专利名称：用于光子晶体的短杆可调节共振腔的方法和结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子晶体点阵结构(photonic crystal lattice structure)中的空腔(cavity)的调节(tuning)。
背景技术：
光子晶体是由高折射率和低折射率的介质所形成的周期性结构，能够限制具有某些波长的光。光子晶体可以用于制造多种光学器件，例如波导(waveguide)和滤波器。
对于光通讯而言，因为在二氧化硅波导中的吸收较少，所以通常使用波长范围在1.3μm到1.5μm之间的光。因此，该波长范围对于现代光学网络来说是很有价值的。制造在该波长范围内工作的光子晶体，通常受到大程度的制造偏差的影响。因此，人们希望波长鉴别的应用具有方法和结构以允许对应于特定的波长调节光子晶体装置。
发明内容
按照本发明，一个可移动的零件(feature)如调节短杆(tuning stub)被引入光子晶体中，该光子晶体允许对其中所生成的空腔进行可控的调节。按照本发明，待调节的空腔被设计为在远红外区到硬紫外(hardultraviolet)区的光谱范围内工作。将该零件固定到致动器，使得该零件能够被移入和移出光子晶体，以进行精细的调节。本发明通常可以利用多晶硅或非晶硅而加以实施。
图1示出了按照本发明的三维光子晶体点阵结构。
图2示出了按照本发明的一个实施例的侧视图，其中有三维光子晶体点阵结构、调节短杆和热致动器。
图3示出了按照本发明的一个实施例的俯视图，其中有三维光子晶体点阵结构、调节短杆和热致动器。
图4示出了按照本发明的热膨胀致动器。
图5示出了按照本发明一个实施例的静电致动器。
图6示出了按照本发明一个实施例的三维光子晶体点阵结构的俯视图或仰视图，该三维光子晶体点阵结构具有调节短杆和空腔。
图7示出了按照本发明一个实施例的二维光子晶体点阵的俯视图或仰视图，该二维光子晶体点阵示出了调节短杆和空腔。
图8示出了按照本发明一个实施例的平行板致动器(parallel plateactuator)。
具体实施例方式
图1示出了典型的具有面心立方对称性的三维光子晶体点阵结构100，但是，按照本发明，其也可以具有面心四方对称性。棒(Bar)110通常是高折射率的固体材料，而对于低折射率的空区域115来说，则通常是气体或真空。注意，虽然有可能制造出光通过固体材料传播的三维光子晶体结构，但是，通常使用真空或气体区域作为导光介质。棒110可以具有各种各样的横截面形状，例如正方形、矩形、圆形或椭圆形，并且其填充比率被调节，以产生光子带隙。用于棒110的典型材料是多晶硅或非晶硅。正如在Theil的标题为“Low temperature Photonic Crystal Structure”的美国专利申请(案卷号10020077)中所公开并通过引用的方式被包括的，三维和二维光子晶体点阵结构，允许利用多种基片，可以在相对较低的温度下用非晶硅制成。
在光子晶体点阵100中，波导通常被连接到空腔245(参见图2)，或者临近空腔245。波导可以通过下述方式形成从光子晶体点阵100中除去一个单独的棒110；在光子晶体点阵100的一个给定的横截面上，沿着一个方向除去棒110的某些部分，以在垂直于棒110的方向上形成波导；或者上述方式的结合，以构建具有拐角(bend)的波导。通常，在光子晶体点阵结构100中，棒110相互接触并被排列在彼此的上面，以形成三维光子晶体点阵结构100。为了生成可调节的空腔，一个棒，调节短杆111被置于空腔245(参见图2)的一侧，并且不与临近的棒110相接触，但不一定位于临近的棒110之间的中央。调节短杆111从空腔245(参见图2)延伸至光子晶体点阵100的边缘。致动器将调节短杆111移入和移出空腔245(参见图2)，以调节空腔245(参见图2)的共振模式(resonant mode)。致动器的致动可以是微机械器件中常用的任何类型，包括热膨胀、静电致动、磁致动或压电变形。
图2示出了按照本发明的一个使用热致动的实施例。示出了光子晶体点阵结构100的一个横截面，有调节短杆111、空腔245、电阻器219的电阻器腿(Resistor Leg)220、221，以及电阻器垫(resistor pad)235、236。电阻器垫235、236可以是与外部电路或单片电路内的接点相连接的实际垫子。注意，在临近调节短杆111的区域中，棒210、211、212、213被切除，以允许调节短杆111移入和移出光子晶体点阵结构100。电阻器219的电阻器腿220、221分别被固定到电阻器垫235、236。在电阻器219拐角的顶部，电阻器219被固定到调节短杆111。在图2的实施例中，电阻器腿220、221通常是由与光子晶体点阵结构100所使用的相同材料制成。因此，调节短杆111是当电阻器腿220、221形成时被形成的，调节短杆111是由与电阻器腿220、221相同的材料制成。调节短杆111仅仅是电阻器腿220、221的延伸，或电阻器腿220、221的一个层，如图3所示。
图3示出了图2所示的按照本发明的实施例的侧视图，其中包括基片250，例如覆盖了氮化硅的晶片。所选择的用于电阻器219的方便的材料是多晶硅或非晶硅，因为它允许在制造调节短杆111的同时，制造电阻器219。如图3所示，调节短杆111的一部分可以通过使用多个层而加以强化。用于制备电阻器219和电阻器垫235、236的层数，通常是经过选择的，以提供足够的刚度和锚定强度(anchoring strength)。在生成致动器和电阻器219的时候，一个要考虑的重要问题是，在通电时固定运动的方向。电阻器219的拐角起到限定腿220、221和朝向电阻器219拐角的驱动力的作用。当通过薄膜技术制作电阻器219的时候，有可能使得电阻器219的宽度(在电阻器219的平面内)大于厚度(在电阻器219的平面外)。因此，在具有这样的几何形状的情况下，电阻器219会倾向于移入移出电阻器平面。为了使这种效应最小化，厚度对宽度的比率至少应该为二比一，通常情况下，厚度对宽度的比率会超过五比一。为了实现这个目标，构成电阻器219的整个层可以被同时蚀刻或淀积，或者，电阻器219可以被分成数层(参见图3)，从而使得电阻器219的每一个层都对应于光子晶体点阵结构100中的一个层。
当半导体材料被用于制造电阻器219时，一种调节半导体材料电阻率的方法是向半导体层中加入掺杂剂。例如，层290、291的电阻率可以通过掺杂而降低，层290、291将承载电流，但电阻器219中所有的层都会达到相同的温度。掺杂不一定限于层290、291。但是，被掺杂的层通常相互临近，并且至少一个被掺杂的层会与电阻器垫235、236电连接。被掺杂的层通常位于构成电阻器219的多个层的中央，以保证电阻器219在整个电阻层上被均匀加热。在图3中，被掺杂的层通常位于紧邻调节短杆111的位置。
或者，用于制造电阻器219的材料，也可以与光子晶体点阵结构100中所用的材料不同，这就需要通过机械的方法或者通过电阻器219和调节短杆111之间的粘接将电阻器219与调节短杆111连接起来。电阻器219不一定是由一种材料制成的，但是，如果这两种材料的热膨胀系数不同，那么面外应力(out of plane stress)可能会成为问题。这样的应力可以通过在电阻器219中生成对称的薄膜层而大幅度减小，从而消除热应力。
在操作上，当电流流过电阻器219时，电阻器腿220、221加热膨胀，从而导致调节短杆111向图2、图3中的右方移动。电阻器腿220、221相对于连接电阻器垫235、236的直线299构成角θ，减小角θ，最终会导致自弯曲(self-buckling)，并可以相对于电阻器腿220、221的相对较小的长度变化，放大调节短杆111被移动的距离。调节短杆111的位移Δx，可以通过下述公式进行近似
Δx=L0sin(θ)(1+2CTEΔTsin2(θ)-1)---(1)]]>其中，L0是电阻器腿220、221中任意一个的长度，θ是电阻器腿220、221与直线299之间的角度，CTE是电阻器219拐角处的线性热膨胀系数，ΔT是相对于室温条件的温度变化，并且假定沿着电阻器腿220、221中的任意一个都是不变的。如果只考虑长度随温度的较小变化(CTEΔT＜＜sin2θ)，则公式(1)简化为Δx=L0CTEΔTsinθ---(2)]]>对于1.5μm的应用，位移通常为10-7m的量级。由于电阻器219的温度与电阻器219所消耗的能量直接相关，因此，具有预期位移的致动器可以被设计为在预期的电压范围内运行。
沿着电阻器腿220的温度分布通常是不恒定的，可以通过如下方法确定。假定电阻器腿220是均匀掺杂的，从而使得在梁(Beam)的全部厚度上，电传导都是均一的。假定热传导主要沿着电阻器腿220、221，而不通过电阻器腿220、221周围的空气或气体发生。沿电阻器腿220的微分温度分布可以由下式给出T(z)-T0＝ρI2(L2-z2)/A2к (3)其中，T0是周围介质的温度，ρ是被假定为恒定的梁的电阻率，I是电流，A是梁的横截面积，к是被假定为恒定的梁的热扩散系数，L是从电阻器垫235或236分别到调节短杆111的电阻器腿220或221的长度，z为距调节短杆111与电阻器腿220的连接处的距离。
利用公式(2)并将量L0ΔT用∫0LρI2(L2-z2)dzA2κ]]>替换(参见公式(3))，梁长L可以被与调节短杆例如调节短杆111的预期位移Δx和工作电压Vb联系起来，得到
Δx=LCTEVb26κρsinθ---(4)]]>在接触调节短杆，例如调节短杆111，的那一点(x＝0)，梁相对于室温条件的温度变化ΔT由下式给出ΔT=Vb24κρ---(5)]]>按照本发明的一个实施例，基于轻微掺杂的多晶硅的一个典型的к值为约140W/m℃，参见Tai和Muller的“Lightly Doped Polysilicon Bridgeas an Anemometer”，Proceedings of the 4thInternational Conference on SolidState Sensors and Actuators，1987，pp.360-363.在通常的应用中，к依赖于温度和多晶硅晶粒的大小，也轻微依赖于掺杂。电阻率ρ依赖于多晶硅的掺杂，并且当掺杂水平在约1019cm-3到1021cm-3之间变化时，电阻率ρ通常在约100mΩcm到0.3mΩcm之间变化，参见Obermeier等人的“Characteristics of polysilicon layers and their applications in sensors”，Proceedings of Solid State Sensors Workshop，1986。按照本发明的一个实施例，ρ的一个典型选择为约10mΩcm。对于多晶硅而言，线性热膨胀系数CTE为约2.3×10-6/℃，轻微依赖于掺杂、多晶硅晶粒的大小和温度。
参照图2和图3，在按照本发明的一个示例性实施例中，在操作电压Vb约为3V下，所提供的调节短杆111的位移Δx约等于427nm，这对滤波调节(filter tuning)通常是足够的。该实施例采用多晶硅，电阻器腿220、221之中每一个的长度L均等于300μm，弯折角θ约为10°。在调节短杆111与电阻器腿220、221相连接的那一点，温度上升超过室温约160℃。如果电阻器腿220、221的横截面取为1.2μm×5μm，则短杆调节器消耗的功率为约0.3mW。
图4示出了按照本发明的一个实施例，其中利用了热膨胀致动器致动调节短杆。机械锚固定器(mechanical anchor)410、412、430和432将致动器结构400锚定到下面的基片上。电流被通过臂416和414引导，从臂416上流入，从臂414上流出。臂416、414通常由多晶硅或非晶硅制成，致动器结构400的其余部分通常也是由多晶硅或非晶硅制成。当电流通过臂416和414由锚固定器432流到锚固定器430的时候，由于与臂414相比，臂416的电流密度更大，因此导致了臂416的受热和膨胀比臂414更多。由于臂414和416在它们的自由末端通过梁419而被接合在一起，因此热致动器末端440以弧形运动被偏转向右。折叠式梁弯曲(folded beamflexure)420通过连接梁450被连接到热致动器末端440，来将调节短杆411的运动线性化。连接梁450相对来说薄且长，从而使得热致动器末端440以弧形运动移动时，梁450发生弯曲，使得刚性浮动元件(rigidfloating element)可以将调节短杆411沿直线移入光子晶体，例如光子晶体100。
在按照本发明的一个示例性实施例中，臂416的尺寸为长度约200μm，宽度约2μm，厚度约5μm。臂414的长度约160μm，宽度约20μm，厚度与臂416相似。臂414通过臂418被连接到锚固定器430。臂418的长度约40μm，宽度约2μm，厚度约5μm。折叠式梁弯曲420的臂，在尺寸上通常与臂416相似，长度约200μm，宽度约2μm，厚度约5μm。通常，梁450的宽度约1μm，长度约100μm，厚度也是约5μm，以使弯曲较为容易。当臂416被加热到超过室温约800℃时，调节短杆411偏移了约3.2μm，从而使得当臂416被加热到超过室温约100℃时，所产生的偏移为0.4μm。可以通过约3V的电压和约1mA的电流，实现上述的加热100℃。与此结构有关的更多的细节，可以在下面的文献中找到Guckel等，“Thermo-magnetic metal flexure actuators”，Solid-StateSensor Workshop.Hilton Head Island，S.C.，pp.73-74，1992；以及Comtois和Bright等，“Applications for surface micromachined polysilicon thermalactuators and arrays”，Sensors and Actuators，A58，1997，pp.19-25。这些文献通过引用的方式被包括在此。
图5示出了按照本发明的一个实施例，其中利用了一个静电致动器致动调节短杆。机械锚固定器510、512、530和532将静电致动器结构500固定到下面的基片上。梳状电极535被固定到下面的基片上，并且通常保持偏压Vb以致动调节短杆511。梳状电极550与调节短杆511相连接，并且通常保持电接地以致动调节短杆511。弯曲梁(flexure beam)575、576的功能是，支撑梳状电极550并在水平方向上限制调节短杆511的运动。如果梳齿580和581之间的距离给定为d，偏压为Vb，每个梳齿的深度为b，则由一个N单元梳状驱动器(N unit cell comb drive)所产生的力由下式给出F=2Nϵ0bVb2d---(6)]]>其中，N为梳齿的数目。图5示出了按照本发明的一个示例性实施例，其中弯曲575、576的长度约为200μm，宽度约为1μm，深度约为5μm。弯曲575和576的弹簧常数约为0.11N/m。在如图5所示的弯曲排列的情况下，静电致动器500的净弹簧常数则为0.22N/m。那么，将调节短杆511移动约0.4μm的距离，需要约0.088μN的力。令每一个梳齿581的长度为约5μm，宽度约1μm，深度约5μm，梳齿581之间的间隙为1μm，在浮动连接(floating link)595和596之间共有110个单元，则F＝9.735×10-9Vb2。因此，为了使调节短杆511产生一个约0.4μm的位移，需要3.5V的偏压Vb。
图6示出了按照本发明的一个实施例。图6示出了三维光子晶体点阵结构600的仰视图，其中，调节短杆671从其上表面进入光子晶体点阵结构600。光子晶体点阵结构600通常具有面心立方对称性，但也可以是面心四方对称。调节短杆671被插入点阵棒之间。调节短杆671的取向通常是基本垂直的，并且通常从晶体的上表面或底面进入光子晶体点阵结构600。调节短杆671被定位，以避免与点阵棒609、610、611和612相接触，而上述点阵棒中的每一个都构成了光子晶体点阵结构600之中的一个相应的层。通过移去一个棒609的一部分而生成空腔690。调节短杆671被致动以向上或向下移动，用于调节。在共振中，场被局限于空腔690附近，因此，为了获得最大的效果，调节短杆671应该被定位在尽可能靠近空腔690的地方。
图7示出了按照本发明的一个实施例的俯视图或仰视图，其中，二维光子晶体点阵结构700中的空腔710被调节。二维光子晶体点阵结构700具有由分布于高折射率材料中的低折射率区域所构成的周期性结构。例如，圆形空气孔725在高折射率材料750中形成了周期性结构。如图7所示，调节短杆711通常从二维光子晶体点阵结构700的顶部或底部被引入其中的空腔710中，它不一定通过空腔710的中央，而是可以如图所示地偏离中央一段距离。举例来说，使用与图8中的平行板型致动器800相似的平行板型致动器，对调节短杆711进行致动，以向上或向下移动，用于调节。
图8示出了按照本发明的一个实施例，其中平行板型致动器800与图6所示的结构一起使用。该实施例可以容易地适用于作为图7中所示结构的致动器。致动器800为调节短杆671提供垂直运动。调节短杆671通常被保持在平滑膜(flat membrane)812的中央，而平滑膜812通常是多晶硅或非晶硅。平滑膜812在其两个末端850、851处分别被刚性支架890和891所支撑，这两个刚性支架将平滑膜812悬在三维光子晶体点阵结构600的上方，且距离为d，该距离足以防止与平行板型致动器有关的众所周知的突发不稳定性(snap down instability)。刚性支架890和891被机械和电连接到光子晶体点阵860和861。光子晶体点阵结构860和861在电气上与光子晶体点阵结构600是分离的，从而可以在平滑膜812和光子晶体点阵结构600之间施加一个电势差。此处为了简单起见，所示出的光子晶体点阵结构600、860和861中具有两层棒，然而，光子晶体点阵结构600、860和861通常具有更多的层。由于光子晶体点阵结构860和861通常不必具有光学活性，因此，可以用本领域的技术人员所熟悉的其他刚性结构来替换光子晶体点阵结构860和861，此类刚性结构提供了电触点以支撑890和891。
调节短杆671的运动主要是线性方式。在更大的偏移下，膜812发生了非线性的拉伸硬化(tension stiffening)，因为在膜的末端890、891之中，由于膜的两个末端890、891被固定，而没有一个能够自由移动。在操作中，给膜812加上偏压Vb，而同时，三维光子晶体点阵结构600保持接地。如果A是膜812的有效面积，则在线性方式中有效的致动器800所施加的力的一级近似值为F=ϵ0AVb22d2---(7)]]>弹簧常数k取作k=16Ewt3L3---(8)]]>其中，E为杨氏模量，w为膜812的宽度，t为膜812的厚度，L为膜812的长度。那么，对于给定的偏压，位移x由下式给出x＝F/k(9)其中F和k分别由公式(7)和(8)所给出。
在按照本发明的一个示例性实施例中，为了使致动器800获得约0.4μm的偏移，假定膜812是多晶硅，膜812的宽度约10μm，厚度约0.4μm，长度约400μm，并且悬在三维光子晶体点阵600(见图8)或二维光子晶体点阵700(未示出)之上约2μm，则要求偏压Vb为约1.6V。膜812的弹簧常数为约0.027N/m。
尽管本文中已经结合具体的实施例描述了本发明，但是，对于本领域的技术人员而言，基于上面的描述，很多替换、修改和变化将是显而易见的。因此，本发明旨在包括所有落入所附权利要求书的精神和范围之内的其他的此类替换、修改和变化。
权利要求
1.一种可调节的三维光子晶体点阵结构，包含具有可调节的空腔的区域；穿入所述可调节的空腔中的可移动的短杆调节器；以及被连接到所述的可移动的短杆调节器的致动器，用于移动所述的可移动的短杆调节器，以调节所述的可调节的空腔。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述的可调节的三维光子晶体点阵结构基本上具有面心立方对称性。
3.如权利要求1所述的结构，其中所述的可调节的三维光子晶体点阵结构由非晶硅构成。
4.如权利要求1所述的结构，其中所述的可移动的短杆调节器侧向穿入所述的可调节的空腔。
5.如权利要求1所述的结构，其中所述的可移动的短杆调节器具有基本上呈正方形的横截面。
6.如权利要求1所述的结构，其中所述的可移动的短杆调节器和所述的致动器由基本上相同的材料制成。
7.如权利要求1所述的结构，其中所述的致动器是热致动的。
8.如权利要求7所述的结构，其中所述的致动器包含两个致动器臂，当在所述的两个致动器臂的两端加偏压时，所述的致动器臂发生热膨胀。
9.如权利要求8所述的结构，其中所述的两个致动器臂的厚度对宽度的比值至少为二比一。
10.如权利要求8所述的结构，其中所述的两个致动器臂由半导体材料构成，所述的半导体材料从由多晶硅和非晶硅所构成的组中选出。
11.如权利要求10所述的结构，其中所述的材料被掺杂，以改变所述半导体材料的导电性。
12.如权利要求10所述的结构，其中所述的两个致动器臂由多层所述的半导体材料构成。
13.如权利要求7所述的结构，其中所述的致动器被连接到弯曲系统，以使所述的可移动的短杆调节器的运动线性化。
14.如权利要求1所述的结构，其中所述的致动器是静电致动的。
15.如权利要求1所述的结构，其中所述的致动器是平行板致动器。
16.如权利要求1所述的结构，其中所述的致动器是静电梳状驱动致动器。
17.一种可调节的二维光子晶体点阵结构，包含光子晶体板，所述的光子晶体板包含基本呈圆形的孔的二维周期性点阵；缺陷，所述的缺陷在所述的二维周期性点阵中确定可调节的空腔；穿入所述可调节的空腔中的可移动的短杆调节器；以及被连接到所述的可移动的短杆调节器的致动器，用于移动所述的可移动的短杆调节器，以调节所述的可调节的空腔。
18.如权利要求17所述的结构，其中所述的致动器是平行板致动器。
19.一种制造可调节的三维光子晶体点阵结构的方法，包含提供具有可调节的空腔的区域；提供穿入所述可调节的空腔中的可移动的短杆调节器；以及提供被连接到所述的可移动的短杆调节器的致动器，用于移动所述的可移动的短杆调节器，以调节所述的可调节的空腔。
20.一种制造可调节的二维光子晶体点阵结构的方法，包含提供光子晶体板，所述的光子晶体板包含基本呈圆形的孔的二维周期性点阵；提供缺陷，所述的缺陷在所述的二维周期性点阵中确定可调节的空腔；提供穿入所述可调节的空腔中的可移动的短杆调节器；及提供被连接到所述的可移动的短杆调节器的致动器，用于移动所述的可移动的短杆调节器，以调节所述的可调节的空腔。
全文摘要
本发明公开了一种三维光子晶体点阵结构，利用微电机致动器，可以对调节短杆进行致动，以调节光子晶体点阵结构中的空腔。被致动的调节短杆可以被用于调节在二维和三维光子晶体点阵结构中的空腔。
文档编号G02B26/00GK1493897SQ0314950
公开日2004年5月5日 申请日期2003年7月14日 优先权日2002年10月31日
发明者杰雷米·A·泰伊, 杰雷米 A 泰伊, 尔 M 西加拉斯, 米哈伊尔·M·西加拉斯, 斯 T 霍恩, 斯托尔斯·T·霍恩 申请人:安捷伦科技有限公司