CN1504731A - 法布里-珀罗装置的精度补偿方法及高精度法布里-珀罗装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要公开一种法布里－珀罗(Fabry－Perot)装置的精细度(finesse)补偿方法，此一法布里－珀罗装置具有彼此平行相对的一第一反射镜(reflector)及一第二反射镜，此一方法包含下列步骤：在该第一反射镜周围正交(orthogonally)配置多个第一致动元件(actuating element)；将该等第一致动元件电连接至多个独立驱动电压(independent drive voltages)；以及控制该等独立驱动电压以驱动该等第一致动元件，进而致动(actuate)该第一反射镜在二旋转自由度(rotation degrees offreedom)上相对于该第二反射镜偏转。

Description

法布里-珀罗装置的精度补偿方法及高精度法布里-珀罗装置

技术领域

本发明涉及一种法布里-珀罗装置的精细度补偿方法及具有高精细度的法布里-珀罗装置，尤其涉及一种利用独立电压控制来调整一法布里-珀罗装置的反射镜倾角(tilt)，进而补偿精细度的方法及实现此一独立电压控制方法的法布里-珀罗装置。

背景技术

近来，各种光学应用技术基于光的反射、折射、干涉及传播速度快等特性及容易取得的优点而蓬勃发展起来，诸如光通讯领域的发展便是一明显例子。由于光通讯是通过光的行进来传递信息，因此在信息传递过程中，信息的发送及接收效率的好坏与光的特性息息相关。换言之，在光通讯通路中所使用的各种光学元件必须能够克服光特性的限制，才能够具有期望的发送及接收效率。

为满足此一需求，目前各种光学元件无不通过次微米乃至于纳米等级的制造技术来制作，例如利用半导体制造技术以及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems；MEMS)制造技术中的面型微机械加工(Surface Micro-machining)所发展的微型法布里-珀罗装置便是一例。

图1为一现有的利用半导体及微机电系统制造技术制作的微型法布里-珀罗装置的立体示意图。如图1所示，一微型法布里-珀罗装置10由两彼此平行相对且镀有光学薄膜的二反射镜11及12所构成，其中反射镜11利用半导体制造技术形成于一玻璃基板13上，而反射镜12则利用微机电系统制造技术形成于一硅基板14上。二反射镜11及12之间的距离D被称为光学厚度(optical thickness)，而反射镜12为一可动反射镜，其可动位移为d，d＜＜D。应用上，通常以此一微型法布里-珀罗装置做为一滤波元件，而通过调整可动位移d来获得一期望的光波长频谱，进而提高数据传输的位量。由于通过此一微型法布里-珀罗装置后的出射光的波长分布近似一高斯分布，因此，一半高全宽(FullWidth at Half Maximum；FWHM)便成了设计者首重的设计参数。一法布里-珀罗装置的光学特性由以下公式定义：

自由频谱范围(Free Spectrum Ratio；FSR)：FSR＝(λ²)/2nD_op；其中λ为中心波长，n为介质折射率(optical index)，D_op为两平行反射镜间的距离；

精细度(Finesse；F)：F＝π√R√(1-R)；其中R为两平行反射镜的反射率(Reflectance)；及

半高全宽值(FWHM)：FWHM＝FSR/F。

图2为通过一法布里-珀罗装置的光波的频谱示意图，其中自由频谱范围(FSR)表示两波形的中心波长之间的距离，半高全宽(FWHM)表示透射率为50％时的频宽，而精细度(F)则表示自由频谱范围(FSR)与半高全宽(FWHM)两者的比值。依照光纤通讯ITU100GHZ的规定，为使通过上述法布里-珀罗装置10后的一出射光的特定波长λ_i相同于波长范围为1530nm～1565nm的C频带(C band)的一中心波长λ，即1550nm，出射光的频谱(spectrum)特性必须满足半高全宽(FWHM)为0.37nm且自由频谱范围(FSR)至少为40nm的条件。举例而言，当设计者欲获得一半高全宽(FWHM)为0.37nm且自由频谱范围(FSR)为50nm的频谱条件时，精细度(F)就必须为135。因此，为了满足光通讯应用时的多通道、窄光谱半高全宽的要求，一法布里-珀罗装置必须具有一高精细度。

然而，就一法布里-珀罗装置而言，影响精细度的因子除了绕射极限及反射镜的表面粗度之外，主要为反射镜的反射率R及倾角θ，亦即，1/F≈1/F_R+1/F_θ，F_R为反射率对于精细度的贡献值，F_θ为倾角对于精细度的贡献值。因此，由光学镀膜所制作的两反射镜往往会因为镀膜精度的不易控制而造成镜面反射率不够及倾角不当的问题，进而让实际上的半高全宽与我们所期望的半高全宽之间存在一误差。

所以，除了调高两反射镜的反射率之外，尚需调整反射镜的倾角作为补偿，才能在一高精细度的要求下，维持一法布里-珀罗装置对于入射光每个波长的调变准确度。举例而言，在所镀的光学薄膜的反射率R为99.5％的情况下，可依据上述关系式F_R＝π√R√(1-R)算出F_R为625，然此一数值与精细度的目标值135有所差距，意谓着反射镜须做一倾角调整。在此情况下，为求获得期望的精细度，必须使两反射镜其中的一偏转一倾角以为补偿。因此，当我们进一步计算出倾角对于精细度的贡献值为231后，便可依据F_θ＝λ/2Dθ的关系式(λ为光波波长、D为光束直径、θ为倾角)来得出倾角，为3.8×10^-4度。

然而，由于上述利用半导体及微机电系统制造技术的法布里-珀罗装置的体积相当小而需补偿的倾角也相当的小，因此，至目前为止，尚无法通过一般的机械调整来补偿此一法布里-珀罗装置的反射镜倾角，进而满足设计者对于半高全宽的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的一个目的在于提供一种法布里-珀罗装置的精细度的方法。

本发明的另一目的在于提供一种法布里-珀罗装置的反射镜倾角的调整方法。

本发明的另一目的在于提供一种法布里-珀罗装置，其具有一高精细度，因而能展现满足我们所期望的半高全宽，进而符合光纤通讯应用的要求。

本发明一种实施方案的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，包含下列步骤：在一第一反射镜周围正交配置多个第一致动元件；将该等第一致动元件电连接至多个独立驱动电压；以及控制该等独立驱动电压以驱动该等第一致动元件，进而致动该等第一反射镜在二旋转自由度上相对于一第二反射镜偏转。一实施例中，第一致动元件可具有多个梳齿(comb)而第一反射镜形成于一硅基板上。

本发明另一实施方案的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，还包含下列步骤：在一第二反射镜周围正交配置多个第二致动元件；将该等第二致动元件电连接至一独立驱动电压；以及控制此一独立驱动电压以驱动该等第二致动元件，进而致动该第二反射镜相对于该第一反射镜平行移动一距离。就此而言，一实施例中，该等第二致动元件可具有多个梳齿，而该第二反射镜形成于一硅基板上。

或者，本发明另一实施方案的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，还包含下列步骤：在该第一反射镜正交周围配置多个第二致动元件；将该等第二致动元件电连接至一独立驱动电压；以及控制此一独立驱动电压以驱动该等第二致动元件，进而致动该第一反射镜相对于该第二反射镜平行移动一距离。就此而言，一实施例中，该等第二致动元件可具有多个梳齿，而该第二反射镜形成于一玻璃基板上。

本发明一实施方案的具有高精度的法布里-珀罗装置，包含：一第一反射镜；一第二反射镜，其具有：一镜面，其各外围上具有多个梳齿，且相邻的外围互相垂直；及四致动板(actuating pads)，分别正交配置于该镜面的各外围外侧，各致动板上形成有多个梳齿，与该镜面各外围上的该等梳齿成交错配置；以及四第一独立驱动电压，分别电连接至该第二反射镜的各致动板，用以驱动各致动板上的该等梳齿，进而致动该第二反射镜的该镜面在二旋转自由度上偏转。

本发明另一实施方案的具有高精度的法布里-珀罗装置，包含：一第一反射镜；一第二反射镜，与该第一反射镜平行相对，其包含：一镜面，其各外围上形成有多个梳齿，且相邻的外围互相垂直；及四致动板组，正交配置于该镜面的各外围外侧，各致动板组包含一第一部分致动板及一第二部分致动板，该第一部分致动板上形成有多个梳齿且该第二部分致动板上形成有多个梳齿，该第一部分致动板上的该等梳齿及该第二部分致动板上的该等梳齿与该镜面的各外围上的该等梳齿成交错配置；以及四第一独立驱动电压，分别电连接至各致动板组的该第一部分致动板，用以驱动该第一部份致动板上的该等梳齿，进而致动该镜面在二旋转自由度上偏转。

本发明又一实施方案的具有高精度的法布里-珀罗装置，包含：一第一反射镜；一第二反射镜，与该第一反射镜平行相对，其包含：一镜面，其外围上形成有多个第一梳齿及多个第二梳齿；多个第一致动板，正交配置于该镜面的外围外侧，各个该等第一致动板上形成有梳齿，与该等第一梳齿成交错配置；及多个第二致动板，正交配置于该镜面的外围外侧，各个该等第二致动板上形成有梳齿，与该等第二梳齿成交错配置；以及多个第一独立驱动电压，分别电连接至该等第一致动板，用以驱动该等第一致动板上的梳齿，进而致动该镜面在二旋转自由度上偏转。

本发明的优点如下，由于一法布里-珀罗装置的两反射镜均被配置成正交梳状结构(orthogonal comb structure)，因此在控制过程中可确保反射镜的位移及倾角的精确度，保持镜面的平整度，避免镜面弯曲。一实施例中，反射镜材料为采用耐热程度较玻璃材质佳的硅晶片，因此可减少热应力(thermal stress)的问题。此外，由于上述的各个独立电压分别只控制反射镜的一个自由度，因此上述独立电压的控制可同时进行而不会互相干扰。

附图说明

图1为一示意图，显示一利用半导体制造技术及微机电系统制造技术所制作的现有的微型法布里-珀罗装置；

图2为一示意图，显示一光波的频谱特性，其中上横轴表示条纹序数、下横轴表示波长，且纵轴表示能量耗损(db)、左纵轴表示透射率(％)；

图3A为本发明第一实施例的法布里-珀罗装置的一反射镜的一上视图；

图3B为本发明第一实施例的法布里-珀罗装置的另一反射镜的一上视图；

图4为本发明第二实施例的法布里-珀罗装置的一可动反射镜的一上视图；

图5为本发明第三实施例的法布里-珀罗装置的一可动反射镜的一上视图；

图6为沿着图3B的线A-A的剖面示意图，说明一反射镜上梳齿被致动而使反射镜偏转的原理；及

图7为本发明一实施例中，梳齿上所输入的电压大小与一可动反射镜上梳齿的位移大小的关系图。

【图号说明】

10：法布里-珀罗装置

11、12、20、30：反射镜

13：玻璃基板

14：硅基板

21、31、41、51：镜面

23、33、43、43a、43b、53a、53b：致动板

22、24、32、34、42、44a、44b、52a、52b、54a、54b：梳齿

具体实施方式

本发明提出一种通过独立电压控制致动元件的方法来调整一法布里-珀罗装置中两反射镜的倾角，此一法布里-珀罗装置具有一高精细度，进而让通过此一法布里-珀罗装置的一光波分布的半高全宽能达到期望值。此外，此一独立电压控制致动元件的方法更可用以调整一法布里-珀罗装置中两反射镜的一间距，以修整通过此一法布里-珀罗装置的一光波分布波形。以下参考相关图式说明本发明的各个实施例。

第一实施例

本实施例的补偿一法布里-珀罗装置的精细度的方法是，采用两个硅(Silicon)晶片来制作两平行反射镜20及30；然后将一反射镜20配置成为一正交型梳状结构，其上视图如图3A所示，将另一反射镜30配置成为另一正交型梳状结构，其上视图如图3B所示；再通过一组独立电压来控制反射镜20相对于反射镜30的一移动，以微调两反射镜之间的一光学距离及通过四组独立电压来控制反射镜30相对于反射镜20的一偏转，以调整反射镜30的一倾角。

如图3A所示，反射镜20的正交型梳状结构包含一镜面21，镜面的四个正交外围上分别具有五条状梳齿22；及四个致动板23，形成于镜面21的四个外围外侧，各个致动板23上具有四条状梳齿24，梳齿24与梳齿22被配置成彼此交错；其中，镜面21的四个外围外侧所形成的四个致动板23均电连接至一独立电压V1。

因此，通过控制独立电压V1的大小及电性，可同时致动镜面21上分布的所有梳齿22，而让镜面21在垂直纸面的方向上平行移动，举例而言，在图1所示的Z方向上移动，而达到调整反射镜20相对于反射镜30的一预设位移。再者，由于电连接于独立电压V1的四个致动板23是以正交的方式形成在镜面21的四个外围外侧，因此有助于提高镜面21移动时的精确度。

如图3B所示，本实施例中另一反射镜30的正交型梳状结构与反射镜20同，在此不再赘述。不同的是，四个致动板33分别与四个独立电压V2、V3、V4及V5电连接。

因此，通过控制独立电压V2、V3、V4及V5的大小及电性来致动镜面31上的梳齿32，可带动镜面31相对于纸面(或图1所示的XY平面)偏转，进而调整反射镜30相对于反射镜20的一倾角。详言之，请一并参考图6，图6为沿着图3B的线A-A所形成的剖面示意图，如图3B与图6所示，当致动板33上编号b的梳齿被施以一电压V2而产生的正、负电性后，镜面31上编号a及c的梳齿32便会因为电性的排斥作用而下降一位移。依此原理，便可通过调整独立电压V2及V4让镜面31产生如图1所示的一角度变化θ_y，且通过调整独立电压V3及V5让镜面31产生如图1所示的一角度变化θ_x。

在本实施例中，由于五组独立电压V1、V2、V3、V4及V5分别只控制反射镜的一个自由度(共四个转动自由度及一个移动自由度)，因此这五组独立电压的控制可同时进行，又如上所述，由于本实施例的法布里-珀罗装置的两反射镜均被配置成正交梳状结构，因此在控制过程中可确保反射镜的位移及倾角的精确度。此外，由于本实施例采用耐热程度较玻璃材质佳的硅晶片为反射镜材料，因此可减少热应力的问题。

需注意的是，本实施例中，只要反射镜20可通过一组独立电压来控制其位移以及另一反射镜30可通过四组独立电压来控制其倾角，则反射镜20及30的结构配置并不限于正交梳状结构配置而可为其它类型的结构配置。因此，本实施例中所述及的梳齿个数、致动板个数及镜面形状仅是例示性的而不是限制性的。

第二实施例

本实施例的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法是，采用一玻璃基材来制作成一固定反射镜(未显示)及采用一个硅晶片来制作成一可动反射镜(见图4)；然后将可动反射镜配置成为一正交型梳状结构，其上视图如图4所示；再通过一组独立电压来控制此一可动反射镜相对于固定反射镜(未显示)的一位移及通过四组独立电压来控制此一可动反射镜相对于固定反射镜(未显示)的一倾角。

如图4所示，本实施例的可动反射镜40的正交型梳状结构包含：一镜面41，其四个正交外围上分别具有五条状梳齿42；以及四组致动板43，分别形成在镜面41的四个外围外侧，每组致动板43包含两个配置在两端的A致动板43a及一个配置在中央的B致动板43b，A致动板43a上具有一条状梳齿44a，而B致动板43b上具有二条状梳齿44b，梳齿44a及44b与梳齿42被配置成彼此交错；其中，所有的A致动板43a均电连接至一独立电压V1，而镜面41的四个外围外侧的B致动板43b则分别电连接至四个独立电压V2、V3、V4及V5。

因此，通过控制独立电压V1的大小及电性，可同时致动镜面41四个外围上靠近两端的梳齿42，进而让镜面41在垂直纸面的方向上移动，以调整可动反射镜40相对于固定反射镜(未显示)的一位移；而通过控制独立电压V2、V3、V4及V5的大小及电性，可分别致动镜面41四个外围上靠近中央的梳齿42，进而带动镜面41相对于纸面(或图1所示的XY平面)偏转，以调整可动反射镜40相对于固定反射镜(未显示)的一倾角。

换言之，本实施例的一可动反射镜40是通过五组独立电压同时而分别地控制镜面41的一位移及一倾角。由于电连接于独立电压V1的四组致动板43是以正交的方式分别形成在镜面41的四个外围外侧，因此可准确控制镜面41在移动过程中的平整度，避免镜面41弯曲。

需注意的是，本实施例中，只要可动反射镜40可同时通过一组独立电压来控制其位移以及四组独立电压来控制其倾角，则可动反射镜40的结构配置并不限于正交梳状结构配置而可为其它类型的结构配置。因此，本实施例中所述及的梳齿个数、致动板个数及镜面形状仅是例示性的而不是限制性的。

第三实施例

本实施例的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法是，采用一玻璃基材来制作成一固定反射镜(未显示)及采用一个硅晶片来制作成一可动反射镜(见图5)；然后将可动反射镜配置成为一具有截角的正交型梳状结构，其上视图如图5所示；再通过一组独立电压来控制此一可动反射镜相对于固定反射镜(未显示)的一位移及通过四组独立电压来控制此一可动反射镜相对于固定反射镜(未显示)的一倾角。

如图5所示，本实施例的可动反射镜50的截角正交型梳状结构包含：一镜面51，其四个正交外围上分别具有五条状梳齿52a，其四个截角上分别形成有三细长条状梳齿52b；四组A致动板53a，分别形成在镜面51的四个外围外侧而成正交配置，各组A致动板53a上具有四细长条状梳齿54a，梳齿54a与梳齿52a被配置成彼此交错；及四组B致动板53b，分别形成在镜面51的四个截角外侧而成正交配置，各组B致动板上53b上具有二细长条状梳齿54b，梳齿54b与梳齿52b被配置成彼此交错；其中，镜面51的四个外围外侧的致动板A均电连接至一独立电压V1，而镜面51的四个截角外侧的致动板B则分别电连接至四个独立电压V2、V3、V4及V5。

因此，通过控制独立电压V1的大小及电性，可同时致动镜面51四个外围上的梳齿52a，进而让镜面51在垂直纸面的方向上移动，以调整可动反射镜50相对于固定反射镜(未显示)的一位移；而通过控制独立电压V2、V3、V4及V5的大小及电性，可分别致动镜面51四个截角上的梳齿52b，进而带动镜面51相对于纸面(或图1所示的XY平面)偏转，以调整可动反射镜50相对于固定反射镜(未显示)的一倾角。

在本实施例中，基于可动反射镜50的一倾角变化很小，所以仅通过四组独立电压控制镜面51的四个截角上的梳齿52b来达到调整倾角的目的。再者，由于调整本实施例的法布里-珀罗装置的可动反射镜相对于固定反射镜(未显示)的一移动的梳齿52a成一正交配置，因此在可动反射镜的移动过程中可确保镜面的平整度，避免镜面弯曲。

需注意的是，本实施例中，只要可动反射镜50可同时通过一组独立电压来控制其位移以及四组独立电压来控制其倾角，则可动反射镜50的结构配置并不限于具有截角的正交梳状结构配置而可为其它类型的结构配置。因此，本实施例中所述及的梳齿个数、致动板个数及镜面形状仅是例示性的而不是限制性的。

图7为本发明第一实施例中，梳齿34上所输入的电压大小与镜面上梳齿32的位移大小的关系图。如图7所示，电压大小与位移大小的关系在电压为20V至35V附近几近为一线性关系，因此，就本实施例而言，当所需补偿的倾角为3.8×10^-4度时，可算出镜面31上梳齿32所需要的位移量约为20nm，而通过在梳齿34上施加142.8mV的电压大小来达成。

需注意的是，上述各个实施例中，镜面与致动板上的梳齿数目可依设计者需求而增减，且梳齿的截面形状除矩形外，也可为其它形状。另一方面，如上所述，本发明中的独立电压的输入大小及电性可依设计来做调整，以便利镜面的一倾角调整。

综上，本发明的各个实施例已然详细描述。然而，本利用普通技术人员当了解的是，各实施例的描述在此仅是例示性而不是限制性的，亦即，在不脱离本发明实质精神及范围之内，上面所述及的各项元件的变化例以及修正例均为本发明所涵盖。举例而言，本发明的独立电压配置可依镜面的形状及梳齿的配置来调整。因此，本发明的保护范围由本发明的权利要求所加以界定。

Claims (10)

1.一种法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于：该法布里-珀罗装置具有彼此平行相对的一第一反射镜及一第二反射镜，该方法包含下列步骤：

在该第一反射镜周围正交配置多个第一致动元件；

将该等第一致动元件电连接至多个独立驱动电压；以及

控制该等独立驱动电压以驱动该等第一致动元件，进而致动该第一反射镜在二旋转自由度上相对于该第二反射镜偏转。

2.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于，还包含下列步骤：

在该第二反射镜周围正交配置多个第二致动元件；

将该等第二致动元件电连接至一独立驱动电压；以及

控制该独立驱动电压以驱动该等第二致动元件，进而致动该第二反射镜相对于该第一反射镜平行移动一距离。

3.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于，还包含下列步骤：

在该第一反射镜正交周围配置多个第二致动元件；

将该等第二致动元件电连接至一独立驱动电压；以及

控制该独立驱动电压以驱动该等第二致动元件，进而致动该第一反射镜相对于该第二反射镜平行移动一距离。

4.如权利要求2所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于：该第一反射镜及该第二反射镜形成于一硅基板上。

5.如权利要求3所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于：该第一反射镜形成于一硅基板上，而该第二反射镜形成于一玻璃基板上。

6.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于：各该等第一致动元件具有多个梳齿。

7.如权利要求2所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于：各该等第二致动元件具有多个梳齿。

8.一种法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于：该法布里-珀罗装置具有彼此平行相对的一第一反射镜及一第二反射镜，该方法包含下列步骤：

将该第一反射镜配置成周围具有多个第一梳状致动元件的正交梳状结构；

将该等第一梳状致动元件电连接至多个第一独立驱动电压；及

控制该等第一独立驱动电压以驱动该等第一梳状致动元件，进而致动该第一反射镜在二转动自由度上相对于该第二反射镜偏转。

9.如权利要求8所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于，还包含下列步骤：

将该第二反射镜配置成周围具有多个第二梳状致动元件的正交梳状结构；

将该等第二梳状致动元件电连接至一第二独立驱动电压；及

控制该第二独立驱动电压以驱动该等第二梳状致动元件，进而致动该第二反射镜相对于该第一反射镜平行移动一距离；

其中该第一反射镜及该第二反射镜形成于一硅基板上。

10.如权利要求8所述的法布里-珀罗装置的精细度补偿方法，其特征在于，还包含下列步骤：

配置多个第二梳状致动元件于该第一反射镜的周围；

将该等第二梳状致动元件电连接至一第二独立驱动电压；及

控制该第二独立驱动电压以驱动该等第二梳状致动元件，进而致动该第一反射镜相对于该第二反射镜平行移动一距离；

其中该第一反射镜形成于一硅基板上，而该第二反射镜形成于一玻璃基板上。

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