專利名稱：改進的階梯式標準具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及改進的多波長階梯式標準具。
在許多應用中，需要精確地確定入射到合適檢測器上的光波長。一種廣泛使用的檢測器類型包括濾波特定光頻率的標準具。標準具是一種干涉型濾波器，其中發(fā)射光的強度與它的波長有關。在常規(guī)的設計中，標準具包含兩個相距為d部分反射的平行表面，且這兩個平行表面被折射率為r的材料分隔開。當波長為λ的準直光傳播通過標準具時，一些光從這兩個表面反射。多次反射的光束互相之間干涉，或相長干涉或相消干涉，因此，改變了傳播通過該標準具的總光強。當這兩個反射表面之間距離的兩倍等于標準具中波長λ的整數(shù)倍時，發(fā)生最大的透射。換句話說，2d*r/λ=x，其中x是整數(shù)。
通常，需要有這樣的一種傳感器，它同時對入射光中幾個不同的頻率靈敏，并能夠鑒別這些頻率。這種傳感器在光譜分析中是特別有用的。雖然在光譜分析中可以利用幾個分離的標準具，但是在某些實施方案中，就需要使用階梯式標準具。在這個裝置中，標準具的一個或兩個有效面是階梯式的，所以，標準具上每個階梯給出不同厚度的區(qū)域。通過正確地調整這個厚度，每個階梯可以配置成傳播通過不同頻率的光。這種類型的階梯式光譜標準具裝置在Yokota等人的美國專利No.4,822,998和Vincent的美國專利No.5,144,498中給以說明。
新開發(fā)的應用要求特殊結構的階梯式標準具以調諧激光器的輸出頻率。特別是在光纖通信中，需要精確地調諧通信激光器以允許相鄰的傳輸信道緊密排列，波長間隔通常只有0.4納米或更小。對于這種緊密排列的信道，必須調諧激光器的波長到精度為+/-0.1納米或更小的指定信道上。雖然在調諧這種激光器時只需要檢測單個光波長，但是在這樣的高精度下，溫度變化導致標準具厚度的變化和光入射到標準具表面的入射角偏離法線的微小變化可以使光傳遞函數(shù)的變化達到不可接受的程度。
根據(jù)這個新的應用，可以這樣選取標準具的標稱厚度，使該標準具濾波器的周期性大致與數(shù)據(jù)通信信道間隔的周期性匹配，即，對于信道間隔大致為0.4nm的系統(tǒng)是1500.12nm,1500.52nm。兩個或多個階梯形成在標準具的一側面上。選取階梯大小為信道間隔的幾分之一，即0.1nm的數(shù)量級，而且是基本上優(yōu)化的，一個階梯區(qū)域中傳輸曲線的峰或谷與其他一個或多個階梯的傳輸曲線陡峭部分相重疊。按照這種方式，當標準具中的溫度變化使一個階梯的傳輸曲線移到所需的范圍之外時，第二個階梯的傳輸曲線被移到所需的頻率。根據(jù)測得的溫度和標準具定標信息選取特定的階梯，且測量通過選取的標準具階梯發(fā)射的激光器光強，提供一個可用于調整激光器輸出波長的反饋信號。類似地，可以選取不同的階梯以補償光入射到標準具上的入射角容差。
參照

圖1a和1b，在這階梯式標準具結構的兩個視圖中，階梯式標準具10有兩個部分反射的涂層11a和11b，該標準具放置在正確配置的光電檢測器陣列14a和14b的附近，其中每個檢測器與對應的標準具階梯平臺12a和12b對齊。當光束16被引導到標準具10上時，歸屬于每個檢測器14a和14b的輸出光強表示傳播通過對應階梯區(qū)域中標準具的光強，從而提供一個入射光強度的量度，其特定的頻率是由該區(qū)域中標準具的厚度確定的。
常規(guī)的階梯式標準具中一個嚴重缺點是相鄰階梯平臺之間的陡峭轉變造成的干涉。在沒有階梯時，傳播通過標準具的準直光束內的強度具有與入射光束相同的強度分布，通常為圖1c所示的高斯曲線形狀。然而，當存在陡峭的階梯時，入射的共振光被階梯壁18衍射，產生沿z軸方向(垂直于階梯邊緣)發(fā)射光束內的干涉。形成的干涉條紋圖在圖1d中表示。衍射的結果是，在階梯的附近，光的角色散很大，它降低傳輸函數(shù)的質量，導致減小的信號幅度，增寬的峰值，以及區(qū)分輸入光中頻率微小變化的能力下降。
這種波長鑒別能力的下降在具有兩個階梯的標準具的圖1e中給以說明。曲線A1-A5是在第一階梯A上測得的，而曲線B1-B5是在第二階梯B上測得的。曲線A1和B1代表距離階梯壁的兩個位置。余下的曲線A2-A5和曲線B2-B5是在逐漸接近于階梯壁的各個位置上測得的結果。輸入信號是由溫度調諧的激光器提供的，所以，溫度的增高代表輸入信號波長的增大。如圖所示，接近于階梯轉變區(qū)的曲線峰和谷比遠離階梯轉變區(qū)的曲線峰和谷較低和較不明確，它說明，越接近于階梯轉變區(qū)，鑒別兩個互相靠近的波長就越困難。
干涉以及與陡峭階梯相關的標準具總體質量下降的效應在階梯邊緣附近的后方產生一個“死斑”，其中準確的強度讀出受到破壞。因此，在標準具中某些部分因發(fā)射光束質量的下降而不可以放置檢測器。
例如，采用厚度約為2mm和階梯高度約為0.2μm標準具的實驗結果在該階梯的正后方顯現(xiàn)出一個大約600至800μm寬的“死斑”。由于寬度為0.5至5.0mm之間的輸入光束是常見的，發(fā)射光束中的很大部分沒有高質量的標準具傳輸特性，因此，這部分光束不適用于檢測。這就減小了有效的測量光功率和降低單每個檢測器的功率。由于在可靠的測量中要求最小的信噪比，因此，降低單個檢測器的功率可以使檢測器的精度和設備的穩(wěn)定性下降，設備穩(wěn)定性是根據(jù)標準具的測量結果進行調整的。干涉還限制給定尺寸的標準具上可能有的階梯數(shù)。
雖然可以增大標準具的尺寸以提供遠離邊緣每個階梯平臺內較大的區(qū)域，這往往是一個不恰當?shù)慕鉀Q辦法。第一，檢測器陣列通常形成在集成電路上，而集成電路在沒有大量增加制造成本的條件下是不容易增大尺寸的。第二，輸入光束本身的寬度可能是不變的，而增大標準具的寬度會帶來把光束引導到標準具所需部位的附加問題。
按照本發(fā)明，在相鄰的階梯平臺之間形成一個有非平面壁形式轉變區(qū)的階梯式標準具，它安排成相鄰平臺之間轉變區(qū)各點在沿著標準具橫軸的方向上橫向變化。具體地說，階梯壁是曲線狀，波狀，或其他各種的階梯壁，因此，從一個平臺高度到另一個平臺高度的轉變區(qū)中階梯表面的平均高度不是陡峭地變化的，相反，而是按照特定的階梯壁形狀逐漸地變化的。在另一個實施例中，利用灰度等級或半色調圖案形成階梯轉變區(qū)，其中平均高度在橫跨轉變區(qū)上是逐漸地變化的。雖然改進的階梯仍然產生局部干涉，但是變化的階梯壁形狀產生變化的干涉圖形，在遠離標準具進行測量時，這些干涉圖形與平坦壁情況下干涉圖形比較有較小的相長組合，且可能有利地產生相消組合以減小凈干涉效應。利用常規(guī)的加工技術且不需要附加的處理步驟，可以容易地制造按照本發(fā)明的標準具。
根據(jù)以下本發(fā)明典型實施例的詳細描述和附圖，可以更容易了解本發(fā)明的以上和其他特征，其中圖1a是常規(guī)的階梯式標準具的側視圖；圖1b是圖1a中標準具的透視圖；圖1c是非階梯式標準具透射的光束強度曲線；圖1d是階梯式標準具透射并傳播通過階梯轉變區(qū)的光束強度曲線；圖1e是階梯式標準具透射和在離階梯不同橫向位置測量的光束強度曲線；圖2a是按照本發(fā)明第一個實施例的階梯式標準具的透視圖；圖2b是圖2a中標準具的頂視圖；圖3-5是圖2a中有各種壁結構的標準具的頂視圖；和圖6a-6c是按照本發(fā)明第二個實施例的階梯式標準具的頂視圖。
參照圖2a和2b，此處展示按照本發(fā)明的階梯式標準具20。標準具20是由主體22構成，主體22有第一基本平坦的側面24和相對的階梯式第二側面26。這兩個側面都覆蓋著部分發(fā)射的表面(未畫出)，且該主體是用諸如SiO2的材料構成，它至少在預定的波長范圍內是透明的。
階梯式側面26有第一階梯平臺28和第二階梯平臺30，這兩個平臺被非平面的壁32分隔開。平臺28和30基本上是平坦的，且平行于第一側面24，這兩個平臺與第一側面之間的距離分別為第一距離d1和第一距離d2。壁32在標準具20上沿著x軸方向橫向延伸，且在轉變區(qū)34內沿著z軸方向有橫向變化的轉變點(即，落差點)，產生“波狀”或其他曲線狀的階梯壁。
波狀的階梯壁32破壞常規(guī)直壁中出現(xiàn)的相干衍射圖，在離標準具一段距離觀察時，減小了階梯造成的凈干涉效應。換句話說，在一段距離之外觀察時，兩個平臺28與30之間的轉變區(qū)不如直壁那樣陡峭，相反，從第一側面24到第二側面26的平均距離在橫跨轉變區(qū)上平均說來是逐漸變化的，其中具體的平均高度與階梯壁32的特定形狀有關。在圖2a和2b中，兩個平臺28與30之間的轉變點沿三角形或鋸齒狀曲線變化。在階梯高度d1-d2約為170±15nm的特定標準具實施例中，我們發(fā)現(xiàn)，幅度在100μm與300μm之間且周期約為100μm的鋸齒狀曲線可以減小階梯轉變造成的凈干涉效應。當然，本領域專業(yè)人員清楚地知道，也可以利用其他尺度的標準具。
還可以采用其他各種各樣的階梯壁形狀。圖3表示光滑的振蕩曲線36，它可以是正弦曲線或其他形狀的曲線。在一個實施例中，曲線是按照沿橫向位置的正弦曲線平方變化的。對于階梯高度為170±15nm的標準具例子，最佳的階梯壁是沿z≈A*sin2(πx/(0.20+0.20x))變化的，其中A是曲線的幅度，且最好是在100μm與300μm之間。
圖4表示沿方波曲線變化的階梯壁。在一個優(yōu)選的標準具結構例子中，這個方波的周期約為10μm，而幅度在100μm與300μm之間。或者，如圖5所示，曲線還可以是周期或幅度或二者按照大致隨機的方式變化。還可以采用其他的壁邊界以破壞干涉圖形，例如，各種不同的碎片狀或類似碎片狀曲線(未畫出)。
按照本發(fā)明的第二個實施例，如圖6a所示，轉變區(qū)是由多個凸塊40和多個區(qū)域41構成的，凸塊40的表面在第二平臺30之上，且最好與第一平臺28有大致相同的高度，而區(qū)域41的表面與第二平臺30有大致相同的高度。為了便于說明，可以把凸塊40考慮成類似于網格42上的像素，如圖6a所示覆蓋在標準具20的上面。凸塊40是這樣安排的，轉變區(qū)中產生的平均高度是在第一距離與第二距離之間。通過有選擇地刻蝕標準具的表面26，可以容易地制造這種結構以建立第二平臺30和區(qū)域41，這種刻蝕方法是受沉積在轉變區(qū)中光刻膠的控制，它類似于灰度等級或半色調技術的方法。
在一個優(yōu)選實施例中，凸塊40是這樣安排的，凸塊“像素”40覆蓋的總面積在從第一平臺28邊界44到第二平臺30邊界46的轉變區(qū)是沿橫向(沿z軸方向)減小。綜合的結果是圖6a中所示兩個平臺28與30之間的“模糊”轉變。應當注意，轉變區(qū)34的兩條邊界44和46不必是直線的，相反，它可以按照類似于圖2-5所示轉變區(qū)中壁的邊界進行變化。圖6c表示隨機曲線邊界44的灰度等級轉變。其他的變化也是可能的。雖然畫出的是方形凸塊像素40，但是這些像素可以有任何的形狀，這種形狀在各個凸塊像素40上可以變化。
雖然本發(fā)明的具體描述是參照其幾個優(yōu)選實施例，但是本領域專業(yè)人員明白，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的條件下，可以對其中的形式和細節(jié)作各種變化。例如，按照本發(fā)明的階梯可以形成在標準具的兩個側面。
權利要求
1．一種階梯式標準具，包括一個主體，它有第一側面和相對的第二側面，該主體至少在預定的波長范圍內是透明的；第一側面，它有基本平坦的表面；第二側面，它有大致平行于第一側面的第一平臺，第二平臺，和第一平臺與第二平臺之間的轉變區(qū)，第一平臺與第一側面之間有第一距離，第二平臺與第一側面之間有第二距離，轉變區(qū)包括沿橫軸橫向變化的各個轉變點構成的壁。
2．按照權利要求1的標準具，其中該壁大致垂直于第一平臺和第二平臺。
3．按照權利要求1的標準具，其中各個轉變點沿著一條周期曲線排列。
4．按照權利要求3的標準具，其中該曲線是鋸齒狀曲線。
5．按照權利要求3的標準具，其中該曲線是方波狀曲線。
6．按照權利要求3的標準具，其中該曲線按照橫向位置的正弦平方變化。
7．按照權利要求1的標準具，其中各個轉變點沿著這樣一條曲線排列，該曲線至少有大致隨機的周期和大致隨機的幅度之一。
8．一種階梯式標準具，包括一個主體，它有第一側面和相對的第二側面，該主體至少在預定的波長范圍內是透明的；第一側面，它有基本平坦的表面；第二側面，它有平行于第一側面的第一平臺，平行于第一側面的第二平臺，和第一平臺與第二平臺之間的轉變區(qū)，第一平臺與第一側面之間有第一距離，第二平臺與第一側面之間有第二距離；該轉變區(qū)包括多個凸塊，其表面與第一側面的之間距離大于第二距離；多個區(qū)域，其表面與第一側面的之間距離大致等于第二距離。
9．按照權利要求8的標準具，其中第一多個凸塊表面大致等于與第一側面之間的第一距離。
10．按照權利要求8的標準具，其中多個凸塊表面與第一側面之間距離和多個區(qū)域表面與第一側面之間距離的平均值是在第一距離與第二距離之間。
11．按照權利要求8的標準具，其中覆蓋著多個凸塊表面的轉變區(qū)中總面積在橫跨從相鄰于第一平臺的轉變區(qū)第一邊界到相鄰于第二平臺的轉變區(qū)第二邊界的轉變區(qū)上是橫向減小的。
12．按照權利要求11的標準具，其中第一邊界是直線邊界。
全文摘要
一種改進的階梯式標準具包括有階梯式表面的透明主體。各個相鄰階梯式平臺之間是被轉變區(qū)分開,該轉變區(qū)包括曲線狀,波狀,或其他各種的階梯壁,從一個平臺高度到另一個平臺高度的轉變區(qū)內的階梯式表面平均高度不是陡峭地變化的,相反,而是按照特定的階梯壁形狀逐漸地變化的。在另一個實施例中,利用灰度等級或半色調圖案形成階梯轉變區(qū),其中平均高度在橫跨轉變區(qū)上是逐漸地變化的。
文檔編號G01J3/26GK1309285SQ0012618
公開日2001年8月22日 申請日期2000年8月31日 優(yōu)先權日1999年9月1日
發(fā)明者斯蒂芬·奧布萊恩 申請人:朗迅科技公司