光是怎樣製造出來?

光




光 是一種自然現象。目前認為光是電磁波的一種，具有粒子性與波動性，或稱為波粒二象性。









研究歷史
關於光的本性問題很早就引起了人們的關注。
微粒說
1638年，法國數學家皮埃爾·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物體是由大量堅硬粒子組成的。並在1660年出版的他所著的書中涉及到了他對於光的觀點。他認為光也是有大量堅硬粒子組成的。
牛頓隨後對於伽森荻的這種觀點進行研究，他根據光的直線傳播規律、光的偏振現象，最終於1675年提出假設，認為光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻媒質中以一定的速度傳播。
微粒說很容易解釋光的直進性，也很容易解釋光的反射，因為粒子與光滑平面發生碰撞的反射定律與光的反射定律相同。然而微粒說在解釋一束光射到兩種介質分界面處會同時反射和折射，以及幾束光交叉相遇後彼此毫不妨礙的繼續向前傳播等現象時，卻發生了很大困難。

波動說
胡克（Robert Hooke）在1685年發表的《顯微術》一書中，認為光是一種振動，發光體的每一振動在介質中向各個方向傳播。胡克初步建立了波面和波線的概念，並把波面的思想用於對光的折射和薄膜顏色的研究。
惠更斯（Christian Huygens）著《論光》更明確地提出了光是一種波動的主張，他認為光是一種介質的運動，該運動從介質的一部分以有限速度依次地向其他部分傳播，他把光的傳播方式與聲音在空氣中的傳播作比較。
波動說很容易能夠解釋微粒說不能解釋的兩個問題。水波可以同時發生反射和折射，並且水波的反射和折射規律和光完全相同。湖面上的激烈水波能夠自由的互相穿過，通過一個窗口能夠同時聽到窗外幾個人講話的聲音，這些都是人們熟知的波的現象。然而，早期的波動說缺乏定量的數學嚴密性，也缺乏對波動特性的足夠說明，仍然擺脫不了幾何光學的觀念。同時，惠更斯所提出的波動說是把光比作像「水波」一樣的機械波，即機械波的傳播需要依靠介質，而光卻能在真空中（即無介質）傳播。
牛頓並不是根本不承認光的波動性，事實上正是牛頓首先提出了光在本質上是一種周期過程的觀點，他還多次提到光可能是一種振動並與聲波作對比。然而從他的著作《光學》的其他部分來看，他還是傾向於光的微粒說。突出的例子是從光的微粒說出發，根據機械粒子遵守的力學規律來解釋光的反射定律和折射定律，並得出了光密介質中的光速要大於光疏介質中的光速這一與事實不符的結論。


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英國物理學家托馬斯·楊（1773年 – 1829年用干涉實驗證明了光的波動性
由於牛頓在學術界有很高的聲望，致使微粒說在其後的100多年裡一直占著主導地位，而波動說卻發展得很慢。同時，如果要證明光具有波動性，必須設法顯示出光具有干涉現象，而干涉現象的產生必須得到兩列相干光。畢竟得到兩列相干光對於當時是相當困難的。直到1801年英國物理學家托馬斯·楊（Thomas Young）終於用干涉實驗證明了光的波動性。




光子說
光的電磁說使光的波動理論發展到相當完美的地步。但是，還是在赫茲用實驗證實光的電磁說的時候，就已經發現了光電效應這一現象。而這一發現也使光的電磁說遇到了無法克服的困難。1905年愛因斯坦提出光量子論，運用光子的概念解釋了光電效應。



光的直進性
光在均勻的介質中沿直線傳播，簡言之光是直線運行的。

光的折射
光從不同密度的介質穿過時發生的偏折現象為折射，不同介質可以製造出不同角度的折射。光線遇另一介質反射的情況 反射是指入射光反回原介質的情形 ，反射定律可以下列三原則來解釋：

入射線、反射線與法線同一平面。
入射線與反射線在法線的兩側。
入射角等於反射角。

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光的全反射
當光線發生全反射的時候，沒有折射光線









[編輯] 光源
光是能量的一種傳播方式。光源所以發出光，是因為光源中原子的運動。有三種方式：熱運動；躍遷幅射；受激幅射。前者為生活中最常見的，比如電燈和火焰；後者多應用於雷射。

[編輯] 光譜
在光的產生過程中，因為躍遷能級的不同，釋放出不同頻率的光子(愛因斯坦能量方程)。而不同頻率的光會有著不同的顏色。可見光範圍內依次為赤橙黃綠藍靛紫。白光為所有這些光譜的綜合。如果用棱鏡折射白光，就能夠觀察到上述可見光光譜。
既複色光（如白光）被色散系統（如棱鏡）分類後，按波長的大小依次排列的圖案。
後來，對光譜的研究就成了一門專業學科——光譜學。人們利用光譜來研究發光物體的性質。在現代，光譜學在宇宙的研究方面起著重要的作用。

光 是一种自然现象。目前认为光是电磁波的一種，具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。

微粒说
1638年，法国数学家皮埃尔·伽森荻(Pierre Gassendi)提出物体是由大量坚硬粒子組成的。并在1660年出版的他所著的书中涉及到了他对于光的观点。他认为光也是有大量坚硬粒子组成的。

牛頓随后对于伽森荻的这种观点进行研究，他根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于1675年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。

微粒说很容易解释光的直进性，也很容易解释光的反射，因为粒子与光滑平面发生碰撞的反射定律与光的反射定律相同。然而微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时反射和折射，以及几束光交叉相遇后彼此毫不妨碍的继续向前传播等现象时，却发生了很大困难。


[编辑] 波动说
胡克（Robert Hooke）在1685年发表的《显微术》一书中，认为光是一种振动，发光体的每一振动在介质中向各个方向传播。胡克初步建立了波面和波线的概念，并把波面的思想用于对光的折射和薄膜颜色的研究。

惠更斯（Christian Huygens）著《论光》更明确地提出了光是一种波动的主张，他认为光是一种介质的运动，该运动从介质的一部分以有限速度依次地向其他部分传播，他把光的传播方式与声音在空气中的传播作比较。

波动说很容易能够解释微粒说不能解释的两个问题。水波可以同时发生反射和折射，并且水波的反射和折射规律和光完全相同。湖面上的激烈水波能够自由的互相穿过，通过一个窗口能够同时听到窗外几个人讲话的声音，这些都是人们熟知的波的现象。然而，早期的波动说缺乏定量的数学严密性，也缺乏对波动特性的足够说明，仍然摆脱不了几何光学的观念。同时，惠更斯所提出的波动说是把光比作像“水波”一样的机械波，即机械波的传播需要依靠介质，而光却能在真空中（即无介质）传播。

牛顿并不是根本不承认光的波动性，事实上正是牛顿首先提出了光在本质上是一种周期过程的观点，他还多次提到光可能是一种振动并与声波作对比。然而从他的著作《光学》的其他部分来看，他还是倾向于光的微粒说。突出的例子是从光的微粒说出发，根据机械粒子遵守的力学规律来解释光的反射定律和折射定律，并得出了光密介质中的光速要大于光疏介质中的光速这一与事实不符的结论。


英国物理学家托马斯·杨（1773年 – 1829年用干涉实验证明了光的波动性由于牛顿在学术界有很高的声望，致使微粒说在其后的100多年里一直占着主导地位，而波动说却发展得很慢。同时，如果要证明光具有波动性，必须设法显示出光具有干涉现象，而干涉现象的产生必须得到两列相干光。毕竟得到两列相干光对于当时是相当困难的。直到1801年英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）终于用干涉实验证明了光的波动性。

详见杨氏双缝干涉实验


[编辑] 电磁说
到19世纪中期，光的波动性已经得到公认，然而当时人们只了解在介质中传播的机械波，认为光波也是一种机械波。而任何机械波的传播都依靠介质，光却能在真空中传播。从太阳和其他恒星所发出的光，是通过什么介质传播过来的呢？

为了说明光传播的这个问题，人们便假设在宇宙空间中到处充满着一种特殊的物质，这种物质被称作以太，光便是通过“以太”来进行传播。为了解释光波的各种性质，对于“以太”这个概念又进一步提出了种种假设。譬如，“以太”的密度极小，却具有较大的弹性等。由于对“以太”性质种种假设间存在明显的矛盾，人们很难相信存在这种物质。而为证明“以太”存在的各种实验也都以失败而告终。

1846年，法拉第发现在磁场的作用下，偏振光的振动面会发生改变。这一重要的发现表明光和电磁现象间存在着某种联系，同时将人们的目光转移到了电磁现象来考虑。

19世纪60年代，麦克斯韦在研究电磁场理论时预见了电磁波的存在。同时指出电磁波是一种横波，电磁波的传播速度等于光速。麦克斯韦通过电磁波与光波的相似性质，提出假设，认为光波是一种电磁波。

20多年后，赫兹用实验证实了电磁波的存在，测得电磁波的传播速度的确与光速相同，同时电磁波也能够产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，从实验中证明了光是一种电磁波。


[编辑] 光子说
光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步。但是，还是在赫兹用实验证实光的电磁说的时候，就已经发现了光电效应这一现象。而这一发现也使光的电磁说遇到了无法克服的困难。1905年爱因斯坦提出光量子论，运用光子的概念解释了光电效应。

在晶片製造中廣泛採用的生產技術如CMOS製程可以用來量產MEMS元件，這樣不用更新設備，材料也是標準的。但MEMS也有其特殊性，只有在設計過程中考慮CMOS製造特性才能充分實現CMOS製程帶來的好處。本文從MEMS結構出發介紹製造中可能出現的問題，並提出解決方案。


光通訊產業近來的持續低迷，給光纖系統供應商和子系統製造商帶來了越來越大的壓力，他們需要盡快確定技術與服務今後的發展方向，以最低的成本向電信廠商提供新一代網路。這些方向必須要考慮到複雜的動態光纖網路發展趨勢，它要求更高數據傳輸速率、更大頻譜密度，並廣泛導入動態重配置能力。


從發展趨勢來看，微機電系統(MEMS)已成為推動系統從固定配置轉變為動態配置最有希望的技術。由於其具有尺寸小、擴充性、強韌性和可靠性好等優點，系統整合商現在已開始採用光微機電系統在光纖網路中執行高級光交換。


事實上，MEMS技術由於本身的優點促使其在過去10年裡走出研究實驗室，在許多消費性產品中得到了大量的應用。早期應用集中於汽車和感應系統，主要的MEMS產品有加速度計和壓力感測器。而現在，基於MEMS的元件可望得到與半導體元件一樣廣泛的應用。


隨著MEMS開始進入市場，半導體製造商也開始從MEMS製造中獲得額外一份收入。製造商們認識到，廣泛用於晶片製造的生產技術特別是CMOS製程可以用來大量產低成本MEMS元件，不過從事光微機電系統開發的公司發現，只有在設計過程中考慮到CMOS製造特性才能充分實現CMOS製程帶來的好處。


大量生產降低成本


CMOS製程最大的優點在於它採用的是標準材料和製程，這使半導體製造商能夠確保低成本和高產出率，這兩點對光微機電系統產品獲得成功是很關鍵的。因此，許多MEMS廠商都對他們的設計和加工製程進行了最佳化，確保能與CMOS製造方法相相容。


與CMOS製程相結合使光微機電系統製造商能夠充分利用標準化生產帶來的規模效益。首先，製造設備和材料肯定比定製生產要便宜得多，在某些場合，可以用現有製造設備來加工MEMS。其次，採用CMOS設計和材料會使MEMS產品具有更優異的性能和可靠性。


不過，用標準CMOS生產環境製造MEMS也會帶來一些特殊的製造挑戰。第一，與大部份半導體晶片相較，許多MEMS元件要用到更為複雜的材料與分層；第二，建構MEMS結構常常需要專門的製程，而這些製程不容易整合在半導體工廠裡。


由於這些原因，許多零組件廠商將自己的MEMS產品交給小量代工廠或大學的樣機實驗室進行加工。但是這些小量MEMS加工設備與大量產的CMOS製造工廠並不完全相容，而且由於批量小和缺乏製程控制，會導致產品在工作特性、關鍵尺寸、材料性質和元件良率等方面產生差異。


MEMS內部結構


要認識MEMS技術帶來的製造挑戰，首先必須了解MEMS元件的結構和工作原理。圖1是一個折射空間調節器，它可以改變雷射折射或反射的數量。Silicon Light Machines公司開發的這種可調光柵叫做光柵閥(Grating Light Valve)，由懸在氣縫上的靜電驅動器陣列(又稱為‘絲帶’)組成。這些絲帶由表面鍍鋁的氮化矽製成，相互之間間隔只有幾分之一微米，這樣可以使插入損耗最小。


加工這種微小的機械元件需要多層多晶矽作為釋放層，另外還要氮化矽作為活動元件及反射層和金屬連接部份(見表1)。所選擇的能滿足元件多種實體特性的材料決定了MEMS元件的可靠性、產量和成本。


有些元件需要普通標準CMOS製造所不用的生產材料，同時還要可能會影響元件產量和廢品率的專門處理和加工製程。這些特殊製程包括用金作為反射層，這與CMOS製造不能相容，因為它在矽中摻入了金，另外還有用於‘濕式釋放’製程的大量生產設備。


除了特殊材料之外，有些MEMS元件還需要定製加工製程，而它不太容易整合在半導體工廠裡(見表2)。這些特殊製程可用來提高元件的性能，但由於生產周期長、缺少製程自動化或者由於製程控制和材料特性差異而會影響產量，使得這些製程成本很高。


大多數MEMS元件在加工時採用多晶矽作為活動元件，使用一個或多個氧化物釋放層，用氮化矽作為隔離層，並用金屬作為反射器和內部連接。MEMS加工中一個特殊的難題是‘釋放’，在這個處理過程中，氧化矽犧牲層被溶解，由產生的空隙將元件中不同元件分開。

2007-04-13 19:42:51 補充：
http://yy1.hkcampus.net/~yy1-kan/wlight.htm

2007-04-13 19:44:40 補充：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E5%85%89%E5%91%BC%E5%90%B8&variant=zh-hk