DE60110455T2

DE60110455T2 - Optische filter

Info

Publication number: DE60110455T2
Application number: DE60110455T
Authority: DE
Inventors: Keith Loder Malvern LEWIS; Gilbert William Malvern SMITH; Mark Edward Malvern MCNIE
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2021-11-24
Also published as: DE60110455D1; JP2009080509A; JP2004514945A; AU2386702A; JP4398148B2; EP1337888A1; CA2436802A1; WO2002044788A1; GB0029224D0; TW556001B; US20040057144A1; AU2002223867B2; EP1337888B1; US6980362B2

Description

Die Anforderungen an neuartige Vorrichtungen, mit denen das Wellenlängenmultiplexen (wavelength division multiplexing, WDM) bei Telekommunikationssystemen genutzt werden kann, nehmen kontinuierlich zu. In derartigen Systemen werden Daten als eine Folge von Lichtpulsen übermittelt, die durch Halbleiterlaser erzeugt werden und von Fotostrom- oder Fotospannungssensoren erfasst werden. Im Allgemeinen wird die Kapazität des Systems für die Übertragung von Nachrichten durch die Ausbreitungseigenschaften in der Faser, durch die Anzahl der diskreten Wellenlängen, die für die Lichtausbreitung zur Verfügung stehen und die den verschiedenen Kommunikationskanälen entsprechen, sowie durch die Effektivität der Zeitmultiplextechniken, mit denen mehrere Nachrichten auf einer einzigen Kommunikationswellenlänge zusammengesetzt werden können, bestimmt.
Üblicherweise sind die Komponenten zum Separieren der verschiedenen optischen Kanäle in dem System, z. B. add/drop-Multiplexer, Bragg-Fasergitter oder komplexe Interferenzfilterstrukturen, die durch Vakuumbeschichtung hergestellt werden. Letztere Vorrichtungen basieren üblicherweise auf mehreren, aufeinander gestapelten Schichten aus zwei Materialien, die einen sehr unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen (z. B. Titan/Silizium oder Tantal/ Silizium), wobei der Stapelaufbau eine optimierte Variante von gekoppelten Fabry-Perot-Etalons ist, mit der sich die gewünschten Eigenschaften des Durchlassbandes erreichen lassen, wobei bei einer Betriebswellenlänge von 1550 nm die Bandbreiten typisch in der Ordnung von 0,4 nm liegen. Die Filter sind kompliziert und machen das Beschichten mit mehreren Hundert diskreten Materialschichten erforderlich, bei dem die Filmdicke jedes Mal sehr genau eingehalten werden muss. Die Kriterien für eine größere Stabilität (sowohl in Bezug auf Temperatur als auch auf Feuchtigkeit) sorgen darüber hinaus dafür, dass Herstellungstechniken eingesetzt werden, die die Abscheidung von Filmen ohne Porosität und vollständig verdichtet ermöglichen. Derartige Vorrichtungen werden dann auf die erforderliche Größe geschnitten (typisch 1–2 mm²) und in das WDM-Bauelement eingebaut. Für jede der diskreten Kommunikationswellenlängen in dem Band zwischen 1500 und 1580 nm sind separate Filter erforderlich. Trotz ihrer Kompliziertheit sind solche Vorrichtungen zum Standard für den Einsatz bei den gegenwärtigen Netzen geworden.
Bei In-Line-Bauelementen besteht der Bedarf, von der Betriebsart, bei der eine Ausbreitung im Wellenleiter erfolgt, die für die Übertragung von Licht verwendet wird, aus auf eine Betriebsart überzugehen, bei der Licht auf den Filterstapel unter einem Winkel einfällt, der dem senkrechten Einfallswinkel nahe kommt. Diese Forderung stellt eine Einschränkung in Bezug auf die Miniaturisierung der Verpackung der Bauelemente dar und verhindert außerdem, dass die Filterreaktion abgestimmt werden kann, um eine Wellenlängenabstimmung oder einen Frequenzwechsel (frequency hopping) zuzulassen.
Mehrfach wurden weitere Formen von Vorrichtungen untersucht, um die Herstellungskosten zu reduzieren und Frequenzsprünge (frequency agility) nutzbar zu machen, durch die mit ein und derselben Vorrichtung viele verschiedene Funktionen (z. B. Umschalten, Modulation, Erfassung, Multiplexen) zur Verfügung gestanden hätten. In Varianten wurden elektrooptische Materialien wie Lithiumniobat und Polymerdispersionsflüssigkristalle eingesetzt, bei denen es möglich ist, den Brechungsindex der Elemente innerhalb des Filters einzustellen, um die Reaktionseigenschaften der Vorrichtung zu verän dern. Andere Konzepte basieren auf elektromechanischen Mikrooptiksystemen (MOEMS oder MEMS), bei denen die physikalische Bewegung von Spiegelgruppen innerhalb der Vorrichtung genutzt wird. Beispiele derartiger Vorrichtungen findet man in den folgenden Veröffentlichungen:

1. J. H. Jarman, D. J. Clift and S. R. Mallinson, "A Miniature Fabry-Perot Interferometer with Corrugated Silicon Diaphragm Support", Sensors and Actuators A29, 151–158 (1991).
2. J. H. Jarman and D. J. Clift, "Miniature Fabry-Perot Interferometers Micromachined in Silicon for Use in Optical Fibre WDM Systems" Proc IEEE 19991 Conf. Solid State Sensors and Actuators.
3. J. Han and D. P. Neikirk, "Deflection Behaviour of Fabry-Perot Pressure Sensors Having Planar and Corrugated Diaphragms", SPIE Proc 2882, 79-90 (1996).
4. U.S. Pat. No. 5,022,745, J. J. Zayhowski and A. Mooradian (Electrostatically Deformable Single Crystal Dielectrically Coated Mirror).
5. U.S. Pat. No. 5,500,761, K. W. Goosen and J. A. Walker (Micromechanical Modulator).
6. U.S. Pat. No. 5,825,528 K. W. Goosen (Phase Mismatched Fabry-Perot Cavity Micromechanical Modulator).
7. U.S. Pat. No. 5,739,945, P. Tayebati (Electrically Tunable Optical Filter Utilising a Deformable Multilayer Mirror.
8. U.S. Pat. No. 5,701,193, P. Vogel, O. Anthamatten and R. Battig (Optical Reflection Modulator).
9. WO99/47956, V. Pelekhaty (Fabry-Perot Optical Filter and Method of making the same)

Typischerweise werden diese Vorrichtungen unter Verwendung der mehrstufigen Lithografie- und Ätzprozesse hergestellt, um das aktive Bauelement mit einer Geometrie zu erzeugen, die winkeltreu zur Ebene der Siliziumsubstrate ist. Die Anzahl der Filterelemente, die möglich sind, ist in derartigen Vorrichtungen klein, wodurch der Grad des optischen Kontrasts eingeschränkt wird, der um die geplanten Wellenlängen herum erreicht werden kann. Außerdem führen Belastungseffekte auf Grund der Herstellung von Siliziummembranstrukturen zu Krümmungen der Elemente und folglich zur Verbreiterung der Spektrallinien der Vorrichtung. Derartige Filter werden durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes oder durch das Ausnutzen von thermooptischen Effekten auf den Brechungsindex von Silizium bei Temperaturänderungen abgestimmt.
Bei dieser Erfindung wird ein neuer Ansatz in Bezug auf Konstruktion und Herstellung von mikrooptischen Filtern einschließlich MOEMS-Filtern gemacht, mit dem sich die meisten der Schwierigkeiten überwinden lassen, auf die man bei dem winkeltreuen Ansatz stößt. Durch die Erfindung wird ein optisches Filter mit einem Substrat geschaffen, in welchem mehrere parallele Schlitze erzeugt werden, um Schichten zu definieren (Schlitze und Substrat-Blättchen – letztere werden auch Lamellen genannt, jedoch wird hier der erstere Begriff verwendet), die wechselnde Brechungsindices haben.
Die Schlitze stehen im Allgemeinen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats und erstrecken sich ausgehend von einer einzigen Oberfläche des Substrats nach innen. Wenn die Kopplung in eine und/oder aus einer optischen Faser erforderlich ist, kann diese ein zige Oberfläche mit einer Nut versehen werden, die sich auf wenigstens einer Seite der mehreren Schlitze für die Aufnahme der optischen Faser(n) befindet.
Ein erfindungsgemäßes Filter kann eine Folge von aneinandergrenzenden Schichten der Form (aH bL)^x umfassen, wobei aH eine Schicht mit hohem Brechungsindex aus dem Substratmaterial bezeichnet, bL eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex in Form eines Schlitzes bezeichnet, a und b jeweils ganze Zahlen sind, die die Dicke der Schicht in Form von Viertelwellenlängen angeben, und x eine ganze Zahl ist, die die Anzahl der Wiederholungen der Einheit (aH bL) angibt.
Das Substrat kann aus Silizium oder einem Halbleitermaterial mit hohem Brechungsindex bestehen. Es können auch andere Materialien eingesetzt werden, vorausgesetzt sie haben einen Brechungsindex, der ausreicht, damit sie in der Praxis für die Vorrichtung geeignet sind.
Ganz grundsätzlich betrifft die Erfindung Filteraufbauten, die nicht Fabry-Perot-Filter sind und die ziemlich große Wellenlängenbereiche abdecken können, die bei manchen Aufbauten der Vorrichtungen von Nutzen sind. Jedoch umfassen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung einen zentralen Fabry-Perot-Resonator (oder Resonatorbereich – diese Begriffe werden im Folgenden als gleichwertig verwendet), der eine optische Dicke hat, die einer ganzen Anzahl halber Wellenlängen entspricht. Dies kann definiert werden durch einen zentralen Schlitz oder durch einen zentralen Blättchenabschnitt des Substratmaterials zwischen zwei Schlitzen. Weitere Schlitze und Substrat-Blättchen auf beiden Seiten des Resonators definieren Interferenzstrukturen zum Modifizieren der optischen Eigenschaften des Resonators, was im Einzelnen weiter unten mit Bezug auf die Ausführungsformen erläutert wird.
Es können Mittel vorgesehen werden, um die optische Dicke des zentralen Resonators zu verändern, damit das Filter abgestimmt werden kann. Wenn der Resonator durch einen zentralen Schlitz definiert wird, so kann dies bedeuten, dass Mittel zum Verändern der physikalischen Dicke des Hohlraums vorgesehen sind, wie beispielsweise ein elektrostatischer Kammantrieb (comb drive), ein piezoelektrischer Antrieb, oder dass ein Stellglied auf der Basis einer Legierung mit Formgedächtnis eingesetzt wird. Wo der Resonator durch einen zentralen Substratabschnitt definiert wird, kann dessen Brechungsindex variiert werden, um das Filter durch Aufheizen oder Abkühlen abzustimmen. Beispielsweise kann man einen elektrischen Strom durch ein elektrisch leitfähiges Substrat leiten, um es so aufzuheizen. Alternativ kann das Substrat mit einer Heizeinrichtung, wie zum Beispiel einer thermoelektrischen Vorrichtung (auch für das Kühlen) oder einer elektrischen Widerstandseinrichtung versehen werden, z. B. einem Film aus einer Metalllegierung oder Indiumzinnoxid, durch die ein elektrischer Strom fließen kann. Diese Abstimmung kann beim Aufbau oder bei der Auswahl von Frequenzen für den Betrieb erfolgen.
Das Filter kann die allgemeine Form (aH bL)^x cH dL eH (fL gH)^y haben, wobei aH, cH, eH und gH die Dicke der Schichten, die aus dem Substratmaterial mit hohem Brechungsindex bestehen, in Form von dem mehrzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge bezeichnen, und bL, dL und fL die Dicke der Schichten, die als Schlitze einen niedrigen Brechungsindex aufweisen, in Form von dem mehrzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge bezeichnen. Die ganzen Zahlen a, b, f und g bezeichnen eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen, und in bestimmten Fällen können die Werte von a und b d bzw. f entsprechen, während sich diese in anderen Fällen unterscheiden können.
Bei einem zentralen Resonator dL mit niedrigem Brechungsindex (Schlitz) bezeichnen die ganzen Zahlen c und e eine ungerade ganze Anzahl von Viertelwellenlängen, wogegen d eine gerade ganze Anzahl von Viertelwellenlängen der gewünschten Wellenlänge des Hohlraums bezeichnet. Bei einem zentralen Resonator mit hohem Brechungsindex (Substrat) ist d null, und cH und eH werden zusammengenommen, so dass sich als Dicke eine ganze Zahl von mehreren Halbwellenlängen (c + e)H ergibt. Die Operatoren ^x und ^y geben an, dass die dazugehörigen Komponenten (aH bL) und (fL gH) x-fach bzw. y-fach wiederholt werden können, wenn dies erforderlich ist.
Fabry-Perot-Filter, die erfindungsgemäß aufgebaut sind, können wenigstens einen weiteren Fabry-Perot-Resonator aufweisen, der optisch mit dem Resonator gekoppelt ist, so dass man beispielsweise unter Verwendung der obigen Konvention zu einem Filter der Form (aH bL)^x aH dL aH (bL aH)^2x dL aH (bL aH)^x kommt, wobei a und b unterschiedliche ungerade ganze Zahlen sind und d eine gerade ganze Zahl ist. Für digitale Frequenzabstufungen wird beispielsweise ein Resonator abgestimmt, und danach werden der andere Resonator oder die Resonatoren abgestimmt, beispielsweise wieder unter Verwendung einer der oben genannten Methoden. Die Übertragung und das Filtern sollten nur dann möglich sein, wenn die Abstimmung erfolgt ist.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der angefügten Ansprüche, auf die hiermit verwiesen wird, sowie der folgenden Beschreibung von Einzelheiten bei Beispielen der Erfindung, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines ersten allgemeinen Beispiels für ein Fabry-Perot-Filter gemäß der Erfindung mit einem zentralen Luftspaltenresonator in einem Siliziumsubstrat.
2 zeigt die optischen Übertragungseigenschaften eines speziellen Beispiels für ein Filter desjenigen Typs, der allgemein in 1 gezeigt ist.
3 zeigt eine experimentell ermittelte Darstellung der Reflektivität in Abhängigkeit von der normalisierten Wellenlänge.
4 ist eine schematisierte Aufnahme von einem Querschnitt durch das Filter nach 2 mit einem Abtastelektronenmikroskop.
5 zeigt die optischen Übertragungseigenschaften bei einem zweiten Beispiel für das Fabry-Perot-Filter gemäß der Erfindung auf der Basis einer Struktur aus Silizium und Luftspalten mit einem festen Siliziumabstandshalter für den zentralen Resonator.
6 zeigt die optischen Übertragungseigenschaften eines Fabry-Perot-Etalons mit zwei Siliziumluftspaltenresonatoren gemäß der Erfindung.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters. Ein Siliziumsubstrat 1 ist mit einem Filterelement 2 versehen, das sich zwischen einem Paar von V-förmigen Nuten 6 für die Aufnahme von optischen Eingangs- und Ausgangsfasern 7 befindet. Das Element 2 umfasst einen zentralen Luftresonator 3 zwischen einer Spiegelgruppe 4 und einer Spiegelgruppe 5. Der Resonator 3 ist ein Schlitz, der sich von der Oberfläche orthogonal in ein Substrat hinein erstreckt, und jede Spiegelgruppe wird durch weitere Schlitze definiert, die parallel zu dem Schlitz des Resonators 3 verlaufen und sich ebenfalls orthogonal von derselben Substratoberfläche aus erstrecken, so dass dünne Substratplättchen zurückbleiben, die durch Luftspalten voneinander getrennt sind. Der Resonator 3 und die Gruppen 4 und 5 werden hergestellt mit Trockentiefätztechniken, wie zum Beispiel mit dem Bosch-STS-Prozess, mit dem unter optimierten Bedingungen geätzte Vias mit einem Längenverhältnis von über 30 : 1 erreichbar sind. Im Betrieb sind Mittel vorgesehen, um eine adäquate Bündelung des Lichtes sicherzustellen, das in die Fasern eintritt oder diese verlässt, beispielsweise Präzisionslinsenelemente, die an den Enden der Fasern angepasst sind.
Dieser Aufbau weist eine integrale orthogonale Geometrie in Bezug auf die Ebene der Siliziumsubstratoberfläche auf, und dies kann viele Vorteile bei der Realisierung der effektiven Vorrichtungen mit sich bringen, zum Beispiel:

(a) Die verschiedenen "Schichten" in dem Filter werden einfach durch Lithografie auf der Oberfläche des Wafers definiert. Unter Verwendung von Stepper-Techniken mit einem Vergrößerungsverhältnis von 10 : 1 und mit Kopiervorlagen, die mit Elektronenstrahlen erzeugt worden sind, sind Kopiergenauigkeiten von besser als 1% ohne weiteres bei den verschiedenen Elementen des Filters erreichbar.
(b) Die Filterelemente werden durch die Siliziumseitenwände stabilisiert, so dass sich eine Struktur ergibt, die sehr viel unempfindlicher gegenüber akustisch induzierten Effekten (Mikrophon) ist.
(c) Die Differenz der Brechungsindices von Silizium und Luft macht es möglich, dass Resonatoren mit hoher Finesse bei kleinstmöglicher Anzahl von Elementen in dem Filter hergestellt werden können. Ein einfaches Spiegelsystem mit nur drei Siliziumelementen auf jeder Seite des Resonators reicht aus, um bei Wellenlängen, die einen Abstand von mehr als 1 nm von der Resonatorresonanz haben, eine Unterdrückung von 25 dB zu erreichen.
(d) Es können ohne weiteres auch Aufbauten mit Resonanzeffekten hoher Ordnung eingesetzt werden, und dadurch vereinfacht sich effektiv der Aufbau der Vorrichtungen.
(e) Ätztiefen, die vergleichbar zu dem vollen Durchmesser der kommerziellen optischen Fasern sind, lassen sich ohne weiteres erreichen, so dass die Herstellung von optischen Verbindungen und die dazugehörige Verpackung vereinfacht wird.
(f) Frequenzsprünge können dadurch erfolgen, dass eine der Filtergruppen bewegt wird oder dass die Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur in dem Resonator oder in den Spiegelgruppen ausgenutzt wird.

Für den Betrieb bei 1550 nm hätte ein konventionelles Fabry-Perot-Etalon den Aufbau der Form (HL)^2 H 2L H (LH)^2, wobei H und L die Dicke von Silizium bzw. Luft als ganzzahlige Vielfache der Viertelwellenlänge angeben und der Operator ^2 die Anzahl (2) von Wiederholungen der dazugehörigen (HL) oder (LH)-Komponenten angibt. Dies würde bedeuten, dass die Dicken der einzelnen Komponenten des Spiegels etwa 110 nm für Silizium und 380 nm für die Luftspalte betragen müssten. Derartige Dimensionen sind in Bezug auf Genauigkeit und Wiederholbarkeit mit den modernen lithografischen Techniken schwierig herzustellen und würden die Ätztiefe erheblich einschränken. Nichtsdestotrotz haben einige Gruppen versucht, Vorrichtungen mit 3 Mikrometer Tiefe durch Ätzen von kaskadierten photonischen Bandlückenstrukturen auf den Oberflächen von Siliziumwellenleitern in Form von vergrabenen Oxidschichten herzustellen. Der effektive Kontrast zwischen den Bereichen mit hohem und niedrigem Brechungsindex der Vorrichtung ist typischerweise etwa 0,04 bei Ätzstrukturen mit 1 Mikrometer Größe in Silizium auf einem Isolator (SOI) als Substratmaterial. Dies ist in Vergleich zu setzen mit einem Kontrast der Brechungsindices von nahezu 2,5, den man bei einem System aus Silizium und Luft erreichen kann, welches man mit der vorliegenden Erfindung herstellen kann.
Wenn Aufbauten hoher Ordnung eingesetzt werden, wie es mit der vorliegenden Erfindung möglich ist, so wird es auch möglich, Ätztiefen zu erreichen, die nahe an dem vollen Durchmesser der optischen Fasern liegen. Ein Beispiel für den Aufbau nach 1 hat die Form (27H 9L)^2 27H 8L 27H (9L 27H)^2. Die theoretischen spektralen Eigenschaften hiervon sind als Kurve in 2 gezeigt, wo die zentrale scharfe Kurve 8 den Transmissionsfaktor und die breitere Kurve 9 die optische Dichte wiedergibt, und in 3 ist eine experimentelle Kurve der Reflektivität in Abhängigkeit von der normalisierten Wellenlänge gezeigt. Die Spiegelelemente aus Silizium und Luft haben nun jeweils eine Dicke, die nahe bei 3 Mikrometer (27H) und 3,5 Mikrometer (8L) liegt. Die Unterdrückungseigenschaften werden durch die Konstruktion der Spiegel um den zentralen 8L-Resonator herum vorgegeben, wobei die Rolle der äußeren Spiegelgruppen 4, 5 darin besteht, den Ort des Unterdrückungsminimums zu definieren, der relativ unempfindlich gegenüber Toleranzen der Luftspalten ist. Die (27H 9L)-Periode sorgt für eine vollständige Abdeckung des Bandes zwischen 1530 nm und 1570 nm, wobei außerhalb dieses Bandes Unterdrückungswerte von mehr als 40 dB erreicht werden, unter der Voraussetzung, dass die Fertigungstoleranzen strikt eingehalten werden. 4 ist eine schematische Darstellung, die aus einer Aufnahme eines Teils einer gespaltenen Vorrichtung mit einem Abtastelektronenmikroskop abgeleitet wurde, welche in dieser Art gefertigt wurde, wobei die fehlende Krümmung in den Siliziumspiegelverbänden hervorgehoben wird. Durch Abänderung des Spiegelpaars zu (21H 5L) wird die Breite des Bereichs ausgeweitet, in welchem unterdrückt wird, und dies mit besser als 40 dB für 1520–1580 nm.
Der Temperaturkoeffizient des Brechungsindexes ist derart, dass sich die Resonatorresonanz der Vorrichtung mit (27H 9L)^2 27H 8L 27H (9L 27H)^2 bei Änderung der Temperatur von 0 auf 65°C um 3 nm verschiebt. Dies wäre für kommerzielle Anwendungen normalerweise nicht akzeptierbar, man kann dies aber leicht beispielsweise durch Steuerung der Temperatur der Vorrichtung unter Verwendung einfacher thermoelektrischer Kühler mit niedriger Leistungsaufnahme kontrollieren.
Ein Großteil der bisherigen Diskussion betraf die Konstruktion mit Luftspalt. Es sind alternative Aufbauten möglich, die auf festen Siliziumresonatoren beruhen. 5 zeigt die spektralen Eigenschaften eines Aufbaus auf der Basis der Sequenz (27H 9L)^3 28H (9L 27H)^3.
Es sind verschiedene Aufbauten mit gekoppelten Resonatoren möglich, obgleich es in der Praxis Einschränkungen gibt. Bei dreifachen Resonatorfiltern würde es erforderlich werden, dass die Toleranzen der Größen zu besser als 0,1% eingehalten werden, was bei den gegenwärtigen Fertigungstechniken bisher nicht möglich ist. Eine Form der Vorrichtung, die sich für die Praxis besser eignet, ist ein Aufbau mit zwei Resonatoren, bei dem die Toleranz bei der Positionierung der Wellenlänge mit Bezug zu den Laserquellen, die ihrerseits einen gewissen Grad an Instabilität aufweisen, vereinfacht wird. Außerdem können derartige Aufbauten außerhalb des Bandes bessere Unterdrückungseigenschaften haben.
6 zeigt die spektralen Eigenschaften einer derartigen Vorrichtung auf der Basis der Sequenz (37H 9L) 37H 8L (37H 9L)^3 37H 8L 37H (9L 37H). Hier sind die Unterdrückungseigenschaften außerhalb des Bandes ähnlich denen, die in den 2 und 3 erreicht werden, aber das Durchlassband wurde breiter gemacht, um einen ge wissen Grad an Toleranz beim Positionieren der Laserlinie zuzulassen.
Frequenzsprünge können auf zahlreiche Arten möglich gemacht werden. Bei der Vorrichtung mit einem einzigen Luftresonator nach 1 kann eine der Spiegelgruppen (als Gruppe 5 dargestellt) einfach bewegt werden, indem man den Spiegelaufbau von seinem Sockel löst und (nicht dargestellte) elektrostatische Kammantriebe vorsieht, um die Spiegelgruppe in der Richtung des Pfeils A an irgendeiner gewünschten Position zu positionieren. Dadurch wird es außerdem möglich, dass man einen Freiheitsgrad beim Trimmen des Filters hat, da dies nun in Bezug auf irgendeine gewünschte Laserlinie beliebig bewegt werden kann. Andere Stelltechniken sind möglich, einschließlich des Einsatzes von piezoelektrischen Materialien wie PZT oder Legierungen mit Formgedächtnis.
Bei einigen Anwendungen ist es jedoch wichtiger, ein digital geschaltetes Filter vorzusehen, das in Schritten auf eine der Kommunikationslaserlinien abgestimmt werden kann, ohne dass es eine andere Linie passiert. Eine derartige Reaktionseigenschaft kann mit der Zwei-Resonatoren-Vorrichtung erreicht werden, indem zu einem Zeitpunkt ein Resonator schrittweise abgestimmt wird. Die Transmission wird so lange unterbrochen, bis beide Resonatoren übereinstimmen.
Frequenzreaktionen von bis zu 100 kHz wurden bei einigen Silizium-Luftspalt-Strukturen gemessen, wodurch das Potential derartiger mikroelektromechanischer Systeme hervorgehoben wird. Damit können Filter aufgebaut werden, die programmiert werden können, um Übertragungsspitzen bei irgendeiner ausgewählten Wellenlänge innerhalb des Arbeitsbereiches gegenwärtiger und zukünftiger geplanter WDM-Systeme abzudecken.
Ein erheblicher Grad an Frequenzsprüngen ist durch Ausnutzung der Änderung des Brechungsindexes von Materialien zugänglich, die temperaturabhängig sind. Dies ist besonders effektiv bei Vorrichtungen auf der Basis von festen Siliziumresonatoren und kann einfach erreicht werden, indem ein elektrischer Strom durch das Element fließen gelassen wird. Dies erübrigt die Notwendigkeit, irgendeine der Spiegelgruppen in ihrer Position zu verändern, so dass sich damit der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht. Da die Masse der Abstandshalter aus Silizium relativ klein ist, sollte eine Reaktion bei der Temperatur innerhalb von 0,1 msec erreichbar sein, vorausgesetzt, dass das Element zu einem ausreichenden Grad thermisch isoliert ist.
Obgleich sich die vorangehende Beschreibung auf Spalten in dem Substrat als Luftspalten bezieht, sollte dem Leser klar geworden sein, dass diese Spalten mit verschiedenem Material aufgefüllt werden können, zum Beispiel einem anderen Fluid oder Vakuum. Die Veränderung des Materials innerhalb der Spalten kann genutzt werden, um die Eigenschaften des Filters zu verändern. Jedoch ist es vorzuziehen, die Differenz des Brechungsindexes zwischen dem Substrat und den Spalten relativ hoch zu halten, und zwar aus den Gründen, die oben angegeben wurden.

Claims

Optisches Interferenzfilter mit einem Substrat in Form von mehreren Schlitzen, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind und sich von einer einzigen Oberfläche des Substrats nach innen erstrecken, wobei die Schlitze so ausgerichtet sind, dass Schlitze und Substratplättchen mit wechselndem Brechungsindex definiert werden.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die Schlitze trockentiefgeätzte Schlitze sind.
Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die einzige Oberfläche mit einer Nut auf wenigstens einer Seite der mehreren Schlitze für die Aufnahme einer optischen Faser zum Übertragen von Licht zu und von dem Filter versehen ist.
Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Folge von aneinander angrenzenden Schichten der Form (aH bL)^x, wobei aH eine Schicht mit hohem Brechungsindex bezeichnet, die durch das Substratmaterial gebildet wird, bL eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex bezeichnet, die durch den Schlitz gebildet wird, a und b die jeweilige Dicke der Schichten bezeichnen, die einem ganzzahligen Vielfachen von Viertelwellenlängen entspricht, und x eine ganze Zahl ist, die die Anzahl der Wiederholungen der Einheit (aH bL) angibt.
Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat ein Halbleiter ist.
Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat aus Silizium besteht.
Fabry-Perot-Resonatorfilter nach Anspruch 6 der Form (aH bL)^x cH dL cH (bL aH)^y, wobei cH die Schicht mit hohem Brechungsindex bezeichnet, die durch das Substrat gebildet wird und deren Dicke ein ungeradzahliges Vielfaches der Viertelwellenlänge ist, dL einen Resonatorbereich mit niedrigem Brechungsindex bezeichnet, der durch einen Schlitz gebildet wird und dessen Dicke einer geraden ganzen Anzahl von Viertelwellenlängen entspricht, und y eine ganze Zahl ist, die den gleichen Wert wie x oder einen anderen Wert aufweisen kann, die die Anzahl der Einheiten (bL aH) angibt.
Fabry-Perot-Resonatorfilter nach Anspruch 6 der Form (aH bL)^x cH (bL aH)^y, bei dem cH einen Resonatorbereich mit hohem Brechungsindex bezeichnet, der durch das Substrat gebildet wird und dessen Dicke einer geraden Anzahl von Viertelwellenlängen entspricht, und y eine ganze Zahl ist, die den gleichen Wert wie x oder einen anderen Wert haben kann, die die Anzahl der Einheiten (bL aH) angibt.
Fabry-Perot-Resonatorfilter nach Anspruch 6 mit einem Resonator der Form (aH bL)^x cH dL eH (fL gH)^y, wobei cH, eH und gH Schichten mit hohem Brechungsindex bezeichnen, die durch das Substrat gebildet werden und deren Dicke einem ungeradzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge entspricht, fL eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex bezeichnet, die durch einen Schlitz gebildet wird und deren Dicke einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen entspricht, dL einen Resonatorbereich mit niedrigem Brechungsindex bezeichnet, der durch einen Schlitz gebildet wird und dessen Dicke einem geradzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge entspricht, und y eine ganze Zahl ist, die den gleichen Wert wie x oder einen anderen Wert haben kann, die die Anzahl der Einheiten (fL gH) angibt.
Fabry-Perot-Resonatorfilter nach Anspruch 6 mit einem Resonator der Form (aH bL)^x cH (fL gH)^y, wobei gH eine Schicht mit hohem Brechungsindex bezeichnet, die durch das Substrat gebildet wird und deren Dicke einem ungeradzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge entspricht, cH einen Resonatorbereich mit hohem Brechungsindex bezeichnet, der durch das Substrat gebildet wird und dessen Dicke einem geradzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge entspricht, fL eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex bezeichnet, die durch einen Schlitz gebildet wird und deren Dicke einem ungeradzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge entspricht, und y eine ganze Zahl ist, die den gleichen Wert wie x oder einen anderen Wert annehmen kann, die die Anzahl der Einheiten (fL gH) angibt.
Filter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das außerdem Abstimmeinrichtungen zum Verändern der optischen Dicke des Resonatorbereichs für das Abstimmen des Filters umfasst.
Filter nach Anspruch 7 oder 9, das außerdem Abstimmeinrichtungen zum Verändern der physikalischen Dicke des Resonatorbereichs dL umfasst.
Filter nach Anspruch 8 oder 10, das außerdem Abstimmeinrichtungen zum Verändern der Temperatur des Resonatorbereichs cH für das Verändern von dessen optischer Dicke umfasst.
Filter nach Anspruch 12, bei dem das Substrat elektrisch leitfähig ist und die Abstimmeinrichtung Vorrichtungen zum Durchleiten eines elektrischen Stroms durch das Substrat umfasst.
Filter nach Anspruch 13, bei dem das Substrat mit einem elektrischen Widerstandsheizelement versehen ist und die Abstimmeinrichtung eine Vorrichtung umfasst, um einen elektrischen Strom durch die Heizeinrichtung zu leiten.
Filter nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Abstimmeinrichtung eine thermoelektrische Vorrichtung umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 7 bis 16, bei dem wenigstens ein weiterer Resonatorbereich optisch mit dem Resonatorbereich gekoppelt ist.
Verfahren zum Abstimmen eines Filters nach einem der Ansprüche 7 bis 17, bei dem in einem Schritt die optische Dicke des Resonatorbereichs verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Resonatorbereich einen zentralen Schlitz umfasst, wobei in einem Schritt die Dicke des zentralen Schlitzes physikalisch verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Resonator einen zentralen Bereich umfasst, der aus dem Substratmaterial besteht, wobei in dem Schritt die Temperatur des zentralen Bereiches verändert wird.
Verfahren zum Abstimmen eines Filters nach Anspruch 17, bei dem in einem Schritt beide oder alle Resonatorbereiche abgestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem ein Resonator zuerst abgestimmt wird und anschließend der oder die anderen Resonatoren abgestimmt werden, bis alle von ihnen mit dem einen Resonator übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem jedes Abstimmen gemäß einem in den Ansprüchen 18 bis 20 definierten Verfahren erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Interferenzfilters mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats und anschließendes Formen von mehreren Substratblättchen darauf, die durch Schlitze voneinander getrennt sind, wobei die Schlitze und die Substratblättchen wechselnde Brechungsindices aufweisen und die Schlitze im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats sind und sich nach innen von einer einzigen Oberfläche des Substrats aus erstrecken, bei dem die Schlitze durch Trockentiefätzen des Substrats geformt werden.