专利名称：补偿半高全宽误差的法布里-珀罗装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种法布里-珀罗装置，尤其涉及一种在光纤通讯应用中补偿半高全宽(Full Width at Half Maximum；FWHM)误差的法布里-珀罗装置及其制造方法。
背景技术：
近来，基于光波具有反射、折射、干涉及传播速度快等特性及容易取得的优点，而带动了各种光学应用技术的蓬勃发展，其中尤以光通讯领域的发展为最。由于光通讯是通过光波的行进来传递信息，因此在信息传递过程中，信息的发送及接收效率的好坏与光波的特性习习相关。换言之，在目前光通讯通路中所使用的各种主动式或被动式光学元件必须能够克服光波特性的限制，才能使这些光学元件具有期望的发送及接收效率。
为满足此需求，目前各种光学元件的制作精度无不朝向次微米乃至于纳米等级的制造技术来制作，例如半导体以及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems；MEMS)制造技术。举例而言，利用半导体技术及微机电系统技术中的面型微机械加工(SurfaceMicro-machining)技术所发展的微型法布里-珀罗共振腔(或干涉仪)已被广泛地应用于光电、机械、生医、环境检测等多方面。
图1是一示意图，显示一现有法布里-珀罗标准具(Etalon)。如图1所示，一法布里-珀罗标准具10由两彼此平行相对的平面镜11及12所构成，平面镜11及12其反射率为R(Reflectance)，两平面镜均可将一入射光13部分反射，而平面镜11及12之间的距离Dop被称为光学厚度(optical thickness)。当一具有波长为λ1～λn的入射光13进入此一法布里-珀罗标准具10后，由于平面镜11及12对于入射光13的反射作用，所以入射光13会在两平面镜11及12之间来回行进，而通过调整平面镜11及12之间的距离Dop，可只让具有特定波长为λi的出射光14通过，而达到滤波的效果。一法布里-珀罗元件的光学特性由以下公式定义自由频谱范围(Free Spectrum Ratio；FSR)FSR＝(λ2)/2nDop；其中λ为中心波长，n为介质折射率(optical index)，Dop为两平面镜间的距离；精细度(Finesse；F)F＝π√R/(1-R)；其中R为两平行反射镜的反射率；及半高全宽值(FWHM)FWHM＝FSR/F。
由于上述通过法布里-珀罗标准具10之后的出射光14的波长分布近似高斯分布，因此，在一般光通讯系统的应用上，一过滤光波的半高全宽值是设计者首重的设计参数。就上述的法布里-珀罗标准具10而言，出射光14的波长分布的半高全宽值主要是由上述两平面镜11及12的反射率以及两平面镜之间的光学厚度Dop所决定。因此，对于一法布里-珀罗标准具来说，如何在两平面镜11及12的制造及装配过程中，控制两平面镜之间的光学厚度Dop及反射率R便成为设计者的首要工作。
举例而言，依照光纤通讯ITU100GHZ的规定，为使一通过上述法布里-珀罗标准具10后的出射光14的特定波长λi相同于波长范围为1530nm～1565nm的C频带(C band)的一中心波长λ，即1550nm，出射光14的光波频谱(spectrum)特性必须满足半高全宽值为0.37nm且自由频谱范围FSR至少为40nm的条件。换言之，精细度F必须为108。在此，半高全宽值、自由频谱范围及精细度的定义如图2所示。再进一步依据自由频谱范围FSR、中心波长λ、光学厚度Dop及介质折射率n的关系式，即FSR＝λ2/2nDop，我们可计算出两平行反射镜11及12之间的光学厚度Dop至多为30μm；以及依据精细度F与两平行反射镜反射率R的关系式，即F＝π√R/(1-R)，可计算出两平行反射镜11及12的反射率R至少为0.97。
然而，如图3所示，以目前通过微机电系统及半导体制造技术所制作的现有法布里-珀罗共振腔20而言，通常的做法是在一玻璃基板21上蚀刻一特定深度的凹槽，然后在上面镀上一层光学薄膜以形成一固定反射面23，以及在一硅基板22上利用微机电系统制造技术形成一镀有光学薄膜的可动反射面24，其中，两反射面之间的距离为D，而可动反射面24可移动一微小距离d，d＜＜D。就此而言，两反射面23及24的反射率实际上决定于光学镀膜的好坏，而目前较成熟的光学镀膜技术仅能将两反射面的反射率公差控制在±1％之内。因此，就上述例子而言，实际上通过光学镀膜所能达到的反射率为0.97±0.01，亦即0.96～0.98。将此反射率R为0.96～0.98的值代入公式精细度F＝π√R/(1-R)及半高全宽值FWHM＝FSR/F，得到精细度F为77～155及半高全宽值FWHM为0.52～0.258nm，如此宽的半高全宽值FWHM公差范围几乎无法应用，如此一来，此现有法布里-珀罗共振腔20便会因为实际上光学镀膜的公差而造成实际的半高全宽与期望值有相当大的出入。因此，为求半高全宽能够符合设计者的需求而无误差，则势必要通过调变两反射面之间的距离D来补偿。以上述为例，半高全宽值FWHM＝0.37nm，假设R＝0.97则F＝108，由公式可知FSR＝0.37nm×108＝40nm，得D＝30μm，又假设R＝0.98则F＝155，由公式可知FSR＝0.37nm×155＝57.5nm，得D＝20.8μm，由此可以得知反射率公差变化可通过调整D的大小，使半高全宽值FWHM保持固定。然而，由于制造工艺中的玻璃基板21及硅基板22是被固定在一起的，亦即法布里-珀罗共振腔20中的两反射面23及24之间的距离D为固定的，因此，此现有法布里-珀罗共振腔无法补偿因光学镀膜公差所造成的半高全宽误差，而使得此现有法布里-珀罗共振腔不能满足设计者的需求。
为解决此问题，本发明的发明人意欲提出一种法布里-珀罗装置，并使此法布里-珀罗装置得以实现满足我们所期望的半高全宽，而能为光纤通讯所应用。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种法布里-珀罗装置及其制造方法，此法布里-珀罗装置能补偿光学镀膜公差对于通过此法布里-珀罗装置的一光波分布的半高全宽所造成的误差。
本发明的另一目的在于提供一种补偿半高全宽误差的方法，是通过调变法布里-珀罗装置中两反射面之间的一距离来达成。
本发明的法布里-珀罗装置，具有一法布里-珀罗共振腔，供一光通过，其包含一第一反射面，用以部分反射该光而具有一第一反射率；及一第二反射面，配置成与该第一反射面平行相对，用以部分反射该光而具有一第二反射率；其中该第一反射面与该第二反射面之间的一距离可依该第一反射率及该第二反射率来进行调变，以补偿通过该法布里-珀罗共振腔后的该光因该第一反射率及该第二反射率所引起的一半高全宽误差。其中，该第一反射面系位在通过微机电系统制造技术所制作的一微型反射镜上，该第一反射面上涂布有一第一光学薄膜，该第一反射率由该第一光学薄膜所提供。此外，该第一反射面具有一可微调间隙，该可微调间隙远小于该共振腔的光学厚度Dop。
本发明的第一实施例中，该第二反射面是一渐变折射率透镜(graded-index lens；GRIN Lens)的一表面，该表面上涂布有一第二光学薄膜，该第二反射率由该第二光学薄膜所提供。另外，该第一反射面所位于的该微型反射镜与该第二反射面所位于的该渐变折射率透镜之间还以一焊料接着。精确地说，本实施例的该第一反射面与该第二反射面在进行接着之前具有一可调间距，而在接着之后具有一可调间隙。因此，本实施例的法布里-珀罗装置的两反射面之间的一可调距离实际上等于该可调间距加上该可调间隙，而通过调整该可调间距可使得本实施例的法布里-珀罗装置补偿通过该法布里-珀罗装置后的一光波分布因该第一反射率及该第二反射率所引起的一半高全宽误差。
本发明的第二实施例中，该第二反射面是一玻璃基板的一表面，该表面上涂布有一第二光学薄膜，该第二反射率由该第二光学薄膜所提供，该玻璃基板固定在一渐变折射率透镜上。另外，该微型反射镜与该渐变折射率透镜之间还以一焊料接着。除此之外，本实施例的其它部分与第一实施例所描述者相同，在此不再赘述。
本发明的第三实施例中，法布里-珀罗装置还包含一渐变折射率透镜，作为一接收器(receiver)，用以接收一通过该法布里-珀罗装置的光。除此之外，本实施例的法布里-珀罗装置的其它部分与本发明第一实施例中或者本发明第二实施例中所描述者相同。
本发明的第四实施例中，法布里-珀罗装置还包含一反射镜或反射棱镜，用以将通过该法布里-珀罗装置的光再次反射回至该法布里-珀罗装置。除此之外，本实施例的法布里-珀罗装置的其它部分与本发明第一实施例中或者本发明第二实施例中所描述者相同。
图1为一示意图，显示现有法布里-珀罗标准具；图2为一示意图，显示光波的频谱特性，其中上横轴表示条纹序数、下横轴表示波长，且纵轴表示能量耗损(db)、左纵轴表示透射率(％)；图3为利用半导体制造技术及微机电系统制造技术所制作的现有法布里-珀罗共振腔的剖面示意图；图4A显示本发明第一实施例的法布里-珀罗装置的剖面示意图；图4B显示本发明第二实施例的法布里-珀罗装置的剖面示意图；图5A显示本发明第三实施例的法布里-珀罗装置的剖面示意图；以及图5B显示本发明第四实施例的法布里-珀罗装置的剖面示意图。
图号说明10法布里-珀罗标准具 11、12平面镜13入射光 14出射光20法布里-珀罗共振腔 21玻璃基板22硅基板 23、24光学薄膜100、200、300、400法布里-珀罗装置101、201 渐变折射率透镜 102、202 光学薄膜110、210 微型反射镜 111、211 光学薄膜121、221 焊料203 玻璃基板301 渐变折射率透镜 401 反射镜具体实施方式
为解决上述现有法布里-珀罗共振腔的无法实现期望半高全宽值的问题，本发明提出一种法布里-珀罗装置，其将一表面上涂布有光学薄膜的平行光输入元件，例如一渐变折射率透镜，当作一第一反射面，而取代现有通过半导体制造技术所制作的反射面；且将通过微机电系统制造技术所形成的反射面当作一第二反射面；如此一来，本发明法布里-珀罗装置中的第一反射面与第二反射面之间的距离便成为可调整的而非固定的。因此，我们可依照渐变折射率透镜上第一反射面与通过微机电系统制造技术所形成的第二反射面上实际所镀上的光学薄膜反射率来调整两反射面之间的距离，以能使制造的法布里-珀罗装置得以实现一期望半高全宽值。以下将参见图4A至图5B，针对本发明各个实施例作详细说明。
第一实施例图4A显示本发明第一实施例的法布里-珀罗装置100的剖面示意图。如图4A所示，本实施例的法布里-珀罗装置100主要包含一渐变折射率透镜101，其上涂布有一光学薄膜102以作为一第一反射面；以及一通过微机电系统制造技术所形成的微型反射镜110，其上涂布有另一光学薄膜111以作为一第二反射面；渐变折射率透镜101与微型反射镜110之间以焊料121接着。在本实施例的法布里-珀罗装置的制作过程中，上述第一反射面及第二反射面被配置成彼此平行相对且具有一间距D1(单位为μm)，且微型反射镜110中的第二反射面具有一可移动间隙为d1(单位为nm)，d1与D1相较之下相当的小，亦即d1＜＜D1。就此而言，在以焊料121进行接着之前，间距D1是可调整的，因此，尽管光学薄膜111及102的实际反射率与设计者所期望的反射率会有公差存在，本实施例的法布里-珀罗装置仍可依照光学薄膜111及102的实际反射率来调整间距D1，而使得本实施例的法布里-珀罗装置在以焊料121接着之后得以实现所期望的半高全宽值。举前述例子而言，当期望反射率R为0.97而实际反射率R为0.96时，则我们便可将间距D1从前述的约30μm(R为0.97的对应值)调整为约20.8μm(R为0.98的对应值)。
此外，本实施例的法布里-珀罗装置以焊料121接着之后，由于微型反射镜110上的第二反射面是一可移动的反射面，因此，我们可利用此一可移动间隙d1来调整光波的过滤效果。然而，需注意的是，由于间隙d1与间距D1相比之下是相当小的，因此，本实施例的法布里-珀罗装置的一可调间距D1与可调间隙d1是完全不同的量。精确地说，本实施例的法布里-珀罗装置的两反射面之间的一可调距离等于D1加上d1。
第二实施例如图4B所示，本发明第二实施例的法布里-珀罗装置200主要包含一渐变折射率透镜201，其上装设有一玻璃基板203，玻璃基板203上涂布有一光学薄膜202以作为一第一反射面；以及一通过微机电系统制造技术所形成的微型反射镜210，其上涂布有另一光学薄膜211以作为一第二反射面；渐变折射率透镜201与微型反射镜210之间以焊料221接着。在本实施例的法布里-珀罗装置的制作过程中，上述第一反射面及第二反射面被配置成彼此平行相对且具有一间距D2，且微型反射镜210中的第二反射面具有一可移动间隙为d2，d2与D2相较之下相当的小，亦即d2＜＜D2。就此而言，在以焊料221进行接着之前，间距D2是可调整的，因此，尽管光学薄膜211及202的实际反射率与设计者所期望的反射率会有公差存在，本实施例的法布里-珀罗装置仍可依照光学薄膜211及202的实际反射率来调整间距D2，而使得本实施例的法布里-珀罗装置在以焊料221接着之后得以实现一期望的半高全宽值。
此外，本实施例的法布里-珀罗装置以焊料121接着之后，由于微型反射镜110上的第二反射面是一可移动的反射面，因此，我们可利用此一可移动间隙d1来调整光波的过滤效果。然而，如上所述，本实施例的法布里-珀罗装置的一可调间距D2与可调间隙d2是完全不同的量。精确地说，本实施例的法布里-珀罗装置的两反射面之间的一可调距离等于D2加上d2。
第三实施例于上述实施例中的法布里-珀罗装置100还可包含一额外的渐变折射率透镜301，而成为如图5A所示的法布里-珀罗装置300。在此情况下，实施例中所包含的渐变折射率透镜301作为一接收器(receiver)，用以接收一通过法布里-珀罗装置100的光波。除此之外，本实施例的法布里-珀罗装置300的其它各部分均与第一实施例相同，在此不再赘述。
同理，本实施例的法布里-珀罗装置300也可由第二实施例中的法布里-珀罗装置200与渐变折射率透镜所构成，除此之外，法布里-珀罗装置300的其它各部分均与第二实施例相同。
第四实施例另外，如图5B所示，当上述第一/第二实施例中的渐变折射率透镜101/201为双向光纤(Dual Fiber)型式时，上述第一/第二实施例中的法布里-珀罗装置100/200还可包含一额外的反射元件401，例如一反射镜或一反射棱镜，而成为如图5B所示的法布里-珀罗装置400。在此情况下，本实施例中所包含的反射元件401用以将一通过法布里-珀罗装置100/200的光波反射回至同一法布里-珀罗装置。除此之外，本实施例的法布里-珀罗装置400的其它各部分均与第一实施例/第二实施例相同，在此不再赘述。
综上，本发明的各个实施例已然详细描述。然而，本领域熟练技术人员应当了解的是，各实施例的描述在此仅为例示性的而不是限制性的，亦即，在不脱离本发明实质精神及范围之内，上面所述及的各项元件的变化例以及修正例均为本发明所涵盖，因此，本发明的保护范围由本发明的权利要求所加以界定。
权利要求
1.一种法布里-珀罗装置，其特征在于该装置具有一法布里-珀罗共振腔，供一光通过，该法布里-珀罗共振腔包含一第一反射面，用以部分反射该光而具有一第一反射率；及一第二反射面，配置成与该第一反射面平行相对，用以部分反射该光而具有一第二反射率；其中该第一反射面与该第二反射面之间的一距离可依该第一反射率及该第二反射率来进行调变，以补偿该第一反射率及该第二反射率对于通过该法布里-珀罗共振腔的该光所造成的一半高全宽误差。
2.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置，其特征在于该第一反射面是通过微机电系统制造技术所制作，该第一反射面上涂布有一第一光学薄膜，该第一反射率由该第一光学薄膜所提供，该第一反射面具有一可微调间隙。
3.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置，其特征在于该第二反射面是一渐变折射率透镜的一表面，该表面上涂布有一第二光学薄膜，该第二反射率由该第二光学薄膜所提供。
4.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置，其特征在于该第二反射面是一玻璃基板的一表面，该表面上涂布有一第二光学薄膜，该第二反射率由该第二光学薄膜所提供，该玻璃基板固定在一渐变折射率透镜上。
5.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置，其特征在于还包含一接收元件，用以接收通过该法布里-珀罗共振腔的该光。
6.如权利要求5所述的法布里-珀罗装置，其特征在于该接收元件是一渐变折射率透镜。
7.如权利要求5所述的法布里-珀罗装置，其特征在于该接收元件是一光电转换的光二极管。
8.如权利要求1所述的法布里-珀罗装置，其特征在于还包含一反射棱镜或一反射镜，用以将通过该法布里-珀罗共振腔的该光反射回至该法布里-珀罗共振腔。
9.一种补偿一半高全宽误差的法布里-珀罗装置的制造方法，其特征在于，包含下列步骤以微机电系统制造技术制作一可动的微型反射镜，且涂布一第一光学薄膜以形成一第一反射面；在一渐变折射率透镜上涂布一第二光学薄膜以形成一第二反射面；在一平台上将该可动微型反射镜与该渐变折射率透镜对准，且将该第一反射面与该第二反射面配置成平行相对；及监测一光线穿透该布里-珀罗后的光谱，调整该第一反射面与该第二反射面之间的一距离，使该半高全宽误差符合公差。
10.如权利要求9所述的补偿一半高全宽误差的法布里-珀罗装置的制造方法，其特征在于在使该半高全宽误差符合公差后还包含一步骤，是以一焊料将该可动微型反射镜及该渐变折射率透镜固定。
全文摘要
本发明公开了一种补偿半高全宽误差的法布里－珀罗(Fabry－Perot)装置及其制造方法，此一法布里－珀罗装置具有一法布里－珀罗共振腔，供一光通过，其包含一第一反射面，用以部分反射该光而具有一第一反射率；及一第二反射面，配置成与该第一反射面平行相对，用以部分反射该光而具有一第二反射率；其中该第一反射面与该第二反射面之间的一距离可依该第一反射率及该第二反射率来进行调变，以补偿该第一反射率及该第二反射率对于通过该法布里－珀罗共振腔的该光所造成的一半高全宽(Full Width at Half Maximum；FWHM)误差。
文档编号H04B10/08GK1494238SQ0214662
公开日2004年5月5日 申请日期2002年10月28日 优先权日2002年10月28日
发明者张绍雄 申请人:台达电子工业股份有限公司