系数)范围为0.01％-0.1％。当第一腔340也调谐到与第二腔400相同的波长时，在第一腔340中的谐振导致与来自第二腔400的谐振相对应的辐射部分有效耦合到第一腔340。第一组件330对于辐射是部分透射的，使得在第一腔340中谐振的辐射部分通过第一组件330并通过基片300和其防反射涂层305透射，传播到透镜250并进一步沿光纤290传播到引出端口。
因此，与谐振腔340，400相对应的辐射部分通过器件240透射，而不与谐振相对应的辐射部分由第二和第三组件350，420反射回循环器210。仅当腔340，400调谐到相互类似的波长以使它们的谐振相对应时才发生基本上通过器件240的透射。
下面参照图5，图5表示的是当腔340，400调谐到相互类似的谐振即1550微米波长时图4中所示的滤光器器件240的透射和反射特性的曲线图。在该曲线图中，曲线500表示通过器件240透射的辐射，虚线曲线510表示从器件240反射的辐射。谐振时器件240的辐射衰减小于1dB，虽然与透镜230，250和光纤280，290相关联的耦合损失导致在循环器210和引出端口之间的总体插入损耗在1-2dB范围内。该曲线表明，当其透射衰减损耗小于1dB时谐振时的器件240引起的反射损失电平为-42dB。此外，由于在波长为1550纳米时谐振，当在波长差0.8纳米其透射衰减损耗电平为-25dB时，由器件240引起的反射损耗小于1dB。如图5中所示，由于在波长范围为1545-1555纳米时谐振产生的波长差0.8纳米，通过器件240的透射损耗超过25dB。
下面参照图6介绍器件240从一个通道Ci切换到另一个通道的操作。在图6中，表示了3个相互正交的轴，即波长轴600、时间轴610和透射率轴620。波长、时间和透射率的方向分别用箭头640、650、660来表示。在波长轴600、时间轴610和透射率轴620内包含用700标注的器件240的透射率取决于时间和波长的3维曲线。曲线700在曲线图的后面投影作为用720标注的二维曲线；这一曲线720表示波长与透射率的关系。
第一峰740对应于按照标称波长λ1调谐到一个通道Ci的器件240，第二峰820对应于按照标称波长λ2调谐到另一个通道Ci的器件240。起初，器件240中的腔340，400调谐到波长λ1。为了重新调谐腔340，400，要调节在第二和第三组件350，420之间施加的相对于第一组件330的电位的电压差，以便从波长λ1沿相互相反的波长方向重新调谐腔340，400。这一相互重新调谐使第一峰740加宽并使透射率减小，如用曲线760，780所表示的，因此有效地切换了由器件240提供的透射功能。然后，通过相对于第一组件330的电位改变组件350，420之间的电位差，以便将它们的对应的中心反射镜360，430朝着第二波长λ2移动基本相同的量，从而可以调谐腔340，400，如用曲线800，810所表示的，当将腔340，400两者都调谐到第二波长λ2时，器件240再次变为透射性的，如利用峰820所表示的。
在曲线720中，可以看出器件240在峰740和峰820之间基本上是非透射性的，因此能够从一个通道调谐到另一通道，而没有经过其间的中间通道调谐；在图5中，波长λ1和波长λ2对应于通道Ci中的两个通道。
通过选择性地稍微相互失谐一个或多个腔340，400，器件240还能够起可控衰减器的作用。因此，根据将腔340，400标称地调谐到哪一个通道，调谐器件240可以提供选择波长的衰减。施加到组件350，420上的相对于第一组件330的电压差可以用于确定失谐的程度并由此确定由器件240呈现的衰减。当执行衰减功能时，可以利用器件的反射率的变化。图7表示当将腔340，400失谐到相互波长差为1.6纳米时，即每个腔从标称值1550纳米失谐的波长差值为0.8纳米时，包含在滤光器200中的器件240从光纤280到光纤290形成的反射衰减曲线图。这表明：在滤光器200中的器件240形成的衰减基本上从-15dB到-3dB是可控的。
作为一可控的衰减器的器件240在通信网络中是特别有用的，其中各通道之间的微小损耗通过网络累积并使网络性能降级。因此，器件240可用于协助均衡在网络中的各通道C1间的功率大小。
下面介绍器件240的制造。图8和9图表示制造图4中所示的滤光器器件240的方法的步骤，该方法包括步骤STEPE1到STEPE6。
STEPE1：
参照图8，起初，将GaAs基片300两个主表面抛光达到镜面光洁度，以此使其厚度变薄基本上为200微米。在真空沉积装置中利用金属氧化物化学蒸汽沉积法(MOCVD)在基片300的一个主表面320上生长第一组件330。第一组件330是一种分布式的Brrag反射器(DBR)，并且包含交替的AlGaAs和AlAs层。第一组件330的反射器包含4层AlGaAs和3层AlAs。每个AlAs层厚度为314.5纳米。此外，每个AlGaAs层包含3个顺序的子层，即标称厚度为52.8纳米和通常成分为Al0.6Ga0.4As的第一子层，标称厚度为19.9纳米和通常成分为Al0.3Ga0.7As的第二子层，厚度和成分与第一子层相似的第三子层。因此第一组件330的厚度量级为1.5微米。
接着，在第一组件330上生长GaAs的第一垫层。该垫层标称厚度为14微米。
然后，在远离基片300的第一垫层上利用MOCVD生长第二组件350，第二组件350也是一种DBR。第二组件350中的反射器包含7个AlGaAs层和6个AlAs层。每个AlAs层厚度为314.5纳米。此外，每个AlGaAs层标称厚度为125.0纳米，标称成分为Al0.6Ga0.4As。因此第二组件350的厚度量级为2.8微米。
接着在第二组件350上生长GaAs的第二垫层。该垫层标称厚度为14微米。
最终，在远离基片300的第二垫层上利用MOCVD生长第三组件420，第三组件420也是一种DBR。第三组件420中的反射器包含3个AlGaAs层和2个AlAs层。每个AlAs层厚度为314.5纳米。此外，每个AlGaAs层包含3个顺序的子层，即标称厚度为13.5纳米及通常成分为Al0.6Ga0.4As的第一子层、标称厚度为94.9纳米及通常成分为Al0.3Ga0.7As的第二子层和厚度及成分与第一子层相似的第三子层。第三组件420厚度为1.1微米。
STEPE1的完成形成用880标注的部件。
STEPE2：
参照图9，然后将光敏抗蚀剂层900旋涂到部件880的第三组件420上，采用光刻和相关联的抗蚀剂显影技术以便在层900中形成一些窗口。这些窗口可用于在STEPE2中形成中心反射镜360，430和它们相关联的支臂的轮廓。
STEPE3：
然后对经过STEPE2的部件880进行各向异性反应的离子蚀刻(RIE)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)，其中层900形成一用于蚀刻的缕空模板。连续进行蚀刻直到形成直通MOCVD沉积层的孔910，920为止，这些孔通过MOCVD各层向下达到第一组件330之外。
STEPE4：
然后对经过STEPE3的部件880置入温度范围为380-420℃的蒸汽环境中，但400℃是优选的。这使部件880中的AlAs氧化成为氧化铝。接着最好将部件880进行湿式蚀刻，这种蚀刻不对组件330，350，420蚀刻，而是除去在孔910，920附近的部分垫层，使中心反射镜360，430和与它们相关联的支臂自由悬挂，并且使腔340，400确定成形。此外，湿式蚀刻还可以除去在第一中心反射镜360下方的在第一腔340中第一组件330上保留的第一垫层残留的痕迹。
STEPE5：
然后进一步应用光刻、RIE以及最好湿式蚀刻技术，以便使经过步骤STEPE4的部件880产生台阶外形，如用930标注的。这些台阶外形有助于利用标准的线粘接设备电连接到这个部件。然后将金属选择性地沉积到组件330，350，420上，形成其上需粘接连接线的片460，470，480。
STEPE6：
接着将经过STEPE5的部件880安装在适当的载体(未表示)上，以便使红外线能通过部件880传播，防反射涂层305施加到基片300的主平面310上，然后，将线粘接到片460，470，480上，以完成部件880的制造，提供器件240。
由一个基片可以制造几个与器件240相同的器件，将经过STEPE5后的基片切开以便提供单个的器件用以进行封装和线粘接。
应认识到，在不脱离本发明构思的前提下可以对滤光器200和器件240进行改进。例如可以对器件240进行改进，包含两个以上的相互耦合的谐振腔，以得到更多的选择波长的滤波响应。另外，可以将几个器件240以串联方式级联，以得到更多的选择响应。此外，应指出，按照在本发明中使用的对耦合的光谐振腔进行失谐以实现在引入-引出式滤光器中直接通道切换的技术，除了以机械方式微调谐的光Fabry-Perot谐振器外，还适用于其它类型的相互耦合的光谐振腔，例如在波导器件中的相互耦合的环形光谐振器。
虽然以上介绍的是以静电方式驱动的中心反射镜360，430，但其它驱动方法也是可以的，例如以压电方式驱动，其中例如包含氧化锌作为压电材料的各压电层制造在图8中所示的制造方法的STEPE1中的组件330，350，420上。这些压电层能在支撑中心反射镜360，430的支臂中产生微小的应力，因此，使反射镜相对于第一组件330改变它们的空间间距。
还应认识到，可以施加反馈控制以便稳定反射镜360，430相对于第一组件330的空间间距，使得器件240可稳定地其调谐到分配的通道Ci。这种反馈控制例如在通过器件240反射或透射的通道辐射中可以采用低频赝象，处在通道调制频率的该低频赝象低于在通道Ci中传输的通信业务量。
虽然利用GaAs制造技术制造上述的器件240，但也可以利用硅材料按照改进的形式制造器件240，这些硅材料和GaAs相比较具有优异的机械特性，GaAs和硅相比较是相对脆性的。用硅的改进形式的器件240可以利用一种多部件结构，这些部件例如利用熔融粘结方法粘结在一起。另外，用硅的改进形式的器件240可以在硅基片上制造成表面结构，利用外延沉积法以改进的形式形成器件240中的反射镜和支臂，牺牲的氧化物层用于产生与器件的光谐振腔相对应的空隙。

Claims (33)

1.一种可调的波长选择性的滤光器(240)，包括：多个至少部分地相互耦合的光谐振器(330，340，350，360；350，360，400，420，430)，每个谐振器都包括一个Fabry-Perot腔(340；400)，该腔被限定在部分反射平面(330，360；360，430)之间并具有与其相关联的一个谐振波长，其中当每一个腔的谐振波长相同时，该滤光器至少部分地是透射的，该滤光器在相应于该谐振波长的一个波长范围是透射的，而当每个腔的谐振波长不相同时是不透射的，其特征在于，这些腔通过对这些腔是公共的一个反射平面(350)彼此相互耦合，并且与每个腔(340，400)相关联的至少一个反射平面(360，430)可独立地移动，以便使得在平面(330，360；360，430)之间的间距是可独立地改变的，由此使得每个腔的谐振波长可被独立地调谐。
2.根据权利要求1的可调滤光器，其中，该公共反射平面(350)是可独立移动的。
3.根据权利要求1或2的可调滤光器，其中，从一个谐振器到一个相邻谐振器的相互耦合处在0.01-0.1％的范围。
4.根据权利要求1的可调滤光器，其中，每个反射平面(330，360，430)包括各自的反射镜组件(330，350，420)，其中，第一腔(340)被限定在第一反射镜组件(330)和第二反射镜组件(350)之间，第二腔(400)被限定在第二反射镜组件(350)和第三反射镜组件(420)之间，第二反射镜组件(350)在空间上被定位在第一和第三反射镜组件之间，并且可独立地移动。
5.根据权利要求4的可调滤光器，其中，所述组件(330，350，420)均包括多层结构。
6.根据权利要求5的可调滤光器，其中，每个多层结构包含多个交替的铝镓砷化物和氧化铝层。
7.根据权利要求6所述的可调滤光器，其中，所述氧化铝层均具有范围在300-350纳米的厚度。
8.根据权利要求6或7的可调滤光器，其中，第一和第三组件(330，420)的铝镓砷化物层是这样的，每一层包括第一、第二和第三子层，其中，第一和第三子层具有成分AlaGabAs，此处，a处在0.58-0.62的范围，b处在0.38-0.42的范围；以及第二子层具有成分AlcGadAs，此处，c处在0.28-0.32的范围，d处在0.68-0.72的范围。
9.根据权利要求8的可调滤光器，其中，在第三组件(420)中，第一和第三子层均具有范围在10-20纳米的厚度，第二子层具有范围在90-100纳米的厚度。
10.根据权利要求8或9的可调滤光器，其中，在第一组件(330)中，第一和第三子层均具有范围在45-55纳米的厚度，第二子层具有范围在15-25纳米的厚度。
11.根据权利要求8的可调滤光器，其中，第二组件的铝镓砷化物层具有成分AlaGabAs，此处，a处在0.58-0.62的范围，b处在0.38-0.42的范围。
12.根据权利要求11的可调滤光器，其中，在第二组件(350)中，铝镓砷化物层具有范围在115-140纳米的厚度。
13.根据权利要求4的可调滤光器，其中，第二和第三反射镜组件(350，420)是弹性地悬挂的，它们相互的空间间距可通过向反射镜组件施加压电作用力加以改变。
14.根据权利要求4的可调滤光器，其中，第二和第三反射镜组件(350，420)是弹性地悬挂的，它们相互的空间间距可通过向反射镜组件施加静电作用力加以改变。
15.根据权利要求14的可调滤光器，其中，反射镜组件(330，350，420)被电连接以便能够把电位差施加到其上来产生静电作用力。
16.根据权利要求13-15中任一项的可调滤光器，其中，弹性地悬挂的反射镜组件(350，420)均包含一悬挂在多个柔性支臂(370，440)上的中心反射镜区域(360，430)。
17.根据权利要求16的可调滤光器，其中，每个中心反射镜区域(360，430)是圆形的，并被悬挂在4个支臂(370，440)上。
18.根据权利要求17的可调滤光器，其中，每个中心区域具有范围在50-150微米的有效直径，每个支臂具有范围在600-2000微米的长度。
19.根据权利要求4的可调滤光器，其中，各腔(340，400)和它们相关联的反射镜组件(330，350，420)被以台阶的结构形式制造在一基片(300)上，以便能做出到反射镜组件的电连接，各组件相互是电隔离的。
20.根据权利要求4的可调滤光器，其中，每个腔(340，400)在相关联的反射平面/反射镜组件之间的一区域内包括空隙。
21.根据权利要求20的可调滤光器，其中，该空隙在与其相关联的反射平面/反射镜组件的主平面的法线方向上具有范围在10-20微米的宽度。
22.一种引入-引出式滤光器(10)，用于接收输入的波分多路复用通信辐射，其包括多个通道，每个通道均具有一个与其相关联的、被分配的波长范围，并能引出和引入与在该输入通信辐射中的选定通道相对应的辐射，该引入-引出式滤光器包含符合任何一前述权利要求的可调滤光器(240)，用于隔离与选定通道相对应的辐射。
23.一种制造符合权利要求1的滤光器的方法，该方法包含如下步骤：
(a)在一基片(300)上形成一系列的层(330，350，420)，这些层形成反射镜组件和其间的衬垫层；
(b)在这些层中限定与悬挂的反射器和相关联的柔性支撑臂相对应的部件；
(c)通过蚀刻工艺来处理该基片和其相关联的各层，以产生反射镜组件和其间的光腔，在其中存在有衬垫层；
(d)在组件上限定和产生各个部件，这些部件可操作来驱动彼此相关的各反射镜组件；以及
(e)把滤光器安装在一载体中并制作到滤光器的电连接。
24.根据权利要求23的方法，其中，通过金属氧化物化学汽相淀积来形成各层。
25.根据权利要求23或24的方法，其中，所说的衬垫层用湿法蚀刻，来形成光腔并使反射镜组件能被自由地悬挂。
26.根据权利要求23或24的方法，其中，所述反射镜组件均包含交替的铝镓砷化物和铝砷化物层，还包括热处理铝砷化物过程，用于形成氧化铝。
27.一种把符合权利要求1的可调滤光器(240)从第一波长调谐到第二波长的方法，该方法包含如下步骤：
(a)将各谐振器的谐振波长调谐到第一波长，使得所述滤光器能在第一波长范围提供选择性的过滤；
(b)改变至少一个谐振器的谐振波长，以使这些谐振器相互失谐；
(c)朝向第二波长来改变在相互失谐状态下的每个谐振器的谐振波长；以及
(d)最终把每个谐振器的谐振波长调谐到第二波长，使得该滤光器在第二波长范围提供选择性的过滤。
28.根据权利要求27的方法，其中，通过在第一波长方向和与第一波长方向相反的另一方向上调谐至少一个谐振器，来使这些谐振器与第一波长相互失谐。
29.根据权利要求28的方法，进一步包括朝向第二波长来调谐处在相互失谐状态下的谐振器。
30.一种从波分多路复用辐射选择一个选定通道的方法，所说波分多路复用辐射包括多个通道，每个通道具有一个与其相关联的、被分配的波长范围，该方法的特征在于：
(a)提供一个包括多个至少部分地相互耦合的光谐振器的可调滤光器，其中，每个谐振器的谐振波长可独立地调谐；
(b)把所述波分多路复用辐射施加到所述滤光器的一个输入端；
(c)把每个谐振器的谐振波长调谐到与第一选定通道相对应的第一波长，使得该滤光器在相应于第一选定通道的第一波长范围提供选择性的过滤；
(d)改变至少一个谐振器的谐振波长，以便使这些谐振器相互失谐；
(e)朝向相应于第二选定通道的第二波长来改变处在相互失谐状态下的每个谐振器的谐振波长；以及
(f)最终把每个谐振器的谐振波长调谐到第二波长，使得该滤光器在相应于第二选定通道的第二波长范围提供选择性的过滤。
31.根据权利要求30的方法，还包括通过位于在第一和第二选定通道之间的波长内的任意通道来调谐处在相互失谐状态下的谐振器。
32.根据权利要求30或31的方法，还包括通过在第一波长方向和在与第一波长方向相反的另一方向上调谐至少一个谐振器，来使该谐振器与第一波长相互失谐。
33.根据权利要求32的方法，还包括朝向第二波长来调谐处在相互失谐状态下的谐振器。
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