專利名稱：可調(diào)諧光學(xué)儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
可調(diào)諧光學(xué)儀器是這樣一類儀器，其中光的一種性質(zhì)，如象功率級，在不止一個波長上被測量。這種儀器包括光譜分析器(OSA)，光通道監(jiān)視器(OCM)和其他用于波分多路(WDM)光通信領(lǐng)域和其他領(lǐng)域的儀器。
背景技術(shù)：
一個OSA是一個設(shè)備或一個測量儀器，它接收一個光輸入并產(chǎn)生一個輸出，該輸出表示在一個波長范圍內(nèi)，包含在該光輸入中的光功率。當(dāng)我們用術(shù)語“光學(xué)”或“光”(Optical)時，我們是指一個電磁輻射的波長帶，它至少包括可見光，紫外光(UV)，和紅外光(IR)。我們應(yīng)當(dāng)包括性地看待這個術(shù)語，特別當(dāng)上述技術(shù)的某個應(yīng)用復(fù)蓋一個有明確名字的帶以及也包括這些帶外面鄰近波長時。
就象在“真實世界”中實現(xiàn)的所有儀器那樣，OSAs有一個有限的分辨率，它由該儀器藉以構(gòu)成的部件的特性來確定。然而譜分析通常被想成在某一測量波長帶上產(chǎn)生功率分布的一個連續(xù)表示。也即表示成在一個測量帶內(nèi)在每一個波長上的功率，雖然分辨率限制可以意味著該表示的功率實際上也包括從附近波長進入的某些功率。
在某些光通信系統(tǒng)中，在單個媒質(zhì)上可以通過把每個通道都調(diào)制在具有不同波長的載波上來傳播多個通道的信息。這樣的系統(tǒng)包括波分多路(WDM)系統(tǒng)。一種適于測量在給定的，分立通道載波波長上光功率的儀器是OCM。我們特別感興趣，但不是唯一感興趣的，是使用波長約為1500nm的通道載波的WDM系統(tǒng)。
常規(guī)的OSA和OCM體積大，并且昂貴，這是因為所用的可調(diào)諧濾波器采用機械調(diào)諧方法，如象移動-光柵，伸長-光纖，等等。這種系統(tǒng)調(diào)節(jié)也慢，通常要幾秒鐘才把波長調(diào)諧幾個納米。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明各個實施方案的各個方面，提供了幾個系統(tǒng)以及其變化。
一個光學(xué)儀器可以包括一個可調(diào)諧自由空間濾波器，作為波長選擇器。一個自由空間濾波器被定義為一個濾波器，對于它，光以光束的形式正交于濾波器的平面表面?zhèn)鞑?，以區(qū)別于在波導(dǎo)中或光纖中引導(dǎo)光的裝置。該光學(xué)儀器可以是一個光譜分析器(OSA)。事實上，OSA可以被構(gòu)造并安置成用于波分多路光通信系統(tǒng)的光通道監(jiān)視器。
按照某些改變，可調(diào)諧自由空間濾波器是一個可調(diào)諧薄膜濾波器(TTFF)。該TTFF可以是熱-光可調(diào)諧的。該可調(diào)諧濾波器可以是一個插入薄膜半導(dǎo)體材料的多層膜結(jié)構(gòu)。該TIFF的溫度，因而波長，可以用一個外部熱能轉(zhuǎn)移器件來改變。該熱能轉(zhuǎn)移器件可以是一個電阻性加熱器件。該電阻性加熱器件可以是一個環(huán)狀金屬膜，它確定了光通過濾波器的孔徑。該電阻性加熱器件也可以是一層光學(xué)透明層，并在這樣一個位置與濾波器集成在一起，使得光通過該電阻性加熱器件。在某一組變型中，該透明層可以是一層透明導(dǎo)電氧化物。該透明層也可以是一層摻雜的薄膜，該薄膜可以是非晶態(tài)，微晶態(tài)，和多晶半導(dǎo)體薄膜，它也可以是一種摻雜結(jié)晶半導(dǎo)體。
可以有各種TTFF結(jié)構(gòu)，該TTFF可以有一個單一腔法布里-珀羅結(jié)構(gòu)或者有一個多-腔體結(jié)構(gòu)。
能夠有各種封裝變型。例如，該TTFF和光檢測器能夠安裝在一個單個的密封封裝中。該單個密封封裝可以是一個TO-型的封裝。在這單個密封封裝中，可以有一個或多個分立的溫度傳感器。另外，在該單個密封封裝中，可以有一個或更多個溫度-穩(wěn)定裝置。
其中也能包括一些準(zhǔn)校附件。該光學(xué)儀器還可以包括一個或多個已知波長信號的外部源。或者，該儀器可以包括一個或多個已知波長信號的內(nèi)部源。在另一種選擇中，該儀器還可以在光學(xué)儀器內(nèi)包括無源干涉測量結(jié)構(gòu)以建立一個穩(wěn)定的波長參照。在這種選擇中，該干涉測量結(jié)構(gòu)可以包括一個可調(diào)諧自由-空間濾波器基底。該干涉測量結(jié)構(gòu)可以和一已知光源相互作用以建立一個參照信號。
該光學(xué)儀器可以還包括一個測量熱-光可調(diào)諧TTFF溫度的器件，以確定波長。該測量溫度的器件可以和TTFF集成在一起。該TTFF還可以包括一個加熱層。在此情況下，該加熱層還可以包括測量溫度的器件。例如，該測量溫度的器件可以監(jiān)視加熱層的電阻。在測量溫度的器件監(jiān)視加熱層電阻情況下的某一個變型中，有一個DC電流源以加熱該加熱層，以及一個迭加的AC電流源，其電流足以監(jiān)視加熱層電阻。
該光學(xué)儀器還可以包括一個有一個輸出端的檢測器，以及一個與之連接的信號處理器以從檢測器輸出端接收信號，該信號處理器把從檢測器接收到的信號轉(zhuǎn)換為不同波長下的功率v.數(shù)據(jù)。
在另一個封裝變型中，該光學(xué)儀器可以包括一個電子學(xué)組件；一個光學(xué)檢測器；一個光纖輸入端；和一個晶體管外形(TO)封裝(transistoroutline package)，在TO封裝中安裝了可調(diào)諧自由-空間濾波器，光檢測器和光纖輸入，該TO封裝包括針腳，通過它們，在可調(diào)諧自由-空間濾波器和光檢測器以及電子學(xué)組件之間進行電連接。在該情況下，該儀器還可以包括一個單一的外殼以支撐TO封裝和電子學(xué)組件。


在各圖中，同樣的參照數(shù)字表示同樣的元件圖1是包括一個TTFF的光學(xué)儀器的一個示意框圖圖2是圖1的儀器的框圖，進一步詳述了其信號處理流程；圖3是有一個環(huán)狀加熱器的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的平面圖；圖4是圖3的濾波器的一張示意截面圖；圖5是有底部加熱器的濾波器的一張示意截面圖；
圖6是有頂部加熱器的濾波器的一張示意截面圖；圖7是有底部晶體半導(dǎo)體加熱器的濾波器的一張示意截面圖；圖8是在同一個濾波器結(jié)構(gòu)中，既有頂加熱器又有底加熱器的濾波器的一張示意截面圖；圖9是其中間隔層同時用作加熱器的濾波器的一張示意截面圖；圖10是一張dn/dT圖，它把具有優(yōu)越熱-光特性的SiGe合金和Si加以比較；圖11是一張dn/ndT的圖，圖中比較在圖10所示性質(zhì)的SiGe合金和Si材料；圖12是透射率和波長關(guān)系的圖，它把標(biāo)稱設(shè)計的法布里-珀羅濾波器和在層的淀積中最多有0.5％厚度誤差的濾波器加以比較；圖13是透射率和波長關(guān)系的圖，它把標(biāo)稱設(shè)計的在間隔器中沒有吸收的法布里-珀羅濾波器，和具有吸收系數(shù)，k＝0.001的濾波器加以比較；圖14是透射率和波長關(guān)系的圖，它把接收一束準(zhǔn)直光束的法布里-珀羅濾波器和接收從單膜光纖出來未經(jīng)準(zhǔn)直光線的濾波器加以比較；圖15是透射率和波長關(guān)系的圖，它把標(biāo)稱設(shè)計的法布里-珀羅濾波器和在鏡層的二個折射系數(shù)之間具有更高對比比值的濾波器加以比較；圖16是透射率和波長關(guān)系的圖，它把標(biāo)稱設(shè)計法布里-珀羅濾波器的調(diào)諧范圍與具有更厚間隔層的濾波器加以比較；圖17是透射率和波長關(guān)系的圖，它把只有間隔器具有熱-光性質(zhì)的法布里-珀羅濾波器的調(diào)諧范圍與間隔器和高折射率鏡層都有熱光性質(zhì)的濾波器，以及所有的層都有熱光性質(zhì)的濾波器加以比較；圖18是在復(fù)合TTFF和共振腔增強檢測器的截間圖上電場強度的圖；圖19是用于封裝TTFF的芯片載體的側(cè)視圖；圖20是圖19的芯片載體的頂視圖；圖21是一晶體管外形(TO)封裝的截面圖，在該封裝中，圖19和20中芯片載體已被安裝上；圖22是和圖21類似的一個TO封裝的截面圖，但在其中還已經(jīng)安裝了一個熱-電冷卻器；圖23是一個完整光學(xué)儀器封裝的截面圖；圖24是一個薄膜堆層的截面圖，其中插入一個共振增強PIN檢測器和一個TTFF；圖25是一個TO封裝的截面圖，它給出通過頂部的光纖連接；圖26是三個TO封裝的透視圖，它們在其頂部有不同的光纖連接口。
圖27是雙排直列管腳(DIP)封裝的透視圖，在封裝頂上有一個光學(xué)口；圖28是為裝配一個光學(xué)部件的掩膜對準(zhǔn)系統(tǒng)的透視部份分解圖；圖29是為裝配一個光學(xué)部件的表面安裝技術(shù)(SMT)對準(zhǔn)系統(tǒng)的透視部分分解圖；圖30是為裝配一個光學(xué)部件的中間掩膜對準(zhǔn)系統(tǒng)的透視部分分解圖；圖31是一張透視圖，給出在一個大片上多個模塊裝置；圖32是一張透視圖，給出在圖31所示的片上一個單獨的模塊；圖33是一個光學(xué)裝置的一張截面圖，該裝置包括一個外部雙光纖準(zhǔn)直器，用以把光導(dǎo)入封裝，并接收從裝置中為濾波器反射出的光線；圖34是一個光學(xué)裝置的一張截面圖，該裝置包括一根裸光纖，它通過一個準(zhǔn)直透鏡把光線引入，以及衍射光柵，它把光引到濾波器和檢測的陣列上；圖35是一個TO封裝的截面圖，該封裝有一個套圈以接受光纖；圖36是一個TO封裝的截面圖，該封裝在帽中有接受光纖的直接固定裝置；圖37是一個TO封裝管座的透視圖，一個光學(xué)部件已經(jīng)被安裝并連接至該管座，以供電連接；以及圖38是一個濾波器加熱器的頂視圖，它具有四點接觸安排。
具體實施例方式
在結(jié)合著附圖閱讀本發(fā)明各個實施方案的各個方面的以下詳細(xì)描述以后，就能對本發(fā)明有更好的了解。
可調(diào)諧薄膜濾波器(TTFFs)是自由-空間濾波器，它允許光束，例如準(zhǔn)直光進入并對透射或反射濾掉某個波長或某組波長。要被濾過的光束除了對于輸入和輸出光學(xué)部件以外，沒有用波導(dǎo)來引導(dǎo)，而輸入輸出端光學(xué)部件從波導(dǎo)，如象光纖，提取光束或向它注入光束。
在圖1中所示的是包括一個TTFF101，如象一個OSA或OCM的光學(xué)儀器100的框圖。該TTFF101包含具有大熱-光系數(shù)的半導(dǎo)體薄膜，從而導(dǎo)致寬的可調(diào)諧性而不需要運動部件。與該TTFF101集成在一起或緊密連系的是在寬的溫度范圍內(nèi)加熱和/或冷卻濾波器的器件。一根帶信號的光纖110通過一個頂耦合器111。在光纖112中信號的一部分被傳送到該儀器100。信號在113處從光纖輸出，并通過一準(zhǔn)直透鏡114傳送到TTFF101?？刂齐娮訉W(xué)裝置102通過控制到達(dá)電阻性加熱器的電流驅(qū)動103來使TTFF101通過一個波長范圍來掃描。該TTFF101也能夠調(diào)諧到一個確定的波長。無論在波長掃描時，還是TTFF波長已經(jīng)穩(wěn)定時，而這依賴于測量的類型，都要讀從PIN檢測器105輸出的光電流104。所得的結(jié)果被適當(dāng)?shù)靥幚恚又到y(tǒng)把所得到的譜或測量傳送到外部接口106。在OSA應(yīng)用中，其結(jié)果是一張功率測量對于TTFF已經(jīng)掃描的連續(xù)波長范圍的表。而在簡單的OCM應(yīng)用中，所得的結(jié)果是一張“通道功率表”，它只是一張在光通信系統(tǒng)中用的或可以用的每一個分立載波波長或通道上功率測量的清單。
OSA和OCM的內(nèi)部功能已經(jīng)在多個以前的?？虺霭嫖镏屑右詳⑹?，我們將集中在這類儀器中使用TTFF所特有的那些方面。
作為一個例子，圖2給出用TTFF來構(gòu)造的OSA或OCM的一個實施方案。一個模擬電路201周期性地用一個迅速加熱濾波器101的電流脈沖202驅(qū)動可調(diào)諧薄膜濾波器，從而把它的透射移動到要掃描范圍以外的一個波長。無論在加熱脈沖時或TTFF冷卻時，一個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器203交替地取樣PIN光電二極管204輸出和一個從薄膜溫度測量電路205輸出的，表示活性薄膜溫度的信號。PIN光電二極管204輸出可以用，例如，對數(shù)放大器206加以放大。一個多路復(fù)用器207在PIN光電二極管輸出和溫度測量輸出之間進行選擇。一旦轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其結(jié)果就輸?shù)揭粋€微處理器或數(shù)字信號處理器208?？梢杂脦в袃?nèi)建A/D轉(zhuǎn)換器和全功能接口的DSP，從而把剛剛敘述的幾個功能集成到一個部件中去。接著對信號加以處理以產(chǎn)生如上述的輸出譜或載波表。最后，該結(jié)果通過一個標(biāo)準(zhǔn)的串行接口209傳送到主系統(tǒng)。
下面，我們討論產(chǎn)生和測量上述溫度擺動以及控制熱可調(diào)諧濾波器的溫度。溫度控制方案的質(zhì)量將最終決定濾波器的許多性能參數(shù)，包括調(diào)諧速率，調(diào)諧范圍，峰寬，以及功率消耗。當(dāng)選擇一種溫度控制方法時，加熱和冷卻速率和效率，溫度均勻性，以及材料性質(zhì)等都要被考慮到。
薄膜濾波器的加熱和冷卻元件能夠按其和活性層接近的程度分成三類。第一類包括器件以外的加熱/冷卻元件，它和其基底或封裝熱耦合。第二類包括集成在器件中的加熱或冷卻元件，由于它和活性層更加接近，因而提供更有效的熱控制。第三類，高度有效的熱設(shè)計用活性層本身作為加熱或冷卻元件。
外部溫度控制器是一種簡單的方法來控制熱可調(diào)諧裝置的溫度。例如，該濾波器可以安裝在反饋控制熱-電(T/E)加熱器/冷卻器上。這個方法是簡單的，但有許多缺點。首先，T/E加熱器/冷卻器有一個有限的溫度范圍，從而導(dǎo)致有限的調(diào)諧范圍，另外，為了實現(xiàn)大的溫度擺動，它是太慢了，為了調(diào)諧整個范圍，需要秒的量級，這樣就抵消了TTFF的一個優(yōu)點，即它的小的熱質(zhì)量的優(yōu)點。另外，因為T/E元件是在器件本身之外，基底和封裝將隨著器件一起加熱或冷卻，這就導(dǎo)致由于增加系統(tǒng)熱質(zhì)量而引起的比較大的功率消耗和比較慢的溫度控制和調(diào)諧速率。
為了解決這些問題，可以把一個電阻性的加熱元件直接和濾波器集成在一起。圖3中所示的是可調(diào)薄膜法布里-珀羅濾波器的一個實施方案。金屬板301，對一個加熱濾波器300的薄膜金屬環(huán)狀電阻器302形成電接觸。在圖4的截面圖中，401表示法布里-珀羅濾波器中的電介質(zhì)薄膜鏡面堆層。而法布里-珀羅腔體層402是一種熱可調(diào)諧材料。
用接觸板301使電流通過電阻加熱器302，從而產(chǎn)生出電阻性的熱量，它將改變腔體層402以及其他層的光學(xué)性質(zhì)，從而調(diào)諧濾波器300。在圖3中光垂直于低面?zhèn)鞑?，通過在電阻加熱器中心的孔303，即活性濾波器區(qū)域。這種類型的加熱器可以用能夠傳送足夠電流以產(chǎn)生所需電阻性熱量的任意一種合適的材料來制成。例如一個具有300微米直徑，50微米寬，有200微米孔徑303，由100納米厚的鉻做成的環(huán)狀加熱器302有約10歐姆的電阻。在這樣一個電阻性加熱器上消耗的功率由P＝I2R給出。假定加熱濾波器使之足以有所需調(diào)諧范圍需要1mW的功率，那么在加熱元件兩3.2V的電壓將產(chǎn)生0.32mA的電流以及1mW的功率。該器件可以安裝在一個熱壑(heat sink)上，而該熱壑與保持在一個恒定低溫上提供冷卻的T/E冷卻器相連接。這樣，用如上所述的脈沖驅(qū)動，就得到一個溫度鋸齒波，從而一個波長的鋸齒波。
該加熱方法比起上述外部加熱器是更為有效的，因為加熱元件更接近于活性層。這將導(dǎo)致更快的加熱和調(diào)諧，以及更低的功率消耗。另外，這種類型的加熱元件除了TTFF和導(dǎo)電環(huán)自身材料的使用溫度限制以外，沒有別的溫度限制。然而，這種結(jié)構(gòu)的缺點是在活性濾波器區(qū)域上差的溫度均勻性，因為熱必須從加熱器的內(nèi)邊緣轉(zhuǎn)移到活性濾波器區(qū)域的中心。這種非均勻的溫度分布將導(dǎo)致透射峰的變寬或畸變，因為光束占據(jù)了活性濾波器區(qū)的一個有限的、非零區(qū)，以及因而，對應(yīng)于不同的局部溫度，將在不同濾波器性質(zhì)的一定范圍上分布。
按照另一種安排，薄膜電阻性加熱器可以做成對所用波長范圍是透明的。在這種情況下，它能放在光路中，提供更均勻的加熱。圖5給出一個可調(diào)諧薄膜法布里-珀羅濾波器501，它用了集成在基底503和濾波器堆層504之間的這種類型的加熱元件502。這樣一個加熱元件502也能夠是鏡面堆層505中的一個，甚至是法布里-珀羅腔體層506，如果所述層被安置為既對所用波長透明又充份地導(dǎo)電。雖然在波分多路(WDM)工業(yè)中的濾波器當(dāng)前所用的薄膜主要是電介質(zhì)，我們的半導(dǎo)體薄膜的一個優(yōu)點是它把好的光學(xué)性質(zhì)和低損耗和所要求的熱-光性質(zhì)以及適當(dāng)摻雜后的好的電導(dǎo)率結(jié)合在一起。用于無線電通信工業(yè)中的這種類型的加熱元件502能夠用下面幾個透明導(dǎo)體中的一個做成，如象氧化鋅，氧化銦錫，非晶態(tài)，微晶或多晶半導(dǎo)體摻雜薄膜等。用在爐中再結(jié)晶形成的多晶硅薄膜，作為非晶硅淀積的薄膜是特別適用于本目的。因為這些透明的導(dǎo)體比起多數(shù)純金屬有更高的電阻率，加熱元件應(yīng)當(dāng)做到盡可能地小，以把電阻性功率密度增至最大。
對于半透明電阻性加熱器的另外一個可能的材料是摻雜單晶硅或某些其他半導(dǎo)體晶體。在這種情況下，濾波器基底將是晶體半導(dǎo)體的晶片，而濾波器將在一個摻雜區(qū)域的頂上制造。當(dāng)然，無論是本片的或摻雜的半導(dǎo)體，都必須對所用波長是透明的。
摻雜半導(dǎo)體，和薄膜透明電阻性加熱器，二者相對于上述環(huán)狀電阻性加熱器都大大改進了在濾波器上溫度的均勻性。同樣，該濾波器和加熱器的結(jié)合體能夠做得更小，從而導(dǎo)致更小的功率消耗和小的器件尺寸。
圖6給出集成在濾波器堆層602頂部的加熱元件601。圖7給出了在結(jié)晶半導(dǎo)體的一個摻雜區(qū)701的頂部上制造的一個濾波器700。該摻雜區(qū)701形成一個加熱元件。圖8給出了一個濾波器801，它在濾波器堆層804的頂部802和底部803分別有一個透明薄膜電阻性加熱元件。
有兩個加熱元件的優(yōu)點是使加熱能力增加一倍，另外，其中一個元件能夠用作一個溫度計，如果它是由這樣一種材料做成，即其電阻是溫度的一個函數(shù)。結(jié)構(gòu)的選擇依賴于具體的應(yīng)用需求。
上面所考慮的所有集成電阻性加熱元件設(shè)計具有在濾波器整個面積上均勻溫度分布，很靠近可調(diào)諧層，以及沒有固有溫度限制的優(yōu)點。然而，因為加熱元件是在光路中，它可能吸收或散射光線，從而導(dǎo)致小的透射峰和較高的濾波器插入損失。另外，許多有可能用于此目的的透明導(dǎo)電氧化物是對于溫度不穩(wěn)定的。最后，這些結(jié)構(gòu)并不是加熱可調(diào)諧層最有效的方法。例如，對于如圖5所示的結(jié)構(gòu)，加熱元件502所產(chǎn)生的許多熱量沒有直接到達(dá)可調(diào)諧層506，而是到達(dá)基底503白白損失掉。
加熱可調(diào)諧層最有效的方法是用該層自身作為加熱元件，如上面提到的，如果它是導(dǎo)電的，例如一摻雜半導(dǎo)體薄層。圖9給出一個可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器900，它用電接觸層301直接連向可調(diào)諧層901，該層又以與以前對集成加熱器所述的同樣方式，用作一個電阻性加熱器。當(dāng)然在這個情況下，可調(diào)諧層901除了要滿足法布里-珀羅腔體層的全部光學(xué)要求以外，還須有一個足夠低的電阻率，以能夠載足夠的電流來產(chǎn)生必要的電阻性熱量。
這種結(jié)構(gòu)包含加熱器和調(diào)諧性能間最少的妥協(xié)因為該調(diào)諧層本身是加熱元件，因而沒有對這層更加有效的加熱方法了，也即，它具有最快的調(diào)諧時間和最低的功率消耗。另外，就如同前面所述的透明集成加熱元件那樣，可以獲得比較均勻的加熱。最后，對于該結(jié)構(gòu)，在通過法布里-珀羅濾波器的光路中沒有附加層，因而對于光信號沒有不必要的損失或修改。對于具有折射率為3.5，在1500nm的通道上調(diào)諧30nm的間隔器而言，需要大于350℃的溫度變化。在我們的實施方案中，獲得了這么大的局部加熱，而這是通過把在一個微觀體積內(nèi)集中的電功率消耗，非常強的薄膜粘結(jié)，以及在重復(fù)使用下性質(zhì)穩(wěn)定的材料相結(jié)合起來以得到的。
現(xiàn)在來考慮在上述結(jié)構(gòu)中用熱光系數(shù)為dn/dT＝2×10-4/℃的間隔器材料。
為了對材料性質(zhì)的要求獲得一個印象，我們讓加熱元件的長度L和寬度W是L＝W＝1mm，并把操作電壓設(shè)成10V。功率密度是P/WL＝I2R/WL＝V2/RWL，這個值應(yīng)當(dāng)約1W/cm2。因而目標(biāo)加熱器薄膜電阻R應(yīng)當(dāng)約10K歐姆。對于一個薄膜加熱器層厚度d＝100nm以及W/L＝1，加熱器材料的目標(biāo)電阻率應(yīng)當(dāng)是RdW/L＝0.1ohm-cm。
能用于加熱器的材料不僅必須有在所用波長(≈1550nm)上小的光吸收，而且必須有低的電阻率以提供在操作電壓下足夠大的電流來對于濾波器(間隔器層)產(chǎn)生足夠的熱量，能夠滿足這些要求的材料包括，但不限于，多晶，微晶，或納米晶硅，氧化銦錫和氧化鋅。為了優(yōu)化加熱器操作，請注意功率密度＝V2d/rhoL2。也即功率密度隨(V/L)的平方變化，而隨厚度d線性變化。
如上所述，基于TTFFs熱結(jié)構(gòu)驅(qū)動加熱器的一種方法包括向濾波器加熱層提供一個電流尖峰(它非常迅速地加熱濾波器)并在冷卻過程中進行測量。在一個模擬電路中，該電流尖峰能夠只是電容器放電的結(jié)果。藉助適當(dāng)?shù)臒釋W(xué)的和電學(xué)的設(shè)計，能夠得到一相對線性的曲線。
按照第二種方法，濾波器被設(shè)置到一個確定的波長，穩(wěn)定在這個波長上，接著進行一次測量。如果波長能夠很好地鎖住，在一確定的波長上的測量可以有很高的準(zhǔn)確性。
無論用什么方法來實現(xiàn)掃描或?qū)崿F(xiàn)波長設(shè)置，當(dāng)發(fā)生掃描或波長設(shè)置時，可以用幾種方法來測量波長?，F(xiàn)在將敘述數(shù)種。
在一種方法中，用事先校準(zhǔn)的，確定穩(wěn)定溫度和時間關(guān)系的曲線來估算被濾波器透過的波長。如果TTFF是在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，不需要附加的測量和計算，因為可以假定在OCM的使用壽命內(nèi)，溫度和時間的關(guān)系保持不變。然而，如果TTFF不是溫度穩(wěn)定的，則溫度隨時間變化的關(guān)系很可能變化。加上一個熱敏電阻計來測量TTFF裝置的溫度，并在不同的環(huán)境溫度下進行一系列校準(zhǔn)使能得到對波長和時間關(guān)系的合理的估計。
按照另一個方法，TTFF溫度能夠用的該器件集成在一起的電阻隨溫度變化的薄膜電阻器(熱敏電阻計)來直接測量，因為波長直接與TTFF的溫度相關(guān)該測量給出透射波長的一個非常好的瞬時估計值。為了得到的結(jié)果和濾波器的波長關(guān)連得很好，器件溫度的測量應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地進行，并且應(yīng)當(dāng)被局域在光線通過器件的位置，而該位置只是器件面積的一小部分?，F(xiàn)在將敘述三種可能的結(jié)構(gòu)。
在TTFF中的薄膜加熱元件能夠既用作加熱器，又用作溫度監(jiān)視器。為了實現(xiàn)這一點，必須有小量的電流連續(xù)地流進薄膜并測量薄膜上的電壓?？梢员O(jiān)視在電流和電壓之間的關(guān)系以確定薄膜電阻，以及因而，溫度。提供這些測量的一個具有潛在優(yōu)勢的方法是在加熱電流上迭加一個小的AC信號，其頻率相對于TTFF的熱時間長數(shù)要足夠高，以使得它事實上只引起非常小的DC加熱，并且以這樣的方式直接測量電阻，能夠構(gòu)造一個簡單的模擬電路以提供這種功能而又不干擾TTFF操作。該電路將提供一單個的模擬輸出，該輸出是代表溫度的加熱器電阻。的一個函數(shù)，而該溫度又用來確定濾波器的波長。
在某些結(jié)構(gòu)中，因為加熱器薄膜的溫度可能不能準(zhǔn)確地代表濾波器整體的溫度，特別如果它在TTFF的一側(cè)時，因而在結(jié)構(gòu)中插入另一層能更好反映活性層溫度的熱敏電阻層可能是更可取的。這一層可以用與加熱的非常相似的材料組成，例如ZnO，多晶硅，單晶硅，銦金屬線，以及其他等等，可以用和以上所述非常相似的方式，包括AC信號，來測量。應(yīng)當(dāng)注意到，既用于溫度測量，又用于加熱的理想層是在TTFF中的腔體層。即使其間的材料不允許間隔層的直接加熱，把這一層用作熱敏電阻溫度計也電非常有利的。即使用高阻材料也能夠做到這一點，給以正確的電路，以得到非常準(zhǔn)確的波長確定。
為了更加準(zhǔn)確的溫度測量，應(yīng)當(dāng)用加熱器層和膜中另外一層，而這一層最好位于從加熱層算起，間隔器的另一側(cè)。這些膜的復(fù)合測量和熱通量的簡單模型一起將給出間隔器薄膜溫度，以及因而，透過濾長的非數(shù)準(zhǔn)確的數(shù)值。
確定波長最準(zhǔn)確的方法是用校準(zhǔn)的方法對它進行光學(xué)測量?，F(xiàn)在要敘述至少三種可能的方法。
作為OCM目標(biāo)的光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠構(gòu)造成包括在多個參照波長上的多個校準(zhǔn)光學(xué)信號，這些波長可以為OCM所監(jiān)視。最好有至少兩個這樣的參照波長以提供在頻帶的每一個界限制的“終端標(biāo)志”。然而這種方法現(xiàn)在還沒有在商業(yè)通信設(shè)備中被采用，因而不能依靠這種方法。
能夠在OSA或OCM內(nèi)建立一個穩(wěn)定波長參照源。許多OCM和光譜分析器事實上采用這種方法。用一個有相對寬帶發(fā)射的LED，和一個濾波器，例如一個穩(wěn)定的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，來建造一個波長參照。其優(yōu)點是，這是一個穩(wěn)定的，絕對的參照。其缺點包括更加昂貴的部件和封裝，附加的可靠性的考慮，以及增大的封裝尺寸。
因為熱的耗散是通過熱導(dǎo)接觸板和基底的，用前面兩種方法中的任意一種，在整個加熱器上的溫度都不是均勻的。因而，用這些兩點方法中的任一個所測量的溫度并不準(zhǔn)確地對應(yīng)于在光線透過所在空間位置上的溫度。一個解決辦法，如圖38中所示，是用四個電接觸，而不是用兩個電接觸，也即，一個四點探針以在加熱時只測量中心電阻。對加熱器3801通過接觸3802供以電流。兩個細(xì)的探針3803延伸到加熱器膜3801相對邊緣上接近中心的兩點3804、3805，以在操作時只測量中心電阻。形成這些探針3803的導(dǎo)體必須很細(xì)，以使它本身不會影響溫度的均勻性。
按照第三種方法，能夠用光路中一個附加的光學(xué)元件來建立在透射譜中規(guī)則和固定的擾動。例如，一個具有較弱的鏡面和相對于波長較大的腔體的法布里-珀羅腔體將具有在進入的透射光線的頂部建立一種“起伏”這樣的效應(yīng)。因為這是一種具有已知效應(yīng)的固定圖樣，這種起伏在波長掃描時可以容易地從接收到的整個信號中分離出來。于是該信號可以用作對于在掃描時收集到的真實信號數(shù)據(jù)的一種“尺度”，它又是一種相對尺度，又是一種絕對尺度，這樣一種腔體和功能可以容易地集成進TTFF。在其上構(gòu)造濾波器的基底事實上能作為用于這個目的的法布里-珀羅腔體。它將是溫度穩(wěn)定的，至少對于高分辨率應(yīng)用是如此，其中這樣一種尺度確實是必須的。從電子學(xué)方面來講，這種“導(dǎo)頻音”可以用一種模擬電路檢出以測量在掃描時在波長中的“上升/下降的速率”。注意，這種波長參照的方法可以不僅應(yīng)用到TTFF，也能用于其他類型的可調(diào)諧濾波器。
總之，對收集到的每個檢測器數(shù)據(jù)點，有許多方法來估計波長，從在工廠中只作一次的校準(zhǔn)到連續(xù)的光學(xué)信號監(jiān)視。其中有些方法有助于在基于TTFF的OCM封裝中實現(xiàn)低成本。
我們現(xiàn)在把我們的注意力轉(zhuǎn)向?qū)Σ牧细敱M的討論。如前所述，適合于此處所述實施方案的材料應(yīng)綜合地具有在所用波長上極好的透明度，大的熱-光系數(shù)，低的散射，在層間以及堆層和基底之間高的附著力，兼容的熱膨脹系數(shù)以及在一個長的使用壽命中幾百度攝氏度的重復(fù)溫度循環(huán)中的穩(wěn)定的性能。另外，該材料應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地，具有均勻厚度和均勻性質(zhì)地形成和淀積。等離子體增強化學(xué)蒸汽淀積(PECVD)對于淀積含氫非晶硅(a-Si:H)和有關(guān)材料的層以作為薄膜濾波器是有用的。雖然可以用任何一種適應(yīng)做法布里-珀羅濾波器或其他結(jié)構(gòu)并有一有用的熱-光系數(shù)的材料，我們現(xiàn)在來敘述a-SiH和相關(guān)材料作為適當(dāng)?shù)睦印?br> 除了要控制各種薄膜的物理厚度，因而光學(xué)厚度以外，還要控制它們的折射率。PECVD是一個淀積如象SiO2，a-Si:H、和a-SiNx這樣的半導(dǎo)體和電介質(zhì)薄膜的一種成熟的技術(shù)。許多濾波器，包括上述法布里-珀羅薄膜濾波器，包含交替的高和低折射率材料層。而其他濾波器則用一種連續(xù)變化的折射率以構(gòu)成一個折痕濾波器(rugate filter)(參閱Applied Optics 25(16)，P.2644(1986)hy P.Baumeister)制造任何一種這些結(jié)構(gòu)需要控制所用各種材料的折射率和厚度。
a-SiNx的低折射率和a-Si:H的相對高的折射率，在1.55μm上它們分別是1.77-2.05，具體數(shù)值依賴于氣體成份，和3.62，在我們的方法中，這兩種折射率能夠用來制造反射帶中心在1550mm的鏡。薄膜堆層鏡部份的所有的層是具有四分之一波長光程，即nd＝λ/4。在間隔層，我們用a-Si:H，它具有高的熱-光系數(shù)，其光學(xué)厚度為半波長或半波長的整倍數(shù)，從而形成一熱可調(diào)諧濾波器。因而，只用了兩種兼容的材料。通過改變這些材料的折射率，例如緩慢地改變組成，使從a-SiNx變到a-Si:H(在PECVD過程中，減小NH3的流量對于SiH4流量的比值)，我們能以一種準(zhǔn)連續(xù)的方式，把折射率從1.77改變到3.62。另外，通過在等離子體中把GeH4加入到氣體混合物中去，我們可以把間隔層和鏡堆層的高折射率層的折射率增加到4.2。把折射率增加到這個限度以外并不能進一步改善濾波器的性能，因為a-SiGe:H在Ge超過某個比例以后，開始更強烈地吸收。因而通過改變等離子體化學(xué)組成和淀積參數(shù)，我們能夠非常好地控制這些薄膜的折射率和厚度。
現(xiàn)在討論加熱層的材料。加熱器材料應(yīng)當(dāng)是與其他提到的材料兼容的一種材料，這種兼容包括與其制作相關(guān)的熱過程和化學(xué)處理，另外這種材料是能用作加熱器的一種材料。當(dāng)前優(yōu)選的是用具有合適折射率的導(dǎo)電薄膜，它同時用作濾波器的光學(xué)層和電阻性的加熱器。因而該材料不應(yīng)當(dāng)散射或吸收光，應(yīng)當(dāng)有一個合適的折射率，并且有一個足夠大的電導(dǎo)率，以使通過它的電流并不需要非常大的電壓。有幾個有潛力的候選者，為首的是多晶硅。其他包括透明導(dǎo)電氧化物，簡化摻雜寬禁帶半導(dǎo)體和摻雜微晶硅或納米晶硅。
透明導(dǎo)電氧化物(TCOs)包括象氧化銦錫(ITO)，SnO2，和ZnO這樣的化合物。后面兩種化合物被摻以鋁或者氟以獲得有用的導(dǎo)電性。然而這種摻雜也增加其自由載流子吸收，這可以使得這些材料在某些應(yīng)用中吸收太多。這些薄膜是在一個隋性(例如Ar)氣氛中或在一個反應(yīng)氣氛(例如O2)中通過濺射一個靶淀積而成的。TCOs有一個有用的電導(dǎo)率(已得到200S/cm-1000S/cm)。通過淀積薄的膜(～100-200nm)潛在的吸收問題被減至最小。另外，這些膜通常能夠抵抗由于溫度以及用來淀積基于a-Si:H的薄膜的等離子體過程可能造成的損傷。
半導(dǎo)體工業(yè)中，多晶，微晶，和納米晶體硅這幾個術(shù)語在一定程度上被交換地使用，以描述具有各種結(jié)構(gòu)尺度的薄膜。在任何一種情況下，它們或者能摻以磷，或者摻以硼，也可以用作電阻性元件。能夠生產(chǎn)出電導(dǎo)率為10-20S/cm的N型μc-Si。另外，能夠得到高達(dá)39S/cm的硼摻雜，P-型，μc-Si薄膜。微晶Si也是和a-Si:H淀積兼容，它們用相同的關(guān)鍵設(shè)備，只是稍稍變動淀積的處方。另外，它在1550nm處的吸收是極小的，這類似于單晶或非晶硅。在μc-Si生長時，它的表面能變得比較粗。它可以有一個～33的AFM平均表面粗糙度，而a-Si:H只有～3，這樣就引起光的散射。然而，在μc-Si的淀積后用化學(xué)和機械拋光該表面，這個表面粗糙性就能變得光滑，從而使可能把μc-si作為加熱元件直接插入濾波器。再結(jié)晶的摻雜多晶硅有一個光滑的表面和適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電和光學(xué)性質(zhì)以形成該加熱層。
薄膜直接淀積半導(dǎo)體的熱-光系數(shù)，也即折射率隨溫度的變化，dn/dT的物理機理只是部份地被了解。然而，考慮到這里給出的其他理由，應(yīng)當(dāng)用盡可能最高系數(shù)的薄膜。發(fā)表的最好的值表明，對于c-Ge在1.9μm上dn/dT＝5×10-4/k(J.phys.and Chem.Ref.Date vol.9，P.561(1980)byH.H.Li)，而對晶體或非晶硅為1.9×10-4/k。圖10給出在25-200℃溫度范圍內(nèi)測量到的dn/dT。我們已經(jīng)準(zhǔn)備了一個a-si:H樣品，其dn/dT＝3.6×10-4k，如曲線1001所示，想來該值大于任何一個已發(fā)表的值。另外，我們已經(jīng)表明，如曲線1002所示，對于氣相中以22％Ge和78％Si由我們制備的合金樣品，dn/dT＝11×10-4/k。該數(shù)值超過我們所知的，在熱-光半導(dǎo)體科學(xué)文獻(xiàn)中報導(dǎo)過的任何一個值。
圖11給出根據(jù)圖10的測量結(jié)果畫出的1/n dn/dT圖，該數(shù)值與在TTFF間隔層中光程長度的分?jǐn)?shù)變化相關(guān)。
對于Si，dn/ndT＝1×10-4k，如曲線1101所示。
對于SiGe樣品#2231，dn/ndT＝3×10-4/k，如曲線1102所示。
采用計算濾波器結(jié)構(gòu)中心波長的任何一種方法，我們預(yù)言用a-Si材料，在如上描述的薄膜堆層中，調(diào)諧范圍超過40nm?？傊?，用a-Si:H我們已經(jīng)構(gòu)造了自由空間濾波器，它沒有運動部件，其調(diào)諧范圍超過40nm。
在已經(jīng)建立了基本設(shè)計原理和材料以后，現(xiàn)在將敘述一個具體的實施方案。在這個實施方案中，加熱發(fā)生在淀積在基底上并在濾波器膜堆層以下的一層多晶硅層中。然而對某些應(yīng)用，最好把它放置在堆層內(nèi)部的分隔器的鄰近，因為用于這個例子中的材料在近紅外多少有些吸收，因而如果用在光線要作多次內(nèi)反射的區(qū)域，將使濾波器的透射率下降。然而，在基底附近只有一次通過。
本實施方案是用如上所述的PECVD方法來淀積光學(xué)薄膜制得的。其他方法，如象電子束蒸發(fā)或離子-肋濺射也能被使用。然而，給予淀積原子更高能量的方法導(dǎo)致更致密更穩(wěn)定的涂層；在PECVD中，這意味著用更高的頻率，更高功率的放電。PECVD能夠甚至在非平面表面上產(chǎn)生涂層，而PECVD的厚度控制通常用氣體閥門來實現(xiàn)，而在某些情況下，用脈沖閥門以作“數(shù)字化”淀積。這方法是充份地可重復(fù)的，以致原來的光學(xué)監(jiān)視可能不需要了，這是比起PVD方法的一個優(yōu)點。
作為一個解釋性的例子，考慮在象玻璃，熔凝硅，紅寶石或硅片的基底上，對于一個法布里-泊羅諧振器，淀積的薄膜序列如下基底|Z(HL)4S(LH)4Z|空氣Z＝四分之一波長的n-摻雜多晶硅；L＝四分之一波長的低折射率材料，如象SiN，n＝1.77，或者，SiO2，n＝1.44；H＝四分之一波長的高折射率材料，如象a-Si:H，n＝3.4；以及S＝半波長整數(shù)倍的高折射率材料。
在這個示例性的實施方案中，S能夠是兩個半波長的純a-Si:H或者，為了增強熱調(diào)諧能力，兩個半波長的a-SiGe:H(氣相中有21.66％的Ge)，在1.5μm上，n＝4.2。
所有光程長度都是對于1550nm來計算的。因而半波長層的物理厚度由下式確定n×d＝l＝1/4 1550nm；其中n＝折射率d＝物理厚度；以及l(fā)＝光程長因為SiO2的低折射率(在1500nm上是1.44)，該結(jié)構(gòu)以相同的HL循環(huán)數(shù)目將改善鏡反射率，從而導(dǎo)致窄的通帶。每一種材料的四分之一波長光物理厚度如下260nm SiO2114nm a-Si:H219nm SiN92nm a-SiGe:H這些厚度能夠用在玻璃基底上淀積測試薄膜并觀察其反射譜來確定；四分之一波長的薄膜將在1500nm上有最大的反射率，而在775nm上有零反射率。在低-高堆層中用相同的閥門-控制淀積時間將導(dǎo)致準(zhǔn)確的四分之一波長堆層；一種更準(zhǔn)確的方法是用脈沖氣體閥門，它把淀積“數(shù)字化了”。在“數(shù)字化”淀積中，已知數(shù)目的非常短的氣體脈件產(chǎn)生已知的厚度。原來的光學(xué)監(jiān)視器也能夠被用于得到更加準(zhǔn)確的層厚度，這是通過觀察透射或反射的“轉(zhuǎn)折點”，從而表明每一層恰當(dāng)結(jié)束來實現(xiàn)的。
淀積厚度和其他物理參數(shù)的不準(zhǔn)確性影響最后的性能。某些簡單的計算將有助于說明在熱-光濾波器制作中各種干擾的影響。
所有上述的薄膜在以前都敘述過。圖12-17給出各種改變的影響。
圖12給出以0.5％的小的誤差，這對于薄膜淀積是一個非常接近的容差，隨機變化薄膜厚度的影響。請注意，其效果是在包絡(luò)線1202內(nèi)，標(biāo)稱濾波器特性1201的平行移動，但沒有使濾波器曲線形狀畸變或顯著影響插入損失。
圖13給出只在間隔器內(nèi)引入少量吸收(或與之等效的，散射)的影響。當(dāng)K＝0時間隔器有80％的透射率，如曲線1301所示；而如果在1550上K＝0.001，則透射率降到28％，如曲線1302所示。這說明低吸收，低散射，高光學(xué)質(zhì)量透明材料的重要性。最好，K＜1×10-5。
圖14給出非性直光輸入的影響。圖中把用準(zhǔn)直光的濾波器特性1401，和用從單模光纖中出來的光(沒有透鏡)的濾波器特性1402加以比較，而該光纖具有數(shù)值孔徑0.12，對應(yīng)于7°的半光錐角。當(dāng)后面討論封裝時，應(yīng)當(dāng)注意到可以選擇包括一個準(zhǔn)直透鏡。
圖15給出通過增加鏡堆層的H層和L層之間折射率對比而又保持HL周期的數(shù)目(4)不變所得到的好處。在該例中，把在L層中用SiN所得的曲線1501和L層用SiO2所得的曲線1502加以比較，而H層保持不變(a-Si)。其效果是使通帶大大變窄。
圖16給出較厚的間隔器對于熱-光調(diào)諧范圍所能得到的好處。曲線1601基線通帶對應(yīng)dn/n＝0，也即，沒有加以調(diào)諧。第二條曲線1602是對應(yīng)于dn/n＝0.01，而間隔器的厚度是兩倍半波長。最右邊的曲線1603也是dn/n＝0.01，但間隔器的厚度是三個半波長。該調(diào)諧范圍稍有改善，約10％。
圖17給出如果不僅間隔器，并且鏡堆層的H層和L層都同時是熱-光改變的。所產(chǎn)生的效果。在1550處的基線曲線1701對應(yīng)于沒有溫度變化。曲線1702對應(yīng)于只有間隔器有熱-光效應(yīng)。曲線1703對應(yīng)于間隔器和H層都有熱-光效應(yīng)，這與我們的情況相同。曲線1704給出所有的薄膜，包括間隔器，H，和L具有相同的熱-光系數(shù)。因而，如果幾個鏡的高折射率層也是熱-光可調(diào)諧的，而不是只有間隔器是熱-光可調(diào)諧的，那么濾波器的可調(diào)諧范圍就顯著地被改善。因而如果加熱所有的層，而不僅加熱間隔器，并用類似于間隔器的熱-光媒質(zhì)來做鏡堆層，或至少做H層，就能增強熱調(diào)諧。例如，如果只有間隔器是熱可調(diào)諧的，那么d(波長)/波長≈1/3dn/ndT，但如果所有的薄膜是相同地?zé)嵴{(diào)諧，因子1/3變得接近于1.0。
認(rèn)識到這一點是有啟發(fā)性的，即在過去，薄膜WDM濾波器工業(yè)一直避免使用具有大的熱-光系數(shù)的半導(dǎo)體和其他薄膜材料，以專門來避免溫度靈敏性。而在這里所述的技術(shù)中，我們把這點恰好反過來，而是要這種溫度靈敏性盡可能大。因而常規(guī)濾波器的濾波器中心波長的移動＜0.5微微米/度，而我們已經(jīng)得到可調(diào)諧性＞150微微米/度，因而我們發(fā)現(xiàn)原來以為對高質(zhì)量光學(xué)器件有害的一種性質(zhì)，也即半導(dǎo)體薄膜的溫度敏感性，能夠用來生產(chǎn)，據(jù)我們的了解，迄今為止所能構(gòu)造的最高度可調(diào)諧的薄膜濾波器。
在前面所述內(nèi)容中，OCM的檢測器部件曾被假定是一個常規(guī)的分立的檢測器，如象InGaAs檢測器。然而，也可能插入薄膜PIN檢測器，它用非常相同于已利用其熱光性質(zhì)的那種材料的摻雜版本制成?，F(xiàn)在我們要敘述一個進一步的觀點，在其中，濾波器內(nèi)部的某個薄膜層起著檢測器的作用。
為了形成一個完整的測量裝置，TTFF能夠和一個檢測器按如下方式組合在一起。該TTFF包括一個或幾個建立有效通道的腔體(圖18，1901)。這些諧振腔體內(nèi)有駐波場(圖18，1902)，該場比起入射幅射要強得多。其結(jié)果是，如果即使一個低靈敏度，半透明檢測器(圖18，1901)能夠改進這個腔體，它也會提供一個顯著的光響應(yīng)，特別在腔體已被調(diào)諧到的那個波長上。這就使得有一個內(nèi)建反饋和監(jiān)視機構(gòu)，例如，一個非常緊湊的光譜儀器一個可調(diào)諧濾波器裝在一單一的封裝中，在這封裝中調(diào)諧元件和件感元件被包含在同一薄膜堆層中，可能甚至在一個CMOS芯片的頂部，而CMOS芯片起著系統(tǒng)驅(qū)動器的作用。
在薄膜光學(xué)堆層中能夠包括操作在850nm，1310nm，或1550nm上的各個半透明傳感器。這些PIN檢測器在1550nm上有非常低的吸收(＜＜1％)，它們可以和可調(diào)諧薄膜濾波器所需要的各種薄膜一起淀積。另外，用作薄膜PIN檢測器的材料也可能用于在TTFF中的熱-可調(diào)諧腔體。構(gòu)造這種PIN檢測器的原理是在2001年3月20號申請的美國專利申請系列號09/813,454提出的，現(xiàn)在這里引入以供參考。用透明導(dǎo)體來完成PIN結(jié)構(gòu)。它們是由在1550nm上也沒有大的損失的導(dǎo)電材料組成。雖然在以前的傳感器結(jié)構(gòu)中，我們利用ZnO或ITO接觸，但對諧振一腔體薄膜傳感器的優(yōu)選接觸材料是摻雜微晶硅。這種材料需要在一定條件下加以處理，以保證在一個非常薄的層中有最大的電導(dǎo)率。最好用較薄的層，一則因為它們的體光學(xué)性質(zhì)，因為導(dǎo)電材料通常有一個較高的消光系數(shù)，一則是因為這些薄膜的晶狀結(jié)構(gòu)，它隨著薄膜厚度快速增加。在這些薄膜面上的大的晶狀結(jié)構(gòu)會引起散射，從而妨礙諧振腔的效應(yīng)。然而，已經(jīng)公布了使微晶薄膜具有高的電導(dǎo)率，小的厚度，以及非常小的晶狀結(jié)構(gòu)的處理方法。一個方法是“閉反應(yīng)室”PECVD，其中薄膜在一個封閉的機器中非常慢地生長，有效地同時進行淀積和優(yōu)選地腐蝕非晶材料，以及導(dǎo)致層中非?？焖俚剞D(zhuǎn)變?yōu)榫睢?br> 我們現(xiàn)在討論光學(xué)儀器，例如上述的OSA或OCM，的封裝的例子。OSA，OCM或其他的儀器并不限于任何具體的封裝方式或載體。這里討論的封裝假定有從一光纖來的一個輸入信號。
有一個檢測器和TTFF的基本的子裝置，這子裝置對于下面所述的所有封裝都是適用的。在圖19和圖20中畫出了這個子裝置的幾個結(jié)構(gòu)，包括一個陶瓷芯片載體2001，它具有一個貫穿孔2002。在載體2001的一側(cè)，安裝了檢測器2003。而在另一側(cè)，安裝了濾波器2004，對于檢測器2003和濾波器2004做了電接觸2005，并從該處連向外連接2006。
為了從操作可靠性和成本兩個方面來優(yōu)化封裝，它可以安裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的晶體管管座芯片載體中，例如一個晶體管外形(TO)盒中。TO盒能夠廣泛的用于封裝電子學(xué)和光-電子學(xué)器件。如象晶體管，光檢測器，LED，和固態(tài)激光器，有許多種類的TO盒，這使得它們能靈活地集成進各種應(yīng)用中。
一個TO封裝包括兩個主要部件管座(安裝表面)，它等有用焊接玻璃密封的集成管腳，以及管帽。對于光學(xué)部件，該管帽上有一窗，以使外部光學(xué)設(shè)備把光件播進密封的腔體中。這樣就允許構(gòu)造各種“終端”器件，如象光學(xué)通道監(jiān)視器(OCMs)和光接收器，或者，相反地，構(gòu)造各種源器件，如象垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL)和可調(diào)諧源。
這里所述的TO管座能夠以一個集成的饋通結(jié)構(gòu)加以修改，以便允許通過光線的光學(xué)器件的封裝。該饋通結(jié)構(gòu)可以用許多方法來密封，可能最有效的是用直接封進管座表面的一個窗口(或透鏡)，復(fù)蓋在饋通孔或管上。
TO管座是用沖壓操作大規(guī)模生產(chǎn)的，經(jīng)常一下就生產(chǎn)數(shù)千個。具有集成饋通管的用作電壓力傳感器的管座的制作也是眾所周知的。這種饋通管可以有任意適當(dāng)?shù)闹睆剑皇茈姽苣_圓的內(nèi)直徑的限制，以接受象小球透鏡，光纖，漸變折射率(GRIN)透鏡等光學(xué)元件。
該管座上接著安裝以要封裝的任何光學(xué)部件，用適當(dāng)?shù)姆椒右詫?zhǔn)，而這種方法依賴于所用光學(xué)元件，并按需要做上電連接。把管帽焊接到管座上的方法是眾所周知的，因而這里不復(fù)討論?？梢杂萌魏我环N適當(dāng)?shù)姆椒āＨ欢?，對于用?biāo)準(zhǔn)的帶窗口的管帽的一種取代方法是用帶有透鏡的管帽，而這是終端器件所常用的。和管座上相類似的饋通結(jié)構(gòu)也能集成進管帽，以安置光學(xué)部件，參閱，例如圖36。
有三個或更多個口的封裝，如象對光學(xué)加/減多路復(fù)用器(OpticalAdd/Drop multiplexer)所需的封裝，能夠用廣泛可采用的雙光纖準(zhǔn)直器作為一個安裝在帽上，管座上，或安裝在二者上面的光學(xué)裝置來構(gòu)造，參閱例如圖33。常規(guī)的自由空間或GRIN光學(xué)裝置，采用有限幾個饋通結(jié)構(gòu)，也能被用來建立多個口。
用薄膜可調(diào)諧濾波器的組合光學(xué)加/減多路復(fù)用器的一個普通的結(jié)構(gòu)，如象我們在2001年8月4日申請的，專利應(yīng)用序列號60/310,047中所公布并在此插入以供參考的，能夠被封裝在一個三個口的TO封裝內(nèi)，如圖33中所示。
TO型式封裝技術(shù)是在約50年以前為早期晶體管建立的。TO管座和管帽都是用被證明有效的沖壓技術(shù)以小的公差大規(guī)模生產(chǎn)，導(dǎo)致管座和帶窗口的管帽一起的成本常常不足1美元(沒有窗的管帽成本還要少得多)。
除了成本低以外，最普通的TO封裝，TO-46比起其他更昂貴的同類產(chǎn)品，如象上述的蝶形和miniDIL形式封裝要小。
為了裝配方便，管座的公差，特別是安裝表面和饋通管的內(nèi)孔之間的角關(guān)系應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格地控制。用在管座/管子生產(chǎn)和裝配級上仔細(xì)的質(zhì)量控制能夠避免較大公差。
圖21畫出了一個簡單的封裝設(shè)計，包括密封在一個TO盒2201中的濾波器和檢測器裝置2200。在這個設(shè)計中，帶有一個光學(xué)訪問口2202的三引線盒2201是足夠了。該封裝能夠連上一根光纖，口2202可以是一個抗反射涂層透鏡。以把光線聚焦在濾波器/檢測器裝置2200上，或者是一個被動(passive)的光學(xué)窗口，只是讓信號進入盒2201。用一個比較大面積的TTFF2204和檢測器2003能簡化光耦合和光對準(zhǔn)。外部溫度控制，信號加工處理電路可以被用來增強監(jiān)視器的能力而不一定要包括在所述封裝中。如果要用一個集成進TTFF的溫度傳感器，如前所述，電接觸的數(shù)目仍保持在如圖21所示。
一個單個的分立溫度傳感器，例如一個熱敏電阻計或半導(dǎo)體溫度傳感器2301，可以加到封裝中以監(jiān)視基底的溫度或者整個裝置的溫度，如圖22所示，加上一個分立的監(jiān)視器2301所必需的唯一的封裝變化是對于TO盒另外加上兩個電接觸，從而形成總數(shù)為5的電接觸。
為了主動地控制裝置的溫度，可以在封裝內(nèi)裝入一個小的TE冷卻器2302，如圖22中所示。該主動溫度控制服務(wù)于兩個目的它降低并穩(wěn)定操作溫度，從而提高了PIN二極管檢測器2303的靈敏度并改善濾波器2304和檢測器2303二者的整體運行，對測量的準(zhǔn)確性和器件的長壽命作出重要貢獻(xiàn)。該溫度控制電路也包括一個溫度傳感器，以用于反饋。
用以驅(qū)動溫度控制單元/濾波器/檢測器并加工和處理信號的電子學(xué)電路能夠位于密封體積以外，例如在一個PC板上。一個較大的TO盒能夠安置TE冷卻器，并要求安裝在一個熱壑上。對于光學(xué)連接，該盒能夠與圖20中一樣，引連上2304，還是用一個平的或一個形成透鏡的窗口2305。
像OSA或OCM這樣光學(xué)儀器的最完整的設(shè)計包括把驅(qū)動和信號處理電路集成到一個或幾個芯片上。這些芯片和溫度監(jiān)視和控制裝置都置于一個封裝2400中，該封裝可以是密封的，也可以是不密封的，如圖23中所示。雖然這個結(jié)構(gòu)，特別如果是密封的話，從可靠性和準(zhǔn)確性這一角度來看是理想的，但它大大增加了整個裝置的成本，因而只有不考慮成本，而對性能和可靠性有嚴(yán)格要求時，才是切實可行的。如圖23所示，一根光纖2401配合并通過一個套圈2402以對在一個TO盒2403中的TTFF，檢測器等等提供一個光學(xué)信號輸入，如前所述。TO盒2403的管腳2404在TO盒2403的元件和封裝2400中電路板2405上的外部控制和處理電子學(xué)電路之間傳送信號。封裝2400能包括熱壑2406和用以連接到其他電路或系統(tǒng)的管腳2407。
圖24進一步詳細(xì)地畫出了一個薄膜堆層的結(jié)構(gòu)，它包括一個腔體2411，鏡堆層2412和一個頂部加熱器2413，該薄膜堆層還裝有一個諧振增強薄膜PIN檢測器以代替一個分立檢測器。圖25給出在象OSA或OCM這樣的光學(xué)儀器結(jié)構(gòu)的另一種方案，在其中沒有用TE冷卻器。
上面簡述的和下面將更詳盡敘述的封裝是適用于很多種自由空間濾波器中的任何一種，如象TTFF，基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的法布里-珀羅濾波器，全息或光柵濾波器和基于壓電法布里-珀羅的濾波器。
由于光通信系統(tǒng)的嚴(yán)格可靠性要求，這里公布的這種類型的密封封裝，對于光學(xué)部件是合宜的?，F(xiàn)代密封多口光學(xué)裝置封裝技術(shù)包括蝶形封裝，miniDIL封裝以及各種機器鋁封裝。為了保持密封，幾乎所有用于通過光線的封裝都用激光焊接來使縫密封，在生產(chǎn)中要實現(xiàn)這一點是復(fù)雜并昂貴的。這種類型最簡單的封裝的成本常常要每個多達(dá)20美元，而更復(fù)雜的可以達(dá)到幾百美元。
其他封裝形式也是可用的，用以安置光電子學(xué)裝置的封裝可以包括，但不限于，具有用于單個檢測器的前窗類型的TO型封裝，如圖26所示；以及具有用于直線檢測器陣列前窗類型的雙列直插式封裝，如圖27所示。
優(yōu)選的實施方案包括低成本的裝置，以在封裝內(nèi)對準(zhǔn)和固定各個有源光電子學(xué)部件。這些部件在封裝窗口下面堆迭在相互的頂部，同時對低成本裝置提供適當(dāng)?shù)臒峁芾砗秃玫碾娊佑|。具體講，我們用像陶瓷，例如氧化鋁或氮化鋁，這樣的電絕緣材料做成的“支座”元件。該元件用來懸掛可調(diào)諧濾波器并使它在檢測器或發(fā)射器元件上方維持一個固定的，很好控制的距離。另外，在該支座上可以安置導(dǎo)電布線或接觸板，以供接觸和內(nèi)部連線。用被動的對準(zhǔn)引導(dǎo)或參考記號，光電子學(xué)部件可以在x-y平面內(nèi)準(zhǔn)確地對齊，并準(zhǔn)確地沿著Z軸放置。對于自由空間元件的典型要求是10微米量級。這種裝置，它可以用標(biāo)準(zhǔn)的芯片安裝設(shè)備來完成，以及可能在自動線上大量地制造，比起典型地用作多元件光通訊裝置的“硅微臺”型裝置要大大地節(jié)省成本。另外，它顯著地更具有機械彈性，因為所有部件都平躺在支座或封裝表面上。
Z-軸裝配方法是低成本的，它包括，但不限于·多級(臺階)支座，如象陶瓷，用來把部件沿著Z軸分開并把它們在x-y平面內(nèi)對齊。
·光學(xué)/光電子學(xué)和其他芯片倒裝在無源基底和/或其他光電子學(xué)元件制作于其上的基底上。
·事先把部件安裝在基底/支座上，并用這些基底的被動對準(zhǔn)把它們裝配進封裝；以及·把基底或部件直接安裝進在封裝內(nèi)部的電管腳上。
幾種形成圖形的方法可以裝配精度和所用的努力這兩個方面的要求減至最小，這包括，但不限于(a)在一個部件，如可調(diào)諧濾波器2802上安置一個掩膜2801或孔徑，并用有顯著更大活性區(qū)域2803的其他部件，該區(qū)域足以允許被動對準(zhǔn)容差2804，如圖28所示；(b)用標(biāo)準(zhǔn)化的表面安裝技術(shù)(SMT)裝配方法和機器，以得到高的對準(zhǔn)準(zhǔn)確性，可能借助于光學(xué)對準(zhǔn)導(dǎo)引2901，該導(dǎo)引由SMT機械來示出，如圖29中所示。
(c)用基底上的中間掩膜或光學(xué)方法來對準(zhǔn)各個光學(xué)/光電子學(xué)部件3002，如圖30所示。
基于常規(guī)電子學(xué)方法部件的大量裝配，例如SMT，可以用來建立光電子學(xué)裝配“薄片”3100，之后再切割并封裝它們。這種裝配過程的一個例子在圖31中給出，其中檢測器3101和熱敏電阻元件3102被安裝在可調(diào)諧薄膜濾波器基底的相反側(cè)面。幾百個或幾千個這種子裝置可以被自動地裝配，然后再焊料回流或引線鍵合過程，之后再對薄膜濾波器薄片切割，并把得到的子裝置封裝起來。圖32給出建立這種裝置的一種方法。一個單一的基底上被形成圖形以能接受檢測器，濾波器和或許其他部件，接著被切割；基底的某些部件被疊裝上以與有圖形的金屬布線組成支座元件。
以這樣一個封裝的光學(xué)配置可以用于，包括，但不限于·只有輸入，只有輸出，或又有輸入又有輸出的光信號；·準(zhǔn)直的或聚焦的光束；·只有外部光學(xué)系統(tǒng)，外部和內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的組合，或只有內(nèi)部/封裝集成光學(xué)系統(tǒng)；·用在外部光學(xué)系統(tǒng)上用在封裝透明窗口上，或象基底這樣內(nèi)部元件上的被動光學(xué)涂層，以作為抗反射涂層，高反射涂層，或選擇性波長濾波；·這種光學(xué)系統(tǒng)可以包括如象在封裝以外用的單纖或雙纖準(zhǔn)直器，集成進封裝自身內(nèi)透鏡，或在封裝內(nèi)部用于部件堆層中的微光學(xué)元件等元件。
圖33和34給出兩個這種光學(xué)裝置的例子。圖33給出一個用在封裝以外的雙光纖準(zhǔn)直器，以通過光學(xué)訪問口把光線引入封裝，而在該訪問口處光線被自由空間可調(diào)諧濾波器濾波。而反射，也即被拒絕通過的光被準(zhǔn)直進一個輸出光纖。而剩余的處在濾波器通道中的光線通過安裝在一個支座上的濾波器基底，射到安裝在濾波器直接下方的檢測器上。該設(shè)計把在光電子學(xué)封裝內(nèi)所要求的光學(xué)系統(tǒng)減至最小，并顯著減小了在安裝時對準(zhǔn)確性的要求。圖34給出了一個在套圈中的裸光纖，它被用來通過與封裝集成在一起并起著準(zhǔn)直器作用的透鏡，把光線引入封裝。這里，該光線被一個衍射光學(xué)元件偏轉(zhuǎn)一個角度，并導(dǎo)入一個光學(xué)芯片，在芯片上形成多重光學(xué)涂層的圖形，包括在輸入的“拒絕”口處的抗反射涂層，高反射涂層，它可以是電介質(zhì)的或是金屬的，以在芯片內(nèi)保持光線，以及一系列可調(diào)諧薄膜濾波器，這些濾波器可以獨立地調(diào)諧。最后，在可調(diào)諧濾波器下方，用一檢測器陣列來把光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電子學(xué)信號。
圖35給出和一個InGaAs檢測器集成在一起的可調(diào)諧薄膜濾波器的一個例子。該設(shè)計用了一個金屬化的陶瓷支座元件，它起著(1)把可調(diào)諧薄膜濾波器置于檢測器的上方(2)使得可以同時電接觸到倒裝可調(diào)諧薄膜濾波器和檢測器。請注意該倒裝芯片并不是一個必需的要求，電接觸也能用連線直接做到頂部。圖36給出在封裝帽和準(zhǔn)直器被裝上以前，在支座上的子裝置。請注意該準(zhǔn)直器能夠直接裝在封裝帽上，以減少一個元件和裝配步雙，如圖37中所示。該封裝被用作一個小型光譜分析儀的光電子學(xué)部份，其中可調(diào)諧濾波器被用來掃描一個波長范圍，而檢測器記條在每一個波長上的光功率，這在前面已經(jīng)敘述過。
可以有廣闊的應(yīng)用范圍需要這樣類似的系統(tǒng)，其中活性光學(xué)元件，除了可調(diào)諧濾波器以外是檢測器，發(fā)射器，或用以測量或處理光的其他光學(xué)元件。本發(fā)明的各實施方案的上述方面允許這種系統(tǒng)以一種低成本，小形狀因子的方式使得它們廣泛的應(yīng)用變得可行。
本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合著其多個具體的實施方案加以描述。然而，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，明顯地可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)，作種種修改。因而，本作者要求，本發(fā)明的范圍只受所附權(quán)利要求的范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)儀器，包括作為波長選擇器的一個可調(diào)諧自由空間濾波器。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)儀器，其中光學(xué)儀器是一個光譜分析器。
3.權(quán)利要求2的光學(xué)儀器，其中光譜分析器被構(gòu)造及安置成用于波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中的一種光通道監(jiān)視器。
4.權(quán)利要求2的光學(xué)儀器，其中可調(diào)諧自由空間濾波器是一種可調(diào)諧薄膜濾波器(TTFF)。
5.權(quán)利要求4的光學(xué)儀器，其中TTFF是熱-光可調(diào)諧的。
6.權(quán)利要求5的光學(xué)儀器，其中可調(diào)諧濾波器是一種多層膜結(jié)構(gòu)，其中結(jié)合了薄膜半導(dǎo)體材料。
7.權(quán)利要求5的光學(xué)儀器，其中TTFF的溫度是用一外部熱能轉(zhuǎn)移器件使之變化的。
8.權(quán)利要求7的光學(xué)儀器，其中熱能轉(zhuǎn)移器件是一個電阻性加熱器件。
9.權(quán)利要求8的光學(xué)儀器，其中電阻性加熱器件是一個環(huán)狀金屬膜，它確定一個孔徑，光線通過該孔徑通過濾波器。
10.權(quán)利要求8的光學(xué)儀器，其中電阻性加熱器件是一層光透明層，它與濾波器在一個位置集成在一起，使得光通過該電阻性加熱器件。
11.權(quán)利要求10的光學(xué)儀器，其中透明層是一個透明傳導(dǎo)氧化層。
12.權(quán)利要求10的光學(xué)儀器，其中透明層是一種摻雜薄膜，選自包括非晶態(tài)，微晶，和多晶半導(dǎo)體薄膜。
13.權(quán)利要求10的光學(xué)儀器，其中透明層是一種摻雜的晶體半導(dǎo)體。
14.權(quán)利要求4的光學(xué)儀器，其中TTFF有單腔體法布里-珀羅結(jié)構(gòu)。
15.權(quán)利要求4的光學(xué)儀器，其中TTFF有多腔體結(jié)構(gòu)。
16.權(quán)利要求4的光學(xué)儀器，還包括一個光檢測器，其中TTFF和光檢測器被安裝在單一的密封封裝中。
17.權(quán)利要求16的光學(xué)儀器，其中該單一的密封封裝是一個TO-型封裝。
18.權(quán)利要求16的光學(xué)儀器，在該單一密封封裝內(nèi)還包括一個或多個分立的溫度傳感器。
19.權(quán)利要求16的光學(xué)儀器，在該單一密封封裝內(nèi)還包括一個或多個溫度穩(wěn)定器件。
20.權(quán)利要求1的光學(xué)儀器，其中波長校準(zhǔn)是自動進行的，還包括一個或多個已知波長信號的外部源。
21.權(quán)利要求1的光學(xué)儀器，其中波長校準(zhǔn)是自動進行的，還包括一個或多個已知波長信號的內(nèi)部源。
22.權(quán)利要求1的光學(xué)儀器，其中波長校準(zhǔn)是自動進行的，還包括在該光學(xué)儀器中的被動干涉儀結(jié)構(gòu)，以建立一個穩(wěn)定的波長參照。
23.權(quán)利要求22的光學(xué)儀器，其中干涉儀結(jié)構(gòu)包括一個可調(diào)諧自由空間濾波器的基底。
24.權(quán)利要求23的光學(xué)儀器，其中干涉儀結(jié)構(gòu)與已知光源相互作用以建立一個參照信號。
25.權(quán)利要求5的光學(xué)儀器，還包括一個測量熱-光可調(diào)諧TTFF溫度的器件以確定波長。
26.權(quán)利要求25的光學(xué)儀器，其中測量溫度的器件被與TTFF集成在一起。
27.權(quán)利要求26的光學(xué)儀器，該TTFF還包括一個加熱器層，而其中該加熱器層還包括測量溫度的器件。
28.權(quán)利要求27的光學(xué)儀器，其中測量溫度的器件監(jiān)視加熱器層的電阻。
29.權(quán)利要求28的光學(xué)儀器，還包括一個DC電流源以加熱該加熱器層，以及迭加上的AC電流的源，而該電流足以監(jiān)視加熱器層的電阻。
30.權(quán)利要求28的光學(xué)儀器，還包括對加熱器層的四個接觸，其中四個接觸中的兩個向加熱器層的邊緣提供加熱器電流，而四個接觸中另外兩個從加熱器層的相對側(cè)測量電阻。
31.權(quán)利要求1的光學(xué)儀器，還包括具有輸出端的檢測器，和相連的信號處理器以接收從檢測器輸出端來的信號，該信號處理器把從檢測器輸出端接收到的信號轉(zhuǎn)換為功率對波長的數(shù)據(jù)。
32.權(quán)利要求1的光學(xué)儀器，還包括一個電子學(xué)組件；一個光檢測器，一光纖輸入端，和一個晶體管外形(TO)封裝，而可調(diào)諧自由空間濾波器、光檢測器、和光纖輸入端被安裝在該封裝內(nèi)，該TO封裝包括各個針腳，通過這些針腳，在可調(diào)自由-空間濾波器和光檢測器，以及電子學(xué)組件之間加以電連接。
33.權(quán)利要求32的光學(xué)儀器，還包括單個外殼以支持TO封裝和電子學(xué)組件。
全文摘要
一種光學(xué)儀器，可以包括一個可調(diào)諧自由空間濾波器作為波長選擇器。該可調(diào)諧自由空間濾波器可以是一個可調(diào)諧薄膜濾波器(TTFF)。該TTFF可以是熱－光可調(diào)諧的。該可調(diào)諧濾波器可以是一種多層膜結(jié)構(gòu)，其間插有薄膜半導(dǎo)體材料。TTFF的溫度，因而其波長可以用各種加熱和冷卻結(jié)構(gòu)來控制。也可以有各種TTFF結(jié)構(gòu)。TTFF結(jié)構(gòu)可以有一種單腔法布里－珀羅結(jié)構(gòu)或可以有一種多腔結(jié)構(gòu)。也能包括校準(zhǔn)附件，如象一個或多個已知波長信號的外部源，或一個或多個已知波長信號的內(nèi)部源。該儀器還可以包括一個被動干涉測量波長參照，一個測量熱－光可調(diào)諧TTFF溫度的裝置以確定波長，以及一個光檢測器。
文檔編號G02B5/02GK1668961SQ02818387
公開日2005年9月14日 申請日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月2日
發(fā)明者勞倫斯·多瑪施, 尤金·馬, 羅伯特·穆拉諾, 尼庫雷·尼姆楚克, 亞當(dāng)·佩恩, 史蒂文·謝爾曼, 瑪斯?fàn)査埂ね吒窦{, 吳明(音譯) 申請人:伊吉斯半導(dǎo)體公司