折射率可調的薄膜幹涉塗層的製作方法

2023-07-28 22:07:16

專利名稱：折射率可調的薄膜幹涉塗層的製作方法
背景技術：
下面的背景部分討論三個普通的技術領域， 包括薄膜幹涉塗層，薄膜濾光片和半導體的熱光特性及其在光子器件中的應用。
薄膜幹涉塗層薄膜幹涉塗層代表光學技術最成熟和應用最廣泛的一個方面。一般地，TFIC依賴於一層或多層(多至上百層)薄膜的依次沉積，它具有變化的折射率和其它特性以便在指定的譜段上獲得光譜反射和透射、相移或偏振的理想特性。例如，抗反射塗層被用到透鏡上已經快有一個世紀了。TFIC的其它應用包括窄帶通濾光片、偏振片、彩色濾光片及其它等。現有技術知道，可以把一個極寬範圍的光學特性設計成TFIC，給出一個具有不同折射率的起始材料陣列。有許多計算機模擬設計工具，例如通過光譜學的ThinGilm Calc。廣泛利用的TFIC的沉積過程包括物理氣相沉積法，如濺射或電子束蒸發。雖然TFIC用於整個光學領域，但適應於如波分復用(WDM)光線通訊業需求的TFIC的現代應用已變得非常複雜。現在可以得到利用多諧振器(多至七個或更多)的諧振器設計和具有極為精細的平頂、陡側特性的上百層的濾光片，能夠有很小的WDM通道間距(50GHz或25GHz)。其它的這種濾光片的設計不是為了它們的透射濾光特性，而是為了它們在一個波段範圍上的相位延遲特性的光譜分布，提供與高比特率網絡有關的精確脈衝彌散或群延遲特性。用作各類窄帶濾光片的TFIC將被表示薄膜幹涉濾光片、TFIF。
在下列參考文獻以及眾多期刊中可以發現一般的TFIC領域以及尤其是TFIF的現代研究。
A.Thelen，Design of Optical Interference Coatings，McGraw-Hill，1989.
J.D.Rancourt，Optical Thin FilmUsers』Handbook，Macmillan，1996.
H.A.MacLeod，Thin Film Optical Filters，SecondEdn.Macmillan，1986.
J.A.Dobrowolski，Coatings and Filters，Sect.8，Handbook ofOptics，Second Edn.McGraw-Hill，1995.
Proceedings of the 2001 OSA Topical Conference on OpticalInterference Coatings，July，2001，Banff.Optical Soc.America.
因為TFIC的性質強烈地依賴於組成膜的折射率，因此很希望開發出用於TFIC的具有可控或可調折射率的「有源」薄膜材料。但是，對這些材料的要求是多方面的並且是嚴格的。作為有源薄膜的可用候選者，應該在感性趣的波長(例如，接近1.5μm的光線網絡通訊波段)處具有極低的吸收損耗和極低的散射，可以通過一些兼容的沉積過程依次直接進行薄膜沉積、與其它具有對比的折射率的鈍化膜組合，並且具備一種可以在簡單的可製造的物理結構內進行的折射率變化的直接或間接的電學機理。絕對摺射率變化範圍必須處於百分之幾的量級；已知在TFIC的設計中，TFIC設計趨於「諧振」之處在於它包含法布裡-珀羅型單諧振腔或多諧振器結構，將各個層中較小的折射率變化(在1％左右)平衡為在某一給定波長處淨光學特性(如光透射率)的較大的百分比變化。
毋庸置疑，已經證明以適當的特性確認薄膜材料是難以捉摸的，並且在此之前對於可調TFIC還沒有成功的技術。要在具有良好光學質量的材料中獲得足夠大的折射率調節是薄膜領域存在的一個長期難題。較少已知可行的折射率控制材料可以分類為兩組。具有較小折射率調幅(在Δn/n＝10-5的量級)的高速材料包括電光材料、壓電材料或利用電荷注入的晶體半導體。迄今對可調諧薄膜濾光片的大部分嘗試都是基於這種材料。較大但較慢的折射率調幅(Δn/n＝10-2)可以由液晶或熱光效應實現。在2001年7月的Parmentier，Lemarchand等人的「Towards Tunable OpticalFilter」，Paper WBI，Technical Digest，OSA Topical Mtg.OpticalInterference Coating，July 15-20，2001，Banff，Alberta，Canada，在對薄膜幹涉塗層的可調諧折射率材料與電光薄膜、壓電薄膜以及氧化物熱光薄膜比較的回顧中沒有發現合適的辦法。這些作者提到但尤其否決了熱光效應的可能性，引證了主要用在TFIC中的介電薄膜，如五氧化二鉭和二氧化矽，它們的熱光係數較小。
可調諧濾光片可調諧窄帶濾光片是上述技術的一個重要的市場分支。因此，對這些濾光片領域進行了大量的研究。對於濾光片在通訊業中的一個典型的需求是在所謂的具有3dB寬度的C帶(1528-1561nm)上以10GHz或0.08nm的量級和較低的插入損耗進行調諧。
WDM光纖網絡的增長提高了對多種網絡管理功能的各種波長可調諧光學組件和色散補償器的要求，其中多種網絡管理功能的範圍從光源和接收器到動態增益均衡器。需要可調諧光纖扮演幾種各異的網絡角色，每種都有各異的性能要求。例如，處於網絡路徑中的可調諧增/減濾光片必須擁有極低的插入損耗和「平頂」通帶形狀。另一方面，對於濾光片作用於從網絡從抽出的光的光學通帶監測，通帶形狀和插入損耗不如迅速調諧、低成本、袖珍器件足印以及集成地可兼容封裝成系統模塊、如光學放大器重要。甚至兩個具有相同的光學和電學特性的濾光片，如果它們的物理尺寸和形狀以及製造成本非常不同，也可以找到非常不同的應用。
上面已經描述了很多不同的可調諧濾光片，並且如同光學技術中的一般情形，已經提出了各種操作原理。已經知道了具有可比較通帶或覆蓋較大物理尺寸、形狀因子、功耗、複雜性和成本的調諧範圍的可調諧濾光片。
主要一類可調諧濾光片包括基於光纖或波導的器件。為了特定的目的尤其是在打算將濾光片與模塊中的其它組件集成時或在必須非常緊湊時特別希望用第二類擴展束或垂直腔形式的可調諧濾光片。如表I所示，微電機(MEMS)法布裡-珀羅是此類開發最廣泛的技術，帶有半打的商業資源。

表I.擴展束可調諧濾光技術。來自公共資源的性能數據結晶擴展束濾光片的不太常用的方式包括液晶顯示器和機械掃描光柵或幹涉儀。MEMS法布裡-珀羅器件作為一類，趨於擁有較寬的調諧範圍，但具有一個重要的限制它們在結構上嚴格地限制為最簡單的單腔標準具(Lorentzian通帶)設計。這意味著不能製造更複雜設計的MEMS濾光片，不能為改進的相鄰通帶抑制或特定群延遲色散或其它要求提供大錐度的裙邊。因而它們主要用於光學監視或可調諧雷射器的應用，但對於在光路中的網絡功能如增/減多分復用這類需要更複雜、平頂、窄裙邊帶通等只有通過多腔諧振腔才可達到的方面作用很小。
在此調查中，造成觸動的是廣泛使用的靜態WDM濾光片技術、薄膜幹涉濾光片TFIF，除了機械旋轉濾光片的有限應用外沒有實際的可調諧對應物。在薄膜技術中，結合多腔的複雜的固定通帶TFIF設計是已知的，最希望的是對薄膜塗層的多種設計選擇增加可調諧性。
半導體的熱光用途已知改變光學材料折射率率的一個方法是通過改變它們的溫度。熱光原理是很有用的，因為雖然在所有的光學材料中都有一定程度的存在，但較顯著的效果、如到達或超過1％的效果只在極低光學損耗的光通信波段為1300-1700nm的材料中發現。
表II比較了一些光電材料在近紅外光譜中應用的熱光特性。

表II.熱光材料包括丙烯酸酯或聚醯亞胺的熱光聚合物具有較大的(負)熱光係數，但一般只可以用于波導形式， 因為它們不適合於用於多層TFIF的沉積過程。晶體半導體晶片擁有較大的係數，但對於0～5μm寫入裝置厚度的目的自然不能認為是薄膜。通過特殊的蝕刻或拋光技術，晶片可以製備成25-50μm，但此過程很昂貴並且難以控制和處理。一般地，生長為晶片的晶體材料比起直接沉積非晶薄膜或外延晶體薄膜非常難以精確地確定厚度，並且不能很容易地合併到複雜的多個薄膜疊層中。因此，不能建立複雜的橫向濾光片結構，如具有多個腔體層的結構。Cocorullo及其它人已經證實了利用薄矽晶片的熱光特性的波導成分Cocorullo et al.Amorphous Silicon-Based Guide Wave Passiveand Active Devices for Silicon Integrated Optoelectronics，IEEEJ.Selected Topics Q.E.，v.4，，p.997，Nov/Dec 1998.
Cocorullo，Della Corte，Rendina，Rubino，Terzini，Thermo-OpticModulation at 1.5micron in anα-SiC α-Siα-Si Planar Guided WaveStructure，IEEE Phot.Tech.Ltrs.8，p.900，1996.
Coeollo，Iodice，et al，Silicon Thermo-Optical Micromodulatorwith700kHZ-3dB Bandwidth，IEEE Phot.Tech.Ltrs.7，P363，1995Della Corte，et al，Study of the thermo-optic effect in α-Si:H andα-SiC:at 1，55micron，Appl.Phys.Lett.，79，p.168，2001Cocorullo et al，Fast infrared light modulation inα-Si micro-devices for fiber to the home，J.Non-crys.Soids，266，0.1247，2000.
其它的著作也已經描述了基於矽晶片的擴展束濾光片。
Niemi，Uusimaa，et al.，Tunable Silicon Etalon for SimultaneousSpectral Filtering and Wavelength Monitoring of WDM，IEEEPhot.Tech.Ltrs.13，p.58，2001.
Iodice，Cocorullo et al.，Simple and Low Cost Technique forWavelength Division Multiplexing Channel Monitoring，Opt.Eng.39，p.1704，2000沒有關於薄膜半導體(無論是非晶還是外延)以複雜的多層TFIC或TFIF為基礎利用其熱光特性的系統應用的報導。事實上，前面關於TFIF的內容遠離實際，因為TFIF技術已經迴避了溫度敏感材料，以便建立與環境敏感性無關的塗層。因而過去一般的薄膜塗層業以及尤其是WDM TFIF業迴避了濾光片中任何類型的半導體材料，因為它們的熱光特性較強，並且因此由這些材料製成的塗層將具有較強的溫度變化性。

發明內容
根據本發明的不同實施例和各個方面，提供了一種動態可調諧薄膜幹涉塗層，包括具有熱光可調諧折射率的一層或多層。薄膜幹涉塗層內的可調諧層能夠使新的薄膜有源器件系列濾光、控制和調製光。有源薄膜結構可以直接或集成到各種光子子系統中，從而製備可調諧雷射器、用於光纖通訊的可調諧增-減濾光片、可調諧偏振片、可調諧色散補償濾光片和其它器件。


在下列附圖中相同的標號表示同樣的元件，其中圖1是由透射、光熱偏轉光譜儀(PDS)通過恆定光電流法(CPM)在對應於0.8eV的1500nm波長處測得的晶體矽和低通非晶矽的吸收曲線；圖2是通過PDS和CPM測得的低通α-Si:H的吸收曲線；圖3是非晶矽(下曲線)和矽-鍺合金(上曲線)的折射率-溫度曲線；圖4是包括一個ZnO或多晶矽加熱膜、非晶矽和氮化矽四分之一波片交替的反射鏡和整數個非晶矽半波片的間隔物的基本薄膜可調諧濾光片簡圖；圖5是由PECVD沉積的法布裡-珀羅濾光片的實施例的SEM，其中亮層是非晶Si，暗層是SiNx，一條線代表一個間隔物膜，厚度為431nm；圖6是單腔高精細度濾光片的理論與實驗比較的濾光片傳遞而使濾光片傳遞曲線在調諧範圍上的曲線；圖7代表濾光片結構中利用不同熱光層的可調諧度差異；圖8是通過加熱而使濾光片傳遞曲線在調諧範圍上移動的曲線；圖9是通過加熱而使濾光片傳遞曲線在調諧範圍上移動的另一曲線；
圖10是通過加熱而使濾光片傳遞曲線在調諧範圍上移動的另一曲線；圖11是本發明另一實施例的側視圖；圖12是本發明另一實施例的側視圖；圖13是本發明另一實施例的側視圖；圖14是本發明另一實施例的側視圖；圖15是本發明採用多諧振腔的另一實施例的側視圖；圖16是發明作為增/減濾光片的另一實施例側視圖；圖17是可變光學衰減濾光片響應曲線；圖18是偏振控制濾光片響應曲線；圖19是一個電阻加熱器輪廓的平面圖；圖20是圖19所示輪廓沿20-20的截面圖；圖21是另一電阻加熱器輪廓的平面圖；圖22圖21所示輪廓沿22-22的截面圖；圖23是另一電阻加熱器輪廓的平面圖；圖24是圖23所示輪廓沿24-24的截面圖；圖25是另一電阻加熱器輪廓的平面圖；圖26是圖25所示輪廓沿25-25的截面圖；圖27是另一電阻加熱器輪廓的平面圖；圖28是圖27所示輪廓沿27-27的截面圖；圖29是另一電阻加熱器輪廓的平面圖；和圖30是圖29所示輪廓沿29-29的截面圖。
具體實施例方式
通過下面幾個實施例舉例說明本發明的各個方面及其應用。
我們已經通過利用層中的半導體薄膜選擇最大化、而非最小化TFIC中特定層的熱光特性。這些層可以通過PECVD或CVD或PVD的其它改型來沉積。為了較低光損耗而注入氫的熱光半導體如α-Si:H或合金用作高折射率層(1500nm處n＝3.66)，並且通過已經優化的方法沉積，在接近1500nm的主要光通訊波長處高度透明(消光係數k＝10-6)。然後可以通過在25-45℃範圍上的溫度變化造成高達4％的折射率調製Δn/n。這些較大的溫度變化最好由光學透明的導電加熱膜造成，導電加熱膜例如是與其它光學層相鄰或與其它光學層交替的n型多晶矽。典型的應用是可調諧薄膜法布裡-珀羅濾光片，通過與低折射率層α-SiHx交替地沉積四分之一波長厚度的α-Si:H而形成在一個襯底如熔融矽上，其中α-SiHx和α-Si:H均通過改變PEVCD反應皿中的氣體混合物而製備。然後可以通過透過加熱膜一個電流而光學調諧所得TFIF的中心透射峰。同樣，可以通過類似方法的延續而製造更複雜設計的多諧振腔TFIF。在我們的實驗中已經演示了單諧振腔和雙諧振腔濾光片，其調諧範圍高達42nm。
非晶矽是一種從平板顯示器和太陽能電池業中高度開發出的一種可靠的材料。通過將這種材料和有關的PECVD薄膜沉積引入到光學幹涉塗層，可以得到不同尋常的大熱光係數，從而調製選取的薄膜折射率多達4％。這樣需要內膜溫度超過400℃，只有在實現極堅固的薄膜粘合劑時才是可行的。在此演示的早期應用是單諧振腔可調諧法布裡-珀羅帶通濾光片，FWHM小至0.085nm(10GHz)，在1500nm處的可調諧性超過40nm。這種可調諧的濾光片也是極其袖珍的，可以以晶片尺度製作，並且能夠以常規靜態WDM濾光片所能獲得的多個現成的組件封裝。可調諧的濾光片適於各種包括光學監視器、可調諧雷射器、可調諧探測器和增/減多路復用器的WDM網絡應用。而且這類可調諧薄膜幹涉塗層能夠有更為一般的設計，包括多諧振腔平頂濾光片、可調諧邊緣濾光片、動態增益均衡器和可調諧色散補償器。折射率控制是光子器件的基本預製構件。不僅在波導器件中可行，而且在幹涉塗層中也可行的可調諧程度較高的熱光薄膜開闢了新一類的袖珍、低成本器件和用途。
本發明的實施例包括橫向光學透射器件。即，實施例包括理想波長的光可以透過的器件，但不可用作波導。例如，襯底上光基本上垂直穿過其表面的材料薄膜是一種橫向光學透射器件。本發明實施例的特點在於一個或多個薄膜層具有隨溫度和內部可控熱源變化的折射率。一般地，薄膜層是那些厚度小於大約5μm的膜層，而目前通常可利用半導體晶片拋光技術實現的最薄層處於50μm的量級。在此應用中，薄膜層通常描繪成直接沉積，當然也可以是其它的製備薄膜的方法。
本發明的實施例可以組合到或包括有多個薄膜層的可調諧薄膜幹涉濾光片。一個或多個層可以具有響應於能量激發源、如控制波長處的熱或光而變化的折射率。另外，如果具有可變折射率的層對熱作出反應，則一個或多個層可以是熱源以改變熱可變層的折射率。熱可變層本身是一種電阻加熱層。
下面詳細描述舉例說明這些一般原理的幾個實施例。
在此描述的實施例利用半導體薄膜、如非晶矽層(此處「α-Si」或「α-Si:H」表示氫化)的熱光特性。這些實施例通過產生熱響應的激發膜控制膜的溫度，該膜是結構或疊層的不可缺少的部分，並且可以是折射率受控制的同樣的膜，或者可以是疊層中尤其包含作為薄膜加熱器的其它膜。激發可以是通過薄膜的電流，或者可以是指向薄膜的光束，也可以是其它的形式。組成結構整體的薄膜提供用於調諧的熱量，並且還與其加熱角色一起扮演光學角色，因而有「雙重責任」。每當使用該結構時的波長也是使用薄膜的透明窗時，都可以採用該方法。一種重要的但非限定性的情況是光纖通信波長窗為1300-1650nm，在該波長處特定的半導體膜高度透明。
半導體具有較大的熱光係數，Si的約為4×10-4/℃，是Ge的兩倍之大，既可以是晶體，也可以是非晶體。可以以各種形式獲得，如晶體、微晶或非晶，可以生長為單晶或直接沉積或取向延伸。直接沉積法包括物理氣相沉積技術，如蒸發或濺射，或利用氣體的化學氣相沉積技術。
要取代避免光學結構的溫度敏感特性，如常規實踐所建議的那樣，我們打算使用半導體材料。
我們主要使用非晶半導體類材料作為優選實施例，以便使薄膜幹涉結構中的熱光調諧性最大，當然，其它類型的薄膜半導體、如微晶或取向延伸的晶體膜也可以使用。多年來主要由平板顯示器或太陽能電池業開發的非晶半導體未被光子及光纖器件界開發。它們可以通過各種物理氣相沉積技術、如濺射或化學氣相沉積技術如等離子增強的化學氣相沉積(PECVD)沉積為薄膜。PECVD是一個特別靈活的同性薄膜處理過程，控制基本的沉積參數，如等離子功率、總氣壓、氫局部壓強、氣體比例、流速，並且襯底溫度可以用於顯著地調節膜密度和化學計量法，在該計量法中依次影響折射率、光吸收性和熱光係數。Si膜的氫化通過抑制懸擺鍵聯減少了缺陷密度，減小了紅外吸收性。圖1表示通過恆定光電流法(CPM)和光熱偏轉頻譜術(PDS)測得的晶體-非晶體吸收性，圖2表示用在1500nm處(對應於0.8eV)WDM帶中優化的低損耗α-Si:H。1500nm的吸收值0.1cm-1對應於消光係數k＝1×10-6，可與通常用在常規薄膜WDM濾光片中的低損耗介質材料相比。除PECVD外，也可以使用其它的CVD法，如低溫CVD或熱CVD，或者可以通過濺射沉積非晶膜。
氫化的非晶矽(α-Si:H)，儘管其在1500nm處有高的折射率(3.6)和低吸收性，但一般不被認為是薄膜幹涉濾光片中理想的高折射率層。原因有二。首先，PECVD只是近期才被引入到光學薄膜技術當中，其次，非晶半導體因為它的溫度敏感性而已經為常規的WDM濾光片所迴避。非晶半導體薄膜的熱光係數趨於比它的晶體對應物更高。在我們的實驗室中，通過優化PECVD條件，已經實現了1500nm處熱光係數Δn/n＝3.6×10-4/°K、消光比k＝10-6的α-Si:H膜，它們顯示出比文獻中報導的任何其它值都高。通過採用內膜溫度＞400℃，已經觀察到了矽折射調幅Δn0.14或Δn/n＝0.04。除了液晶之外，在其它任何類型的材料中都難以獲得大的折射率調幅。
雖然認為熱光機理很慢，但我們發現這不是問題。依據有源期間的體積，對於很寬的應用範圍都可以有足夠快的折射率調製時間。根據α-Si的具體熱量、折射率和導熱性所做的簡單物理估算建議，5μm厚、100μm長的方形熱塊可以在短至10-50μs的時間裡進行3％的折射率調幅。在具有有限功耗的實際作業系統中，我們的器件一般在大約5ms的時間裡有40nm以上的調諧。
為了在總厚度只有幾個微米的薄膜結構中實現這種大的溫度漂移，極堅固的薄膜粘合劑是我們首先需要的。作為移向基於等離子的技術，PECVD具有過程可變性以產生密實的柔性的幾種光學特性各異但過程可兼容的材料，如非晶矽和非晶氮化矽或二氧化矽，具有寬泛的不同折射率。這些材料之間的變遷通過控制氣體混合比、無需破壞真空地完成。在此報導的研究中，基於非晶矽和氮化矽的薄膜結構在我們實驗室中已被證實在200μm的厚度下經歷的重複溫度梯度超過500℃，沒有分層剝離或損毀。Martinu等人已經展示了PECVD對於介電薄膜的物理特性的益處，包括應力減小[L.Martinu，「Plasma deposition of optical films and coatings:a review，」J.Vac.Sci.Technol.A18(6)，P.2629，2000]。
在這類新型器件的探索中，我們已經嘗試了將薄膜熱光可調諧性最大化，與以往的常規固定濾光片的目標-使其薄膜熱光可調諧性最小化不同。但是，器件的設計必須考慮到半導體中熱光係數不是恆量，從室溫到700℃大約變化30％。Ghosh[Handbook of Thermo-Optic Coefficients of Optical Materials and Applications，G.Ghosh，Academic Press，New York，1998]已經表明，半導體中的熱光效應主要是由於激髮帶邊緣隨時間的變化；單振蕩器模型提供了對晶體和非晶半導體二者的熱折射率變化很好的擬合。非晶矽和矽鍺合金的折射率隨溫度的變化示於圖3。通過對1500nm系統較大的吸收性而實現SiGe較大的dn/dT。在我們的實驗室中，在此所述的過程已經認為α-Si具有大於以前報導的dn/dt。
因而，沉積一層或多層薄膜半導體，與主要是熱光薄膜的可兼容層通過各種置換進行混合和合併，以便進行複雜的設計。成功的關鍵在於高質量的光學膜、嚴密地控制層厚度、內部發熱以達到足夠高的溫度，實現Δn/n高至0.04，只在較小的熱塊上進行溫度調製以及極為強烈的薄膜粘合劑以耐受最終的熱應力。
利用諸如PECVD技術直接沉積薄膜允許通過控制薄膜的化學劑量法調節層的折射率。可以連續地沉積多個層，導致器件產量的提高。另外，沉積的持續時間決定層厚度。層的厚度可以薄於1μm。關於這些材料的任務前景是沉積低光吸收的高質量光學層。下面描述這些任務。
薄膜也可以外延取向沉積。這樣可以導致低散射損耗和可能的低吸收的高階材料。根據使用的材料。但外延取向生長是一個慢過程。
單或多層多晶矽材料可以通過首先沉積非晶矽層、再利用如高溫回火、快速熱回火的過程在高溫下重結晶或準分子雷射重結晶而製備。
非晶材料具有一些優於其它兩類材料的優點。例如，通過化學劑量法對摺射率的控制，非晶層可以比外延層快很多的沉積。因為薄膜是非晶，所以與排序良好的晶體結構相比，任何光學偏軸的依賴性將很少。另外，在非晶層中不會發生在多晶材料中發生的從晶粒邊界的散射。無需贅述，對於非晶材料主要由於缺陷吸收而發生光損耗。
為了減少被位於光/遷移縫隙的缺陷光吸收，可以採用幾種技術。第一種技術是沉積期間氫化薄膜以便鈍化懸擺鍵。另一種技術是通過前面介紹的方法重結晶非晶膜層。雖然這樣可以急劇地降低物體中的缺陷吸收效應，但這是用增大的缺陷吸收和在晶粒邊界的散射換來的。
本發明前面公開的實施例擁有很多超過常規光學器件的優點。
新的器件可以利用常規的半導體工藝製作在襯底的表面，如前所述，導致有可能在每個襯底上製作很多器件，允許在襯底上測試和低成本地製造。下面討論其它的優點和對前面的改型。
根據本發明的原理製造的新器件包括還具有較低封裝成本的廣泛推廣的無源器件的可調諧改型。熱光調諧產生簡單的器件設計和高度的可調諧性。通過利用無機半導體材料，人們可以獲得高的熱光係數和操作時較大的溫度範圍。有很多兼容的沉積技術，包括直接沉積。直接沉積至少對於利用自動連續的工藝高產量地製造薄膜有利。就折射率的範圍和可以製造的厚度而言也非常靈活。利用非晶半導體材料產生光滑的表面。材料的選擇非常靈活。可以在PECVD過程中直接加入氫氣來處理材料中的懸擺鍵。在另一過程中，可以重結晶非晶材料，達到具有低於非晶前體的低吸收和比直接沉積的多晶材料更光滑的表面的多晶形式。氫氣回火可以降低晶體界面的效應。
如上所述，通過將一個或多個加熱層集成為疊層，可以獲得非常快的響應速度、低功耗和較高的溫度均勻性。電阻加熱允許傳輸較高的功率密度和精確控制功率傳輸，並且還潛在地允許加熱層用作溫度監視器。
如上所述，可以將多晶半導體層沉積為非晶層並重結晶到各種襯底的頂部。它們可以集成在光學薄膜疊層的各個點，並且可以光學的以及電學地仔細調諧。
然後，必須提供一種在較寬的溫度範圍、如室溫到大約500℃內控制熱光層的溫度的方法，因為利用非晶半導體材料的熱光特性的能力依賴於改變薄膜溫度的有效、快捷以及控制良好的方法。局部的內加熱，即在薄膜疊層本身的內部(並非其整個環境內)必須以聚合物的情形進行，強烈地優選高效、快捷的方法，儘管其它的方法、如近似的加熱器法也可以採用。優選的方法包括在薄膜疊層中、或包括在襯底和TFIC之間、或在TFIC的最後一層之上的一個加熱膜中，該膜集成到光學設計(即，具有特定厚度和折射率)中，但在使用的波長處基本上是光學透明且導電的，除非特別假定出於1300-1800nm的波長範圍內。我們已經發現，n型多晶矽-通過首先非晶沉積、再通過在爐中加熱重結晶而形成，是一種極好的選擇，儘管其它的薄膜如導體ZnO或有關的材料也可以採用。
其它加熱薄膜的可能方法包括非電學的方法，如在強烈吸收的波長處的光直接吸收，這在α-Si:H的情形中可以是500-950nm。這可以導致一種光學控制的可調諧光學濾光片，只要提供諸如幾mW的光功率照明即可，其中光功率可以由多模光線傳輸。或者，因為如前面的Aegis專利申請所公開的那樣，可以形成薄膜PIN傳感器，通過較低強度的入射光源調節P-或N-摻雜薄膜。或者，也可以利用外部熱源，如襯底溫度的控制，或利用與濾光片相鄰的熱電阻條，無需與半導體間隔膜直接電學或光學連結。在優選的材料中光學效應、光導效應、電子效應和熱效應的結合提供了幾種加熱薄膜的方式，但通過集成到TFIC中的導體膜已經獲得了我們主要的結果。
這些方法可以用於製造各種TFIC，其中TFIC的光學特性可以通過加熱改變熱光層的折射率而得到電學控制。因為一些薄膜的折射率作為溫度的函數而變化，總的來說TFIC的光學行為特徵也依賴於溫度，或多或少地依賴於設計和對各個薄膜折射率的具體敏感性。這意味著結合各種熱光及非熱光層的TFIC將作為溫度的函數在給定的光譜段內顯示透射、反射或相移各種光學狀態。
作為本發明的一個分支的TFIC對特定膜的折射率的依賴性特別強，即包含諧振腔。薄膜疊層中光學諧振腔的總的結構是一個夾在反射鏡(通過四分之一波長厚度的高和低折射率材料的交迭而形成)之間的一個腔體(其光學厚度是半波光學厚度的倍數)。這些四分之一波長和半波長以諧振波長來定義。此種TFIC最簡單且最重要的例子是可調諧薄膜光學濾光片TFIF的製備，其中可調諧薄膜光學濾光片TFIF組合了一個單腔和兩個反射鏡結構。由於諧振效應，單獨的諧振腔折射率的很小的熱光改變(4％的量級)也會導致在接近諧振波長處的透射率接近100％的有效改變。
圖4表示熱光可調諧單腔法布裡-珀羅薄膜濾光片的基本結構。在1500nm處光學透明的導電加熱膜-在很寬的溫度範圍上能夠精確控制厚度和堅固的粘結性-集成為光學幹涉設計中。然後只由兩種材料α-Si:H(n＝3.67)和非理想配比的SiNx(n＝1.77)製成適當的濾光片疊層用於反射鏡層和腔體，其中兩種材料由光譜橢圓光度法測定。眾所周知，薄膜反射鏡設計成高低折射率薄膜的成對四分之一波片交替，並且諧振腔由整數個半波長組成，一般為兩個至四個。因為α-Si和SiHx之間較大的折射率反差，需要較少數量的反射鏡對。在設計波長處即使4對反射鏡也產生R＝98.5％的反射率，並且5對反射鏡產生R＝99.6％的反射率。相比較而言，利用常規的介質如五氧化二鉭(n＝2.05)和二氧化矽(n＝1.44)，需要10個四分之一薄膜對達到R＝99.5％的反射率。圖5表示沉積的實際薄膜疊層的掃描電子顯微圖。
圖6表示一種單腔濾光片熱測量，舉例說明了可用這些材料實現的策略。利用6個反射鏡循環和第四級間隔(4個半波長)，-3dB的寬度對於388nm和(finesse)大約F＝4500的自由光譜範圍為0.085nm。
襯底|HLHLHLHLHLHL 8H LHLHLHLHLHLH|空氣在此標註中，字母H和L代表薄膜四分之一波長的厚度。H，高折射率層，是α-Si:H(此處H意味著氫氣)，L，低折射率層，是α-SiNx。腔體8H為8個四分之一波長或折射率×厚度＝2全波長，此處的全波長約為1550nm。
熱光可調諧範圍依賴於濾光片中均層是熱光活性的。法布裡-珀羅腔中的諧振條件為nt-λ/2π＝1/2mλ此處，n＝間隔折射率，t＝腔厚度，m＝級，＝在反射鏡處的相移反射，λ＝諧振波長。此式表明可以通過允許反射鏡中的高折射層為熱光性而將濾光片調諧到某種程度。圖7表示製作高折射層、間隔物或所有的高折射層的預定熱光效應。
圖8表示在25℃～229℃的加熱爐中加熱的非晶矽間隔物和電介反射鏡(五氧化二鉭高折射和二氧化矽低折射層)的濾光片的熱調諧。調諧約為15nm或dλ/dT＝0.08nm/K。
圖9表示不僅對於間隔物、而且對於反射鏡的高折射層，利用非晶矽製備具有全部PECVD膜的濾光片的熱光調諧性。此濾光片有4個周期反射鏡，還組合了一個導電ZnO層用於內部加熱薄膜疊層。內部加熱能夠達到更高的局部膜溫度；在本例中調諧範圍為37nm。雖然薄膜中的溫度難以精確地測量，但ZnO膜中的電流為0-100mA，對應於估計超過400℃的溫度。
通過利用各種間隔物合金和濾光片設計，我們觀察到的調諧係數為0.08-0.15nm/°K，並且總的調諧範圍超過40nm。比較而言，常規的靜態薄膜濾光片技術目的在於對於窄帶WDM濾光片實現中心波長的熱變化＜0.0005nm/°K，部分地利用高CTE襯底補償少量的熱光調諧而完成。因而利用非晶半導體膜、優化的PECVD沉積、熱優化的襯底和內加熱膜最大化地熱控制導致大於一般固定WDM濾光片的大致300X的熱光可調諧性。這種方法為我們首次提供了可在整個WDM波帶1528-1561nm上沒有移動部件地可調諧的薄膜法布裡-珀羅濾光片。
到目前為止所得結果的概括如下。
在單腔熱光濾光片中實現的特徵範圍可以概括如下FWHM的範圍 0.85nm～2nmFinesse範圍1500～4500可調諧帶寬 ＞40nm插入損耗範圍根據設計為0.2-4dB調諧速度整個範圍上為5ms這表明了可調諧單腔TFIF曾經獲得的最好結果。但是，通過所述方法的熱光可調諧TFIF也允許有多腔設計，這樣大大地擴展了可能的性能特徵範圍。我們已經驗證了按照下列格式的簡單的兩腔設計襯底|HLHLHL 4H LHLHLH L HLHLHL 4H LHLHLH|空氣此處，兩腔為4H，中心L層是雙法布裡-珀羅結構之間的耦接層。此濾光片的熱調諧結果如圖10所示，該圖表示在25～213℃溫度範圍上平頂特徵和大約15nm的調諧。就我們所知，折射至今證實了的第一寬的可調諧多腔TFIF。顯而易見，還可以有更精細的結構，包括各種非帶通設計，如動態增益均衡器、可調諧色散補償器等。
合適的加熱膜的一個例子是N型摻雜多晶矽，如圖11中201所示，其在近似1500nm的光通信波長處具有很小的光吸收性。或者，可以在襯底中形成一個整體的加熱層，如圖12中所示的301；例如，加熱層可以通過對晶體矽襯底選擇摻雜來限定。調諧層403或加熱層404都可以處於疊層中的任何位置，與襯底等相鄰。現有技術中已知具有多達200層或更多層的TFIC，雖然它們不是可熱光調諧的。在現有技術中對於極低的波長變化、如小於0.01nm，在預期的溫度操作範圍上通常設計在通帶的中心波長處。
下面描述通過溫度控制濾光片中心頻率的一些其它方法。控制可以通過多種方式實現，包括但不限於下列方法。
可以加熱光學層位於的整個襯底。這種方法用於不需要快速調諧溫度的應用。但是，較多熱聚集的襯底限制了溫度的變化速度，包括加熱和冷卻。這在快速調諧、即需要溫度快速變化的應用中是不理想的。在這些應用中，需要更精確和有效的加熱策略。
例如，可以採用放置得非常接近但不處於光路中的單個加熱元件。加熱元件例如可以是圍繞光路的電阻環。下面描述這些實施例。熱量可以經襯底或其它的結構層輸送到熱光層(TOL)。
或者，加熱元件是處於光學疊層中並置於光路中的層。這樣允許在加熱層和TOL之間有密切的接觸，由此提供極為有效的加熱模式。不需要極快地供給熱量。利用此種結構，可以在不小於100ms的時間裡實現攝氏幾百度的溫度擺動。
可以採用幾種方法產生熱量。包括但不限於光學加熱、橫向焦耳發熱、即採用來自結構側面的熱量以及Z軸焦耳發熱、即沿結構的透射方向或Z軸施加熱量。在光學加熱中，光源、如在除器件採用的信號發射頻率以外的頻率下工作的雷射可以指向或接近TOL。此光功率被TOL或一個或多個相鄰層的吸收導致發熱，並且因而增大了TOL以及中間區域的溫度。
焦耳發熱法因為易於實施而極具誘惑力。例如，電流(I)可以垂直或橫向流經電阻(R)材料片。熱形式的功率(P)通過電阻元件(P＝I2R)消散在連結區域中。例如，可調諧的光學層可以直接位於此加熱層之上，有可能導致迅速的溫度變化。利用此方法已經表明，利用橫向電流製備的器件在短至10ms的時間有攝氏幾百度的溫度變化。
電阻材料例如可以是金屬、本徵的或摻雜的半導體，或導體氧化物。該材料可以有足夠的導電性以傳輸所需的功率。對於位於光路中的集成加熱器，加熱器材料必須還具有適當的光學特性，即折射率、厚度、吸收率等。另外，加熱層必須能經受得住其產生的熱量而不剝離或脆裂。
這些熱光器件的襯底材料應該選擇成處理所需的熱和光特性。合適的材料包括矽晶片、熔融矽和藍寶石，但不限於這些材料。產生並輸送到可調諧光學層中的熱量一般也傳輸到其它體積內、尤其是襯底中。因此襯底可以起吸熱層的作用。例如，如果襯底具有高熱導性，則必定比襯底具有低熱導性產生更多的熱量以升高TOL的溫度。因為襯底影響受熱層的熱損耗，所以也將影響橫過熱光層的熱輪廓。這反過來會影響器件的光學性能，如可調諧薄膜濾光片的帶寬。如果希望對TOL有最大的熱量傳輸，則可以使用良好的絕熱體，如熔融矽。如果需要快速的溫度變化，則具有較高導熱性的襯底、如矽晶片可能是理想的。
這種可調諧塗層的設計依賴於所期望的目的。在設計計算中，例如利用工業標準，利用一個或多個折射率可調諧薄膜的各個值建立薄膜設計軟體，如薄膜石灰質(Software Spectra，Inc製造)。在操作中，通過電流透過一個或多個加熱層而在這些設計狀態之間調諧或掃描器件。
如現有技術中所知，薄膜疊層的沉積方法可以根據使用的材料以及期望的特性而不同。合適的方法包括等離子氣相沉積(PVD)法，如電子束沉積或離子輔助濺射，化學氣相沉積(CVD)法，如熱CVD或等離子輔助CVD(PACVD)，低溫CVD(LRCVD)和其它現有已知的技術，但不限於這些方法。在總結一種設計之後，下面進一步討論製備器件的方法，包括幾種額外的選擇。
利用等離子增強的化學氣相沉積(PCVD)和α-Si:H、聚Si和SiN，已經在實驗室中觀察到我們的器件經歷很大的溫度偏移、如室溫變化400℃時沒有故障。這種觀察結果，即器件在較大的熱衝擊下功能良好，是一個驚喜，並沒有完全弄清楚，但表明了在層之間極強的粘結性和較低的熱感應力。這些非常大的溫度變化集中在小體積的薄膜中與上述α-Si的大dn/dT相結合，意味著對於α-Si薄膜的部分折射率調製高達Δn/n＝0.04。這種折射率變化的幅度主要用在諧振結構中，如法布裡-珀羅設計，可以導致薄膜光學特性的巨大改變。但甚至在非諧振設計中也可以獲得濾光片特性顯著的變化。這個發現的一個結果是可以實現非常快的調諧速度，因為薄膜結構的較小的熱量和包含的較大的溫度範圍；另外，這可以無需外部冷卻地實現，並且可以通過利用一個集成的加熱層在整個器件上以較高的均勻性控制溫度。
本發明前述的實施例擁有很多超過現有技術的優點。
新器件可以利用常規的半導體工藝製作在襯底的表面上，如上所述，導致有可能在每個襯底上製作更多的器件，允許在襯底上測試和很低的製造成本。下面討論其它的優點和對前面的改型。
根據本發明的原理製造的新器件包括還具有較低封裝成本的廣泛推廣的無源器件的可調諧改型。熱光調諧產生簡單的器件設計和高度的可調諧性。通過利用無機半導體材料，人們可以獲得高的熱光係數和操作時較大的溫度範圍。有很多兼容的沉積技術，包括直接沉積。直接沉積至少對於利用自動連續的工藝高產量地製造薄膜有利。就折射率的範圍和可以製造的厚度而言也非常靈活。利用非晶半導體材料產生光滑的表面。材料的選擇非常靈活。可以在PECVD過程中直接加入氫氣來處理材料中的懸擺鍵。在另一過程中，可以重結晶非晶材料，達到具有低於非晶前體的低吸收和比直接沉積的多晶材料更光滑的表面的多晶形式。氫氣回火可以降低晶體界面的效應。
如上所述，通過將一個或多個加熱層集成為疊層，可以獲得非常快的響應速度、低功耗和較高的溫度均勻性。電阻加熱允許傳輸較高的功率密度和精確控制功率傳輸，並且還潛在地允許加熱層用作溫度監視器。
如上所述，可以將多晶半導體層沉積為非晶層並重結晶到各種襯底的頂部。它們可以集成在光學薄膜疊層的各個點，並且可以光學的以及電學地仔細調諧。
最後，熔融矽或石英襯底具有較少的光損耗，可以經受用於重結晶光學層或加熱層的高溫並具有較低的導熱性，這樣就減少了器件的功耗。
實施本發明上述某些方面的可調諧TFIC可以組合到產品、系統及正在描述的應用中。下面描述的每個產品、系統或應用的TFIC元件可以通過熱光改變一個或多個內膜的折射率來調諧。首先一些代表性的器件包括●可調諧窄帶濾光片，具有單腔法布裡-珀羅設計和間隔的可調諧膜。窄帶濾光片的中心波長可以調諧。
●可調諧窄帶濾光片，具有多腔法布裡-珀羅設計和一些或所有的間隔的可調諧膜。具有光譜形狀的可調諧濾光片適於特定的密集WDM功能。
●可調諧增/減濾光片。「增/減濾光片」是成套的電信光纖中的一個窄帶濾波器，在允許其它信道通過的同時增加或減少一個WDM信道。可調諧的增/減意味著增大或減小波長是可調諧的。
●可調諧偏振濾光片。偏振濾光片是TFIC，通常放置成與入射光成一角度，根據波長透射/反射光。調諧意味著既可以以最大偏振的波長調諧，也可以以固定的波長調諧雙折射。
●可調諧雷射器(與VCSELS或邊緣發射型雷射器或外諧振腔雷射器集成)。通過這種裝置可以無需移動部件地調諧雷射器的波長。在VCSEL的情況下，可調諧濾光片可以集成在晶片尺度上。
●動態增益均衡器。動態增益均衡器用在光纖電信網絡中，通過獨立調節波段(如C帶)上的光譜衰減來平衡WDM系統中不同波長處的光功率。可調諧性意味著可以通過一個或多個熱光可調諧濾光片、通常是一系列的濾光片獨立地改變各個衰減腔。
●可調諧色散補償器。色散補償是一個出現在光纖網絡中的問題，尤其出現在40Gb/s的數據速率下，在速率下脈衝擴展很長的距離。補償器的引入以相反符號的色散平衡了這些影響。可調諧補償器是色散斜率可調的TFIC，用於調節可變網絡條件。
●可調諧偏振色散補償器。偏振色散是指改變光纖環境條件，造成光纖中的雙折射變化並由此引發脈衝加寬。可調諧TFIC補償器的設計用於調節補償量。
●可變衰減器。可調諧TFIC可以構造成提供特定波長範圍的可變衰減。這種器件通常用在光通信網絡和其它應用中。
下面詳細說明包括一個或多個上述特徵的多種結構。
可調諧帶通濾波器圖13表示濾波器1300的結構，該濾波器具有透明導體電極膜1301、1302、上下鏡疊層1304和在Si晶片1306上自加熱的熱光諧振腔材料1305的圖案。通過端子1307、1308、透明導電層1309、1310和腔體層1305的電流I造成層1305的電阻加熱，並且因而調諧層1305的折射率。每個反射鏡疊層1304中高低折射層的數量以及其它設計參數的選擇根據任何適當的設計方法決定，但得考慮到設計調諧範圍。圖14表示結構1400，其中沒有使用透明導體電極，並且電流I在薄膜1401的平面上穿行。在此實施例中，反射鏡疊層1304可以構造成具有任意合適的薄膜結構，包括現有技術中已知的結構。腔體材料1401的折射率通過熱量調諧。下面討論的另外的調諧能源是光能的一種控制波長。
現有技術中已知，採用多腔法布裡-珀羅設計可以產生光學帶通特性，具有比單腔的羅倫茲形狀更平的頂和更陡的側邊，其中多腔法布裡-珀羅設計中在薄膜疊層中組合了不止一個的諧振腔。圖15表示一個薄膜疊層1500，每個疊層包括多個間隔1501、1502和電連結1503、1504、1505。這種設計引導電流I在可調諧間隔1501、1502的平面中，導致電阻自發熱。
通過適當注意所有層的導熱性並避免脫層或畸變，可以實現在環境工作點附近高達大約400℃的最大溫度變化並提供合適的折射率變化。一般地，希望高導熱性的襯底如Si或藍寶石提供一種吸熱層；器件和封裝的熱工藝對於穩定的操作很重要。通過外部控制使整個結構在升高的環境溫度(例如80℃)下工作也是很有利的，以便消除將結構冷卻到室溫的要求。
取代電阻加熱，或者額外的通過雷射束、或通過光纖、或通過局部設置安裝以照明薄膜的LED直接傳輸用於調諧濾光片的控制光。
圖16表示在一種應用中稍做改進的濾光片1600、用於WDM光學網絡的可調諧增/減多分復用器。濾光片1600設計成用在非零入射角θ、例如5-10°處，通過減小所有膜的物理厚度一個co(θ)因子而保持如前規定的光學厚度。該角度必須小到足以引入實質上沒有偏振依賴性，額定為＜0.2dB規格.在入射口1601進入的透射波長下降，並且通到下降口1602。其餘的波長反射到通口1603。如果需要，也可以通過增加四個口1604來增加波長，如圖所示。本發明的優點在於用於現有厚膜增/減濾光片設計的常規封裝及構造法可以通過微小的修改後使用，不需要對通常固定的濾光片替換可調諧元件。
如上所述的線性或矩形增/減濾光片陣列可以製作在晶片尺度上並組裝成一個單元，在單個集成器件中提供例如16×16θ256個獨立的可調諧下降口。
可變光學衰減器(VOA)給定一個處於固定波長λ的雷射信號，可以設計一個如圖17所示的濾光片特性，其在波長λ處的透射率可以通過調諧濾光片而在動態範圍上變化17dB。在一個溫度下，濾光片以一種傳遞特性1701工作，而在第二溫度下，以第二傳遞特性1702工作。這樣構成一個在感興趣的波長處如1550nm處工作的VOA。對於VOA應用，可以改進窄帶濾光片的設計以提供一個準線性響應。用於產生如圖17所示可變特性的設計如下
(HL)^4H(4HL)^4H此處，H是α-Si高折射層，L是SiN低折射層。此類VOA將一個可變衰減施加到大約30nm的波段中的任意給定通道，但不是一次平均地給到所有的通道。
可調諧探測器、光譜儀或通到監視器被用作間隔層並通過作為熱光折射率調製源的電流和照明控制的光電導體或PIN光電二極體仍然保持其作為探測器的功能。
在諧振波長處光的敏感性強烈地提高，因為該波長在PIN薄膜中產生很大的電場強度，而其它波長則不會。因而可以設計器件的形式，用作波長可調諧光電探測器，即光譜儀，其中所有的關鍵功能都保留在幾微米的薄膜內。這種器件的一個重要應用是通過用窄帶濾光片掃描、例如掃描C波段1535-1565nm來監視WDM光纖網絡的各個波長通道中的通道光功率水平。
反向偏壓的PIN探測器將用於使光敏感性最大化。光譜儀的優選實施例利用外加熱調諧濾光片，以便分開與探測相關的光電流和熱光控制機構。假設由於探測的光電流小到不足以顯著導致其本身的熱調諧。
或者，可以使用內電流溫度控制，只要這種可調諧探測器的設計和操作能夠區分由例如1525-1565nm的信號光導致的較小的光電流響應和用於調諧熱光濾光片的較大電流或光電流即可。一種區分的辦法是調節信號光到一個「載波」頻率，該頻率處於傳感器的電子帶寬內，但高於用於熱光調諧的各種電流或光電流的任何頻率。通過在調節頻率「鎖定放大」處放大光電流信號，可以分開較小的高頻光電流與較大的低頻電流或光電流。
可調諧VCSEL或其它雷射器上述的可調諧濾光元件可以與各類雷射器一起使用，以製備一種集成的可調節波長的雷射器。
VCSEL雷射器陣列以法布裡-珀羅結構製造在晶片上，具有通過分子束外延或其它工藝製備的反射鏡疊層、增益區和第二反射鏡疊層。如果認為第二反射鏡疊層是上述熱光濾光片的後續沉積的第一反射鏡，則對於自由的靜置濾光片，薄膜半導體可以直接沉積在晶片上的間隔層處，之後是最後的(第三)薄膜(HL)反射鏡疊層。然後雷射器件將由兩個耦合腔組成，其中一個雷射器是這樣的，另一個的是可熱調諧輸出反射鏡。整個器件可以在輸出波長調諧。
利用各種類型的非VCSEL雷射器，可以通過將一個雷射器與一個腔反射鏡耦合成膜可調諧濾光片而構成，其也只有輸出反射鏡。雷射器系統實質上由反射鏡-增益介質-可調諧間隔層-反射鏡組成，並且通過間隔層的熱控制而可調諧波長。
偏振控制為了補償偏振模式色散，在WDM網絡中需要有偏振傳感和控制。薄膜偏振器由放置成與入射光呈一個角度的薄膜濾光片構成，使得S偏振光主要被透射、而P偏振光被反射，反之依然。
圖18表示在兩種狀態1801、1802下以56.5°被照明的濾光片的P透射率。濾光片由43層兩種材料組成，其中21層表示為H＝CDS，22層表示為L＝SiO2。兩條曲線1801、1802表示H層折射率改變2％的效果，對所有21個H層模擬熱光效果。這種效果可以通過外部、而非層中的電流加熱造成。通過這種折射率調製，P偏振光在1550nm處的透射率從1801特性曲線的99％變化到特性曲線1802的50％。
圖19表示可調諧薄膜法布裡-珀羅濾光片的一種可能輪廓。金屬墊901允許外部電連結到薄膜金屬環形電阻1902，電阻1902加熱濾光片1903。環形電阻1902可以是大約300-500μm的直徑，或是任何其它合適的大小。圖20表示圖19所示的濾光片沿線條20-20的截面圖。該結構包括電介質薄膜反射鏡疊層2001、法布裡-珀羅腔體層2002和電阻環1902，腔體層的材料在此情況下是可熱調諧的。
通過利用接觸墊1901使電流在電阻加熱器1902中運行，將改變腔體層的光學特性，並且因而調諧濾光片。光穿過位於電阻加熱器1902中心的孔，該孔是有效濾光區。此類加熱器可以由任何能夠載運足夠大的電流以產生必需熱量的材料組成。例如，由100nm厚的鉻膜製成的直徑為300μm、寬度為50μm的環形加熱器將有近似10Ohm的電阻。電阻耗散的功率由p＝I2R給出。假設需要1mW的功率將濾光片充分加熱到所需的調諧範圍，在加熱元件截面上3.2V的電壓將產生0.32mA的電流和1mW的功率。整個這些器件以及下面將要討論的帶有電阻加熱元件的器件結構都可以安置在一個連結到保持在恆定低溫的T/E冷卻器的吸熱層，其中T/E冷卻器將提供冷卻。
此種加熱的方法比上述的外部加熱器更有效，因為加熱元件與有源層更接近。這將導致更快的加熱和調諧以及較少的功耗。另外，此類加熱元件沒有基本的溫度限制，除非元件本身的材料隨溫度不穩定。但是，在濾光片區域的截面上溫度均勻性較差，因為熱量必須從加熱器的內部邊緣傳遞到有效濾光區的中心。這種非均勻的溫度分布將導致很寬的透射峰，因為光束將在不同的腔體特性範圍內分布。
或者，如圖21和22所示，可以使用對感興趣的波長透明的薄膜電阻加熱器2101。在此情況下，加熱器可以位於光路中，提供更均勻的加熱。圖21表示具有此類加熱元件的可調諧薄膜法布裡-珀羅濾光片，其中加熱元件集成在襯底和濾光片疊層之間。這種結構還包括金屬襯墊1901，用於與加熱元件2101和濾光片疊層2201電連結。用在電信領域的此類加熱元件2101可以由幾種透明導體中的一種製成，如氧化鋅、氧化銦錫、摻雜的非晶薄膜、微晶或多晶半導體等。因為這些透明導體具有比大多數純金屬高的電阻，所以加熱元件2101可以製作的非常小，例如大約500μm×500μm或其它任意尺寸，從而使電阻功率密度最大。
半透明電阻加熱器的另一種可能的材料是摻雜的晶體矽或其它一些半導體晶體。在此情況下，濾光片襯底將是晶體半導體晶片，濾光片將製作在摻雜區的頂部。當然，本徵的或摻雜的半導體必須對穿過法布裡-珀羅濾光片的波長透明。因此對光信號沒有不必要的損耗或改變。
其它的加熱器配置示於圖23-30。這些元件已經結合附圖19-22做了解釋。
例如，圖23和24所示的結構類似於圖21和22所示的結構，但在疊層的頂部而非底部有電阻層2101。圖25和26表示作為襯底2601的摻雜區的電阻層2501。圖27和28表示圖21-24所示結構的結合，帶有頂部和底部加熱器2101。最後，圖29-30表示用作自加熱器的間隔層2901。注意，上鏡3002的尺寸被減小，從而允許端子1901鄰接間隔層2901與其連結。
以上結合一些具體的實施例對本發明進行了描述。但還有很多落在本發明範圍之內的改型對於本領域的技術人員也是顯而易見的。因此，本發明的範圍只由所附的權利要求書限定。
權利要求
1.一種動態可調諧薄膜幹涉塗層，包括一個或多個具有可熱光調諧折射率的層。
2.如權利要求1所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述的一個或多個熱光層是半導體材料。
3.如權利要求2所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中半導體材料是直接沉積的材料。
4.如權利要求3所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中直接沉積的半導體材料是外延生長的單晶層。
5.如權利要求3所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中直接沉積的材料是非晶半導體。
6.如權利要求5所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中非晶半導體處於非晶態。
7.如權利要求6所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中非晶半導體是非晶矽或非晶矽鍺。
8.如權利要求7所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中非晶矽或非晶矽鍺利用等離子增強的化學氣相沉積技術沉積。
9.如權利要求5所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中非晶矽半導體是微晶材料。
10.如權利要求5所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中非晶半導體是多晶材料。
11.如權利要求10所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中多晶半導體材料直接沉積為非晶或微晶材料，並再重結晶成多晶態。
12.如權利要求1所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件與可調諧薄膜集成一體。
13.如權利要求12所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件包括一個或多個光學吸收層，並且加熱通過光信號實現。
14.如權利要求12所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件是一個電阻加熱器。
15.如權利要求14所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件集成為光學薄膜結構中的層。
16.如權利要求15所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件是晶體半導體襯底中的一個摻雜區。
17.如權利要求15所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件是一個直接沉積的透明金屬氧化物。
18.如權利要求15所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件是一個直接沉積的摻雜薄膜半導體。
19.如權利要求15所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中加熱元件是一個重結晶的體摻雜多晶半導體。
20.如權利要求1所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述的塗層用於動態改變作為光波長函數的光功率的透射、反射或吸收。
21.如權利要求20所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用作動態可調諧光學帶通濾光器。
22.如權利要求21所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層包含一個單個熱光可調諧光學腔，該熱光可調諧光學腔決定透射波長的法布裡-珀羅濾光器。
23.如權利要求21所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中塗層包含多個熱光可調諧光學腔，該熱光可調諧光學腔決定透射波長。
24.如權利要求21所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用作波長可調諧光學探測器的一部分。
25.如權利要求24所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用作掃描光學光譜儀。
26.如權利要求21所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用作光通信的可調諧的增/減濾光器。
27.如權利要求20所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用於改變在波長範圍上每個波長的相對透射或反射。
28.如權利要求27所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用作可在波長範圍上調諧的光譜均衡器或光譜濾光器的一部分。
29.如權利要求20所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用於在波長範圍上改變總的透射或反射。
30.如權利要求29所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用作可在波長範圍上調諧損耗的可變光學衰減器的一部分。
31.如權利要求1所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用於在反射或透射中動態改變作為波長函數的光學相位。
32.如權利要求31所述的動態可調諧薄膜幹涉塗層，其中所述塗層用於動態控制光通信系統中的色散。
全文摘要
根據本發明的各個實施例及其各方面，提供了一種包括一個或多個熱光可調諧折射率層的動態可調諧薄膜幹涉塗層。薄膜幹涉塗層中的可調諧層能夠成為一種新的薄膜有源器件，用於濾光、光的控制和調製。該有源薄膜結構可以直接用到或集成到各種光子子系統中以製作調諧雷射器、用於光纖通信的可調諧增/減濾光片、可調諧偏振器、可調諧色散補償濾光片和很多其它的器件。
文檔編號G02F1/21GK1516821SQ02812224
公開日2004年7月28日 申請日期2002年6月18日 優先權日2001年6月18日
發明者勞倫斯·多麥施, 尤金·馬, 羅伯特·穆拉諾, 尼庫雷·尼穆楚克, 亞當·佩恩, 史蒂文·謝爾曼, 馬逖爾斯·華格納, 吳明, 尼穆楚克, 穆拉諾, 謝爾曼, 佩恩, 勞倫斯 多麥施, 斯 華格納, 馬 申請人:伊吉斯半導體公司