折射率可调的薄膜干涉涂层制造技术

根据本发明专利技术的各个实施例及其各方面，提供了一种包括一个或多个热光可调谐折射率层的动态可调谐薄膜干涉涂层。薄膜干涉涂层中的可调谐层能够成为一种新的薄膜有源器件，用于滤光、光的控制和调制。该有源薄膜结构可以直接用到或集成到各种光子子系统中以制作调谐激光器、用于光纤通信的可调谐增／减滤光片、可调谐偏振器、可调谐色散补偿滤光片和很多其它的器件。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
下面的背景部分讨论三个普通的
， 包括薄膜干涉涂层，薄膜滤光片和半导体的热光特性及其在光子器件中的应用。薄膜干涉涂层薄膜干涉涂层代表光学技术最成熟和应用最广泛的一个方面。一般地，TFIC依赖于一层或多层(多至上百层)薄膜的依次沉积，它具有变化的折射率和其它特性以便在指定的谱段上获得光谱反射和透射、相移或偏振的理想特性。例如，抗反射涂层被用到透镜上已经快有一个世纪了。TFIC的其它应用包括窄带通滤光片、偏振片、彩色滤光片及其它等。现有技术知道，可以把一个极宽范围的光学特性设计成TFIC，给出一个具有不同折射率的起始材料阵列。有许多计算机模拟设计工具，例如通过光谱学的ThinGilm Calc。广泛利用的TFIC的沉积过程包括物理气相沉积法，如溅射或电子束蒸发。虽然TFIC用于整个光学领域，但适应于如波分复用(WDM)光线通讯业需求的TFIC的现代应用已变得非常复杂。现在可以得到利用多谐振器(多至七个或更多)的谐振器设计和具有极为精细的平顶、陡侧特性的上百层的滤光片，能够有很小的WDM通道间距(50GHz或25GHz)。其它的这种滤光片的设计不是为了它们的透射滤光特性，而是为了它们在一个波段范围上的相位延迟特性的光谱分布，提供与高比特率网络有关的精确脉冲弥散或群延迟特性。用作各类窄带滤光片的TFIC将被表示薄膜干涉滤光片、TFIF。在下列参考文献以及众多期刊中可以发现一般的TFIC领域以及尤其是TFIF的现代研究。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. 因为TFIC的性质强烈地依赖于组成膜的折射率，因此很希望开发出用于TFIC的具有可控或可调折射率的“有源”薄膜材料。但是，对这些材料的要求是多方面的并且是严格的。作为有源薄膜的可用候选者，应该在感性趣的波长(例如，接近1.5μm的光线网络通讯波段)处具有极低的吸收损耗和极低的散射，可以通过一些兼容的沉积过程依次直接进行薄膜沉积、与其它具有对比的折射率的钝化膜组合，并且具备一种可以在简单的可制造的物理结构内进行的折射率变化的直接或间接的电学机理。绝对折射率变化范围必须处于百分之几的量级；已知在TFIC的设计中，TFIC设计趋于“谐振”之处在于它包含法布里-珀罗型单谐振腔或多谐振器结构，将各个层中较小的折射率变化(在1％左右)平衡为在某一给定波长处净光学特性(如光透射率)的较大的百分比变化。毋庸置疑，已经证明以适当的特性确认薄膜材料是难以捉摸的，并且在此之前对于可调TFIC还没有成功的技术。要在具有良好光学质量的材料中获得足够大的折射率调节是薄膜领域存在的一个长期难题。较少已知可行的折射率控制材料可以分类为两组。具有较小折射率调幅(在Δn/n＝10-5的量级)的高速材料包括电光材料、压电材料或利用电荷注入的晶体半导体。迄今对可调谐薄膜滤光片的大部分尝试都是基于这种材料。较大但较慢的折射率调幅(Δn/n＝10-2)可以由液晶或热光效应实现。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，在对薄膜干涉涂层的可调谐折射率材料与电光薄膜、压电薄膜以及氧化物热光薄膜比较的回顾中没有发现合适的办法。这些作者提到但尤其否决了热光效应的可能性，引证了主要用在TFIC中的介电薄膜，如五氧化二钽和二氧化硅，它们的热光系数较小。可调谐滤光片可调谐窄带滤光片是上述技术的一个重要的市场分支。因此，对这些滤光片领域进行了大量的研究。对于滤光片在通讯业中的一个典型的需求是在所谓的具有3dB宽度的C带(1528-1561nm)上以10GHz或0.08nm的量级和较低的插入损耗进行调谐。WDM光纤网络的增长提高了对多种网络管理功能的各种波长可调谐光学组件和色散补偿器的要求，其中多种网络管理功能的范围从光源和接收器到动态增益均衡器。需要可调谐光纤扮演几种各异的网络角色，每种都有各异的性能要求。例如，处于网络路径中的可调谐增/减滤光片必须拥有极低的插入损耗和“平顶”通带形状。另一方面，对于滤光片作用于从网络从抽出的光的光学通带监测，通带形状和插入损耗不如迅速调谐、低成本、袖珍器件足印以及集成地可兼容封装成系统模块、如光学放大器重要。甚至两个具有相同的光学和电学特性的滤光片，如果它们的物理尺寸和形状以及制造成本非常不同，也可以找到非常不同的应用。上面已经描述了很多不同的可调谐滤光片，并且如同光学技术中的一般情形，已经提出了各种操作原理。已经知道了具有可比较通带或覆盖较大物理尺寸、形状因子、功耗、复杂性和成本的调谐范围的可调谐滤光片。主要一类可调谐滤光片包括基于光纤或波导的器件。为了特定的目的尤其是在打算将滤光片与模块中的其它组件集成时或在必须非常紧凑时特别希望用第二类扩展束或垂直腔形式的可调谐滤光片。如表I所示，微电机(MEMS)法布里-珀罗是此类开发最广泛的技术，带有半打的商业资源。 表I.扩展束可调谐滤光技术。来自公共资源的性能数据结晶扩展束滤光片的不太常用的方式包括液晶显示器和机械扫描光栅或干涉仪。MEMS法布里-珀罗器件作为一类，趋于拥有较宽的调谐范围，但具有一个重要的限制它们在结构上严格地限制为最简单的单腔标准具(Lorentzian通带)设计。这意味着不能制造更复杂设计的MEMS滤光片，不能为改进的相邻通带抑制或特定群延迟色散或其它要求提供大锥度的裙边。因而它们主要用于光学监视或可调谐激光器的应用，但对于在光路中的网络功能如增/减多分复用这类需要更复杂、平顶、窄裙边带通等只有通过多腔谐振腔才可达到的方面作用很小。在此调查中，造成触动的是广泛使用的静态WDM滤光片技术、薄膜干涉滤光片TFIF，除了机械旋转滤光片的有限应用外没有实际的可调谐对应物。在薄膜技术中，结合多腔的复杂的固定通带TFIF设计是已知的，最希望的是对薄膜涂层的多种设计选择增加可调谐性。半导体的热光用途已知改变光学材料折射率率的一个方法是通过改变它们的温度。热光原理是很有用的，因为虽然在所有的光学材料中都有一定程度的存在，但较显著的效果、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态可调谐薄膜干涉涂层，包括一个或多个具有可热光调谐折射率的层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：劳伦斯多麦施，尤金马，罗伯特穆拉诺，尼库雷尼穆楚克，亚当佩恩，史蒂文谢尔曼，马逖尔斯瓦格纳，吴明，
申请(专利权)人：伊吉斯半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]