KR20160091379A - 파장 튜닝가능한 mems-파브리 페롯 필터 - Google Patents

파장 튜닝가능한 mems-파브리 페롯 필터 Download PDF

Info

Publication number
KR20160091379A
KR20160091379A KR1020167016955A KR20167016955A KR20160091379A KR 20160091379 A KR20160091379 A KR 20160091379A KR 1020167016955 A KR1020167016955 A KR 1020167016955A KR 20167016955 A KR20167016955 A KR 20167016955A KR 20160091379 A KR20160091379 A KR 20160091379A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mems
filter
substrate
cavity
reflector
Prior art date
Application number
KR1020167016955A
Other languages
English (en)
Inventor
모하마드 카말
통닝 리
데이비드 이유
치니안 치
Original Assignee
인피닉스, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인피닉스, 인크. filed Critical 인피닉스, 인크.
Publication of KR20160091379A publication Critical patent/KR20160091379A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00317—Packaging optical devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/12—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements by surface treatment, e.g. by irradiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
    • H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08018—Mode suppression
    • H01S3/08022—Longitudinal modes
    • H01S3/08027—Longitudinal modes by a filter, e.g. a Fabry-Perot filter is used for wavelength setting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/083—Ring lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/1062—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using a controlled passive interferometer, e.g. a Fabry-Perot etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18363—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors comprising air layers
    • H01S5/18366—Membrane DBR, i.e. a movable DBR on top of the VCSEL
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/01—Manufacture or treatment
    • H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0661—Processes performed after copper oxide formation, e.g. patterning
    • H10N60/0688—Etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0128—Processes for removing material
    • B81C2201/013—Etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/146—Mixed devices
    • H01L2924/1461—MEMS

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Optical Filters (AREA)

Abstract

파브리 페롯(FP) 필터 캐비티 튜닝에 기초한 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS)을 갖는 파장 튜닝가능한 이득 매질은 튜닝가능한 레이저로서 제공된다. 본 시스템은 파장 선택을 위한 레이저 캐비티 및 필터 캐비티를 포함한다. 레이저 캐비티는 반도체 광학 증폭기(SOA)와 같은 이득매질, 두 개의 평행(collimating) 렌즈들 및 단부(end) 반사기로 구성된다. MEMS-FP 필터 캐비티는 고정 반사기 및 전자기적 힘에 의해 제어가능한 가동 반사기를 포함한다. MEMS 반사기의 무빙으로서, 파장은 FP 필터 캐비티 길이의 변경에 의해 튜닝될 수 있다. MEMS FP 필터 캐비티 변위는 스탭 전압으로 이산적으로 또는 연석된 드라이빙 전압을 사용함으로써 연속적으로 튜닝될 수 있다. 연속 튜닝을 위한 드라이빙 주파수는 공명 주파수 또는 MEMS 구조의 임의의 주파수일 수 있고, 튜닝 범위는 30nm, 40nm 및 100nm 이상과 같이 상이한 튜닝 범위들일 수 있다.

Description

파장 튜닝가능한 MEMS-파브리 페롯 필터{WAVELENGTH TUNABLE MEMS-FABRY PEROT FILTER}
여기에 개시된 본 기술은 일반적으로 튜닝 가능한 레이저 소스들에서 사용되는 파브리 페롯 필터에 관련되며, 보다 구체적으로 MEMS 디바이스들을 포함하는 파브리 페롯 필터와 관련된다.
본 출원은 파리조약 하에서 2013년 11월 26일 출원된 출원번호가 제 61/909,277호인 미국 가출원에 우선권의 이익을 주장하며, 상기 미국 가출원의 전체는 여기에서 참조로서 통합된다.
파브리 페롯(FP)필터들은 외부 캐비티들 및 링 캐비티들을 포함하는 튜닝가능한 레이저 소스들에 광범위하게 사용되어왔다. 이러한 레이저들에서, 필터 캐비티는 레이저 캐비티의 외부이다. FP 필터는 고전적인 파장 튜닝가능한 방법을 사용하며, 이는 통상의 기술자에게 잘 알려져 있으므로, 여기서는 간단히 설명한다. 자세한 설명은 예를 들어, 여기에서 참조로서 통합되는 K.K.Charma, “OPTICS: Principles and applications”, Academic Press; 1st edition (2006.8.30)에서 찾을 수 있다. 튜닝가능한 FP 필터의 광학 캐비티는 공기 갭에 의해 분리되는 고정 반사기 및 가동(moveable) 반사기의 두 개의 반사기들을 포함한다. 유전체 물질들로부터 만들어지는 분산 브레그 반사기(DBR) 미러들은 높은 반사율을 제공하므로 일반적으로 캐비티 반사기들로 사용된다.
FP 필터의 세 개의 중요 파라미터들은 그것의 자유 스펙트럼의 범위(FSR), 캐비티 피네스(finesse) 및 캐비티 필터 대역폭이며, 그러나 이들 모두는 유효 광학 캐비티 길이 및 유효 반사율에 의존한다. FP 필터의 유효 광학 캐비티 길이는 필터 파라미터들을 보다 정확하게 계산하기 위하여 사용될 필요가 있다. 이러한 길이는, 유전체 DBR 미러들로의 광학 투과 깊이 및 캐비티 반사기들간의 광학 거리를 포함한다. 광학 거리는 그것이 전파하여 통과하는 매질/매체들의 굴절률과 빛이 이동하는 여행하는 물리적인(기하학적인) 거리간의 곱으로서 정의된다.
FP 필터에서, 최대 전달의 파장이 주기적으로 발생하고, 그리고 인접 최대들 사이의 간격(모드 간격)은 자유 스팩트럼의 범위로 호칭되고, 기호 △λFSR 로 나타내진다. 특정 설계 파장 λ에 대한 FP 필터의 FSR은 캐비티 반사기들(Leff, 즉 수학식 1 로 표현되는 유효 광학 캐비티 거리) 사이의 유효 광학 거리에 의해 결정된다
Figure pct00001
특히, 본 정의는 FRS이 광학 캐비티 길이에 반비례(inversely proportional)하는 관계를 보여준다: 그러므로, 짧은 캐비티는 넓은 FSR 을 제공한다.
FP 필터의 피네스는 FP 캐비티의 유효 반사율, reff , 에 의해 다음과 같이 결정된다:(
Figure pct00002
). 캐비티 반사율 reff 은 결국, 두 개의 반사기들의 반사율에 의해 정의된다. 반사율은 0 < reff < 1 범위에 놓인다.
FP 필터의 FSR의 그것의 대역폭에 대한 비율은 그것의 피네스, FFP이다. 본 양(quantity)은 디바이스에 대한 양호도(quality factor)(“Q 팩터”)와 유사하다. 그러므로, 상수 FSR 에 대한 필터 대역폭을 좁히는 것은 증가된 피네스로 이어진다.
FP필터의 필터 대역폭,
Figure pct00003
은 각각의 전송 피크의 선예도(sharpness)이다. 대역폭은 플레이트 간격뿐만 아니라 간섭계(interferometer) 플레이트의 반사율(및 손실(loss))에 의해 결정된다. 이것은 또한 자유 스팩트럼 범위(FSR) 및 피네스(F)의 비율이고, 그리고 수학식 2로서 주어진다:
Figure pct00004
여기서, λ는 설계 파장이고, 그리고 Leff는 FP 캐비티의 유효 광학 캐비티 길이이다. 필터 대역폭은 또한 그것의 최소 분해할 수 있는(resolvable) 대역폭(즉, 분해능(resolution))이다. 좁은 필터 대역폭은 높은 광학 전송, 낮은 삽입 손실 및 낮은 파면 왜곡(distortion)에 대해 바람직하다. 좁은 필터 대역폭을 달성하기 위한 중요 요구사항들(key requirements)은: (1) 긴 유효 광학 캐비티 길이; 및 (2) FP 캐비티 반사기들의 높은 반사율인 것으로 볼 수 있다.
튜닝가능한 FP 필터는 필터 캐비티 길이를 변경함으로써 선택된 파장들로 튜닝될 수 있다. FP 필터의 파장 튜닝 범위, △λ는 수학식 3로서 주어진다:
Figure pct00005
여기서 △λ는 FP 캐비티의 캐비티 길이에서의 변경이다. 파장 튜닝 범위는 일반적으로 FP 필터에 대한 FSR 보다 작다. 넓은 파장 튜닝 범위를 달성하기 위해(예를 들어, 100nm 또는 그 이상), 유효 광학 캐비티 길이는 몇 미크론 범위 이내여야 한다.
마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 기술은 FP 필터의 필터 캐비티 길이(따라서, 유효 광학 캐비티 길이)를 파장 튜닝이 가능하도록 조정하기 위해 사용되었다. 예를 들어, 이러한 MEMS를 사용하는 튜닝가능한 파브리 페롯 필터는 2002년 4월 16일에 “튜닝가능한 파브리 페롯 필터” 에 대한 플랜더스(Flanders)에 발행된 여기에서 참조로서 통합되는 미국 특허 번호 6,373,632 B1에서 개시된다.
이 특허에서, FP 캐비티를 정의하는 두 개의 반사기들은 두 개의 분리된 웨이퍼들에 위치하며, 이들은 추후 함께 결합(bonding)된다. 이 프로세스 이후에 미러들이 다른 하나와 평행을 보장하는 것은 중요하다. 모션(motion)은 FP 캐비티의 일면에서의 멤브레인의 움직임에서 온다. 필터에 대한 하나의 캐비티 및 MEMS에 의해 정의되는 인접한 다른 캐비티가 존재한다. 두 개의 칩들의 결합은 원하는 대역폭 및 FSR을 위한 필터 광학 캐비티 길이를 구성하도록 유연성을 주지만, 두 개의 칩들의 결합은 제작(fabrication) 복잡성과 생산(manufacture) 비용을 추가시킨다.
본 발명은 MEMS를 활용하는 FP 필터를 포함하고, 그리고 MEMS 캐비티는 FP 필터 캐비티의 일부이다. 이러한 구성은 설계의 간편함뿐 아니라 제작 관점으로부터 효율적이다.
본 발명은 MEMS-FP 필터를 생산하기 위해, 전술된 바와 같이 비싸고 그리고 더 복잡한 분리된 컴포넌트들의 결합을 수행하는 것 대신에, 반도체 제작 프로세스의 시퀸스의 사용을 수반한다. MEMS(정전(electrostatic)) 및 광학 기능들(분리 캐비티들 대신에)을 포함하는 오직 하나의 캐비티를 갖는 디바이스를 생성함으로써, 결합 단계가 회피된다. 게다가, FP 필터의 일부인 공기 갭은 제작의 프로세스 동안에 에칭 아웃(etched out)될 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 MEMS-FP 필터는 이산 또는 연속적으로 튜닝될 수 있다. 필터는 100 - 3000nm 로부터 바람직하게는 600 - 1800nm, 600 - 699nm, 700 - 799nm, 800 - 899nm, 900 - 999nm, 1000 - 1099nm, 1100 - 1199nm, 1200 - 1299nm, 1300 - 1399nm, 1400 - 1499nm, 1500 - 1599nm, 1600 - 1699nm, 1700 - 1800nm을 포함하는 다양한 설계 파장 윈도우들을 커버할 수 있다. 바람직한 설계 파장들은, 예를 들어, 850nm, 1060nm, 1300nm, 1550nm, 및 1750nm를 포함한다.
FP 필터의 설계 및 구성은 높은 피네스로 이어지기 위해, 좁은 필터 대역폭과 넓은 FSR을 달성하고자 하는 조합에 의해 구동된다. 그러나, 그러한 동시에 두 개의 파라미터들의 최대화하는 것은 어렵다. 실제로, 두 개의 파라미터들은 필터 캐비티 길이, 미러 반사율 및 미러 정렬 및 결합과 같은 구조(construction)의 양상들 에 의해 제한된다. 그러므로, 이것인 원하는 필터 대역폭과 FSR을 제공할 수 있는 방식으로 필터 캐비티를 구성하는 것은 중요하다.
본 발명에서 FP 필터의 광학 캐비티는 웨이퍼 기판의 뒷면상의 고정 반사기, 기판으로부터 컷-아웃(cut-out)이 애칭된 이후에 남겨진 웨이퍼 기판의 일부, 기판의 상위 측(top side)의 비반사 코팅, 공기 갭 및 가동 반사기에 의해 형성된다. 웨이퍼 기판의 상위측 및 이동(moving) 반사기는 MEMS 전극으로 기능한다. 그러므로, MEMS 정전 캐비티는 필터 광학 캐비티와 공간에 중첩(overlaps)되고, 필터 광학 캐비티의 일부이다. 따라서, 본 발명의 설계 접근은 분리 MEMS 캐비티 및 FP 필터 캐비티를 형성하기 위해 두 개의 MEM 칩들의 결합 필요성을 제거한다. 본 발명의 MEMS-FP 필터는 필터 광학 캐비티 및 MEMS 정전 캐비티로부터 정렬이 요구되지 않도록 하는 통합 디바이스이다. 필터 광학 캐비티의 길이는 필터 캐비티를 형성하는 기판의 일부의 두깨를 조절함으로써 구성(configured)될 수 있다. 그러므로, 필터 광학 캐비티는 MEMS 정전 캐비티의 변형 없이 구성가능(configurable)하다. 게다가, 고 반사 금속 코팅 또는 멀티 층 유전체 DBR 미러들 중 하나는 캐비티 반사기들 모두로부터 고 반사율을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 그 결과, 본 발명은 원하는 필터 대역폭 및 FSR을 달성하기 위하여 FP 필터 광학 캐비티 길이 및 반사율을 구성하기 위한 향상된 유연성을 가진 설계를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가동 반사기는 유전체 MEMS 구조로 구성되고, 그리고 아니면(in others) 그것은 상부에 멀티 층 DBR 미러들을 갖는 유전체 MEMS 구조 이다.
일 실시예에서, 본 발명은 튜닝가능한 MEMS-FP 필터를 포함하고, 튜닝가능한 MEMS-FP필터는, 상부면(upper face) 및 하부면(lower face)을 갖는 반도체 또는 유전체 기판; 상기 기판의 하부면에 부착되는 고정 반사기, 상기 기판의 상부면에 배치되는 하위(bottom) 전극 및 상기 기판의 상부면에 배치되는 AR 층; 하나 이상의 서스펜션 빔들에 의해 지지되고, 상부면 및 하부면을 가지는 가동 반사기―상기 가동 반사기는 MEMS 구조 및 가동 반사기의 상부면에 배치되는 멀티층 유전체 DBR 미러들 및 상위(top) 전극을 포함함―를 포함하며, 여기서 가동 반사기의 하부면과 기판의 상부면 사이에 공기 갭이 형성된다; 여기서 고정 반사기와 가동 반사기 사이에 광학 캐비티가 형성된다. 디바이스는 광학 캐비티의 캐비티 길이를 변경하기 위해 상위 전극과 하위 전극 사이에 전압을 공급하는 전압 소스를 구성함으로써 동작한다.
다른 실시예에서, 튜닝 가능한 MEMS-FP 필터는, 상부면(upper face) 및 하부면(lower face)을 갖는 반도체 또는 유전체 기판; 기판의 하부면에 부착되는 고정 반사기, 기판의 상부면에 배치되는 하위(bottom) 전극 및 기판의 상부면에 배치되는 AR 층; 하나 이상의 서스팬션 빔들에 의해 지지되고 상부면 및 하부면을 가지는 가동 반사기―상기 가동 반사기는 상부면에 배치되는 멀티 층 DBR미러들 및 상위(top) 전극을 포함함―, 여기서 상기 가동 반사기의 하부면과 상기 기판의 상부면 사이에 공기 갭이 형성됨; 여기서 고정 반사기와 가동 반사기 사이에 광학 캐비티가 형성됨; 및 광학 캐비티의 캐비티 길이를 변경하기 위해 상위 전극과 하위 전극 사이에 전압을 공급하는 전압 소스를 포함한다.
본 발명은 추가적으로 MEMS-FP 필터를 제작하는 방법을 포함하고, 이 방법은 필터의 예시적인 실시예에 대하여: 기판의 하부표면(lower surface)으로부터 컷 아웃을 에칭하는 단계; 컷 아웃의 표면(surface)상으로 하나 이상의 멀티 층 유전체 DBR 미러들을 증착시키는 단계; 기판의 상부표면(upper surface) 상으로 비반사 코팅 층을 증착시키는 단계; 비반사 코팅 층을 패터닝하고 애칭하는 단계; 기판의 상부면(upper face) 상에 하위(bottom) 전극을 증착시키는 단계; 하위 전극을 패터닝하고 에칭하는 단계; 희생층, MEMS 구조 및 상위(top) 전극을 패터닝된 비반사 코팅 및 하위 전극의 상위(top)에 증착시키는 단계; 상위 전극을 패터닝하고 에칭하는 단계; 하나 이상의 멀티층 유전체 DBR 미러들을 MEMS 구조 및 상위 전극 상에 증착시키는 단계; MEMS 구조 상에서 멀티층 유전체 DBR 미러들을 패터닝하고 에칭하는 단계; 및 기판을 MEMS 구조로 연결하는 지지 프레임 및 공기 갭을 생성하도록 MEMS 구조 및 희생층을 선택적으로 에칭하는 단계를 포함한다.
도 1a는 정전기적으로 작동하는 MEMS 시스템 구성의 개략도(schematic representation)이다.
도 1b는 MEMS-FP 필터 시스템의 가동 반사기의 평면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 두 개의 예시적인 실시예들에 따라 유전체 미러 기반 MEMS-FP 필터들에 대한 개략도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 두 개의 예시적인 실시예들에 따라 유전체 미러 및 HR 코팅 기반 MEMS-FP 필터들의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 HR코팅 기반 MEMS-FP 필터의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 MEMS-FP 필터에 기초한 튜닝가능한 레이저 시스템 구성의 도식이다.
도 6는 본 발명의 MEMS-FP 필터에 기초한 섬유 결합 튜닝가능한 레이저 시스템 구성의 개략도이다.
도 7은 발명에 따라 MEMS-FP의 생산을 위한 단계들을 나타내는 프로세스 순서도이다.
다양한 도면들의 동일한 참조 기호는 같은 구성요소들을 나타낸다.
여기에 설명들에서 본 발명의 다양한 실시 예들은 유효 광학 캐비티 길이를 증가시키고 유효 반사율을 향상시키는 MEMS-FP 필터 캐비티 반사기들의 상이한 구성을 보여준다. 본 발명의 튜닝가능한 MEMS-FP 필터는 자유 공간 통합 튜닝가능한 레이저 소스 또는 섬유 결합 튜닝가능한 레이저 소스 중 하나에 통합될 수 있다.
평행 플레이트 정전 작동은 MEMS 디바이스에서 일반적으로 사용된다. 평행 플레이트 작동기(actuator)는 평행 플레이트 사이에 구동 전압 V가 적용될 때 그것이 움직일 수 있도록 지지 구조에 의해 걸려있는 플레이트의 하나를 가지는 캐패시터이다. 전압 변위 관계는 수학식 4와 같이 주어진다:
Figure pct00006
여기서, V는 구동 전압이고, Lair는 두 개의 플레이트들 사이의 공기 갭의 길이이고, A는 플레이트의 면적(area)이고, ε0은 진공의 유전율이고, keff는 MEMS 구조의 유효 스프링 상수 이고, 그리고 △L는 이동 MEMS 플레이트의 변위이다.
그러므로, MEMS 캐비티가 FP 광학 캐비티의 일부인 경우, 전압이 스테핑 되는 경우 필터 캐비티 길이가 변해 증가하므로 파장이 이산적으로 튜닝될 수 있다.
파장은 또한 MEMS 구조를 임의의 구동 주파수에서(특히 그것의 공진 주파수에서) 동적으로 구동시킴으로써, 이산적이 아니라 연속적으로 튜닝될 수 있다. MEMS 구조의 공진 주파수, f는 수식 5와 같이 주어진다:
Figure pct00007
여기서 meff는 MEMS 구조의 유효 질량이다.
긴 유효 광학 캐비티는 이동 MEMS 구조를 옮기기 위하여 높은 구동 전압들을 필요로 하는 MEMS 전극들 사이의 큰 거리를 필요로 한다.
본 발명에서, 주어진 설계 파장에 대하여, 필터 캐비티 길이는 원하는 FP 필터 FSR 및 이에따라 원하는 파장 튜닝 범위를을 달성하기 위해 구성가능하다. MEMS-FP 필터의 FSR은 적어도 50nm를 커버할 수 있고, 그리고 바람직한 FSR은 100nm 또는 그 이상이다. 파장 튜닝 범위는 FP 필터 FSR 과 같거나 더 작을 수 있다. 그러므로, 파장 튜닝 범위는 50nm를 커버할 수 있고 그리고 바람직한 튜닝 범위는 100nm 또는 그 이상이다. 유효 광학 캐비티 길이는 수학식 1로부터 원하는 FSR 및 선택된 설계 파장에 대하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 150nm의 원하는 FP 필터 FSR 및 1300nm의 설계 파장에 대해, 유효 광학 캐비티 길이는 5.63 μm 가 되어야 한다. 본 발명은 본 예시에 제한되지 않는다. 유효 광학 캐비티 길이는 임의의 원하는 FP 필터 FSR 및 선택된 설계 파장에 대하여 설계될 수 있다.
고 유효 반사율은 FP 필터에서 좁은 필터 대역폭을 달성하기 위해 요구된다. 고 반사율의 달성에는 고 반사 금속성(metallic) 코팅 및 분산 브래그 반사기(distributed Braff reflector)(DBR) 미러들의 사용을 포함하는 많은 방법들이 있다. DBR 미러들은 두꺼운 높고 낮은 굴절률 유전체 물질들의 분기 파장(quarter-wave) 교류 층(alternating layers)로 구성된다. 분기 파장 층은 광학 두께 niti(ni는 i 번째 층의 굴절률이고, ti는 그것의 두께임)를 갖는 층이며, 수식 niti=λ/4를 만족하며, 여기서 λ는 FP 필터의 설계 파장이다. 일반적으로 DBR은 최대 20 층들을 포함한다.
본 발명에서(도 1을 보라), 고정 반사기(114) 및 가동 반사기(115) 모두의 반사율들은 MEMS-FP 필터의 유효 반사율을 최대화 하기 위해 구성가능하다. MEMS-FP 필터 캐비티 반사기들은 유효 광학 캐비티 길이 및 설계 파장에 따라 0.9895 이상, 0.9975 이상, 및 0.9997 이상의 캐비티 반사율을 달성하기 위해 구성될 수 있고, 그렇게 함으로써, 필터 대역폭들을 각각 0.1nm 보다 좁게(즉, 더 낫게), 0.025nm 보다 좁게, 그리고 0.003nm 보다 좁게 제공한다.
도 1a는 본 발명에 따라 MEMS-FP 필터(110)의 기본 특성의 도식(schematic)을 보여준다. 본 도식에서, 가동 반사기(115)는 하나 이상의 서스팬션 빔들로부터 지지된다. 도 1a 에서, 서스펜션 빔들은 유효 스프링 강성(stiffness) keff를 갖는 등가 스프링(118)으로 표현된다. 고정 반사기(114)와 가동 반사기(115) 사이의 거리는 공기 갭(111)으로 채워진다. 전압 소스(116)로부터의 전압의 적용은 두 개의 반사기들 사이에 상승 정전기력(electrostatic force)을 주고, 그것은 가동 반사기(115)의 변위 거리(112)로 나타나는 움직임을 야기한다.
도 1b는 가동 반사기(115)의 개략적인 평면도를 보여준다. 가동 반사기(115)는 MEMS 멤브레인(117), 서스팬션 빔들(113) 및 지지 프레임(218)을 포함한다. 가동(movable) MEMS 멤브레인(117)은 지지 프레임(218)을 가지는 서스팬션 빔들(113)을 사용하여 걸려있다. 튜닝가능한 FP 필터에 대하여 MEMS 멤브레인(117) 직경은 일반적으로 200μm 에서 500μm이다. MEMS 구동 전압(116)은 MEMS의 기하학적 레이아웃(물질들, 공기 갭(111) 및 타겟 변위(112))에 의존한다. 드라이빙 전압(116)은 일반적으로 50V에서 500V 범위이다.
도면들 2a, 2b, 3a, 3b의 실시 예에서, 기판(212)의 하부표면(lower surface)은 고정 반사기가 배치된 컷-아웃을 생성하기 위해 에칭된다. 웨이퍼 또는 기판이 일반적으로 FP 필터의 필터 캐비티의 일부로서 동작하기에 너무 두꺼우므로 컷아웃이 필요하다. 컷 아웃을 에칭아웃 함으로써, 원하는 유효 광학 캐비티 길이는 원하는 FSR에 대하여 달성될 수 있다.
도 2a는 MEMS-FP 필터(210)의 하나의 실시 예의 단면도(도 1b의 A-A 를 따른)를 보여준다. 본 실시 예에서, 고정 반사기(114)는 멀티 층 유전체 DBR 미러들을 포함한다. 가동 반사기(115)는 MEMS 구조(221) 및 멀티층 유전체 DBR 미러들(213)을 포함한다. MEMS 구조(211)는 Si, SiNx 또는 임의의 유전체 물질로 만들어질 수 있다. 가동 반사기(115)는 가장자리에서 서스펜션 빔들로 동작하는 지지 프레임(218)을 통해 기판에 부착되고, 그리고 MEMS 구조(221)가 움직일 수 있게 허용한다. 공기 갭(111)은 이에 따라 지지 프레임(218) 및 두 개의 반사기들 사이에 둘러 쌓인다. MEMS 전극(217, 219)는 기판(212) 및 가동 반사기(115) 상에 각각 증착되고, 이들 모두는 전압 소스(미도시)에 연결된다.
MEMS-FP 필터(210)의 광학 캐비티 길이는 입력 빛(220)의 고정 반사기(114)로의 빛의 광학 투과 깊이, 기판(212)의 일부의 두께(216), 비반사(AR) 코팅층(215)의 두께, 공기 갭(111)의 길이, MEMS 구조(211)의 두께 및 반사기(213)로의 빛의 광학 투과 깊이로 구성된다. 본 실시 예에서, MEMS-FP의 광학 캐비티 길이 Leff는 수학식 6으로 주어진다:
[수학식 6]
Leff = Lpen,fixed + nsubLsub + nARLAR + Lair + nMEMSLMEMS + Lpen,moveable
여기서, Lpen , fixed는 빛의 반사기(114)로의 광학 투과 깊이이고, Lsub는 FP 캐비티의 광학 경로에 따라 기판의 두께(216)이고, nsub는 기판 물질(material)의 굴절률이고, LAR은 비반사(AR) 코팅 층(215)의 두께이고, nAR은 AR 코팅 물질의 굴절률이고, Lair는 MEMS 공기 갭이고, LMEMS는 MEMS 구조(211)의 두께이고, nMEMS는 MEMS 구조 물질의 굴절률이고, 그리고 Lpen,moveable 은 빛의 반사기(214)로의 광학 투과 깊이이다.
빛(220)의 입력 광선(ray)는 고정 반사기(114)를 통과하여 MEMS-FP 필터로 이동하고, 가동 반사기(115)로 전송되며, 그리고 필터링된 출력 빛(230)으로서 나온다(emerge). 임의의 FP 필터와 같이, 필터링된 출력 빛(230)의 파장 및 대역폭은 유효 캐비티 길이 Leff 및 두 개의 필터 캐비티 반사기들의 전체 반사율에 의존한다. 필터링된 출력 빛(230)의 파장은 MEMS 가동 반사기의 변위(displacement)(112)를 변경하는 전압을 적용함으로써 그것에 의하여 유효 캐비티 길이 Leff가 변경되어 튜닝될 수 있다.
임의의 반도체 또는 유전체 기판(예를 들어, Si, InP, GaAs, 또는 GaP)이 기판(212)으로서 사용될 수 있다. 기판(216)의 일부와 변화가능한(variable) 공기 갭(111)사이의 인터페이스에 광학 캐비티를 갖는 AR 코팅 층(215)을 배치함으로써, MEMS-FP의 광학 캐비티가 형성된다. 공기 기판 인터페이스에서의 AR 코팅 층은 인터페이스로부터 반사를 최소화하고, 그것에 의하여 반사기들 사이에 형성되는 필터 광학 캐비티가 개선된다. 종합(total) 유효 광학 캐비티 길이는 기판(216)의 일부, AR 코팅층(215)의 두께 및 공기 갭(111)을 포함한다. 임의의 유전체 물질(예를 들어, Si/SiO2, Si/Al2O3, Ta2O5/SiO2, 또는 SiO2/TiO2)은 멀티 층 유전체 DBR(213) 및 멀티 층 유전체 DBR 미러들(214)로서 높은 반사율을 달성하기 위해 통합될 수 있다.
MEMS-FP 필터의 유효 광학 캐비티 길이는 설계 파장의 절반의 정수(integer) 곱(multiple)이다. 유전체 DBR 미러들의 층의 두께와 수는 설계 파장 및 원하는 반사율에 의존한다. DBR 미러들 층의 광학 두께는 일반적으로 MEMS-FP 필터의 설계 파장의 4분의 1(quarter)이다.
도 2b는 발명에 따라 MEMS-FP 필터의 다른 실시 예(250)를 보여준다. 본 실시 예에서, 가동 반사기(115)는 멀티 층 유전체 DBR 미러들(217)로 구성된 MEMS 구조를 포함한다. 다른 측면에서, 본 실시 예는 도 2a의 것과 같다. 본 실시 예에서, MEMS-FP의 광학 캐비티 길이는 수학식 7로 주어진다.
[수학식 7]
Leff = Lpen,fixed + nsubLsub + nARLAR + Lair + Lpen,moveable
도 3a는 MEMS-FP 필터(310)의 다른 일시예를 보여준다. 본 실시 예에서, 고정 반사기(114)는 고반사(HR) 코팅 층(311)을 포함한다. 가동 반사기(115)는 MEMS 구조(211) 및 MEMS 구조상에 멀티 층 유전체 DBR 미러들(213)을 포함한다. 본 실시 예에서, MEMS-FP의 유효 광학 캐비티 길이는 수학식 8로 주어진다.
[수학식 8]
Leff = nsubLsub + nARLAR + Lair + nMEMSLMEMS + Lpen,moveable
도 3b는 MEMS-FP 필터(350)의 다른 실시 예를 보여준다. 본 실시 예에서, 가동 반사기(115)는 멀티층 유전체 DBR 미러들을 포함하는 MEMS 구조이다. 본 실시 예에서, MEMS-FP의 유효 광학 캐비티 길이는 수학식 9로 주어진다:
[수학식 9]
Leff = nsubLsub + nARLAR + Lair + Lpen,moveable
도 3a 및 3의 실시 예들은 도 2a 및 2b와 각각 상이하고, 도 2a 및 2b 각각의 멀티층 유전체 DBR 미러들은 도 3a 및 3b에서 HR 코팅 층으로 대체된다.
도 4는 MEMS-FP 필터(410)의 다른 실시 예를 보여준다. 본 실시 예에서, 고정 반사기(114)는 고반사(HR) 코팅 층(311)을 포함한다. 가동 반사기(115)는 고반사(HR) 코팅 층(312) 및 MEMS 구조(211)를 포함한다. 본 실시 예에서, MEMS-FP의 유효 광학 캐비티 길이는 수학식 10으로 주어진다:
[수학식 10]
Leff = nsubLsub + nARLAR + Lair + nMEMSLMEMS
도 5 는 본 발명의 MEMS-FP 필터에 기초한 튜닝가능한 레이저 소스(500)의 실시예의 도식이다. 예를 들어, 도 2a, 2b, 3a, 3b 및 4의 임의의 MEMS FP 필터들은 도 5의 항목 510이 될 수 있다. 튜닝가능한 레이저(500)는 파장 선택을 위한 레이저 캐비티(520) 및 필터 캐비티(530)를 포함한다. 선형 레이저 캐비티는 반사기(116), 반도체 광학 증폭기(SOA)와 같은 이득 매질(medium)(511), 렌즈(512), 다른 렌즈(513), 및 반사기(114)로 구성된다. 필터 캐비티는 함께 파브리-페롯(FP) 캐비티(530)을 형성하는 고정 반사기(114) 및 가동 반사기(115)로 구성된다. 필터 캐비티 길이 LFC(530) 은 레이저 캐비티 길이 LLC(520)보다 훨씬 짧다. 일반적으로 필터 캐비티는 5 에서 20 μm 길이 범위 이내여야 하고, 그러므로 레이저 캐비티는 일반적으로 밀리미터(mm) 범위(예를 들어, 20mm 또는 그 이상)이어야 한다. 파장은 FP 필터 캐비티 길이(530)을 변경함으로써 튜닝될 수 있다. 튜닝가능 레이저 빛은 필터 캐비티 가동 반사기(115)를 통과하여 출력(540)을 제공한다.
도 6은 본 발명의 MEMS FP 필터에 기초한 튜닝가능한 레이저 소스(600)의 실시 예의 도식을 보여준다. 본 실시 예에서, 링(ring) 레이저 캐비티는 이득 매질(medium)(SOA와 같은)(511), 제 1 광섬유(611), MEMS-FP 필터(610)(도 2a, 2b, 3a, 3b 및 4와 같은 여기에서 설명된 임의의 MEMS-FP 필터들이 될 수 있음), 제 2 광섬유(612), 용이 유효 항목인(readily available item) 1X2 광결합 섬유(614), 및 제 3 광섬유(613)를 포함할 수 있다. 이중 아이솔레이터 통합 이득 매질 또는 섬유 광학 아이솔레이터가 원치않은 뒤쪽(back) 반사를 방지하기 위해 링 캐비티에 더해질 수 있다. 링 레이저 캐비티는 광결합 섬유(614)를 통해 필터링된 파장 출력(615)를 제공할 수 있다. 결합기(coupler)(614)는 그러므로 빛을 광섬유(613) 및 출력(615)으로 두갈래로 나눈다.
제작 방법
여기에 설명된 FP 필터 제작의 예시적인 방법들이 도 2a의 실시 예에 대해 명시되어 있다. 그러나, 제작 프로세스들은 통상의 기술자 중 하나의 능력 내에서 변형들을 사용함으로써 모든 실시 예들에 적용 가능하다.
본 발명에서, MEMS-FP 필터(210)는 광학 캐비티 및 MEMS 정전 캐비티를 포함한다. 광학 캐비티는 고정 반사기(114)와 가동 반사기(115) 사이로 형성되고, 그리고 MEMS 정전 캐비티는 하위(bottom) 전극(217)과 상위(top) 전극(217) 사이로 형성된다. 그러므로, 통합된 MEMS-FP 필터는 일련의 증착 및 에칭 프로세스들을 사용하여 제작된다. 화학-기계적 폴리싱은 또한 적용 가능한 다양한 단계들에서 사용될 수 있다. 가동 반사기(115)는 하위 전극(217)과 상위 전극(219) 사이에 적용되는 구동 전압에 의해 이동하도록 설계된다. 그 결과, 광학 캐비티 길이는 변하고, 그러므로 파장이 튜닝되도록 허용한다.
본 발명에서, MEMS 정전 캐비티는 MEMS-FP 필터 광학 캐비티의 일부이다. 유효 광학 캐비티 길이 Leff는 원하는 FSR을 위하여 웨이퍼 기판(216)의 일부의 두께를 변화함으로써 구성될 수 있다. 유사하게, MEMS 정전 캐비티의 길이(공기 갭(111))은 원하는 FSR 및 파장 튜닝 범위를 위하여 희생층의 두께를 변화함으로써 구성될 수 있다.
MEMS-FP 필터(210)은 일련의 반도체 제작 프로세스들로 생산된다. 도 7은 본 발명에 따라 MEMS-FP(210)를 생산하기 위한 방법에서 설명 단계 순서도(700)이다. 제작 프로세스에서 제 1 단계(711)는 영역 기판(216)의 원하는 두께를 갖는 컷-아웃을 형성하기 위하여 기판(212)의 일측(여기서 우리는 기판의 본 일측을 하부면(lower face)으로서 참조한다)을 에칭하는 것이다. 그 다음 단계 712에서, 멀티 층 유전체 DBR 미러들(214)은 컷-아웃의 내부 웨이퍼 기판의 하부면상의 고 굴절률 및 저 굴절률 물질의 교류 층을 증착시킴으로서 생성된다. 그 다음 단계 713에서, AR 코팅층(215)은 기판의 다른 일측(여기서, 우리는 기판의 본 일측을 상부면(upper face)으로 지칭한다)상에 증착된다. AR 코팅층(215)은 그리고 패터닝되고 쉐도우 마스크로 에칭된다. 다음 단계 714에서, 금속 전극 접촉층(217)은 기판 웨이퍼의 상부면상에 증착되고, 패터닝되고 그리고 적절하게 설계된 쉐도우 마스크로 에칭된다. 금속 접촉층(217) MEMS 구조를 위한 하위(bottom)전극으로서 동작한다. 다음, 희생층(단계715), MEMS 구조(211)(단계 716) 및 다른 금속 접촉 전극(219)(단계 717)는 패터닝된 AR 코팅(215) 및 하위 전극 접촉층(217)의 상위(top) 상에 증착된다. 그후, 금속 접촉 전극(219)은 패터닝되고 적절한 쉐도우 마스크로 에칭된다. 금속 접촉층(219)은 MEMS 구조에 대한 상위(top) 전극으로서 동작한다. 단계 718에서, 멀티층 유전체 DBR 미러들(213)은 MEMS 구조(211) 및 상위 전극(219)의 상위상에 고 굴절률 및 저 굴절률 물질 교류층들의 증착으로서 생성된다. 그리고, 멀티층 유전체 DBR 미러들(213)은 패터닝되고 적절한 마스크로 에칭된다. 최종적으로, 단계 719에서, 선택적 에칭 프로세스들이 MEMS 구조(211)의 기능을 생성하고, 공기 갭(111)을 생성하고, 그리고 MEMS 지지 프레임(218)을 생성하기 위하여 수행된다. 공기 갭(111) 및 지지 구조(218)은 에칭 프로세스에 의하여 희생층으로부터 생성된다. 이러한 에칭 프로세스의 상세한 설명은 여기에서 참조로서 통합되는 G. D. Cole, E. Behymer, L. L. Goddard, 및 T. C. Bond, “Fabrication of suspended dielectric mirror structures via xenon difluoride etching of an amorphous germanium sacrificial layer” J. Vaccum Science and Technology B, vol. 26, no.2, pp 593-597, 2008 3월/4월에서 찾을 수 있다.
앞선 설명들은 인스턴트 기술의 다양한 양상을 설명하기 위해 의도된다. 이것은 첨부된 특허 청구범위의 범위의 제한을 나타내는 예시들로서 의도되지 않는다. 본 발명은 지금 전부 설명되었고, 이것은 첨부된 특허 청구범위의 사상 또는 범주로부터 분리되지 않고 행해질 수 있는 다양한 변경들 및 변형들이 통상의 기술자 중 하나에게 적절하도록 한다.

Claims (14)

  1. 튜닝가능한(tunable) MEMS-FP 필터로서,
    상부면(upper face) 및 하부면(lower face)을 갖는 반도체 또는 유전체 기판(dielectric substrate);
    상기 기판의 하부면에 부착되는 고정 반사기,
    상기 기판의 상부면에 배치되는 하위(bottom) 전극 및 상기 기판의 상부면에 배치되는 AR 층;
    하나 이상의 서스펜션 빔들로부터 지지되고, 상부면 및 하부면을 가지는 가동 반사기―상기 가동 반사기는 MEMS 및 상기 가동 반사기의 상부면에 배치되는 멀티층 유전체 DBR 미러들 및 상위(top) 전극을 포함함―, 여기서 상기 가동 반사기의 하부면과 기판의 상부면 사이에 공기 갭이 형성됨;
    여기서 상기 고정 반사기와 상기 가동 반사기 사이에 광학 캐비티가 형성됨;
    상기 광학 캐비티의 캐비티 길이를 변경하기 위해 상기 상위 전극과 상기 하위 전극 사이에 전압을 공급하는 전압 소스(source);
    을 포함하는,
    튜닝가능한 MEMS-FP 필터.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티층 DBR 미러들은
    Figure pct00008
    ,
    Figure pct00009
    ,
    Figure pct00010
    또는
    Figure pct00011
    로 구성되는,
    튜닝가능한 MEMS-FP 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 Si, InP, GaAs 또는 GaP 로부터 선택되는 반도체 또는 유전체 물질로 구성되는,
    튜닝가능한 MEMS-FP 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 반사기는 고 반사(HR) 코팅 층을 포함하는,
    튜닝가능한 MEMS-FP 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 반사기는 멀티 층 유전체 DBR 미러들을 포함하는,
    튜닝가능한 MEMS-FP 필터.
  6. 튜닝가능한 MEMS-FP 필터로서,
    상부면(upper face) 및 하부면(lower face)을 갖는 반도체 또는 유전체 기판;
    상기 기판의 하부면에 부착되는 고정 반사기,
    상기 기판의 상부면에 배치되는 하위(bottom) 전극, 및
    상기 기판의 상부면에 배치되는 AR 층;
    하나 이상의 서스팬션 빔들로부터 지지되고 상부면 및 하부면을 가지는 가동 반사기―상기 가동 반사기는 상부면에 배치되는 멀티 층 DBR미러들 및 상위(top) 전극을 포함함―, 여기서 상기 가동 반사기의 하부면과 상기 기판의 상부면 사이에 공기 갭이 형성됨;
    여기서 상기 고정 반사기와 상기 가동 반사기 사이에 광학 캐비티가 형성됨;
    상기 광학 캐비티의 캐비티 길이를 변경하기 위해 상기 상위 전극과 상기 하위 전극 사이에 전압을 공급하는 전압 소스(source);
    을 포함하는,
    튜닝가능한 MEMS-FP 필터.
  7. 제 6 항의 튜닝가능한 MEMS-FP 필터에 있어서,
    상기 고정 반사기는 고 반사 코팅 층을 포함하는,
    튜닝가능한 MEMS-FP 필터.
  8. 제 1 항의 튜닝가능한 MEMS-FP 필터를 포함하는 자유공간 선형 캐비티 튜닝가능한 레이저소스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    이득 매질(gain medium), 두 개의 렌즈들 및 단부(end) 반사기를 더 포함하는,
    튜닝가능한 레이저 소스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이득 매질은,
    Figure pct00012
    인,
    튜닝가능한 레이저 소스.
  11. 제 1 항의 상기 MEMS-FP 필터, 섬유 결합 이득 매질 및 섬유 광학 커플러(fiber optics coupler)를 포함하는 섬유 결합 링 캐비티 튜닝가능 레이저 소스.
  12. 제 11 항의 섬유 결합 링 캐비티 튜닝가능 레이저 소스에 있어서,
    상기 이득 매질은
    Figure pct00013
    인,
    섬유 결합 링 캐비티 튜닝가능 레이저 소스.
  13. MEMS-FP 필터를 제작하는(fabricating) 방법으로서,
    기판의 하부표면(lower surface)으로부터 컷 아웃(cut-out)을 에칭하는 단계;
    상기 컷아웃의 표면상으로 하나 이상의 멀티 층 유전체 DBR 미러들을 증착시키는 단계;
    상기 기판의 상부표면(upper surface) 상으로 비반사 코팅 층을 증착시키는 단계;
    상기 비반사 코팅 층을 패터닝하고 에칭하는 단계;
    상기 기판의 상부면(upper face) 상에 하위(bottom) 전극을 증착시키 단계;
    상기 하위 전극을 패터닝하고 에칭하는 단계;
    희생층(sacrificial layer), MEMS 구조 및 상위(top) 전극을 상기 패터닝된 비반사 코팅 및 하위 전극의 상위(top)에 증착시키는 단계;
    상기 상위 전극을 패터닝하고 에칭하는 단계;
    하나 이상의 멀티층 유전체 DBR 미러들을 상기 MEMS 구조 및 상기 상위 전극 상에 증착시키는 단계;
    상기 MEMS 구조 상에서 상기 멀티층 유전체 DBR 미러들을 패터닝하고 에칭하는 단계; 및
    상기 기판을 상기 MEMS 구조로 연결하는 지지 프레임 및 공기 갭을 생성하도록 상기 MEMS 구조 및 상기 희생층을 선택적으로 에칭하는 단계;
    를 포함하는,
    MEMS-FP 필터를 가공하는 방법
  14. 필터 캐비티의 일부로서 MEMS 캐비티를 가지는 MEMS-FP 필터.



KR1020167016955A 2013-11-26 2014-11-25 파장 튜닝가능한 mems-파브리 페롯 필터 KR20160091379A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361909277P 2013-11-26 2013-11-26
US61/909,277 2013-11-26
PCT/US2014/067477 WO2015081130A1 (en) 2013-11-26 2014-11-25 Wavelength tunable mems-fabry perot filter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160091379A true KR20160091379A (ko) 2016-08-02

Family

ID=53199615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020167016955A KR20160091379A (ko) 2013-11-26 2014-11-25 파장 튜닝가능한 mems-파브리 페롯 필터

Country Status (7)

Country Link
US (2) US9638913B2 (ko)
EP (1) EP3074800B1 (ko)
JP (2) JP6488299B2 (ko)
KR (1) KR20160091379A (ko)
CN (1) CN106133563B (ko)
CA (1) CA2931252A1 (ko)
WO (1) WO2015081130A1 (ko)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3014875A2 (en) 2013-06-24 2016-05-04 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership A system and method for color image acquisition
JP2016523444A (ja) 2013-07-03 2016-08-08 インフェニックス インコーポレイテッドＩｎｐｈｅｎｉｘ， Ｉｎｃ． 掃引源光干渉断層撮影システム用の波長同調型垂直キャビティ面発光レーザー
JP6196867B2 (ja) * 2013-10-01 2017-09-13 浜松ホトニクス株式会社 光学モジュール
JP6488299B2 (ja) 2013-11-26 2019-03-20 インフェニックス インコーポレイテッドＩｎｐｈｅｎｉｘ， Ｉｎｃ． 波長可変ｍｅｍｓファブリペローフィルター
US10827152B2 (en) * 2015-07-15 2020-11-03 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership Tunable MEMS etalon
US10605660B2 (en) 2015-07-30 2020-03-31 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership Spectral imaging method and system
JP6824605B2 (ja) * 2015-11-12 2021-02-03 キヤノン株式会社 増幅素子、光源装置及び撮像装置
EP3542205A4 (en) * 2016-11-20 2020-07-01 Unispectral Ltd. TUNING MEMS TUNING DEVICES
JP6897226B2 (ja) * 2017-03-28 2021-06-30 セイコーエプソン株式会社 光学モジュール及び光学モジュールの駆動方法
US10488256B2 (en) 2017-05-26 2019-11-26 California Institute Of Technology Spectral filter having controllable spectral bandwidth and resolution
EP3502637A1 (en) * 2017-12-23 2019-06-26 ABB Schweiz AG Method and system for real-time web manufacturing supervision
CN108242763B (zh) * 2018-03-05 2020-02-18 中国科学院半导体研究所 电吸收调制激光器的整片结构及其制作测试方法
CN112313303B (zh) * 2018-05-18 2022-12-30 尤尼斯拜特罗有限责任公司 具有膨胀补偿功能的光学装置
CN108919478A (zh) * 2018-07-27 2018-11-30 电子科技大学 一种可调谐f-p滤光片及其制备方法
US20210214214A1 (en) * 2018-07-30 2021-07-15 Ams Sensors Singapore Pte. Ltd. Low-height optoelectronic modules and packages
CN109269644B (zh) * 2018-11-02 2020-10-02 天津津航技术物理研究所 宽调谐范围光谱成像传感器
EP3683557B1 (en) * 2019-01-18 2021-09-22 Infineon Technologies Dresden GmbH & Co . KG Tunable fabry-perot filter element, spectrometer device and method for manufacturing a tunable fabry-perot filter element
US11287322B2 (en) 2019-02-06 2022-03-29 California Institute Of Technology Compact hyperspectral mid-infrared spectrometer
CN109798979B (zh) * 2019-03-12 2021-02-12 天津津航技术物理研究所 宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法
CN109945965A (zh) * 2019-03-27 2019-06-28 国网上海市电力公司 光纤efpi超声波传感器用支撑梁臂式敏感膜片
US20230341629A1 (en) * 2019-09-25 2023-10-26 Shenzhen Hypernano Optics Technology Co., Ltd Tunable optical filter device
WO2021056279A1 (zh) * 2019-09-25 2021-04-01 深圳市海谱纳米光学科技有限公司 一种可调光学滤波器件
CN114868068B (zh) * 2019-09-25 2023-11-17 深圳市海谱纳米光学科技有限公司 一种可调光学滤波装置
WO2021092579A1 (en) 2019-11-08 2021-05-14 California Institute Of Technology Infrared spectrometer having dielectric-polymer-based spectral filter
CN114034300A (zh) * 2021-11-09 2022-02-11 中国电子科技集团公司信息科学研究院 光学加速度计和惯性导航系统

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0878787A (ja) * 1994-09-02 1996-03-22 Mitsubishi Electric Corp 波長可変光源装置
US6438149B1 (en) * 1998-06-26 2002-08-20 Coretek, Inc. Microelectromechanically tunable, confocal, vertical cavity surface emitting laser and fabry-perot filter
EP1053574A4 (en) * 1997-12-29 2002-11-06 Coretek Inc FABRY-PEROT FILTER AND LASER WITH SURFACE EMISSION AND VERTICAL, CONFOCAL CAVITY, TUNABLE BY MICROELECTROMECHANICS
KR100269040B1 (ko) * 1998-04-28 2000-10-16 서원석 파장이동 레이저 광원 및 파장이동 레이저 광 생성방법
US6380531B1 (en) * 1998-12-04 2002-04-30 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Wavelength tunable narrow linewidth resonant cavity light detectors
US6631246B2 (en) * 1999-06-14 2003-10-07 Lucent Technologies Inc. Wavelength division multiplexed optical communication system having tunable multi-channel dispersion compensating filters
US6373632B1 (en) 2000-03-03 2002-04-16 Axsun Technologies, Inc. Tunable Fabry-Perot filter
US6339603B1 (en) * 2000-10-25 2002-01-15 Axsun Technologies, Inc. Tunable laser with polarization anisotropic amplifier for fabry-perot filter reflection isolation
JP3858606B2 (ja) * 2001-02-14 2006-12-20 セイコーエプソン株式会社 干渉フィルタの製造方法、干渉フィルタ、波長可変干渉フィルタの製造方法及び波長可変干渉フィルタ
WO2002071562A2 (en) 2001-03-02 2002-09-12 Science & Technology Corporation @ Unm Quantum dot vertical cavity surface emitting laser
US6594059B2 (en) * 2001-07-16 2003-07-15 Axsun Technologies, Inc. Tilt mirror fabry-perot filter system, fabrication process therefor, and method of operation thereof
US7027472B2 (en) * 2001-07-19 2006-04-11 Axsun Technologies, Inc. Fixed wavelength single longitudinal mode coolerless external cavity semiconductor laser system
AU2002219261A1 (en) * 2001-12-18 2003-06-30 Nokia Corporation Electrically tunable interferometric filter
JP2003270604A (ja) * 2002-03-18 2003-09-25 Fujitsu Ltd 波長制御光装置及び光制御方法
US6618414B1 (en) * 2002-03-25 2003-09-09 Optical Communication Products, Inc. Hybrid vertical cavity laser with buried interface
AU2002950739A0 (en) * 2002-08-13 2002-09-12 The University Of Western Australia A resonant cavity enhanced device and a method for fabricating same
US6967976B2 (en) * 2002-08-29 2005-11-22 Picarro, Inc. Laser with reflective etalon tuning element
JP4625639B2 (ja) * 2003-01-17 2011-02-02 富士フイルム株式会社 光変調素子、光変調素子アレイ、画像形成装置、及び平面表示装置
WO2005089098A2 (en) 2004-01-14 2005-09-29 The Regents Of The University Of California Ultra broadband mirror using subwavelength grating
KR100583768B1 (ko) * 2004-07-07 2006-05-26 한국과학기술원 광압을 이용한 입자빔 집속장치
JP4603489B2 (ja) 2005-01-28 2010-12-22 セイコーエプソン株式会社 波長可変フィルタ
CN100410723C (zh) * 2005-01-28 2008-08-13 精工爱普生株式会社 可变波长滤光器以及可变波长滤光器的制造方法
US7415049B2 (en) * 2005-03-28 2008-08-19 Axsun Technologies, Inc. Laser with tilted multi spatial mode resonator tuning element
JP4548288B2 (ja) * 2005-09-22 2010-09-22 セイコーエプソン株式会社 波長可変フィルタ
JP4473209B2 (ja) * 2005-12-02 2010-06-02 アンリツ株式会社 可変波長光フィルタ
JP2009518833A (ja) 2005-12-07 2009-05-07 インノルメ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 広帯域スペクトル発光を有するレーザ光源
US7468997B2 (en) * 2006-01-20 2008-12-23 Praevium Research, Inc. System for swept source optical coherence tomography
US7701588B2 (en) 2006-04-11 2010-04-20 Santec Corporation Swept source type optical coherent tomography system
JP5027010B2 (ja) 2007-03-01 2012-09-19 古河電気工業株式会社 面発光レーザ素子
US8309929B2 (en) 2008-03-18 2012-11-13 Lawrence Livermore National Security, Llc. Tunable photonic cavities for in-situ spectroscopic trace gas detection
FI125897B (fi) 2011-06-06 2016-03-31 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Mikromekaanisesti säädettävä Fabry-Perot-interferometri ja menetelmä sen valmistamiseksi
JP2015523578A (ja) 2012-07-27 2015-08-13 ソルラブス、インコーポレイテッド 敏捷な画像化システム
CA2905537C (en) * 2013-03-15 2021-09-14 Praevium Research, Inc. Widely tunable swept source
JP2016523444A (ja) 2013-07-03 2016-08-08 インフェニックス インコーポレイテッドＩｎｐｈｅｎｉｘ， Ｉｎｃ． 掃引源光干渉断層撮影システム用の波長同調型垂直キャビティ面発光レーザー
JP6488299B2 (ja) 2013-11-26 2019-03-20 インフェニックス インコーポレイテッドＩｎｐｈｅｎｉｘ， Ｉｎｃ． 波長可変ｍｅｍｓファブリペローフィルター

Also Published As

Publication number Publication date
EP3074800A1 (en) 2016-10-05
US20170235124A1 (en) 2017-08-17
CN106133563B (zh) 2019-11-19
WO2015081130A1 (en) 2015-06-04
CN106133563A (zh) 2016-11-16
US9638913B2 (en) 2017-05-02
EP3074800A4 (en) 2017-07-12
JP2019145797A (ja) 2019-08-29
JP2016540245A (ja) 2016-12-22
CA2931252A1 (en) 2015-06-04
JP6488299B2 (ja) 2019-03-20
US20150153563A1 (en) 2015-06-04
US10288870B2 (en) 2019-05-14
EP3074800B1 (en) 2021-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10288870B2 (en) Wavelength tunable MEMS-Fabry Perot filter
US10534137B2 (en) Mirror based microelectromechanical systems and methods
US7304781B2 (en) Ultra broadband mirror using subwavelength grating
US7190523B2 (en) Wavelength-tunable optical filter
US9557556B2 (en) Integrated apertured micromirror and applications thereof
US10962716B2 (en) Microelectromechanically actuated deformable optical beam steering for wavelength tunable optical sources, filters, and detectors
JP3982349B2 (ja) 波長可変デバイス
US7034975B1 (en) High speed MEMS device
US20200219818A1 (en) Mirror based microelectromechanical systems and methods
Datta et al. Design of MEMS-tunable novel monolithic optical filters in InP with horizontal Bragg mirrors
EP3837573A1 (en) Mems/nems integrated broken racetrack tunable laser diode
US20150010026A1 (en) Mems based swept laser source
TWI238272B (en) High free-space range MOEMS tunable filter
JP4700698B2 (ja) 波長同調可能な選択性オプトエレクトロニックフィルタ
US20030137020A1 (en) Basic common optical cell configuration of dual cavities for optical tunable devices
Chang-Hasnain High-contrast grating VCSELs
Lin et al. A photonic device compatible process in fabricating tunable Fabry–Perot filter
Ngajikin et al. Wide range of electrostatic actuation MEMS FPOTF
Shah et al. Optomechanical design of tunable InP-based Fabry-Perot filters for wavelength division multiplexing applications
Uenishi et al. Microelectromechanical systems (MEMS) and their photonic application
Datta et al. MEMS-tunable novel monolithic optical filters in InP with horizontal Bragg mirrors
Chen et al. Analysis of the structures and characteristics for an InP-based micromechanical tunable filter
Krishna et al. Mems-based wide range tunable Fabry Perot filter
Harvey Design and Fabrication of Micro-Electro-Mechanical Structures for Tunable Micro-Optical Devices

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal