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【技術領域】 本案係為提供 隅鏡面陣列之可調 一種可調變雷射系統，尤指一種應用角 變雷射系統。 【先前技術】 MEMSr^18Vi^r~eieCtr〇meChaniCal SYStem 5 件或系二:受重㉟；其係為整合性的微元 〜柄更進一步地說’其包含了利用丨C相容批二欠 加工技術製造的電子和機械灾件· 尺寸小至微米，最大亦米成的兀件或系統之 廉的統體功；性強大以及成本低 峰％·疋半導體、電子、機械、通訊、 產口 + :產業都對其投以大量的研究經f ;而相關 亦：繼速度tf、光通訊開關以及生物感測器等產品 自從第一部紅寶石雷射在1 960年問世之後，氣體雷射 S疋半導體雷射便相繼出現並快速的發展。其中，可調波 =:在*纖通訊、* t料處s m乡;皮長干 領 域中皆有廣泛的應用，其中光栅式外腔可調變雷射 、 (Grating-feedback External Cavity Tunnable I^seO X其所具有的優點：波長可調範圍大、訊號頻寬 =驅冑、製作成本低、操作簡易，而在近幾年中吸引 ί各界的注意。 為因應通信技術的蓬勃發展以及才目關產業的激烈競
I227582 五、發明說明⑵ 爭’光纖通訊勢必將山 幹線網路，逐漸㈣^見有的長距電信網路以及有線電視 路蠕之上。因為朵Έ 離的區域資訊網路以及用戶迴 上具有決定性的動元件與模擬技術在光通訊產業 主動元件的功效而‘力因1匕各大繼不朝著提昇光通訊 件中的必要組件，因f於可調變雷射為光通訊主動元 究主軸。 此如何改良可調變雷射乃為目前的研 羅型外腔，可，變半導體雷射系統可簡單分為力特 type)以及法布里-派、、各二\入射型(Grazing incident 特羅型雷射系統之光柵：二ΓΥ;Ρ;Τ t广）’其中力 條紋數較少，因此解：力。構所使用的光栅 小二幻X + 叙較削角入射型雷射系統為 +。Γ:射系統因其入射光對於内部之光柵而 5 ，係為一斜向入射，因此解析度（受入射光對於該光柵 的入射角所影響）較力特羅型雷射系統為外： ，射型雷射系統常具有一全反射鏡、一透鏡以及丨型：是角v 板的：計，”等設計’削角入射型雷射系統便可利 用你“周角度的方式來控制輸出光的波長 制（藉控m型與V型撞板遮蔽部分之全反射鏡）= 射系統的結構變得複#。另夕卜，法布里一派洛型雷射^ 所利用的調變設計乃有別於前述利用光柵分光來達到輸出 光波長的選定，其係在雷射二極體的一側面上先鍍一反抗 層，再將-反射鏡置入此雷射系統，使得該反射鏡與此雷 射系統不具有反抗層之側面形成一新共振腔，藉由微調該 1227582 五、發明說明（3) 二射鏡而改變共，腔長度，進以達 的。此設計雖可克服輸出光波長僅文輪出波長之目 作成本與結構複雜度卻都是三者之最早—的問題，但其製 由於削角入射型外腔式可調=. 力特羅型，而控制又較法布里_派洛胃射糸^統的解析度高於 角入射型外腔式可調變雷射系 ·'、、簡便，因此，削 然而，在傳統的削角入射型外腔j f當前發展的主軸。 了達到可調變波長的功效，雷射 j變雷射系統中，為 遮光功效的光學元件，如前述W構中將需要有可 得整個雷射系統的組織變得複雜而或是V型板，此將使 輕、巧的趨勢；因此，如何在不影變於當前一切講究 原則下將系統架構得更加精簡儼麸I = f _變波長功效的 外腔式可調變雷射系統應用範圍的2為提升削角入射型 使入射光可與原路徑平行而反射，二。然而，目前為了 為二個由一垂直鏡面與一水平鏡面使用的反射鏡多 ?前在市面上所可購得的反射鏡面組：2組合，然而， 入水平鏡面的夾角精度都在9〇Q+〇 σ強调其垂直鏡面 0玄08〇)在一切講究精與巧的微機 域：此誤差範圍(土 率的一大限制因子，故，如何提^或無疑是影響儀器效 半導體雷射系統的一大研究主題。、兄面組合的垂直度亦是 由上述内容可知，如何牟爐— =同時達成提高解析度:、簡：系：：：可；變雷射系 然已成為當前最重要的研究及降低成等等之目的： 第9頁 1227582 五、發明說明（4) 職是之故，申請人鑑於習知技術之缺失，乃經悉心試 驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終研發出本案之「微 機電角隅鏡面陣列元件之外腔式可調變雷射系統」。 【内容】 本發明提供了 一種鏡面結構，其含有一第一鏡面、一 墊片，以及一第二鏡面。其中該墊片係具有一第一接合面 與一第二接合面，其中該第一接合面係與該第一鏡面相 接；第二接合面係與該第二鏡面相接，而該第二鏡面係與 該第一鏡面近乎垂直配置。 根據上述構想，其中該第一鏡面係為一第一晶格面。 根據上述構想’其中該弟一晶格面係為紗晶圓之晶格 面0 根據上述構想，其中該第二鏡面係為一第二晶格面。 根據上述構想，其中該第二晶格面係為矽晶圓之晶格 面。 根據上述構想，其中該墊片的之厚度係由該第一鏡面 之延伸線與該第二鏡面之延伸線間的夾角所決定。 本發明之另一目的在於提供一種角隅鏡面結構，其包 含：一第一鏡面、一旋轉樑、一墊片以及一第二鏡面。其 中該旋轉樑位於該第一鏡面之一側；該墊片用以連接該第 一鏡面與該第二鏡面，且該第二鏡面係與該第一鏡面以近 乎垂直的方式進行配置。 根據上述構想，其中該旋轉樑係用以供作為該第一鏡
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>根據上述構想，其中該墊片之厚度係藉該 第二鏡面之夾角而定。 五、發明說明（5) 面之一轉動軸 該 鏡面與 根據上述構想’其中該第一鏡面係為一第一曰 根據上述構想，其中該第二鏡面係為一第二曰9七面 根據上述構想，其中該第一鏡面更盥一=曰曰格面。 組合。 上電極形成一 根據上述構想，其中該角隅鏡面結構更可包八一 “ 極，係用以與該上電極搭配而控制該第一鏡面^二;下電 根據上述構想’其中該上電極與該旋轉樑相接。 本發明之另一目的在於提供一種角隅鏡面陣列，置勺 含一第一鏡面陣列、一第一電極陣列、一墊片組以及二= 二鏡面陣列。其中該第一電極陣列係與該第一鏡面 f 連；該墊片組中的每一墊片都具有一第一接合面與一 2 接合面，分別用以與該第一鏡面陣列與該第二鏡面陣 ^ 連接’且该第二鏡面陣列係與該第一鏡面陣列以近 的方式進行配置。 p 根據上述構想，其中該第二鏡面陣列為一 面陣列。 工直方向鏡 根據上述構想，其中該第一鏡面陣列為一水平方向鏡 面陣列。 根據上述構想，其中該第一鏡面陣列更包含一第二 極陣列。 一電 根據上述構想，其中該第一鏡面陣列係包含複數個第
1227582 五、發明說明（6) 一鏡面0 根據上述構相，i> 旋轉樑。述構心其中母一該複數個第一鏡面各具有一 祀據上述構想’盆中告 根據上述構想 二鏡面。 陣列間存有-作用力時，：;固；；陣列與該第二電極 而以該旋轉樑為軸而轉動。弟—鏡面可因應該作用力 其中該第二鏡面陣列係包含複數個第 根據上述構想 格面。 其中該第一鏡面與該第二鏡面皆為晶 其中該晶格面為石夕晶格面。 其中該塾片組係具有複數個墊片。 其中該複數個第一鏡面與該複數個該 個墊片而相接。 其中該複數個墊片的厚度係由該第— 面陣列之夾角所決定。 根據上述構想， 根據上述構想， 根據上述構想， 第一鏡面係藉該複數 根據上述構想， 鏡面陣列與該第二鏡 人本發明的另一目的在於提供一種可調變雷射系統，其 包含光源、光柵、角隅鏡面陣列、以及接收器；其中該光 源係發射出一光束；該光柵乃設於該光源前方，以便反射 5亥光束而生成一第一反射光束；該角隅鏡面陣列則是設於 该光栅前方以承接該第一反射光束並產生一第二反射光 束；而該接收器係用以接收一第三反射光束。其中，該光 柵亦將該第二反射光束反射成該第三反射光束。 根據上述構想，其中該角隅鏡面陣列上具有複數個角
第12頁 1227582 五、發明說明（7) 隅鏡面。 根據上述構想 一第一鏡面、一第 根據上述構想 面與該第二鏡面， 酉己置。 根據上述構想 該旋轉樑為軸作旋 徑與波長範圍。 根據上述構想 置。 根據上述構想 根據上述構想，其 面陣列之間。 根據上述構想 ，光束發散成複數個 根據上述構想 根據上述構想 根據上述構想 同光波長的該第一 根據上述構想 根據上述構想 鏡。 根據上述構想 ’其中每一個該複數個 二鏡面、一墊片與一旋 ’其中該墊片係用以分 以便該第一鏡面與該第二 該第一鏡面可因 而連帶改變該第 角隅鏡面係包含 轉樑。 別承接該第一鏡 鏡面近乎垂直 應一作用力而以 二反射光束的路 ’该可調變雷射系統更包含一發散裝 ’其中該發散裝置係為 中該發散裝置係設於該 一凹透鏡。 光柵與該角隅鏡 該發散裝置係用以將該第一反射 該光源為一雷射 該雷射為一二極 該光柵係將該& 束。 該接收器係為— 該第二透鏡係為 體雷射。 束反射成具有不 第二透鏡。 一漸變折射率透 ’其中該第二透鏡係將該第三反射光折 第13頁 ---^--- 1227582 五、發明說明（8) 射成一折射光束。 根據上述構想 以傳遞該折射光束 其中該雷射系統更包含一光纖，係用 【實施方法】 本案之角隅鏡面陣列元件之外腔式可調變雷射系統之 結構’將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，並使得 热習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施型態並 不限制於下列實施例中。 就自由空間（free space)的微光學元件而言，若’要達 到光路沿與原路徑平行但反向的方式來回饋 (feedback)，通常可借下列三種元件以達成，即微鏡面 (micro mirror)、微角隅鏡面（micro corner mirror)或 是微角隅立方（micro corner cube)，其分別如第一圖 (A)〜（C)所示。其中，就第一圖（A)所示的微鏡面 而言，當入射光之方向與微鏡面的法線方向重疊時，光線 在反射後方可沿著與原路徑平行但是反向的方式來回饋， 惟在實際應用時，多需要搭配一致動器以便調整微鏡面， 進以使其之法線方向可與入射光重合而達到光學校準之目 的。而就第一圖（C)所示之角隅立方鏡面（corner cube mirror)而言，理論上，當光入射角隅立方鏡面的任一反 射面時，其反射光必定以平行原入射方向但反向的方式射
第14頁 1227582 五、發明說明（9) 出’若雷射光之光點大小與角隅立方鏡面之開口尺寸相近 時’即可視為反射光沿原入射路徑反向射出，同時並實現 了光回饋的功能；其在製程中多利用MEMS的體型微細加工 (bulk micromachining)之方式分開製作角隅立方鏡面 的二個反射鏡面，再以卡隼之方式將三面結合，惟以卡隼 方式進行結合並無法完全確定該等反射鏡面間的垂直度。 而就第一圖（B)所示的角隅鏡面而言，其與角隅立方鏡 面相同’在理論上，當光入射角隅鏡面的任一反射面時， 其反射光必定以以平行原入射方向但反向的方式射出，若 光點大小與角隅鏡面之開口尺寸相近時， =入射路徑反向射出；若經控制而破壞兩反射面的垂直 ΐ : : 壞光的反射路徑，進以達到選取特定反射光的功 取，:/安少设计的稷雜度並達輕易控制反射光波長的選 削角入身;H11 #方式將微角隅鏡面陣列架設於於 雷射系統中。在本案所架設的雷 來達成調整輸出波長的關性;也決定光回饋 旋轉樑的設計來提昇角隅鏡文二垂=出-個透過塾片與 °，。，該誤1市(：所:隅鏡面的垂直度標準為90。土 ;:r…組裝儀 =決具有顯著影響，但在微機電 請參考第二圖（Α)〜⑴’係為本案之較佳實施例 第15頁 1227582 五、發明說明（10) 之 角隅鏡面組合不思圖，其係透過^一塾片的設計來提昇 鏡面組合的垂直度；又，該角隅鏡面i具有水平鏡面u、 墊片1 2、垂直鏡面1 3、旋轉樑1 4以及接合膠1 5，其中該水 平鏡面11與垂直鏡面1 3皆為矽晶格面，接合膠丨5則使用 BCB (BenzoCycloButene ) —4022，而墊片 12 則分別具有第 一接合面121與第二接合面12 2。當垂直鏡面13與水平鏡面 11接合時，利用垂直鏡面1 3擠壓墊片丨2而造成水平鏡面J j 旋轉樑1 4為軸而旋轉，進而修正了水平鏡面丨丨與垂直鏡面 1 3間的垂直度，換句話說，本發明在組裝角隅鏡面^時即 =完成了垂直度的修正。更進一步地說，由於組裝儀器隨 著使用時間的增加會有一定的耗損，而且儀器本身在製作 過程的品質管制不一，故，所組裝出的角隅鏡面垂直度便 存有一定程度的誤差。再者，角隅鏡面所使用的反射鏡面 、（不論是垂直鏡面或是水平鏡面）在製作過程中，可能因 為拋光研磨而產生一些微角度的偏差，此不但造成鏡面本 身的厚度不均一，更進而影響到組裝後的角隅鏡面的垂直 度。因此，為了減少組裝出之角隅鏡面所出現之垂直度誤 ^，本案發明透過提出以一墊片丨2以補償組裝儀器本身的 垂直度偏差或是鏡面本身在進行拋光研磨時所產生的鏡面 垂直度誤差。其修正概念如下，步驟丨：當水平鏡面丨丨的 延伸線11’（其實就是水平線）與垂直鏡面13的延伸線13，之 $角大於90◦時，則量測垂直鏡面丨3與垂直線丨7之垂直誤差 0，反之，當水平鏡面丨丨的延伸線丨丨，與垂直鏡面13的延 伸線1 3之夾角小於9 〇。時，則先倒置垂直鏡面丨3，那麼此
第16頁 1227582 五、'發明說明（11) 時新產生的垂直鏡面13之延伸線13，與水平鏡面丨〗之延 線11之夾角便會大於9 0。，那麼便亦可量測到一垂直誤 ^。接著進行步驟2 :量測墊片12與旋轉樑"的距：a。 最後再進行步驟3 :決定墊片1 2的厚度h，其中 h’=axsin0 八 h 二 h’ - ha s i η :正弦函數 h ’：水平鏡面1 1將被下壓的高度 ha :用以接合垂直鏡面13與墊片12的接合膠^之厚卢 而當Θ值接近於〇時，一般把sin 0視為0 " 綜上所言，此實施例係藉由控制塾片 隅鏡面之垂直度不完全的上木U正角 袖赦&人郝 的問題，當然，在實施時也可葬由 調整接合膠15之厚度ha來改變 才也7措由 屏社，k m ， 又欠塾片1 2的厚度h，進而達到 便節省資嗎盥A *从店日丨7正方式便月匕在沿用既有儀器以 ΐ:下，來提高角隅鏡面的垂直度， ^ 广了達90。土0.015〇的角隅鏡面（此在 精確度上提昇了至少5倍）。 ^ δ青參閱弟三（Α)〜y 备1¾於而站說-立 ）圖’係為本案較佳實施例之 角隅鏡面致動不意圖，j：由# a ^ 11 - u 19 ' . ^ ，、中该角隅鏡面1具有水平鏡面 1丄、塾片12、垂直鐘面I?、， Λ 上電極111、下電極16、旋轉 樑14以及接合膠15。其中，曾一 疋得 角隅俨而-立同 # ,弟二（Α)圖乃為未通電前的 月隅鏡面不意圖，第三 音FI 、#、M⑼^ 圖則為通電後的角隅鏡面示 思圖。透過控制下電極1 β & t _ 的電麼量將可決定控制下電極1 6 與上電極111間的靜電力，、社、 ， < 和Γ电位丄〇 進以控制水平鏡面1 1是否以旋
1227582 五、發明說明（12) $ = 1 :為軸而轉動並進而實現了光開關的作用。然而，電 =、勺控制需適中，電壓太小，水平鏡面2 j會發生振盪， 二f過大則水平鏡面1 1可能與下電極1 6過於緊貼而有遲滯 短路之虞。再者，透過控制靜電力的應用，在實際應 角隅鏡面做為其他儀器的組裝元件時， 而特別設置專用的設備，此即可二 九、、、口構精與簡的潮流。 月$閱第四圖，係為本案較佳實施例之角隅鏡面陣列 射糸統示意圖，#中該角隅鏡面陣列雷射系統包含：雷 射極體2、光栅3、接收器4、光纖5以及角隅鏡面陣列 6一。〃其中由雷射二極體2所發射出之光束？先經光柵3反射成 ，該第一反射光71再經角隅鏡面陣列6的 凋欠而反射出特定波長的第二反射光72，第二反射 =栅3反射而生成第三反射光73，該接收器4則用以接收 ^弟二反射光73並將所接受到的光透過光纖5而傳送出 去。其中，該第一反射光71多為利用光束7經光栅3在一 ist j負1階）繞射後將不同波長於空間中展開後所產生的 光。，該角隅鏡面陣列6係由複數個第二圖所示之角隅鏡 面1所組成，且，透過控制流經的電壓量將可決定 隅鏡面的開、閉，進而可依不同需要而挑選特定 回饋，亦即達到了調變該第二反射光72波長的功效·、另一 方面，透過光開關的調控，反射光輸出的頻道數^可产音 控制；亦即透過各個角隅鏡面的開、關，使用者可=: 而讓特定的光線迴授、輪出，因此可同時以多個頻道進行
第18頁 1227582 五、發明說明（13) 矜，^夕模悲）或疋以單個頻道進行輸出（單模態）。兴 ==，可依需要而僅輸出波長為15 5 〇㈣的光線，或是 ^輸出波長為1 55 0· 8 nm的光線，或是僅輸出波長 15”. “m的光線，此即為以單模態進行輸出；；JJ，若 Πίϊΐ長為 1 55 0 nm、1 550.8 nm 以及 1551.“m 的 尤、、泉則為多模態。 陳列H閱第五圖’係為本案較佳實施例之另一角隅鏡面 ，，射糸統示意圖’其中該角隅鏡面陣列雷射系統乃且 有每射二極體2、光柵3、接收器4、光纖5、角隅鏡面陣列 Λ及凹透鏡8。其中該凹透鏡8係用以將第-反射光？！依 / 、差異而發散，進而使得角隅鏡面陣列6所接收到之光 ^間的波長差異被劃分更精細’換言之，透過增加一凹透 鏡8的設計，再搭配角隅鏡面陣列6的光開關調控，此實施 ^成就了一個更精細的波長調變，例如當光束抵達關閉 的角隅鏡面時，其會以與原路徑平行但反向的方式反射， 而當光束抵達被開啟的角隅鏡面時，其則不會沿盥原路$ 平行的方向而反射，此將可進行更精細的光回饋調控。二 綜上所述，本案除了提供了一個利用墊片設計來提昇 ，隅鏡面垂直度的結構之外’更提供了一個利用致動概念 與鏡面陣列以使得雷射系統可依不同需要而選擇特定波長 進行回饋。更甚者，本案乃是透過利用一個在組裝過程中 即已達成垂直度修正、本身亦可實現光開關功安文的角隅鏡 面而架構出一個可調變的雷射系統，其除了可提昇光的利 用效率、降低雷射系統的結構複雜度之外，更可依據特定
1227582 五、發明說明（14) 需求而在單模態輸出（指的是雷射在輸出訊號時，僅利用 一個非常狹窄的波段做輸出，除此波段外並不利用其他波 段進行輸出）或是多模態輸出下進行精細的光學波長調 變，進而提高了的所架構出的光學儀器之應用範圍，實為 一新穎、進步且具產業價值之發明，援依法提出申請。 是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由 在此領域具通常知識者任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫 如附申請專利範圍所欲保護者。
第20頁 1227582 圖式簡單說明 簡單圖式說明 第一圖（A)〜（C):為習知技藝中可達成光回饋之光學 兀件不意圖， 第二圖（A )〜（B ):為本案較佳實施例之角隅鏡面組合 不意圖， 第三圖（A)〜（B):為本案較佳實施例之角隅鏡面致動 示意圖； 第四圖：為本案較佳實施例之角隅鏡面陣列雷射系統示意 圖，
第五圖：為本案較佳實施例之另一角隅鏡面陣列雷射系統 示意圖。 圖式符號說明： 1 1 :水平鏡面 111 :上電極 13 :垂直鏡面 14 :旋轉樑 16 :下電極 2 :雷射二極體 4 :接收器 6 :角隅鏡面陣列 71 :第一反射光 73 :第三反射光
I :角隅鏡面 II ’ ：水平鏡面延伸線 12 :墊片 1 3 ’ ：垂直鏡面延伸線 15 :接合膠 17 :垂直線 3 :光柵 5 :光纖 7 :光束 72 :第二反射光 8 :凹透鏡
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