CN1620618A - Mems可重新配置的光学光栅 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐光栅装置包括在一光学传输路线内的多个光栅结构。一种微机电(MEMS)激励器被有效地连接到每一个光栅结构以改变光栅结构之间的间距并把光栅调谐到所要求的波长选择性。该光栅结构最好形成一布喇格光栅。

Description

MEMS可重新配置的光学光栅
发明领域
本发明涉及光学衍射和反射光栅，更具体地讲，本发明涉及布喇格光栅。
发明背景
布喇格光栅和类似的纤维光学部件和其他光学光栅结构是用玻璃，塑料或硅制成以展开一光谱或其他辐射。这些光栅通常由窄的互相平行的缝或窄的互相平行的反射面组成，它把遇到的波分解开。
如人们所熟知，各种波长的光以所有的角度散射。然而在某些角度上，在某个波长上光相长迭加，而在其他波长上相消迭加(或互相干涉)，从而把光的强度减小到零或接近于零。在光栅展开一个光谱的这些角度范围内，角度的波长能够有一个逐渐的变化。如果在光栅上形成多个槽，那么光线就集中在特殊方向上，因而能和其他类似的光学器件一起被用作光学滤波器。
一个常用的光学光栅是用作周期光栅的布喇格光栅，啁啾光栅，如象和激光器一起用的分布式反馈或分布式布喇格反射器光栅(DFF或DBR)，和用于环型谐振器的法布里一布罗标准具光栅，该谐振器被设计用于加入/撤去多路调制器和类似光学装置。布喇格光栅是表面声波(SAW)器件的等价物。有了一个调谐光栅，就可以对散射状况有某种补偿。某些光学滤光器用在制造时已调谐好的布喇格光栅，温度调谐的布喇格光栅或压缩/应力调谐的布喇格光栅。
用温度或压缩/应力方法以调谐光栅的这种已有技术的解决方法通常只有最多几十纳米的有限的调谐范围，并且具有慢的调谐操作，如人们所知道的那样，温度和应力的变化对布喇格偏离和改变由下式确定
ΔγBRAGG＝KTΔT+KσΔσ
另外，在单个已有技术装置中，多个配置通常是不可能的。
发明概要
因而本发明的一个目的是提供一种可调谐光学光栅，它不涉及用温度或应力的变化对光栅调谐。
本发明的另一个目的是提供一种可调谐光学光栅，其中光栅分布可以在一个宽的范围内，如象几百纳米的范围内加以控制。
本发明的另外一个目的是提供一个可调谐光学光栅，它可以用一个装置实现多个配置。
本发明是有益的以及它提供一种可调谐光学光栅，该光栅有包含在一个光学传输路线内的多个光栅结构。用一种微机电(MEMS)激励器有效地连接到每一个光栅结构以改变各光栅结构之间的间距，从而把光栅调谐至所要求的波长选择性。
在本发明的一个方面中，该光栅结构形成一个布喇格光栅并且是一个周期性光栅，在本发明的另一个方面中，该光栅结构形成一个啁啾光栅。在本发明的又一个方面中，该光栅结构可以是一个分布式反馈光栅，分布式布喇格反射器光栅或一个法布里一布罗标准具加入/撤去光栅结构。
该布喇格光栅或其他光栅能够在一片硅MEMS衬底上形成，形成的MEMS激励器有效地连接到每一个光栅结构。该MEMS激励以能够用本领域技术人员所知道的光刻法或其他MEMS制造技术在MEMS衬底上形成。在本发明的又一个方面中，MEMS激励器每一个都能包含一个平的，单层硅膜结构。
在本发明的另一个方面中，该MEMS激励器每一个都能包含至少一个锚支座，和一个与一个光栅结构有效相连，为锚支座所支持并可以随之一起移动的臂部件，以使该光栅结构相对于其他光栅结构移动。该MEMS激励器也能包括和每一个光栅结构有效连接的铰式平板激励器。
本发明的一种可调光栅装置也能包含一个确定一个输入口的光波导，通过该输入口，形成一个象多-波长光学信号这样的光信号并通过该光栅结构。一光波导能确定一输出口，以接受从光栅结构来的光信号。一个准直透镜能被有效地连接到输入口以形成一准直光学信号。一个会聚透镜能被有效地连接到输出口以会聚光学信号，这些全是用本领域的技术人员所知道的用透镜的技术来实现的。
在本发明的又一个方面中，一个可调谐的，加入/撤去光学网络部件包含一个输入口，以接受多-波长光学信号并把该光学信号沿着一光学传输路线传送。一个输出口接受沿着光学传输路线的光学信号并把带着加入的光学信号通道分量的多-波长光学信号或被撤去光学信号通道分量的多-波长光学信号传送出去。一个光学加入/撤去元件被包含在光学传输路线内，它包括多个包含在光学传输路线内的多个布喇格光栅结构，这些结构形成一布喇格光栅以接受光学信号并传送和/或反射一所要求波长的光学信号通道分量。一种微机电(MEMS)激励器被有效地连接到每一个布喇格光栅结构以改变在各布喇格结构之间的间距并把布喇格光栅调谐至所要求的波长选择性。
在本发明的又一个方面中，加入和撤去口被有效地连接到光学加入/撤去元件，在该元件处所要求波长的光学信号通道分量被加入或撤去。该布喇格光栅结构最好是可配置的以对不同的光学信号通道分量响应。
在本发明的又一个方面中，一个可调谐激光器和滤光器装置包括一半导体衬底和在半导体衬底上形成的一激光器结构。该激光器结构包括一活性层以及沿着有源层形成的多个布喇格光栅结构，以形成一个布喇格光栅并提供在一个所要求布喇格波长上的光学反射，一种微机电(MEMS)激励器被有效地连接到每一个布喇格光栅结构以改变在各布喇格光栅结构之间的间距并把布喇格光栅调谐至一所要求的波长选择性并把激光器的输出限制到一选定的窄带模式。
附图简要描述
从以下对本发明的详细描述并借助于附图，本发明的其他目的，特征和优点将变得清楚，在附图中：
图1是用在一个加入/撤去多路调制器中，本发明可调光学光栅的一个例子。
图2是以布喇格光栅形式给出的，本发明可调光学光栅的一张轴侧图。
图3，4，5和6给出用本发明一个单个的可调光学光栅的多个可能配置，它们给出一个对应的周期性光栅，啁啾光栅、DFB光栅和法布里一布罗标准具光栅。
图7是用一个布喇格光栅的本发明可调谐激光器和滤光器装置的示意图。
图8、9和10是能够用于本发明的不同微机电(MEMS)激励器的例子。
优选实施方案的详述
下面将参照附图来更加充份地叙述本发明，在图中给出了本发明的优选实施方案。然而本发明可以赋以许多不同形式，因而不能解释为只限于在此处给出的实施方案。提供这些实施方案而是为了使得本发明内容周到和完整，并向本领域的技术人员充份表达本发明的范围。全文中用相同的数字表示相同的元件。
本发明是有益的并且提供了一种可调光栅，更具体地讲，一种可调布喇格光栅，它用能在一宽得多的范围内，如象几百纳米范围内调谐光栅的微机电(MEMS)激励器。本发明也允许在单一装置内的多种配置。
现参照图1和图2，图1中在20画出一个加入/撤去多路调制器，其中插入如图2中所示的可调布喇格光栅22a、22b。如图所示，按照本发明的可调光学光栅22a、22b是位于光学传输路线24内，作为整个光学传输系统的一部分，而该系统用了光学环行器26a、26b。放大器28能够置于构成加入/撤去多路调制器20一部分的光栅的输入侧30或输出侧32。该光栅作为布喇格反射光栅形成的并设置成反射在第一个环行器26a内撤去的波长和反射在第二个环行器26b内加入的波长。放大器28能够用来为在加入/撤去和“通过”传送中的任何插入损失加以调整。也可能用不同的定向光学耦合器和光学隔离器来提供选择性的加入/撤去能力，而不同所述并画出的光学环行器，这对于本领域的技术人员都是了解的。一个中央处理器29，如象作为个人计算机(小型的或大型的)的一部分那样的处理器，专用集成电路(ASIC)或其他本领域技术人员所熟知的装置藉助控制线29a通过控制各个MEMS激励器以控制在光栅结构(图2)之间的间距。
图2画出了本发明一个可调光学光栅30的轴侧图，它有一个单光导纤维形式的光波导34，形成一个输入口35，该输出口让波分多路调制信号形式的光信号通过一准直透镜36。被准直的信号接着通过形成一个布喇格光栅的多个光栅结构38(作为一个非限制性例子，画出了形成一个布喇格光栅的4个光栅结构)，并进入一个会聚透镜40，该光学信号通过单光导纤维形式的另一个光波导所确定的一个输出口42。
在本发明的一个方面中，该光栅结构38被制造成可以在形成MEMS激励器的硅MEMS衬底44上移动，并且该光栅结构能够被调谐，也即布喇格光栅结构之间的间距能够改变以把布喇格光栅调谐到所要求的布喇格波长选择性，图中用∧BRAGG表示。该光栅结构38能够用半导体和本领域的技术人员熟知的光刻技术来形成，并连接到MEMS激励器，以使光栅结构能随MEMS激励器运动而一起运动。
现参照图3-6，那里画出了四种不同类型的光栅，它们可以被确定为如图2中所示的单一的器件，不过其中在各个光栅结构之间的间距已经改变。图3画出了一个简单的周期性光栅，其中在光栅结构之间的距离大致相等。图4画出了一个啁啾光栅，其中当光线由左向右通过时，光栅结构之间的间距逐渐变大。图5画出了一个分布式反馈光栅，图中显示在左边和右边二组光栅结构之间有一间隔。
图6画出一个法布里一布罗标准具，图中显示在两组光栅结构之间有一个大的空隙，就如在法布里一布罗标准具光栅结构中所常有的那样。
图8-10画出了几种类型的微机电(MEMS)激励器，按照本发明它可以用来改变在各个光栅结构38之间的间距。虽然所画出的各个MEMS激励器显示MEMS激励器的不同的运动类型，但应当理解到，本领域的技术人员可以提出许多种不同类型的MEMS激励器供使用。所画出激励器只是为了说明目的的非限制性例子。
图8画出一个平的单层硅部件50，它能处理成一个激励器结构，就如本领域的技术人员所熟知的那样，硅有相当高的杨氏模量，例如约139到190GPa，从而允许有一定激励器偏移能力。例如对50微米(UM)的偏移，能够用一片5mm长5mm宽50微米厚的单层硅薄膜。在其加工过程中，该硅膜50被处理成有一个膜盒/杠杆MEMS结构52。该膜盒/杠杆结构能够用本领域技术人员所知道的MEMS制造技术来制造从而形成一个激励器，该激励器依据从控制器29接受到的输入使光栅结构移动一事先确定的距离。该移动甚至可以在几个纳米的数量级。当一个膜盒移动时，它能够滑动一个杠杆或其他内部连接件并移动和它连接的光栅结构，以一个事先确定的距离移动从而形成一个如在图3-6中所示的光栅。
图9以方框图形式画出一个铰式平板激励器60，其中一个连结件62把铰式平板激励器60机械地连接和内部连接到一个光栅结构38。该激励器给予连接件62一个平面内运动，以形成一个水平的前后往返运动以使光栅结构38移动到所要求的位置。该激励器能够用两个垂直取向的电极来形成，其中一个电极是可移动的，而另外一个是固定的，这对于本领域的技术人员是明白的。能够用一个控制的电压源把电压加到两个电极之间，而可动电极将向固定电极移动或摆动。该可动电极的水平位移将由连接件转移给光栅结构，从而光栅结构被置于一个所要求的位置。
也可以用一MEMS可偏移的梁部件70，如图10所示，该部件用一种硅，玻璃或石英材料制成，如本领域的技术人员所知道的那样。该MEMS激励器可以包括一个锚72和臂部件74，该臂部件可滑动地连接到或有效地连接到该锚，并被静电荷所偏置，该电荷和MEMS电极76一起起作用，这对于本领域的技术人员是知道的。
可以用本领域技术人员所知道的那些技术，包括标准的光刻技术来形成这些和其他的MEMS激励器。这些技术能够包括各种槽和孔的深离子反应性腐蚀和各种热氧化薄膜淀积，光刻技术，包括光致抗蚀应用，和等离子体腐蚀。
图7画出了本发明的另外一个方面，它是对于半导体可调激光器和滤光器装置80的，其中反射发生在某一布喇格波长，这对于本领域的技术人员是知道的。如果用一个半导体聚合物分布式反馈(DFB)激光器，那么反射发生在布喇格波长：λBRAGG＝2neff∧，其中neff是有效折射系数。图7画出一个分布式布喇格光栅区81的使用。该光栅能提供高的反射率和波长选择性。这个可调激光器和滤光器装置可以包括一片半导体衬底82和在该衬底上形成的一个激光性结构84。该激光器结构包括一个活性层86，这对于本领域的技术人员是了解的，以及根据本发明，多个布喇格光栅结构88沿着活性层形成以形成一个布喇格光栅并提供在某一要求的布喇格波长上的光学反射。一个微机电(MEMS)激励器90被有效地连接到每一个布喇格光栅结构以改变在布喇格光栅结构之间的间距并把布喇格光栅调到所要求的波长选择性并把激光器的输出限制在一个选定的窄带模式。该装置可包括一个光学增益区域92，也包含一个相位调节区94，它们通过电极96，97各自被选择性地控制。也有一个电极98连接到分布式布喇格光栅81上。电极100控制该MEMS激励器。
如同本领域的技术人员所知道的那样，前面所叙述的这种类型的表面发射半导体激光器能够在高的功率等级上运作并具有高的效率以及能够形成在单一模式下的单个远场波瓣。在布喇格光栅形式下的分布式反馈光栅是由周期性交替的光栅元件组成以作为一个二级光栅提供光学反馈。被动分布式布喇格反射光栅能够在分布式反馈光栅邻近形成并提供近场均匀性同时保持高的效率。能够用标准的光刻技术来形成对于各个光栅结构的MEMS激励器，这对于本领域的技术人员是了解的。
分布式反馈激光器应用在近代通信系统和密波分多路调制(DWDM)应用中变得更为普遍，从而允许在一条光纤上多通道(多载频)，和高位传输率信号有效地结合。激光器源通常操作在1310纳米和1550纳米上，以用非常高的传输率甚至高于2.5千兆比特每秒，来传输数字信息。该激光器发射的激光具有多个纵模并具有环绕中心波长的窄带波长簇。在不同波长之间的干扰限制了沿着一根光纤能够传输的通道数目。分布式反馈激光器如图所示那样在激光器介质中用光栅作为一个滤光器以把激光器输出限制到一个单窄带模式，这对于长距离和高速通信是需要的。
本发明的可调光学光栅对于调谐布喇格光栅具有特殊的适用性，并例如能够用于相控制阵天线的光学散射补偿和宽带光束形成。按照本发明的可调光栅的其他应用可以包括光学放大器增益谱整平。它也能包括自适光学均衡和如图1中画出的可重新配置的光学加入/撤去多路调制以及在对于本领域的技术人员了解的其他例子中。它能够用于通道模拟和光学传感器，以及可调光学带通和带止滤波器。它也能用于DFB器件的主动温度补偿。这完全是本领域的技术人员所知道的技术领域，而MEMS技术特别适用于这些系统。
借助于前面的叙述和附图所给出的教导，在本领域中的技术人员可以想出对本发明的许多修改和其他实施方案。因而应当理解到，本发明不限于这些公布的实施方案，本发明要求其他的修改和实施方案包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (28)

1.一种可调光学光栅，包含：
多个光学光栅结构，它们包含在一个光学传输路线中；以及
一种有效地连接到每个光栅结构的微机电(MEMS)激励器，以改变在光栅结构之间的间隔并把该光学光栅调到所要求的波长选择性。
2.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中所述布喇格光栅结构形成一个周期光栅。
3.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中所述布喇格光栅结构形成一个啁啾光栅。
4.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中所述布喇格光栅结构形成一个分布式反馈光栅。
5.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中所述布喇格光栅结构形成一个法布里一布罗标准具加入/撤去光栅结构。
6.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中还包含一个硅MEMS衬底，在其上形成所述布喇格光栅结构，所述MEMS衬底形成和各个布喇格光栅结构有效连接的激励器。
7.按照权利要求6的一种可调光学光栅，其中所述MEMS激励器是用光刻法在所述MEMS衬底上形成的。
8.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中所述MEMS激励器每一个都包含一平的、单层的硅膜结构。
9.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中所述MEMS激励器每一个都包含至少一个锚支座和一个与一个布喇格光栅结构有效相连、由锚支座支持并可和锚支座一起运动的臂部件，以使所述布喇格光栅结构相对于另一个布喇格光栅结构移动。
10.按照权利要求1的一种可调光学光栅，其中所述激励器每一个都包含一个有效地连接到每一个布喇格光栅结构的铰式平板激励器。
11.按照权利要求1的一种可调光学光栅，还包含一个确定一个输入口的光波导，通过这个输入口，光信号经过所述布喇格光栅结构，还包含一个确定一个输出口的光波导，以接受从布喇格结构来的光信号。
12.按照权利要求11的一种可调光学光栅，还包含一个和所述输入口有效地连接的准直透镜和一个与所述输出口有效地连接的会聚透镜。
13.一种可调光学加入/撤去网络部件，包括：
一个接受多波长光信号并把该光信号沿一条光传输路线传送的输入口；
一个从光传输路线接受光信号，并传送带着加上或撤去光信号通道分量的多波长光信号的输出口；
一个包含在光学传输路线内的光学加入/撤去元件，所述光学加上/撤去元件包含：
包含在光学传输路线内并形成布喇格光栅的多个布喇格光栅结构以接受光学信号并传送和/或反射所要波长的光信号通道分量；以及
一种有效地连接到每一个布喇格光栅结构的微机电(MEMS)激励器以改变在布喇格光栅结构之间的间隔，并把布喇格光栅调至所要求的波长选择性。
14.按照权利要求13的一种网络部件，还包含和所述光学加入/撤去元件有效连接的加入和撤去口，其中所要求波长的光学信号通道分量被加入和撤去。
15.按照权利要求13的一种网络部件，其中所述多个布喇格光栅结构是可以配置的以响应不同光学信号通道分量。
16.按照权利要求13的一种网络部件，还包含一个硅MEMS衬底，在其上形成所述布喇格光栅结构，所述MEMS衬底形成和每一个布喇格光栅结构有效连接的激励器。
17.按照权利要求16的一种网络部件，其中所述MEMS激励器是用光刻法在所述MEMS衬底上形成的。
18.按照权利要求13的一种网络部件，其中所述MEMS部件每一个都包含一个平的、单层硅膜结构。
19.按照权利要求13的一种网络部件，其中所述MEMS激励器每一个都包含至少一个锚支座和一个与一个布喇格光栅结构相连、由锚支座支持并可和锚支座一起运动的臂部件，以使所述布喇格光栅结构相对于另一个布喇格光栅结构移动。
20.按照权利要求13的一种网络部件，其中所述MEMS激励器每一个都包含一个有效地连接到每一个布喇格光栅结构的铰式平板激励器。
21.一种可调激光器和滤光器装置，包含：
一个半导体衬底；
在半导体衬底上形成的一个激光器结构，以及还包含一个有源层，和沿着有源层形成的多个布喇格光栅结构以形成一个布喇格光栅并在某个所要求的布喇格波长上提供光学反射；以及
有效地连接到每一个布喇格光栅结构的微机电(MEMS)激励器，以改变各个布喇格光栅结构之间的间隔，从而把布喇格光栅调至所要求的波长选择性，并把激光器的输出限制在一个选定的窄带模式。
22.按照权利要求21的一种装置，其中所述激光器结构包含一个分布式反馈激光器。
23.按照权利要求21的一种装置，其中所述有源层包括一个量子阱结构。
24.按照权利要求21的一种装置，其中还包含一MEMS衬底，其上形成所述布喇格光栅结构，所述MEMS衬底形成和每个布喇格光栅结构有效连接的激励器。
25.按照权利要求21的一种装置，其中所述MEMS激励器是用光刻法在所述MEMS衬底上确定的。
26.按照权利要求21的一种装置，其中所述MEMS激励器每一个都包含一个平的、单层硅膜结构。
27.按照权利要求21的一种装置，其中所述MEMS激励器每一个都包含至少一个锚支座和一个与一个布喇格光栅结构有效相连、由锚支座支持并可和锚支座一起运动的臂部件，以使所述布喇格光栅结构相对于另一个布喇格光栅结构移动。
28.按照权利要求21的一种装置，其中所述MEMS激励器每一个都包含一个和每一个布喇格光栅结构有效相连的铰式平板激励器。
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