专利名称：改进的阶梯式标准具的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进的多波长阶梯式标准具。
在许多应用中，需要精确地确定入射到合适检测器上的光波长。一种广泛使用的检测器类型包括滤波特定光频率的标准具。标准具是一种干涉型滤波器，其中发射光的强度与它的波长有关。在常规的设计中，标准具包含两个相距为d部分反射的平行表面，且这两个平行表面被折射率为r的材料分隔开。当波长为λ的准直光传播通过标准具时，一些光从这两个表面反射。多次反射的光束互相之间干涉，或相长干涉或相消干涉，因此，改变了传播通过该标准具的总光强。当这两个反射表面之间距离的两倍等于标准具中波长λ的整数倍时，发生最大的透射。换句话说，2d*r/λ=x，其中x是整数。
通常，需要有这样的一种传感器，它同时对入射光中几个不同的频率灵敏，并能够鉴别这些频率。这种传感器在光谱分析中是特别有用的。虽然在光谱分析中可以利用几个分离的标准具，但是在某些实施方案中，就需要使用阶梯式标准具。在这个装置中，标准具的一个或两个有效面是阶梯式的，所以，标准具上每个阶梯给出不同厚度的区域。通过正确地调整这个厚度，每个阶梯可以配置成传播通过不同频率的光。这种类型的阶梯式光谱标准具装置在Yokota等人的美国专利No.4,822,998和Vincent的美国专利No.5,144,498中给以说明。
新开发的应用要求特殊结构的阶梯式标准具以调谐激光器的输出频率。特别是在光纤通信中，需要精确地调谐通信激光器以允许相邻的传输信道紧密排列，波长间隔通常只有0.4纳米或更小。对于这种紧密排列的信道，必须调谐激光器的波长到精度为+/-0.1纳米或更小的指定信道上。虽然在调谐这种激光器时只需要检测单个光波长，但是在这样的高精度下，温度变化导致标准具厚度的变化和光入射到标准具表面的入射角偏离法线的微小变化可以使光传递函数的变化达到不可接受的程度。
根据这个新的应用，可以这样选取标准具的标称厚度，使该标准具滤波器的周期性大致与数据通信信道间隔的周期性匹配，即，对于信道间隔大致为0.4nm的系统是1500.12nm,1500.52nm。两个或多个阶梯形成在标准具的一侧面上。选取阶梯大小为信道间隔的几分之一，即0.1nm的数量级，而且是基本上优化的，一个阶梯区域中传输曲线的峰或谷与其他一个或多个阶梯的传输曲线陡峭部分相重叠。按照这种方式，当标准具中的温度变化使一个阶梯的传输曲线移到所需的范围之外时，第二个阶梯的传输曲线被移到所需的频率。根据测得的温度和标准具定标信息选取特定的阶梯，且测量通过选取的标准具阶梯发射的激光器光强，提供一个可用于调整激光器输出波长的反馈信号。类似地，可以选取不同的阶梯以补偿光入射到标准具上的入射角容差。
参照
图1a和1b，在这阶梯式标准具结构的两个视图中，阶梯式标准具10有两个部分反射的涂层11a和11b，该标准具放置在正确配置的光电检测器阵列14a和14b的附近，其中每个检测器与对应的标准具阶梯平台12a和12b对齐。当光束16被引导到标准具10上时，归属于每个检测器14a和14b的输出光强表示传播通过对应阶梯区域中标准具的光强，从而提供一个入射光强度的量度，其特定的频率是由该区域中标准具的厚度确定的。
常规的阶梯式标准具中一个严重缺点是相邻阶梯平台之间的陡峭转变造成的干涉。在没有阶梯时，传播通过标准具的准直光束内的强度具有与入射光束相同的强度分布，通常为图1c所示的高斯曲线形状。然而，当存在陡峭的阶梯时，入射的共振光被阶梯壁18衍射，产生沿z轴方向(垂直于阶梯边缘)发射光束内的干涉。形成的干涉条纹图在图1d中表示。衍射的结果是，在阶梯的附近，光的角色散很大，它降低传输函数的质量，导致减小的信号幅度，增宽的峰值，以及区分输入光中频率微小变化的能力下降。
这种波长鉴别能力的下降在具有两个阶梯的标准具的图1e中给以说明。曲线A1-A5是在第一阶梯A上测得的，而曲线B1-B5是在第二阶梯B上测得的。曲线A1和B1代表距离阶梯壁的两个位置。余下的曲线A2-A5和曲线B2-B5是在逐渐接近于阶梯壁的各个位置上测得的结果。输入信号是由温度调谐的激光器提供的，所以，温度的增高代表输入信号波长的增大。如图所示，接近于阶梯转变区的曲线峰和谷比远离阶梯转变区的曲线峰和谷较低和较不明确，它说明，越接近于阶梯转变区，鉴别两个互相靠近的波长就越困难。
干涉以及与陡峭阶梯相关的标准具总体质量下降的效应在阶梯边缘附近的后方产生一个“死斑”，其中准确的强度读出受到破坏。因此，在标准具中某些部分因发射光束质量的下降而不可以放置检测器。
例如，采用厚度约为2mm和阶梯高度约为0.2μm标准具的实验结果在该阶梯的正后方显现出一个大约600至800μm宽的“死斑”。由于宽度为0.5至5.0mm之间的输入光束是常见的，发射光束中的很大部分没有高质量的标准具传输特性，因此，这部分光束不适用于检测。这就减小了有效的测量光功率和降低单每个检测器的功率。由于在可靠的测量中要求最小的信噪比，因此，降低单个检测器的功率可以使检测器的精度和设备的稳定性下降，设备稳定性是根据标准具的测量结果进行调整的。干涉还限制给定尺寸的标准具上可能有的阶梯数。
虽然可以增大标准具的尺寸以提供远离边缘每个阶梯平台内较大的区域，这往往是一个不恰当的解决办法。第一，检测器阵列通常形成在集成电路上，而集成电路在没有大量增加制造成本的条件下是不容易增大尺寸的。第二，输入光束本身的宽度可能是不变的，而增大标准具的宽度会带来把光束引导到标准具所需部位的附加问题。
按照本发明，在相邻的阶梯平台之间形成一个有非平面壁形式转变区的阶梯式标准具，它安排成相邻平台之间转变区各点在沿着标准具横轴的方向上横向变化。具体地说，阶梯壁是曲线状，波状，或其他各种的阶梯壁，因此，从一个平台高度到另一个平台高度的转变区中阶梯表面的平均高度不是陡峭地变化的，相反，而是按照特定的阶梯壁形状逐渐地变化的。在另一个实施例中，利用灰度等级或半色调图案形成阶梯转变区，其中平均高度在横跨转变区上是逐渐地变化的。虽然改进的阶梯仍然产生局部干涉，但是变化的阶梯壁形状产生变化的干涉图形，在远离标准具进行测量时，这些干涉图形与平坦壁情况下干涉图形比较有较小的相长组合，且可能有利地产生相消组合以减小净干涉效应。利用常规的加工技术且不需要附加的处理步骤，可以容易地制造按照本发明的标准具。
根据以下本发明典型实施例的详细描述和附图，可以更容易了解本发明的以上和其他特征，其中图1a是常规的阶梯式标准具的侧视图；图1b是图1a中标准具的透视图；图1c是非阶梯式标准具透射的光束强度曲线；图1d是阶梯式标准具透射并传播通过阶梯转变区的光束强度曲线；图1e是阶梯式标准具透射和在离阶梯不同横向位置测量的光束强度曲线；图2a是按照本发明第一个实施例的阶梯式标准具的透视图；图2b是图2a中标准具的顶视图；图3-5是图2a中有各种壁结构的标准具的顶视图；和图6a-6c是按照本发明第二个实施例的阶梯式标准具的顶视图。
参照图2a和2b，此处展示按照本发明的阶梯式标准具20。标准具20是由主体22构成，主体22有第一基本平坦的侧面24和相对的阶梯式第二侧面26。这两个侧面都覆盖着部分发射的表面(未画出)，且该主体是用诸如SiO2的材料构成，它至少在预定的波长范围内是透明的。
阶梯式侧面26有第一阶梯平台28和第二阶梯平台30，这两个平台被非平面的壁32分隔开。平台28和30基本上是平坦的，且平行于第一侧面24，这两个平台与第一侧面之间的距离分别为第一距离d1和第一距离d2。壁32在标准具20上沿着x轴方向横向延伸，且在转变区34内沿着z轴方向有横向变化的转变点(即，落差点)，产生“波状”或其他曲线状的阶梯壁。
波状的阶梯壁32破坏常规直壁中出现的相干衍射图，在离标准具一段距离观察时，减小了阶梯造成的净干涉效应。换句话说，在一段距离之外观察时，两个平台28与30之间的转变区不如直壁那样陡峭，相反，从第一侧面24到第二侧面26的平均距离在横跨转变区上平均说来是逐渐变化的，其中具体的平均高度与阶梯壁32的特定形状有关。在图2a和2b中，两个平台28与30之间的转变点沿三角形或锯齿状曲线变化。在阶梯高度d1-d2约为170±15nm的特定标准具实施例中，我们发现，幅度在100μm与300μm之间且周期约为100μm的锯齿状曲线可以减小阶梯转变造成的净干涉效应。当然，本领域专业人员清楚地知道，也可以利用其他尺度的标准具。
还可以采用其他各种各样的阶梯壁形状。图3表示光滑的振荡曲线36，它可以是正弦曲线或其他形状的曲线。在一个实施例中，曲线是按照沿横向位置的正弦曲线平方变化的。对于阶梯高度为170±15nm的标准具例子，最佳的阶梯壁是沿z≈A*sin2(πx/(0.20+0.20x))变化的，其中A是曲线的幅度，且最好是在100μm与300μm之间。
图4表示沿方波曲线变化的阶梯壁。在一个优选的标准具结构例子中，这个方波的周期约为10μm，而幅度在100μm与300μm之间。或者，如图5所示，曲线还可以是周期或幅度或二者按照大致随机的方式变化。还可以采用其他的壁边界以破坏干涉图形，例如，各种不同的碎片状或类似碎片状曲线(未画出)。
按照本发明的第二个实施例，如图6a所示，转变区是由多个凸块40和多个区域41构成的，凸块40的表面在第二平台30之上，且最好与第一平台28有大致相同的高度，而区域41的表面与第二平台30有大致相同的高度。为了便于说明，可以把凸块40考虑成类似于网格42上的像素，如图6a所示覆盖在标准具20的上面。凸块40是这样安排的，转变区中产生的平均高度是在第一距离与第二距离之间。通过有选择地刻蚀标准具的表面26，可以容易地制造这种结构以建立第二平台30和区域41，这种刻蚀方法是受沉积在转变区中光刻胶的控制，它类似于灰度等级或半色调技术的方法。
在一个优选实施例中，凸块40是这样安排的，凸块“像素”40覆盖的总面积在从第一平台28边界44到第二平台30边界46的转变区是沿横向(沿z轴方向)减小。综合的结果是图6a中所示两个平台28与30之间的“模糊”转变。应当注意，转变区34的两条边界44和46不必是直线的，相反，它可以按照类似于图2-5所示转变区中壁的边界进行变化。图6c表示随机曲线边界44的灰度等级转变。其他的变化也是可能的。虽然画出的是方形凸块像素40，但是这些像素可以有任何的形状，这种形状在各个凸块像素40上可以变化。
虽然本发明的具体描述是参照其几个优选实施例，但是本领域专业人员明白，在不偏离本发明精神和范围的条件下，可以对其中的形式和细节作各种变化。例如，按照本发明的阶梯可以形成在标准具的两个侧面。
权利要求
1．一种阶梯式标准具，包括一个主体，它有第一侧面和相对的第二侧面，该主体至少在预定的波长范围内是透明的；第一侧面，它有基本平坦的表面；第二侧面，它有大致平行于第一侧面的第一平台，第二平台，和第一平台与第二平台之间的转变区，第一平台与第一侧面之间有第一距离，第二平台与第一侧面之间有第二距离，转变区包括沿横轴横向变化的各个转变点构成的壁。
2．按照权利要求1的标准具，其中该壁大致垂直于第一平台和第二平台。
3．按照权利要求1的标准具，其中各个转变点沿着一条周期曲线排列。
4．按照权利要求3的标准具，其中该曲线是锯齿状曲线。
5．按照权利要求3的标准具，其中该曲线是方波状曲线。
6．按照权利要求3的标准具，其中该曲线按照横向位置的正弦平方变化。
7．按照权利要求1的标准具，其中各个转变点沿着这样一条曲线排列，该曲线至少有大致随机的周期和大致随机的幅度之一。
8．一种阶梯式标准具，包括一个主体，它有第一侧面和相对的第二侧面，该主体至少在预定的波长范围内是透明的；第一侧面，它有基本平坦的表面；第二侧面，它有平行于第一侧面的第一平台，平行于第一侧面的第二平台，和第一平台与第二平台之间的转变区，第一平台与第一侧面之间有第一距离，第二平台与第一侧面之间有第二距离；该转变区包括多个凸块，其表面与第一侧面的之间距离大于第二距离；多个区域，其表面与第一侧面的之间距离大致等于第二距离。
9．按照权利要求8的标准具，其中第一多个凸块表面大致等于与第一侧面之间的第一距离。
10．按照权利要求8的标准具，其中多个凸块表面与第一侧面之间距离和多个区域表面与第一侧面之间距离的平均值是在第一距离与第二距离之间。
11．按照权利要求8的标准具，其中覆盖着多个凸块表面的转变区中总面积在横跨从相邻于第一平台的转变区第一边界到相邻于第二平台的转变区第二边界的转变区上是横向减小的。
12．按照权利要求11的标准具，其中第一边界是直线边界。
全文摘要
一种改进的阶梯式标准具包括有阶梯式表面的透明主体。各个相邻阶梯式平台之间是被转变区分开,该转变区包括曲线状,波状,或其他各种的阶梯壁,从一个平台高度到另一个平台高度的转变区内的阶梯式表面平均高度不是陡峭地变化的,相反,而是按照特定的阶梯壁形状逐渐地变化的。在另一个实施例中,利用灰度等级或半色调图案形成阶梯转变区,其中平均高度在横跨转变区上是逐渐地变化的。
文档编号G01J3/26GK1309285SQ0012618
公开日2001年8月22日 申请日期2000年8月31日 优先权日1999年9月1日
发明者斯蒂芬·奥布莱恩 申请人:朗迅科技公司