DE69736574T2

DE69736574T2 - Struktur zur Membrandämpfung in einem mikromechanischen optischen Modulator

Info

Publication number: DE69736574T2
Application number: DE69736574T
Authority: DE
Inventors: Bernard Plainfield Yurke
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2017-01-22
Also published as: EP0788004B1; JP3044197B2; US5659418A; EP0788004A2; EP0788004A3; DE69736574D1; JPH09236759A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur, die nützlich zum Dämpfen von Membranvibration in mikromechanischen optischen Modulatoren ist. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung von mechanischen Übertragungsleitungen zum Dämpfen von Membranvibration in mikromechanischen optischen Modulatoren.
Allgemeiner Stand der Technik
In optischen Wellenlängenmultiplex-Netzen ist es erwünscht, über kostengünstige optische Modulatoren zu verfügen, die einen hohen Kontrast und breite optische Bandbreiten haben. Ein optischer Modulator, der potentiell geeignet ist, ist der flächennormale mikromechanische optische Modulator, von dem eine Ausführungsform in Goossen et al., „Silicon Modulator Based On Mechanical-Active Anti-Reflection Layer with 1 Mbit/Sec Capability for Fiber-In-The-Loop Applications", IEEE Phot. Tech. Letts., Bd. 6, Nr. 9, Sept. 1994, S. 1119–1121 beschrieben und unten zusammengefasst wird. Diese Vorrichtung hat einen variablen Luftspalt, der durch zwei Schichten von Material definiert ist, von denen eine vertikal beweglich ist. Die bewegliche Schicht ist gewöhnlich als eine Membran ausgeführt, die andere Schicht ist typischerweise ein Substrat.
Solche Modulatoren haben typischerweise zwei Zustände; einen „Ein-Zustand" und einen „Aus-Zustand". Im Ein-Zustand wird eine Spannung durch die Membran und das Substrat angewandt, die eine elektrostatische Kraft erzeugt, die bewirkt, dass die Membran sich in Richtung Substrat bewegt. Im Aus-Zustand wird keine Spannung angewandt und die Membran ist im Wartezustand. Die Änderung in der Membranposition in Bezug auf das Substrat verändert die optischen Eigenschaften der Vor richtung, was verwendet werden kann, um ein optisches Signal zu modulieren. Insbesondere wird entweder im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand ein minimaler Teil der optischen Energie, die auf den Modulator auffällt, in der Richtung der Flächennormalen zurückreflektiert. Im anderen Zustand wird ein wesentlich größerer Teil der auffallenden optischen Energie so gelenkt. Daher wird das optische Signal durch die Differenz in der optischen Energie, die in der Richtung der Flächennormalen zurückreflektiert wird, in den zwei Zuständen moduliert.
Bei Abwesenheit von ausreichender Dämpfung tendiert die Modulatormembran dazu, nachzuschwingen oder zu vibrieren, nachdem sie sich von einem Zustand, d.h. von einer Position, in den anderen bewegt hat. Da die optischen Eigenschaften der vorhergehend genannten Modulatoren sich mit Änderungen in der Membranposition ändern, wird ein solches Nachschwingen die Leistung des Modulators beeinträchtigen. Tatsächlich kann die Betriebsbitrate oder Frequenz von solchen mikromechanischen Modulatoren durch die Tendenz der Membran, zu vibrieren, beschränkt werden.
Typische Modulatoren des bisherigen Standes der Technik nutzen das Gas, für gewöhnlich Luft, das sich innerhalb des Modulatorhohlraums befindet, aus, um Dämpfung bereitzustellen. Insbesondere dissipiert die Scherströmung, die in der Luft erzeugt wird, wenn die Membran sich bewegt, die kinetische Energie der Membran und stellt somit Dämpfung bereit. Bei Frequenzen über etwa 1 MHz wird dieser Dissipationsmechanismus indes unwirksam, weil die Luft keine Zeit hat, um zu strömen. Stattdessen wird die Luft komprimiert, wenn die Membran sich nach unten bewegt, und speichert Energie wie eine Feder.
Als solches besteht ein Bedarf nach einem mikromechanischen Modulator, der angepasst ist, um Membranvibratio nen zu dämpfen, die zum Beispiel auftreten können, wenn bei Frequenzen über 1 MHz gearbeitet wird.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es wird ein verbesserter mikromechanischer Modulator, der eine mechanische Übertragungsleitung zum Dämpfen der Membranvibration umfasst, offenbart. Eine solche Übertragungsleitung kann in eine große Vielzahl von mikromechanischen Modulatoren aufgenommen werden. Typischerweise umfassen solche Modulatoren eine vertikal bewegliche Membran zum Empfangen eines optischen Signals, das über einem Substrat getragen wird. In einer Ausführungsform ist die mechanische Übertragungsleitung in der Form von zwei Streifenleitungen konfiguriert. Ein Ende von jeder Übertragungsleitung ist an einer Seite der Membran befestigt, derart dass die Anordnung die Form eines verlängerten „Plus-Zeichens" hat. Das andere Ende von jeder Übertragungsleitung überlappt eine Trägerschicht, derart dass die Übertragungsleitungen über ihre Länge über dem Substrat aufgehängt sind. Wenn die Übertragungsleitungen ausreichend lang sind, können Trägerarme mit geringer Masse und geringer Spannung verwendet werden, um ein Zwischentragen bereitzustellen, um zu verhindern, dass die Übertragungsleitungen mit dem Substrat in Kontakt kommen. Wenn die Membran sich von der Position ohne Vorspannung in die vorgespannte Position bewegt oder umgekehrt, wird Energie in die Übertragungsleitungen abgestrahlt. Die Energie breitet sich die Übertragungsleitungen entlang von der Membran weg aus und wird zu einem umgebenden Gas, wie beispielsweise Luft, dissipiert.
In einer zweiten Ausführungsform ist die mechanische Übertragungsleitung in der Form von zwei eingespannten Platten, eine auf jeder Seite der Membran, konfiguriert. In dieser Ausführungsform bilden die Membran und die Übertragungsleitung eine im Wesentlichen durchgängige Fläche, die über einer Trägerschicht über dem Substrat getragen wird. In der Übertragungsleitung sind Löcher vorhanden, um es dem Gas im Hohlraum unter der Membran und den Übertragungsleitungen zu ermöglichen, zu strömen und so Energie von den Übertragungsleitungen zu dissipieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen davon ersichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen werden, in denen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen haben und in denen:
1 eine Veranschaulichung einer Streifenleitungs-Übertragungsleitung ist;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines mikromechanischen Modulators ist, der zwei Streifenleitungs-Übertragungsleitungen gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 ein Diagramm ist, das eine bewegliche Masse zeigt, die an einem Strang und einer Feder befestigt ist;
4 eine schematische Ansicht der Übertragungsleitungen und Membran des Modulators von 2 ist;
5 eine Veranschaulichung einer Übertragungsleitung einer eingespannten Platte ist;
6 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines mikromechanischen Modulators ist, der zwei Übertragungsleitungen einer eingespannten Platte gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
7 eine perspektivische Schnittansicht des Modula tors von 6 ist; und
8 eine vereinfachte Draufsicht des Modulators von 6 ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 ist eine Veranschaulichung einer „Streifenleitungs-Übertragungsleitung" 1. Eine bewegliche Masse, die nicht bildlich dargestellt ist, kann mit einem Ende der Übertragungsleitung 1 verbunden werden. Wenn sie in Bewegung gesetzt wird, entwickelt die Masse kinetische Energie. Solche kinetische Energie kann an die Übertragungsleitung 1 abgestrahlt werden, was einen Impuls 2 ergibt, der sich die Übertragungsleitung 1 entlang ausbreitet. Wenn die Übertragungsleitung 1 ausreichend lang ist, kann die an sie abgestrahlte Energie an das umgebende Medium, wie beispielsweise Luft oder andere Gase, verloren werden, bevor sie zur sich bewegenden Masse zurückkehrt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine mechanische Übertragungsleitung in einen mikromechanischen Modulator integriert, um Energie von der Membran des Modulators weg abzustrahlen, wodurch verhindert wird, dass die Membran überschwingt. Ein solches Überschwingen kann sogar bei Modulatorbetriebsfrequenzen von über 1 MHz verhindert werden.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine große Vielzahl von mikromechanischen Modulatoren anwendbar. Während solche Modulatoren in Bezug auf die Arbeitsprinzipien und strukturelle Details variieren können, haben sie eine Anzahl von gemeinsamen Attributen. Insbesondere haben solche Modulatoren typischerweise zwei mit Zwischenraum angeordnete Schichten, von denen mindestens eine gewöhnlich in eine vertikale Richtung, entweder in Richtung zur anderen Schicht oder von ihr weg, beweglich ist. Es kann eine gesteuerte Spannungsquelle verwendet werden, um eine Spannung durch die zwei Schichten anzuwenden, wodurch eine elektrostatische Kraft erzeugt wird, die bewirkt, dass die bewegliche Schicht sich zur anderen Schicht hin bewegt. wenn sich die bewegliche Schicht bewegt, erfolgt gewöhnlich eine Änderung in einer optischen Eigenschaft des Modulators. Eine solche Änderung kann ausgenutzt werden, um ein messbares Merkmal eines optischen Signals zu verändern. Zum Beispiel kann das Reflexionsvermögen des Modulators sich ändern, wenn die Schicht sich bewegt, was eine Änderung in der gemessenen Amplitude des optischen Signals ergibt, das den Modulator in der Richtung der Flächennormalen verlässt. Die Änderung des Reflexionsvermögens kann verwendet werden, um ein optisches Signal zu modulieren. Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten beschrieben.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in 2 veranschaulicht wird, sind zwei Streifenleitungs-Übertragungsleitungen 22a und 22b in einen mikromechanischen Modulator 1a integriert. Der Modulator 1a umfasst auch eine Membran 15 zum Empfangen eines optischen Signals und ein Substrat 10. Die Membran 15 wird über dem Substrat 10 durch eine Trägerschicht 12 getragen. Zwischen der Membran 15 und dem Substrat 10 besteht eine Lücke 20.
Wie in 2 bildlich dargestellt, erstrecken die Übertragungsleitungen 22a und 22b sich von den Seiten 6 beziehungsweise 7 der Membran 15 nach außen. Die Anordnung hat die Form eines verlängerten „Plus-Zeichens", da die Übertragungsleitungen 22a und 22b gewöhnlich länger sein werden als die Membran 15.
Der Modulator 1a umfasst ferner die wahlfreien Trägerarme 26 zum Tragen der Übertragungsleitungen 22a und 22b. Solche Trägerarme 26 sind nicht erforderlich, außer wenn die Übertragungsleitungen 22a und 22b in ihrer Abwesenheit aufgrund ihrer Länge in einem derartigen Ausmaß durchhängen, dass sie mit dem darunter liegenden Substrat 10 in Kontakt kommen. Die Trägerarme sind, falls vorhanden, die Übertragungsleitungen 22a und 22b entlang an Zwischenpositionen angeordnet. Während zwei Trägerarme gezeigt werden, die jede Übertragungsleitung tragen, können in anderen Ausführungsformen mehr Trägerarme erforderlich sein. Die Masse der Trägerarme 26 und die Spannung darin sollte so niedrig als möglich sein, um den Betrag der durch die Trägerarme an die Membran 15 zurück reflektierten Energie zu minimieren. In der Anordnung, die in 2 gezeigt wird, haben die Trägerarme 26, die aus den Bauteilen 27–29 bestehen, die Konfiguration eines „Y". Eine solche Konfiguration sollte die Spannung minimieren. Insbesondere wird das Bauteil 28 entlastende Spannung im Trägerarm beugen. Andere Anordnungen zum Erreichen des gleichen Ergebnisses werden für Fachleute ersichtlich sein.
Das Substrat 10 und die Membran 15 sind vorzugsweise in geeigneter Weise leitend, derart, dass ein Ansteuersignal durch sie angewendet werden kann, wodurch eine elektrostatische Kraft erzeugt wird. Diese Kraft bewirkt, dass die Membran 15 sich zum Substrat hin bewegt . Wenn die Membran 15 sich von ihrer Position ohne Vorspannung bewegt, ändert sich das Reflexionsvermögen des Modulators 1a für ein einfallendes optisches Signal. Das Ansteuersignal kann durch eine gesteuerte Spannungsquelle 31 geliefert werden. Ein Kontakt 32 kann auf dem Substrat 10 gebildet werden, um die elektrische Verbindung mit der gesteuerten Spannungsquelle zu erleichtern. Die gesteuerte Spannungsquelle ist auch elektrisch mit der Membran 15 verbunden.
Wenn die Membran nicht in geeigneter Weise für einen Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung leitfähig ist, kann eine Schicht von leitfähigem Material, die nicht gezeigt wird, darauf aufgebracht werden. Wenn ein solches leitfähiges Material bei den Betriebswellenlängen des Modulators optisch lichtundurchlässig ist, sollte es nicht in einem zentralen Bereich der Membran 15 aufgebracht werden, der als das optische Fenster bezeichnet wird. Auf diese Weise wird ein optisches Signal, das zu modulieren ist, zum optischen Fenster in der Membran 15 gelenkt.
Das Arbeiten eines solchen Modulators, seine Struktur und Verfahren zur Herstellung werden in den ebenfalls anhängigen US-Patentschriften S.N. 08/187,676, eingereicht am 27. Januar 1994, S.N. 08/283,106, eingereicht am 29. Juli 1994, S.N 08/578,590, eingereicht am 7. Juni 1995 und S.N. 08/479,476, eingereicht am 7. Juni 1995 im Detail beschrieben. Die vorhergehend genannten Patenschriften beschreiben nicht die Herstellung von Übertragungsleitungen. Solche Übertragungsleitungen 22a und 22b sind vorzugsweise mit der gleichen Schicht von Material ausgeführt, das verwendet wird, um die Membran 15 zu bilden. Man wird verstehen, dass eine in geeigneter Weise konfigurierte Maske erforderlich sein wird, um die Übertragungsleitungen des hierin beschriebenen Modulators 1a auf geeignete Weise zu bilden. Die erforderlichen Abwandlungen in Bezug auf die Lehren, auf die Bezug genommen wird, liegen innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten. Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibungen der vorhergehend genanten Patentanmeldungen einen Modulator beschreiben, der eine Membran zum Empfangen eines optischen Signals hat, die durch Trägerarme getragen wird, im Gegensatz zur Membran 15, die in 2 veranschaulicht wird, die einfach die Trägerschicht 12 überlappt. Ein Modulator, der eine solche überlappende Membran hat, wird in S.N 08/565,45, eingereicht am 1. Februar 1996 beschrieben. Alle der Patentanmeldungen, auf die vorhergehend Bezug genommen wird, beschreiben Modulatoren, die auf einer Membran basieren, die mindestens eine viertelwellendicke Schicht von Material umfasst, vorzugsweise Siliziumnitrid, die einen Brechungsindex hat, der ungefähr gleich ist wie die Quadratwurzel des Brechungsindexes des Substrats, vorzugsweise Silizium. Die vorhergehend genannten Anmeldungen sowie andere Patente, Patenanmeldungen, Artikel oder andere Bezugnahmen, die in dieser Patentschrift genannt werden, werden durch Bezugnahme hierin eingeschlossen.
Man sollte verstehen, dass die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit anderen Typen von Modulatoren verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit dem Modulator mit Phasenfehlanpassung verwendet werden, der in S.N. 08/578,123, eingereicht am 26. Dezember 1995, beschrieben wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt die Übertragungsleitung, wie beispielsweise die Übertragungsleitungen 22a und 22b, ausreichende Energie von der Membran 15, um zu verhindern, dass sie überschwingt und vorzugsweise wird solche Energie in einem Viertelzyklus oder weniger bei der Betriebsfrequenz des Modulators beseitigt. Der Gütefaktor Q ist proportional zum Verhältnis der Energie, die in einem Resonator, wie beispielsweise der Membran 15, gespeichert ist, zu der Energie, die während des Zyklus' verloren geht. Darum muss Q gleich eins oder weniger sein, um zu gewährleisten, dass die in der Membran gespeicherte Energie innerhalb eines einzigen Zyklus' verloren geht. Wenn sich Q allerdings null nähert, so wird der Modulator zu träge. Ein bevorzugter Bereich für Q ist etwa 0,5 bis etwa 1,0. Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform liegt Q im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 0,8. Wenn man einen Bereich akzeptabler Werte für Q hat, so kann die benötigte Konfiguration für die Übertragungsleitung folgendermaßen bestimmt werden.
Die Konfiguration des Modulators 1a, wobei die Membran 15 mit den Übertragungsleitungen 22a und 22b verbunden ist, kann als das in 3 gezeigte System modelliert werden, aber nur mit einer einzigen Übertragungsleitung. Wie in 3 gezeigt, ist eine Masse 100, die eine Masse M besitzt, mit einer Feder 102, die eine Federkonstante K aufweist, verbunden und ist außerdem mit einem ersten Ende des Stranges 104 verbunden. Das zweite Ende des Stranges 104 ist fixiert. Der ruhende Strang 104 ist so angeordnet, dass er entlang der x-Achse eines Koordinatensystems liegt. Die Masse 100 und die Feder 102 befinden sich bei x = 0. Die Höhe des Strangs 104 ist mit Y bezeichnet. Es ist zu beachten, dass Y eine Funktion von x ist und dass Y bei x = 0 die Verschiebung der Masse 100 ist.
Die Wellengleichung für den Strang ist gegeben durch: m[∂2Y/∂t2] – σ[∂2Y/∂x2] = 0 [1]wobei: m die Masse je Längeneinheit des Stranges ist; σ die Spannung des Stranges, d. h. die Kraft entlang der Richtung des Stranges, ist; t die Zeit ist; und x die Position entlang des Stranges ist.
Die Gleichung der Bewegung für die Feder 102 und die Masse 100 ist gegeben durch: M[d2Y/dt2] + KY = σ[∂Y/∂x]x=0t [2]
Die allgemeine Lösung für [1] ist gegeben durch: Y = Yin(x + νt) + Yout(x – νt) [3]wobei: v die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist, die gegeben ist durch: ν = (σ/m)0.5 [4]wobei: Y_in jene Verschiebungen des Stranges sind, die sich zur Masse 100 hin bewegen, und Y_out jene Verschiebungen des Stranges sind, die sich von der Masse 100 weg bewegen.
Die folgenden Gleichungen ergeben sich aus [3]: ∂Y/∂t = ∂Yin/∂t + ∂Yout/∂t [5] ∂Y/∂x = I/ν[∂Yin/∂t] – I/ν[∂Yout/∂t] [6]
Eliminiert man ∂Y_out/∂t aus diesen Gleichungen, so erhält man: ∂Y/∂x = 2/ν[∂Yin/∂t] – I/ν[∂Y/∂t] [7]
Substituiert man [7] in [2] hinein, so erhält man: M[d2y/dt2] + Γ[dY7dt] + KY = 2Γ[dYin/dt] [8]wobei: Γ die mechanische Impedanz ist, die gegeben ist durch: Γ = σ/ν = (mσ)0.5 [9]
Der Terminus Γ[dY/dt] in [8] ist die Dämpfungskraft, die durch den Strang 104 auf die Masse 100 ausgeübt wird, während Energie in den Strang hineinstrahlt.
Wenn die Übertragungsleitung Verluste aufweist und genügend lang ist, so dass Y_in = 0, dann gilt: M[d2y/dt2] + Γ[dY/dt] + KY = 0 [10]wobei [10] die Gleichung der Bewegung eines gedämpften Resonators ist.
Der Gütefaktor Q, der bereits erläutert wurde, ist gegeben durch: Q = ω0M/Γ [11]wo: ω₀ die Winkelfrequenz des Resonators ist, die gegeben ist durch: ω0 = (K/M)0.5 = 2πf0 [12]wo: f₀ die Resonanzfrequenz des Resonators in Hertz ist.
Die vorhergehenden Ausdrücke können nun auf den in 2 veranschaulichten Modulator 1a angewandt werden, der in 4 in einer grundlegenderen Draufsicht gezeigt wird. Im Modulator 1a ist die Breite W_m der Membran 15, die das optische Signal empfängt, gleich der Breite W_l der Übertragungsleitungen 22a und 22b. Die Membran 15 ist ferner durch eine Länge L_m gekennzeichnet. Unter Verwendung der vorhergehenden Ausdrücke beträgt der Gütefaktor wie unten veranschaulicht für den Modulator 1a 0,5, was innerhalb des Bereichs liegt, der als akzeptabel gekennzeichnet ist. Der Gütefaktor wird wie folgt bestimmt.
Wie vorhergehend angemerkt, ist die mechanische Impedanz Γ einer Übertragungsleitung durch [9] gegeben. Im Fall des Modulators 1a ist die mechanische Impedanz Γ die Summe der mechanischen Impedanzen der Übertragungsleitungen 22a und 22b. Die mechanische Impedanz von jeder von solchen Übertragungsleitungen wird wie folgt angegeben: Γ_l = (m_lσ_l)^0.5, derart dass Γ = 2Γ_l, wo m_l die Masse je Längeneinheit der Übertragungsleitungen 22a und 22b und σ_l die Spannung in den Übertragungsleitungen 22a und 22b ist. Daher kann m_l ausgedrückt werden als: h_lW_lp_l, wo: h_l die Dicke der Übertragungsleitung und p_l die Dichte der Übertragungsleitung ist. Desgleichen kann σ_l ausgedrückt werden als: h_lW_lT_l, wo: T_l die Spannung in der Übertragungslei tung, ausgedrückt als Kraft pro Querschnittsflächeneinheit, ist. Die mechanische Impedanz Γ kann daher in [10] ausgedrückt werden als: Γ = 2Γ_l = 2h_lW_l(p_lT_l)^0.5.
Wie vorhergehend beschrieben, ist Q = ω₀M/Γ, wo ω₀ = (K/M)^0.5. M kann als m_mL_m oder h_mW_mp_mL_m ausgedrückt werden, wo: m_m die Masse je Längeneinheit der Membran und p_m die Dichte der Membran ist. K, die Federkonstante, ist eine Kraft je Längeneinheit. Daher kann K ausgedrückt werden als σ_m/L_m oder h_mW_mT_m/L_m. Daher ist ω₀ = l/L_m(T_m/p_m)^0.5.
Für den Modulator 1a ist h_l = h_m, W_l = W_m, p_l = p_m und T_l = T_m. Unter Verwendung dieser Gleichungen und durch Einsetzen der Ausdrücke für ω₀, M und Γ in den Ausdruck [11], ist Q = ½.
Im Modulator 1a haben die Übertragungsleitungen und die Membran die gleiche Breite, Dicke und Dichte. In anderen Ausführungsformen können diese Merkmale indes zwischen den Übertragungsleitungen und der Membran variieren. Die vorhergehenden Ausdrücke sind geeignet, um Modulatoren zu konstruieren, die Streifenleitungs-Übertragungsleitungen umfassen, wo die Eigenschaften der Übertragungsleitungen sich von denjenigen der Membran unterscheiden.
Die Länge L_t einer Streifenleitungs-Übertragungsleitung, wie beispielsweise die Übertragungsleitungen 22a und 22b, kann wie folgt bestimmt werden. Ein mechanischer Impuls, d.h. eine Vibration, auf der Membran 15 reist in einem Zyklus über eine Distanz 2L_m. Da dieser Impuls die Streifenleitungs-Übertragungsleitung, wie beispielsweise die Übertragungsleitungen 22a und 22b, entlang reist, wird die Energie an das umgebende Medium abgestrahlt. Die Energie, die in der Übertragungsleitung vorhanden ist, nachdem der Puls über eine Distanz x die Übertragungsleitung entlang reist, ist gegeben durch: E = E0exp(–x[π/QuLm]) [13]wo: E₀ die Anfangsenergie ist, die an die Übertragungsleitung geliefert wird und Q_u der Gütefaktor einer Membran 15 ohne die verbundenen Übertragungsleitungen, hiernach als „ungeladene" Membran bezeichnet, ist. Der Gütefaktor Q_u wird unten mit mehr Details beschrieben.
Für eine Übertragungsleitung, wie beispielsweise die Übertragungsleitungen 22a und 22b, die eine Länge L_t haben, ist die Distanz, über die die Energie reist, bevor sie zur Membran 15 zurückkehrt, 2L_t. Daher ist der Teil der Anfangsenergie, der an die Membran zurückgegeben wird, gegeben durch: exp(–2Lt[π/QuLm]) [14]
Die Energie, die an die Membran 15 zurückgegeben wird, sollte weniger als etwa 5 Prozent und vorzugsweise weniger als etwa 1 Prozent der Anfangsenergie betragen. Daher kann die Länge L_t einer Übertragungsleitung, wie beispielsweise die Übertragungsleitungen 22a und 22b berechnet werden, indem ein Wert für [14] ausgewählt wird und nach L_t aufgelöst wird. Wenn zum Beispiel die Energie, die an die Membran zurückgegeben wird, auf e^–5 oder 0,67 Prozent der Anfangsenergie zu reduzieren ist, dann ist L_t = 5Q_uL_m/(2π).
Der Gütefaktor Q_u kann als Q_u = 2π ausgedrückt werden (in der Membran gespeicherte Energie/pro Zyklus verlorene Energie). Der Gütefaktor kann durch Anwenden einer Spannung auf einen ungeladenen Modulator, Untersuchen des optischen Signals und, ausgehend von der Zeitaufzeichnung, Bestimmen, wie lange die Membran braucht, um auszuschwingen, bestimmt werden. Ein solches Verfahren liegt innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten. Alternativ kann Q_u direkt dem folgenden Ausdruck gemäß berechnet werden: Qu = f2[(8π2pg)/PF(X)/X)] [15]wo: p die flächenbezogene Masse der Membran, g die Distanz zwischen der Membran und dem Substrat, P der Druck des Gases, durch das die Membran sich bewegt, und f die Resonanzfrequenz der Membran ist. X ist gegeben durch: X = Wm/(2λp) [16]wo: W_m die Breite der Membran ist und λ_p gegeben ist durch: λp = [(Pg2)/(12πμefff)]0.5 [17]wo μ_eff die effektive Gasviskosität ist. Die effektive Gasviskosität kann in Bezug auf μ durch die folgende Formel ausgedrückt werden: μeff = μ/{1 + [6(2 – σ)λ/(σg)]} [18]wo: σ der Akkomodationskoeffizient ist und λ die mittlere freie Weglänge des Gases ist. Der Akkomodationskoeffizient ist ein Maß dafür, wie wirksam eine Fläche Gasmoleküle streut, die auf der Fläche auftreffen. Typischerweise hat σ einen Wert nahe 1.
Die Funktion F(X) ist gegeben durch: F(X) = [coshXsinhX – cosXsinX]/[sinh2Xsin2X + cosh2Xcos2X] [19]
Das folgende Beispiel veranschaulicht das Verwenden von [15]–[19] zum Bestimmen von Q_u. In diesem Beispiel ist das Gas, das die Membran umgibt, Luft bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von einer Atmo sphäre. Ferner ist die Membran für eine Frequenz von 2 MHz konstruiert und der Zwischenraum zwischen der Membran und dem Substrat beträgt ein Mikron. Zusätzlich wird angenommen, dass die Membran 20 Mikron breit ist und eine flächenbezogene Masse von 1,2 × 10^–4 Gramm pro Quadratzentimeter hat. Vom Akkomodationskoeffizient σ wird angenommen, dass er gleich 1 ist, λ = 0,09 Mikron, und μ = 1,8 × 10^–4 Gramm pro Zentimetersekunde. Das Einsetzen der geeigneten Werte in [18] ergibt μ_eff = 1,2 × 10^–4 Gramm pro Zentimetersekunde, in [17] ergibt λ_p = 10 Mikron und in [16] ergibt X = 1,0. Das Einsetzen von X = 1,0 in [19] ergibt F(X) = 0,81. Das Einsetzen der geeigneten Werte in [15] ergibt Q_u = 4,7.
Wenn eine Streifenleitungs-Übertragungsleitung zur Membran des vorhergehenden Beispiels hinzugefügt wird, ist die Länge L_t einer solchen Übertragungsleitung gegeben durch L_t = 5Q_uL_m/(2π), wo die Energie, die an die Membran zurückgegeben wird, auf e^–5 oder 0,67 Prozent der Anfangsenergie zu reduzieren ist, wie vorhergehend beschrieben. Das Einsetzen des Wertes für Q_u in den vorhergehenden Ausdruck erzielt: L_t = 3,74L_m. Daher sollte die Übertragungsleitung für das vorhergehende Beispiel ungefähr drei und drei Viertel Mal so lang sein wie die Membran. Man wird verstehen, dass die Übertragungsleitung in anderen Ausführungsformen konstruiert werden kann, um mehr oder weniger Energie an die Membran zurückzugeben, und dementsprechend kürzer oder länger als 3,74L_m sein wird.
Die Länge L_m der Membran 15 kann als eine Funktion von gewünschter Betriebsfrequenz unter Verwendung der später in dieser Patenschrift beschriebenen Verfahren bestimmt werden. Während die spezifischen Abmessungen der Membran, wie beispielsweise der Membran 15 mit Änderungen in den Modulatorkonstruktionen und mit den Besonderheiten der beabsichtigten Anwendung variieren können, wird die Länge L_m und die Breite W_m der Membran 15 typischerweise im Bereich von 20 bis 200 Mikron liegen.
5 ist eine Veranschaulichung einer Übertragungsleitung 110 einer „eingespannten Platte". Wie die Streifenleitungs-Übertragungsleitung 1 kann die Übertragungsleitung einer eingespannten Platte Energie von einer sich bewegenden Masse, wie beispielsweise einer Modulatormembran, empfangen, und solche Energie, die als ein Impuls 200 gezeigt wird, an das umgebende Medium abstrahlen. 6 zeigt zwei Übertragungsleitungen einer eingespannten Platte 220a und 220b, die in einen mikromechanischen Modulator 1b integriert sind. Der Modulator 1b umfasst auch eine Membran 150 zum Empfangen eines optischen Signals und ein Substrat 10. Die Membran 150 wird über dem Substrat 10 durch eine Trägerschicht 120 getragen. Zwischen der Membran 150 und dem Substrat 10 besteht eine Lücke 20.
Mehrere Löcher 140 sind in jeder der Übertragungsleitungen 220a und 220b angeordnet. Die Löcher 140 sind erforderlich, da die Übertragungsleitungen und die Membran sonst eine kontinuierliche Schicht bilden würden, die die Trägerschicht 120 überlappt, wodurch ein Übertragungsleitungs-Hohlraum 230 und ein Modulatorhohlraum 240 erzeugt und abgedichtet würden. In Abwesenheit der Löcher 140 würden solche abgedichtete Hohlräume das darin enthaltene Gas für das Dissipieren der kinetischen Energie der Membran 150 unwirksam machen. Daher stellt im Modulator 1b jede Übertragungsleitung 220a und 220b in Verbindung mit den mehreren Löchern 140 die erforderliche Dämpfung für die Membran 150 bereit.
Maximale Dämpfung wird erreicht, wenn die Distanz d zwischen den Löchern 140 gegeben ist durch: d = 2[(Pg2)/(12πμefff)]0.5 [20]wo: P der Druck des Gases ist, durch den die Übertra gungsleitung sich bewegt, g die Distanz zwischen der Übertragungsleitung und dem Substrat ist, f die natürliche Resonanzfrequenz der Übertragungsleitung ist, und μ_eff die effektive Gasviskosität ist, wie vorhergehend definiert.
Der Durchmesser der Löcher 140 sollte im Bereich von etwa 2 bis etwa 4 Mal die Lücke zwischen der Übertragungsleitung, wie beispielsweise die Übertragungsleitungen 220a und 220b, und dem Substrat 10 und nicht mehr als etwa ein Drittel von d, dem Lochzwischenraum, sein.
Der Ausdruck [20] stellt den Lochzwischenraum für maximale Membrandämpfung bereit, was die Länge der Übertragungsleitung minimiert.
Der Modulator 1b hat einen zentral angeordneten Bereich 165 mit rechteckiger Form, der durch einen Umfang 170 definiert ist. Die Membran 150 zum Empfangen des optischen Signals ist im Bereich 165 angeordnet. Wie vorhergehend für den Modulator 1a beschrieben, kann eine Schicht 300 von leitfähigem Material auf der Membran 150 aufgebracht werden, wie erforderlich, um sie in geeigneter Weise leitfähig zu machen. Die Schicht 300 kann über den Umfang 170 des Bereichs 165 hinaus zur Verbindung mit einer gesteuerten Spannungsquelle 290 ausgedehnt werden. Die gesteuerte Spannungsquelle 290 ist auch mit dem Substrat 10 verbunden.
Bevorzugte Ausführungsformen eines Modulators, der eine Übertragungsleitung einer eingespannten Platte umfasst, wie beispielsweise der Modulator 1b, umfassen verschiedene ungewöhnliche Merkmale in der oberen Fläche und der darunter liegenden Tragstruktur, wie in 6 und 7 bildlich dargestellt. Insbesondere wurde herausgefunden, dass durch das Verringern der flächenbezogenen Masse eines zentralen Bereichs, wie beispielsweise der Bereich 165, in dem die Membran 150 angeordnet ist, die Rate, mit der die Energie von der Membran abgestrahlt wird, gesteigert wird. Insbesondere sollte die flächenbezogene Masse p_c des Bereichs 165 nicht mehr als etwa die Hälfte der flächenbezogenen Masse p_l der Übertragungsleitungen 220a und 220b betragen. Vorzugsweise ist p_c = 0,5p_l. Vorzugsweise ist das Material, das verwendet wird, um den Bereich 165 einschließlich der Membran 150 zu bilden, das gleiche wie dasjenige, das verwendet wird, um die Übertragungsleitungen 220a und 220b zu bilden. In einem solchen Fall entspricht die Dicke h_c des Bereichs 165, der die das optische Signal empfangende Membran 15 umfasst, vorzugsweise der Hälfte der Dicke h_l der Übertragungsleitungen 220a und 220b. Eine solche Änderung in der Dicke kann durch Wegätzen einer Hälfte der Dicke einer Schicht 130, die auf der Trägerschicht 120 im Umfang 170 aufgebracht ist, bewerkstelligt werden. Alternativ können zwei Schichten von Material aufeinander folgend aufgebracht werden, wobei nach dem Aufbringen der ersten Schicht der Bereich innerhalb des Umfangs 170 maskiert wird, derart dass die zweite Schicht nicht im Bereich 165 aufgetragen wird. Ein gegenwärtig bevorzugtes Material für die Verwendung als der Bereich 165, die Membran 150 und die Übertragungsleitungen 220a und 220b ist Siliziumnitrid. Andere Materialien, die zum Bilden der Membran 150 und daher des Bereichs 165 und der Übertragungsleitungen geeignet sind, werden in den Patentschriften beschrieben, auf die vorhergehend Bezug genommen wurde.
Wie in 8 bildlich veranschaulicht, wird die Breite der Membran 150 mit W₁ bezeichnet, die Breite des Bereichs 165 wird mit W₂ bezeichnet und die Breite der Übertragungsleitungen 220a und 220b wird mit W₃ bezeichnet. Die Länge der Membran wird mit L₂ bezeichnet. Die Länge L₂ wird als eine Funktion der erwünschten Betriebsfrequenz des Modulators 1b bestimmt.
Die Länge L₂ kann mit dem folgenden Ausdruck geschätzt werden: f = [0,766/L2][S/p]0.5 [21]wo: S die Spannung in der Membran, p die Durchschnittsdichte der Membran und f die Resonanzfrequenz der Membran ist. Beim Berechnen der Spannung S und Dichte p der Membran 150 sollte die Anwesenheit der leitfähigen Schicht 300 berücksichtigt werden. Der Ausdruck [21] wird geeigneter verwendet, um den Durchmesser einer kreisförmigen Membran zu berechnen, wo L₂ der Membrandurchmesser ist. Er wird indes für eine Membran mit rechteckiger Form eine Schätzung einer „groben Hausnummer" bereitstellen. Nachdem eine Annäherung von L₂ bekannt ist, kann eine Vielzahl von Modulatoren, die unterschiedliche Werte für L₂ haben, hergestellt und getestet werden. L₂ wird dann für den Modulator gemessen, der die Zielbetriebsfrequenz hat. Alternativ kann eine Schätzung von L₂ von der Ausbreitungsgeschwindigkeit v erhalten werden, die durch den vorhergehenden Ausdruck [4] gegeben ist. In diesem Fall beziehen sich die Parameter m und σ, die in [4] erscheinen, indes auf die Membran, nicht auf die Übertragungsleitung. Die Frequenz f ist die Umlaufzeit für einen Impuls, der sich durch die Membran ausbreitet: f = v/[2L₂]. Wenn L₂ bestimmt wurde, werden andere Abmessungen des Modulators 1b als eine Funktion von L₂ gegeben.
Die Breite W₁ der Membran 150 ist vorzugsweise nicht größer als ein Fünftel der Länge L₂ der Membran. Wenn die Breite der Membran 150 1/5L₂ übertrifft, kann das Überschwingen, d.h. Bewegung der Membran über ihre gewünschte Position hinaus, zu groß werden. Vorzugsweise wird das Überschwingen auf nicht mehr als etwa zwanzig Prozent beschränkt, was durch Beschränken von W₁ auf nicht mehr als etwa zwanzig Prozent der Länge L₂ der Membran 150 bewerkstelligt wird.
Die Breite W₂ des Bereichs 165 liegt vorzugsweise innerhalb von etwa plus/minus zwanzig Prozent von 2/5 der Länge L₂ der Membran 150. Mit anderen Worten vorzugsweise 0,32 L₂ ≤ W₂ ≤ 0,48L₂. Vorzugsweise beträgt die Breite W₃ der Übertragungsleitungen, wie beispielsweise der Übertragungsleitungen 220a und 220b mindestens 2 Mal die Länge L₂ der Membran. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform beträgt W₃ mindestens drei Mal die Länge L₂ der Membran.
Die Membran 150 überlappt die Trägerschicht 120 im Bereich 124. Wie vorhergehend beschrieben, ist die Breite W₃ der Übertragungsleitungen größer als die Länge L₂ der Membran. Als solcher erstreckt sich der Bereich 124 der Trägerschicht 120 in Bezug auf den Teil der Trägerschicht 120, die die Übertragungsleitungen 220a und 220b trägt, nach innen, wodurch der Modulatorhohlraum 240 gebildet wird. Daher ist die innere Fläche 121 des Teils der Trägerschicht 120, der die Übertragungsleitungen 220a und 220b trägt, aus der Perspektive der Membran 150 in Bezug auf die innere Fläche 122 des Bereichs 124 eingesenkt. Eine solche Anordnung ergibt eine Steigerung der Rate, bei der Energie die Übermittlungsleitungen entlang von der Membran 150 weg abgestrahlt wird. Nachdem der Wert von L₂ und W₃ bestimmt wurde, wird die Länge L₁ des Bereichs 124 aus dem folgenden Ausdruck bestimmt: W₃ = 2L₁ + L₂.
Ein Modulator einer eingespannten Platte gemäß der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise der Modulator 1b, kann gemäß den Verfahren hergestellt werden, die in S.N. 08/565,453 beschrieben werden. Man wird verstehen, dass kleine Abwandlungen der Verfahren, die in der vorhergehenden Anmeldung beschrieben werden, im Hinblick auf einen zentralen Bereich mit verringerter Masse, wie beispielsweise den Bereich 165, erforderlich sind. Solche Abwandlungen liegen innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten.
Es sollte verstanden werden, dass die Ausführungsfor men, die hierin beschrieben werden, die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen und dass Fachleuten verschiedene Abwandlungen einfallen werden und durch sie ausgeführt werden können, ohne den Umfang und Gedanken der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können die mechanischen Übertragungsleitungen mit anderen Typen von mikromechanischen Modulatoren verwendet werden, als diejenigen, die hierin beschrieben werden, um Membranvibration zu dämpfen. Ferner können die Übertragungsleitungen andere Konfigurationen haben als diejenigen, die hierin beschrieben werden. Zusätzlich können, während die hierin beschriebenen Ausführungsformen zwei Streifenleitungs- und zwei Übertragungsleitungen einer eingespannten Platte verwenden, mehr oder weniger als die zwei Übertragungsleitungen in Verbindung mit anderen Modulatoren verwendet werden. Während die Übertragungsleitungen und die Membran der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen als nahtlos integriert gezeigt werden, können diese ferner auf andere Arten und in anderen Ausführungsformen konfiguriert werden. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen eine mechanische Zwischenverbindung zwischen der Membran und den Übertragungsleitungen angeordnet werden. In anderen Ausführungsformen können die Übertragungsleitungen die Membran überlappen oder darunter liegen.

Claims

Mikromechanischer Modulator, der betriebsfähig ist, um bei einer Betriebsfrequenz ein optisches Signal zu modulieren, wobei der Modulator zwei mit Zwischenraum angeordnete Schichten (10, 15) hat, wobei eine der Schichten (15) beweglich ist, wobei die bewegliche Schicht (15) in Abwesenheit eines Ansteuersignals in Bezug auf die andere Schicht (10) eine erste Position und in Anwesenheit eines Ansteuersignals eine zweite Position hat, wobei die Änderung der Position der beweglichen Schicht in Reaktion auf das Ansteuersignal eine Änderung in einem messbaren Merkmal des vom Modulator zurückgesendeten optischen Signals ergibt, gekennzeichnet durch: mindestens eine mechanische Übertragungsleitung (22a, 220a), die mechanisch mit der beweglichen Schicht (15) in Verbindung steht, wobei die Dimension, Masse und Spannung der mechanischen Übertragungsleitung ausgewählt sind, um einen Betrag an Energie, der die Übertragungsleitung entlang zu der beweglichen Schicht (15) zurückreflektiert wird, zu verringern, um zu verhindern, dass die bewegliche Schicht nach dem Bewegen von der ersten Position zur zweiten Position oder von der zweiten Position zur ersten Position vibriert.
Modulator nach Anspruch 1, der eine zweite Übertragungsleitung (22b, 220b) aufweist, die mechanisch mit der beweglichen Schicht (15) in Verbindung steht.
Modulator nach Anspruch 1, wobei der Gütefaktor des Modulators im Bereich zwischen ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,0 liegt.
Modulator nach Anspruch 1, wobei der Gütefaktor des Modulators im Bereich zwischen ungefähr 0,7 bis ungefähr 0,8 liegt.
Modulator nach Anspruch 1, wobei fünfundneunzig Prozent des Betrags der Energie, die durch die Übertragungsleitung (22a, 220a) von der beweglichen Schicht (15) empfangen wird, dissipiert wird.
Modulator nach Anspruch 1, wobei fünfundneunzig Prozent des Betrags der Energie, die durch die Übertragungsleitung (22a, 220a) von der beweglichen Schicht (15) empfangen wird, dissipiert wird.
Modulator nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Energie, die durch die Übertragungsleitung (22a, 220a) empfangen und dissipiert wird, in einem Viertelzyklus oder weniger bei der Betriebsfrequenz des Modulators entfernt wird.
Modulator nach Anspruch 1, wobei die bewegliche Schicht (15) durch eine Breite (W_m) und eine Länge (L_m) gekennzeichnet ist, und wobei die Übertragungsleitung eine Streifenleitung-Übertragungsleitung (22a) ist, die durch eine Breite (W_l) und eine Länge (L_t) gekennzeichnet ist.
Modulator nach Anspruch 8, der ferner Trägerarme (26) zum Tragen der Übertragungsleitung (22a) aufweist.
Modulator nach Anspruch 8, wobei die Breite (W_l) der Übertragungsleitung (22a) gleich der Breite (W_m) der beweglichen Schicht (15) ist.
Modulator nach Anspruch 8, wobei die Länge (L_t) der Übertragungsleitung (22a) mindestens drei Mal die Länge (L_m) der beweglichen Schicht (15) beträgt.
Modulator nach Anspruch 1, der einen Modulatorhohlraum (240) und einen Übertragungsleitungshohlraum (230) hat, die beide innerhalb einer Trägerschicht (120) definiert sind, und wobei die Übertragungsleitung ferner eine Übertragungsleitung (220a) einer eingespannten Platte ist, die eine Breite (W₃) hat, die geeignet ist, um die Trägerschicht (120) zu überlappen, wobei der Modulator ferner strukturelle Anpassungen aufweist, um es Gas, das in dem Modulatorhohlraum und dem Übermittlungsleitungs-Hohlraum enthalten ist, zu ermöglichen, auszutreten.
Modulator nach Anspruch 12, wobei die strukturellen Anpassungen mehrere mit Zwischenräumen angeordnete Löcher (140) aufweisen, die in der Übertragungsleitung (220a) gebildet sind.
Modulator nach Anspruch 13, wobei der Zwischenraum d der Löcher gemäß dem Ausdruck d = 2[(Pg²)/(12πμ_efff)]^0.5 bestimmt ist, wo P der Druck des Gases ist, das in den Hohlräumen (230, 240) enthalten ist, g die Distanz zwischen der Übertragungsleitung (220a) und der anderen Schicht (10) ist, f die natürliche Resonanzfrequenz der Übertragungsleitung (220a) ist, und μ_eff die effektive Gasviskosität ist, die gemäß dem Ausdruck μ_eff = μ/{1 + [6(2 – σ)λ/(σg)]} bestimmt ist, wo σ der Akkomodationskoeffizient ist und λ die mittlere freie Weglänge des Gases ist.
Modulator nach Anspruch 12, der ferner einen zentralen Bereich (165) aufweist, in dem die bewegliche Schicht (150) liegt, wobei der zentrale Bereich eine flächenbezogene Masse hat, die nicht mehr als etwa die Hälfte der flächenbezogenen Masse der Übertragungsleitung (220a) beträgt.
Modulator nach Anspruch 15, wobei die bewegliche Schicht (150) ferner durch eine Breite (W₁) und eine Länge (L₂) gekennzeichnet ist, und wobei die Breite der beweglichen Schicht (150) nicht mehr als etwa ein Fünftel der Länge der beweglichen Schicht (150) beträgt.
Modulator nach Anspruch 15, wobei der zentrale Bereich (165) ferner durch eine Breite (W₂) gekennzeichnet ist, und wobei die Breite des zentralen Bereichs mindestens etwa 32 Prozent und nicht mehr als etwa 48 Prozent der Länge der beweglichen Schicht (150) beträgt.
Modulator nach Anspruch 15, wobei die Breite (W₃) der Übertragungsleitung mindestens zwei Mal die Länge (L₂) der beweglichen Schicht beträgt.