專利名稱：波長監控設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在光學通訊系統、光學測量系統及其類似系統中所用的波長監控設備。
在波長分割多路光通訊中，由于要用到人工分離的具有多種波長的光信號，因此需要一種能夠發射多種波長光束的光源。在波長分割多路通訊的最初階段，在波長之間可提供大的波長間隔，如1.3μm至1.55μm。近年來隨著通訊容量的增加，在1.55μm的附近，需要頻率間隔為100GHz(波長間隔約為0.8nm)的波長多路分割和頻率間隔為50GHz(波長間隔約為0.4nm)的波長多路分割，這種波長多路分割的實際應用已有了很大進展。因此，當波長間隔以上述方式減小時，用作光源的半導體激光器的波長穩性就很重要。
由于半導體激光器的振蕩波長受溫度的影響很大，所以一般需要提供波長監控機構。波長監控機構的監控輸出信號被反饋到溫度控制器，從而控制振蕩波長使其保持不變。

圖11示出了使用標準具(Fabry-Perot光學共振器)的波長監控光學系統的一個例子(例如，參看光學技術文獻，卷11，第11期，第1431頁，1999年)。位于中心的半導體激光器(LD)10左側是所謂的前端，其所示為傳輸光信號的光學系統。由LD 10的前端表面所發射的光信號通過透鏡系統80被傳輸到光纖50上以便被傳遞。半導體激光器(LP)10的右側是所謂的后端，其所示為監控LD振蕩波長的一個光學系統。由LD 10后端表面所發射的光束用于監控波長。由LD 10所發射的光束通過校準透鏡82校準為平行光束，由此進入標準具84。通過標準具84所傳送的光束通過聚光透鏡86被聚集到光探測器30上。標準具84的共振器長度被精確地調整使之與所監控的波長相應。當波長波動時，傳輸的光束的數量隨之波動。因此，傳輸光束數量的變化可過光探測器30的輸出波動來探測。光探測器30的輸出信號被反饋到LD 10的溫度控制器(未示出)，從而有可能抑制LD 10的振蕩波長的波動。也可使用具有分光功能或濾光功能的光學裝置代替標準具來探測波長波動。這樣的光學裝置例子有濾光器、光纖-布拉格(Bragg)衍射光柵等。
通過上面的舉例說明，可知背景技術波長監控設備的構成是用來校準從LD發射的光束并使校準的光束通過光學裝置入射到光探測器上的光學系統。在這樣的光學系統中，需要如透鏡等光學部件實現有效的光連接。而且也需要精確的調節。因此，很難減小裝置的整體尺寸。而且，部件的數量增加了。因此，存在的問題是難以克服溫度的振蕩和環境的變化(如震動)而保持穩定性。
本發明波長監控設備包括由周期多層結構制成的光學裝置；光學耦合到周期多層結構的至少一個端面上的光源，所述一個端面不平行于周期多層結構的層面；及光束探測裝置，用于探測從多層結構的至少一個表面上相對于特定波長以特定角度發出的光束，所述一個表面平行于多層結構的層面。
作為由周期多層結構制成的光學裝置的一個實施例，光學裝置由形成在基體上的多層膜制成，對所使用的波長基體是透光的。半導體可用作光源。光探測器可用作光束探測裝置。
在這種情況下，優選的是半導體激光器和光探測器組合在形成有多層膜的基體上。在這種情況下，通過設置在形成有多層膜的基體上的水平差，從半導體激光器發出光束可耦合到多層膜的光入射端面上。此外，光探測器可以設置在形成有多層膜的基體表面的相對面上。
在本發明波長監控設備中，通過用作一維光子晶體的周期多層結構的操作探測到波長的波動作為出射角的變化。由于以波長波動為基礎的出射角的變化很大，例如，與現有技術的衍射光柵或類似裝置相比，儀器的總體尺寸可被減小。此外，由于這樣的周期多層結構一般形成在基體上，該周期多層結構適于將光源和光束探測裝置集成在同一基體上。因此，不需要透鏡等光學部件，因此可提供小尺寸和穩定性好的波長監控設備。
本發明所披露的內容與日本專利申請(申請日為2000年12月25日)所包含的主題相關，在這里將其并入作為一個整體參考。
圖2所示為周期多層結構的基本構成。
圖3所示為入射到同質薄膜層上的光束的反射角。
圖4為周期多層結構中光帶例子的曲線圖。
圖5所示為周期多層結構的第三光帶中導向光和折射光之間的關系。
圖6所示為本發明波長監控設備的一個實施例。
圖7所示為本發明波長監控設備的一種使用模式。
圖8所示為本發明波長監控設備的另一使用模式。
圖9所示為本發明波長監控設備的又一使用模式。
圖10是本發明波長監控設備的又一使用模式的視圖。
圖11所示為現有用來監控半導體激光器波長的儀器構成圖。
在光學功能裝置中，一種光學裝置已經被廣泛地投入實際應用中，其中由每層都具有等于或小于光束波長的厚度的多層薄膜形成并被層壓到諸如石英基體或玻璃基體的基體上的多層膜用作抗反射膜，偏振分離濾光器，波長選擇濾光器，或類似儀器。
在大多數情況下，使用這樣的光學多層薄膜一般都是假設光線穿過設置基體表面上的多層膜的最上層表面到最下層表面。僅在下面的這個例子中，多層膜的端面，即周期性多層結構暴露的表面被用作光入射面或光出射面。
入射到傾斜的多層膜截面上的光束方向上的理論分析已有描述(應用物理B，卷39，第231頁，1986)。雙折射材料的同偏振分離作用可通過利用多層膜的特性(所謂的結構雙折射)得到，其折射率隨TE和TH偏振光有所不同，這已被公開嘗試用于由結構雙折射產生的偏振光束的分離(Optics Letters卷15，第9期，第516頁，1990)。另有報道周期多層膜被認為是一維光子晶體以獲得大的散射(超棱鏡作用)，這是由于第一光帶在帶間隙旁邊成線性(“關于光子和電磁晶體結構的國際專題研究組”技術文摘，F1-3)。
根據基礎研究的成果，本申請的發明者設計出下面的光學裝置。
圖1為根據本發明實施例的光學裝置的典型截面圖。具有周期的多層膜1形成在平行且平坦的透明基體2的表面上，例如，多層膜的結構設置成這樣每層厚度為tA的材料A(折射系數nA)和每層厚度為tB的材料B(折射系數nB)以a＝(tA+tB)為周期交替層壓。
根據發明者的實驗，在端面1a被拋光后，波長為λ的激光束(入射光束)3入射到多層膜1的端面1a時，大部分光束用作多層膜1內部的導向光。而一部分光束用作光束5滲漏到基體2側。滲漏光束5的方向(角θ)相對于波長λ大體不變，因此滲漏光束5形成具有良好方向性的光通量。而且，因為對于不同的λ值，θ值有很大的不同，所以多層膜1可探測到入射光3的波長變化作為角θ的變化并具有高的靈敏度。
下面將對以上所述現象的原理進行簡要的描述。
圖2是作為本發明主題的周期多層結構100的一個例子的透視圖。具有折射系數nA、厚度tA的A材料與具有折射系數nB、厚度tB的B材料在Y方向上以層狀交替層壓。各層之間的分界面和表面100b在(X，Z)平面上相互平行。此時，分界面和面100b通常稱作“層面”。多層結構中的周期a等于(tA+tB)。
當光束入射到周期多層結構100的端面100a(不平行于層面)時，對波長為λ的光束如何在周期多層結構100中傳播進行分析，就可發現在預先設定的條件下周期多層結構100用作所謂的光子晶體，從而顯示出對傳播光的特殊影響。
以下將參照圖3，通過繪圖的方法描述在折射率均勻的兩種介質的分界面上的光折射現象。沿著介質A側分界面附近前進以便與分界面平行的光線RA出射到介質B側作為具有角度θ的折射光RB，所述分界面介于折射系數為nA的介質A和折射系數為nB的介質B(nA＜nB)之間。
分別以nA和nB為半徑的比例畫出兩圓CA和CB可得到角度θ。如圖3所示，繪出圓CA和CB。畫出與光束RA方向相一致的向量作為圓CA的法線。從圓CA上一點畫出與兩圓CA和CB圓心連線平行的直線，可得到與圓CB相交的點。從相交的點上畫一與圓CB相垂直的方向向量，這個方向就是折射光RB的方向。波長為λ的光束在均勻介質A中傳播的時，圓CA對應最基本的光帶。
周期多層結構的光帶圖可以光子晶體理論為基礎計算出來。計算方法在“光子晶體”或類似的文獻中已有詳細的描述。“光子晶體”，普林斯頓大學出版社，1995，物理評論B卷44，16期，8565頁，1991。
假設圖2中的周期多層結構100有一周期結構，它在Y方向(層壓方向)上是無限連續的，在X和Z方向(展開平面的方向)可無限延伸。圖4示出了通過平面波方法相對于多層結構中多種波長TE偏振光的第一光帶、第二光帶、第三光帶的光帶計算結果，其中在多層結構中分別由nA＝1.44(tA＝0.5a)和nB＝2.18(tB＝0.5a)表示的兩種介質層以a為周期進行交替層壓。圖4的每個圖都示出了伯努里區，每個伯努里區代表倒易空間一個周期。豎軸表示Y-軸方向，其中的上下邊界表示從中心起到±π/a的范圍。水平軸表示Z-軸方向(或者X-軸方向)，由于Z-軸方向是沒有周期的方向，所以其沒有邊界。為方便期間，圖4所示每個圖的左右端用于顯示計算的范圍。在每一個伯努里區里，位置是指多層結構中的波向量，曲線是指與入射光(在真空里)波長λ相對應的光帶。順便提一句，圖4中相應于每條曲線的數字是在多層結構中周期與波長的比率值(a/λ)。在周期多層結構的光帶圖中，在a/λ大于某一特定值時出現非連續性(所謂的光子帶隙)。
圖5是第三光帶圖，表明了當波長為λ的入射光3進入周期多層結構時，朝向與多層結構表面相切的Z-軸方向上的導向光和折射光(滲漏光)之間的關系。由于多層結構中的光線可表示為波帶圖中所示的曲線的法線，因此第三光帶中Z-軸方向的導向光可表示為圖5中的3A和3B。根據發明者的研究，導向光3B亮度比3A的亮度大。每一個導向光從多層結構和與多層結構表面相切的介質之間界面射出為折射光。為了射出折射光，有必要使由每一個圓半徑所表示的介質折射系數大于預定的如圖5所示的值。
折射光相對于相應導向光的角度θ基本上保持不變。因此，可預期出射光用作具有很好方向性的光通量。由于θ值隨入射光的波長λ變化很大，所以可得到高分辨能力的波長分離。因此，如圖1所示的多層結構可用作高靈敏度的波長監控設備。
周期多層結構并不局限于圖2所示的使用兩種材料的配置。其也可使用三種或更多種材料。然而，必須層壓這些材料以便各層的折射系數和厚度具有預定的周期。周期多層結構一般由n種材料的壓層構成(這里n是一個正整數)。假設構成一個周期的材料1、材料2、......、和材料n的折射系數分別為n1、n2、......和nn。假設材料1、材料2、......、材料n的厚度分別為t1、t2、......、tn。相對于所使用波長λ，多層結構每一周期的平均折射系數nm定義為nm＝(t1·n1+t2·n2+...+tn·nn)/a其中a為一個周期并由下式給出a＝t1+t2+...+t1n有關多層結構平均折射系數和適于本發明的多層結構周期的條件可由下式給出0.5λ/nm≤a若滿足這個條件，由于a/λ大于在層壓方向和0.5/nm＝a附近形成的波帶隙，所以就能實現光子晶體的作用。若周期a小于上面條件所表示的范圍，多層結構的特性將接近具有平均折射系數的均勻介質的特性。
上面的描述是以下面的事實進行的，當使用周期多層結構，使光束在與結構的周期方向相垂直的方向上入射到結構上時，可以實現波長監控設備的操作。
通過利用上述功能用來監控半導體激光器(LD)波長的儀器配置將在下面進行描述。通過適當的方法，如MOCVD方法或MBE方法，將中心層和包層取向附生在基體上，來產生LD。根據LD的裝置結構，激光可從膜的端面或前表面發射出來。盡管在這里描述了從端面發射激光光束的激光器，但激光器并不限于這種類型。
由LD端面射出的光束具有橢圓形的波束圖。在使用這樣的光束時，光束一般需要用耦合裝置如透鏡進行聚集。可是當這樣的光束被耦合到有波導結構的裝置上時，LD的光出射端面可距裝置的光入射端面足夠近，以致使耦合損失減少到4dB(參看IEICE Trans.電子.，卷.E80-C，第1期，第107頁，1997)。在本發明中，將LD安裝在多層膜附近以便進行光耦合，因此可以省去通過透鏡的聚集光學系統從而減小了儀器的尺寸。當然，從LD出射的光束可由聚光系統如透鏡或類似的裝置進行聚集，使光束入射到多層膜的一個端面上。
信號傳遞光纖，半導體激光器或類似儀器可根據在基體上精確制出的不同導向槽進行整體安裝，從而各部分的光軸無需校準就可相互一致。由于部件數量如此少以致于幾乎不需要調整，所以可穩定和準確的實現波長監控的目的。在這樣的配置中，可以實現具有集成的光信號傳輸光學系統以及波長監控光學系統的緊湊且價廉的LD激光源模塊。
下面將描述特殊構成的例子。
如圖6所示，將硅基體12加工為0.3mm厚，以便在硅基體12上形成用于光纖50的導向槽13、用于安裝LD的凹槽14和用于形成多層膜的平臺15。當將在多層膜形成平臺15上構造多層膜1時，在平臺15和LD安裝凹槽14之間設置水平差16，以便多層膜1的端面1a中心高度與LD活性層的高度相同。
厚度大約為10μm的硅層沉積在平臺部分15內的硅基體12表面上以用作緩沖層。鈦氧化物薄膜(厚度t1＝470nm)和硅薄膜(厚度t2＝470nm)連續排列在緩沖層的表面上形成一個周期。重復這個操作，總共20個周期(40層)。
在這種情況下，由于滲漏光束5是從硅基體12側射出的，所以對目標波長有一定程度敏感的光電二極管30(光子探測器，以下簡稱為“PD”)通過粘結劑或類似物固定在基體12的背面12b上，以便形成一個用來監控波長的光束探測裝置。如圖6所示，PD 30位于滲漏光束以大約75°的出射角θ入射到其上的位置上。而且，波長在1.3μm附近的InGaAsP/InP型LD可用作LD 10。順便說明的是，滲漏光束也可能朝著多層膜1上面的空氣側發出。為了提高基體側滲漏光的強度，可在多層膜1的表面上設置光恢復層17。高反射系數的金屬薄膜或類似物可優選用作光恢復層17。
當LD 10的振蕩波長由于溫度波動或類似的因素而波動時，滲漏光5到達基體12背面的位置也波動。因此，PD 30的輸出電流也有所不同。當監控到電流波動時，LD 10的波長波動也能夠得到監控。
圖7示出了由PD 30探測到的光束強度與入射波長之間的關系。假設波長為λ的光束入射到多層結構1的端面1a上，將會產生有特定出射角的滲漏光束5。PD 30安裝在基體12的背面12b上滲漏光束5到達的位置。當由于某些因素如溫度波動或類似波動導致LD的波長變化為Δλ，來自多層膜1的滲漏光束5的出射角將變化Δθ。為此，有確定光接收表面的PD 30的輸出電流相應于入射光束的數量變化而變化。這時，圖7示出了PD 30的輸出電流和波長λ之間的關系。也就是說，當監測到PD電流波動時，也就監測到了LD 10的波長波動情況。例如，在圖7所示的情況下，當PD的輸出電流增加時，即光束強度增加時，會發現LD10的波長移動到長波長一側。另一方面，當PD輸出電流減小時，會發現LD 10的波長向短波長一側變換。由于基于這樣的信息發現LD 10的波長向短波長一側變化意味著LD 10的溫度降低，用于指示溫度控制器升高溫度的信號可以發送到穩定控制器由此調整LD 10的波長。另一方面，當LD 10的波長向長波長一側變化時，可以執行相反的操作。
而且，如圖8所示，兩個PD 31和32可以相鄰放置。相對于標準波長的兩個PD輸出電流的比率可預先測出。優選比率接近1∶1。因隨波長波動引起比率波動，所以可監測比率。當僅使用一個PD來監測輸出電流的絕對值時，由于另外的因素如溫度波動而非波長波動引起的輸出電流的波動不能被區分出來。當使用兩個PD輸出電流的比率時，溫度波動或類似波動對輸出波動的影響可被消除。
此外，將描述另一個應用的例子。當波長為λ1、λ2、...的光束入射到由多層膜1構成的光學裝置的端面1a上時，就會產生不同出射角的滲漏光束5-1、5-2、...。如圖9所示，多個PD 30-1、30-2、...安裝在基體12背面12b滲漏光到達的位置上。這時，圖9分別示出了三個相鄰接的PD 30-(i-1)、30-(i)和30-(i+1)中每個的輸出電流與波長λ之間的關系。由于波長為λi的滲漏光5-i到達PD 30-i的中心位置，但幾乎沒有入射到PD 30-I相對側的30-(i-1)和30-(i+1)上，因此，在這些PD探測到的光束的強度有明顯的不同。因此，當確定如圖9所示的特定電流水平IT并與每一PD的輸出電流進行比較時，就可探測到預定波長的光束是否到達PD。當然，光電二極管的數量可根據波長的數量增加及光電二極管可以排成陣列，以便可監測多個波長。
由于來自多層膜的滲漏光束有很好的方向性，滲漏光束可到達很窄的范圍。當多層膜的寬度預先設的較窄時，也可預期狹縫效用。
盡管上面的每一個例子是根據由多層膜構成的周期多層結構進行描述的，然而也有可能產生與基體相垂直的周期多層結構并將周期結構應用到如圖10所示的周期多層結構中。這樣的結構可通過微處理技術進行生產。下面將描述一種特殊的方法。
在硅基體22上敷上光保護層并使用光掩模，從而多個具有所希望的厚度和間隔的條狀圖案暴露在光束中并顯影。用光阻圖案掩模的硅基體22可用適當的蝕刻溶液進行蝕刻，從而形成與基體22垂直的由硅層和空氣層所構成的周期多層結構20。LD 10安裝在基體22上，使出射光束能夠耦合到周期多層結構20的端面20a上。用來將光纖50固定到預定位置上的凹槽13和用作定位LD 10的導向件(未示出)可形成在基體的上面或里面。
當從LD 10出射的光束入射到周期多層結構20的端面20a上時，可得到以特定角度θ發射到周期多層結構20的面20b上的、方向與基體22平行的光束(滲漏光)25。PD 40安裝在預定波長出射光出射的方向上。優選的PD 40為波導類型。多數PD可根據目的安裝，這類似于多層膜的情形。可以生產用來確定PD 40位置的導向器，這類似于LD的情形。而且，用來聚集滲漏光的透鏡可生產在同一基體上。在這樣的配置中，由于出射光25平行于基體22，所有的裝置可集成在同一基體上，因而可進一步減小裝置的尺寸。
如上所述，根據本發明，利用來自周期多層膜的滲漏光的良好方向性和滲漏光的方向性具有很強的波長依賴性這一事實，在不增加設備尺寸的情況下，可以獲得對波長敏感的波長監控設備。由于這樣的多層膜可利用現有技術進行相對廉價的大量生產，所以可使這些光學裝置的價格降低。此外，利用微處理技術可形成更緊湊的裝置。
權利要求
1.一種波長監控設備，其包括由周期多層結構制成的光學裝置；與所述周期多層結構的至少一個端面光學耦合的光源，所述一個端面與所述周期多層結構的層面不平行；和光束探測裝置，其用來探測相對于特定波長以特定角度從所述周期多層結構的至少一個端面出射的光束，所述一個端面與所述周期多層結構的所述層面平行。
2.根據權力要求1所述的波長監控設備，其特征在于所述光學裝置由形成在基體上的多層膜制成，所述基體可透過所使用的波長。
3.根據權力要求1所述的波長監控設備，其特征在于所述光學裝置由周期多層結構制成，所述周期多層結構具有垂直于基體表面的層面。
4.根據權力要求1所述的波長監控設備，其特征在于所述光源由半導體激光器構成。
5.根據權力要求1所述的波長監控設備，其特征在于所述光束探測裝置由至少一個光探測器構成。
6.根據權力要求2所述的波長監控設備，其特征在于所述光學裝置、半導體激光器和光探測器安裝在同一基體上。
7.根據權力要求6所述的波長監控設備，其特征在于通過在所述基體上設置水平差，使從半導體激光器發出的光束耦合到所述多層膜的光入射端面上，其中所述多層膜形成在所述基體上。
8.根據權力要求6所述的波長監控設備，其特征在于所述光探測器設置在與所述基體表面相對的表面上，其中所述多層膜形成在所述基體上。
9.根據權力要求3所述的波長監控設備，其特征在于所述光學裝置、半導體激光器和光探測器安裝在同一個基體上。
10.一種波長監控設備，其包括具有周期多層結構的光學裝置，所述周期多層結構至少限定了第一表面和第二表面，所述第一表面基本上垂直于周期多層結構的層面而所述第二表面基本上平行于周期多層結構的層面；面對所述第一表面的半導體激光器；和面對所述第二表面的光探測器。
11.根據權利要求10所述的波長監控設備，其還包括支撐所述光學裝置、半導體激光器和光探測器的共同基體。
12.根據權利要求11所述的波長監控設備，其特征在于所述基體是透明的，并與所述周期多層結構的第二表面相接觸。
13.根據權利要求11所述的波長監控設備，其特征在于所述基體與所述周期多層結構第一和第二表面以外的表面相接觸。
全文摘要
本發明公開一種波長監控設備,其包括:由周期多層結構制成的光學裝置;光學耦合到多層結構的至少一個端面上的光源,該一個端面不平行于多層結構的層面;光束探測裝置,用于探測從多層結構的至少一個表面上相對于特定波長以特定角度發射的光束,所述表面平行于多層結構的層面。
文檔編號G01J9/00GK1361608SQ01144939
公開日2002年7月31日 申請日期2001年12月24日 優先權日2000年12月25日
發明者橘高重雄, 小山正, 佐佐木康二 申請人:日本板硝子株式會社