CN102866497B - 平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明是平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，微桥部的桥面作为法布里珀罗腔的上电极；光栅位于微桥部的桥面的中央处；基底为最下层；多个下电极，平行对称的分布在微桥部的下面，分别固定在两个绝缘层上面；两个绝缘层覆盖在基底上，将多个下电极与上电极之间的电绝缘；两个矩形孔位于微桥部的两边；前腔面位于光栅的区域所对应桥面的下表面；后腔面位于光栅下方的在两绝缘层之间的基底的上表面，用作法布里珀罗腔的后腔面；在多个下电极和上电极之间加入不同的电压并形成复杂的静电场，使法布里珀罗腔的可动腔面向下移动的过程中，调整可动腔面的形貌，用于调整法布里珀罗腔前腔面与后腔面之间的平行度。

Description

平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器

技术领域

本发明涉及微光机电系统技术领域，特别涉及一种适用于光纤通信系统的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器。

背景技术

在波长可调滤波器领域，微机电系统(MEMS)波长可调滤波器具有体积小，能耗低、响应速度快、驱动电压低以及与集成电路兼容性好等优点，而在光纤通信系统中备受青睐。基于微机电系统技术制作的法布里珀罗腔(Fabry-Perot)滤波器是通过微机电驱动装置，在法布里珀罗腔的前、后腔面上加反偏电压，利用静电力或热应变的作用使腔长收缩或增长，从而持续调节滤波器的谐振波长。空气腔微机电系统法布里珀罗腔滤波器的调谐范围大，精度高而且驱动简单，是未来微滤波器的首选方案。微机电系统法布里珀罗腔可调谐滤波器正在朝着大阵列、小尺寸、高频率、大调谐范围，以及多自由度方向发展。这些方面是相互制约的，更小的单元尺寸带来的是更高的固有频率，更大的调谐范围以及更低的驱动电压。

目前国际上研制的微机电系统法布里珀罗腔滤波器各具特色，但也各存一些局限，比如材料生长困难、工艺难度大、调谐电压较高等。实际工作中衡量法布里珀罗腔滤波器性能优良的指标，分别是精细常数、峰值透射率、反衬度。法布里珀罗腔前、后反射腔面的平行度是影响这三项指标好坏的主要因素，腔面平行度直接影响到微机电系统法布里珀罗腔精细常数和对波长选择的灵敏性，所以反射腔面的平行度是微机电系统法布里珀罗腔滤波器的重要参数之一。然而在实际工作中，由于加工工艺误差的存在，支撑腔面结构的各梁的形状尺寸不能严格保证一致，且受残余应力以及镀膜工艺的影响，梁的内部微结构不均一，材料特性不同，像杨氏模量、泊松比、导电率等不同，导致在实际应用中的微机电系统法布里珀罗腔的前、后腔面的平行度很差，滤波效果与设计值偏离很大，实际应用效果很差。一种新型微机电系统法布里珀罗滤波器的设计与分析。光学学报，2012，In Press报道，作者通过将光栅和法布里珀罗腔相结合研制了一种新型滤波器，但在滤波器的法布里珀罗腔变形时，无法对因加工误差的影响而造成的腔面形貌的畸变进行调节，平行度不能保证。此外，滤波器还需要一个额外的顶部反射镜，反射镜与支撑结构的应力不匹配等因素更加剧了滤波器变形时法布里珀罗腔的不平行度，限制了滤波器的实用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：消除加工过程中的工艺误差对微机电系统法布里珀罗腔前、后腔面平行度的影响，保证法布里珀罗腔滤波器的前、后腔面在使用过程中始终保持好的平形度。本发明的目的是设计一种平行度可调节的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，它通过在偏转电极上加不同的电压，在上、下电极处产生不同大小的静电力，来调整因加工误差对微机电系统法布里珀罗腔造成的不良影响，保持滤波器的前、后腔面在实际工作中始终平行，从而提高滤波器的滤波效率和对选择光的利用率。

为了实现所述目的，本发明提供一种平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，包括：微桥部、光栅、基底、多个下电极、第一绝缘层、第二绝缘层、前腔面、后腔面、桥面和两个矩形孔，其中：

微桥部，具有一桥面，桥面作为法布里珀罗腔的上电极；

光栅，位于微桥部的桥面的中央处，并集成在一起；

基底，作为最下层；

多个下电极，平行对称的分布在微桥部的下面，分别固定在第一绝缘层和第二绝缘层上面；

第一绝缘层和第二绝缘层，覆盖在基底之上；

前腔面，位于光栅的区域所对应桥面的下表面，形成法布里珀罗腔可动腔面；

后腔面，位于光栅正下方的在第一绝缘层和第二绝缘层之间的基底的上表面，用作法布里珀罗腔的后腔面；通过在多个下电极和上电极之间加入不同的电压，在上电极、多个下电极之间形成复杂的静电场，使法布里珀罗腔的可动腔面在向下移动的过程中，同时调整可动腔面的形貌，用于调整法布里珀罗腔前腔面与后腔面之间的平行度。

本发明与现有技术相比所具有的优点：本发明通过在微机电系统法布里珀罗腔滤波器的多个下电极上加不同的电压来调节法布里珀罗腔由制作误差带来的可动腔面畸变的问题，从而达到法布里珀罗腔的前、后腔面间隙处处相等，前腔面和后腔面及其反射光，以及反射光的干涉条纹始终平行；同时在微桥部的桥面的上表面中心处刻蚀光栅或在刻蚀在基底上刻蚀光栅，先让光入射平面光栅，经光栅色散后的衍射光再通过法布里珀罗腔进行滤波，这种滤波器能在较宽的自由光谱范围下获得较小的半波宽。本发明同时将光栅与法布里珀罗腔相结合在一起，能在较窄的半波宽下获得较宽的自由光谱范围。通过对多块下电极的分布方式和上、下电极间的偏转电压控制，可在上电极板上产生复杂力场，有效消除法布里珀罗腔前表面因加工误差和残余应力引起的变形，实现在使用过程中对法布里珀罗腔前、后腔面的平行度的有效可调控制，消除加工误差对滤波器的性能影响，实用性高。采用微桥部，微桥的桥面既做上电极，其下表面也作为法布里珀罗腔的前腔面，在微桥桥面的上表面中心处刻蚀光栅。位于光栅正下方的，两块绝缘层之间部分的基底的上表面作为滤波器的后腔面，其余部分的基底上表面被绝缘层覆盖，在桥面下方的绝缘层上固定着多个下电极，通过在这些个下电极上加不同的电压调节法布里珀罗腔在前腔面移动时的形貌，从而保证法布里珀罗腔的前腔面与后腔面有较好的平行度，提高微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器的滤波效率和对选择光的利用率。

附图说明

图1是平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器的立体示意图；

图2是平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器的侧视图；

图3是未施加电压时平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器(在检测前、后腔面的平形度时未加光栅，且不包括基底)；

图4是施加电压时未进行平行调整的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器(在检测前、后腔面的平形度时未加光栅，且不包括基底)；

图5是施加调节电压进行了平行调整后的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器(在检测前、后腔面的平形度时未加光栅，且不包括基底)；

图6是光线在平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器的前腔面、后腔面上的反射光路示意图；

图7是光栅刻蚀在滤波器基底上的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器的侧视图。

图中符号说明

1为微桥部，        2为光栅，         3为基底，

4-1为第一下电极，  4-2为第二下电极，

4-3为第三下电极，  4-4为第四下电极，

5-1第一绝缘层，    5-2第一绝缘层，

6为前腔面，        7为后腔面，

8桥面，            9矩形孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

图1和图2为本实施例的一种平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器(如下简称滤波器)的立体图和侧视图；其中包括：微桥部1、光栅2、基底3、多个下电极4、第一绝缘层5-1、第二绝缘层5-2、前腔面6、后腔面7、桥面8和两个矩形孔9，其中：微桥部1，具有一桥面8，桥面8作为法布里珀罗腔的上电极；光栅2，位于微桥部1的桥面8的中央处，并集成在一起；基底3，作为最下层；多个下电极4，平行对称的分布在微桥部1的下面，分别固定在第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2上面；第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2，覆盖在基底3之上，用于将多个下电极2与上电极之间的电绝缘；前腔面6，位于光栅2的区域所对应桥面8的下表面，形成法布里珀罗腔可动腔面；后腔面7，位于光栅2正下方的在第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2之间的基底3的上表面，用作法布里珀罗腔的后腔面7；通过在多个下电极4和上电极之间加入不同的电压，在上电极、多个下电极之间形成复杂的静电场，使法布里珀罗腔的可动腔面在向下移动的过程中，同时调整可动腔面的形貌，用于调整法布里珀罗腔前腔面6与后腔面7之间的平行度；两个矩形孔9，位于微桥部1的两边，用于释放牺牲层。多个下电极4和上电极之间加入不同的电压范围为5V-50V。

本发明的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器是用静电来调节腔长的滤波器，微桥部1的桥面8作为滤波器的上电极使用，又是法布里珀罗腔的一个腔体的面板，所述上电极为可动电极。在本实施例中多个下电极数目采用四块为第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4共同组成滤波器的下电极，在基底3上覆盖有第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2，用于上电极和下电极之间绝缘，在上电极和第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4之间加上偏置电压后，这样就形成了平行平板之间的电容，上、下电极的重合面积为平行平板电容的有效面积。在静电力的作用下，微桥部1的桥面8产生移动。光栅2刻蚀在微桥部1的桥面8的中心表面处或刻蚀在基底3上，微桥部1的两边均匀的刻有两个矩形孔9，便于释放牺牲层。光束经过准直后入射光栅2，经光栅2预色散后的衍射光再通过法布里珀罗腔进行滤波。光栅2是闪耀光栅或黑白光栅。位于光栅下方的基底的上表面部分作为后腔面，基底其余部分上表面的覆盖第一绝缘层和第二绝缘层，所述后腔面是固定腔面。

多个下电极数目大于两块，分布方式按照实际情况可灵活布置，其分布方式可以均匀分布或随机分布；第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4，平行对称的分布在微桥部1的下面。

滤波器尺寸的可以做成长200μm-400μm，宽为700μm-950μm。

第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4的材料为金属铝或掺杂多晶硅或其他金属材料，它们的尺寸选值如下范围：长为200μm-350μm，宽为50μm-80μm，高为0.1μm-1.5μm。

光栅2尺寸选值如下范围：长为200μm-350μm，宽为100μm-250μm，刻蚀深度为300nm-550nm。

用第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2在基底上阻隔形成法布里珀罗腔的后腔面，其材料为二氧化硅或氮化硅，厚度30nm-1μm，第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2之间露出的基底3的上表面为法布里珀罗腔的固定腔面也是后腔面7。

后腔面7在光栅2的正下方，其尺寸范围：长为220μm-400μm，宽为120μm-300μm。在后腔面7上可以镀光学膜来增加它的反射率。所述微型桥结构1的桥面8同时作为滤波器的上电极，或可动电极。所述基底3为硅基底或按照所要滤波的波长选择相应合适的材料。

第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4平行对称的分布在法布里珀罗腔的第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2上，在驱动电压的作用下微桥部1的桥面8向下移动，带动前腔面6向下移动，为了使前腔面6在向下移动过程中始终与后腔面7保持平行，分别对第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4上加不同的电压来调节前腔面6或称可动腔面在下移时的形貌，实现前腔面6和后腔面7的平行度可调，保证前腔面6与后腔面7一直保持好的平行度，所述不同电压范围随器件尺寸有关，没有具体要求。法布里珀罗腔中可进行位置变化的前腔面称为可动腔面，本段所述的法布里珀罗腔结构中，前腔面6就是可动腔面。相应，后腔面7是固定腔面。

下面以300μm×900μm尺寸的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器为例，并结合附图对本发明作具体描述，其他尺寸的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器则不再赘述。

本实施例中所述基底3采用硅基底。利用静电驱动方式的微桥部1的桥面8既作为上电极，其桥面8的下表面也作为法布里珀罗腔的前腔面6。

在滤波器的最下层是基底3，在基底3之上生长第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2，用于将第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-2与微桥部1即滤波器上电极之间的电绝缘，第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2的材料为二氧化硅或者氮化硅。然后在第一绝缘层5-1上制作第一下电极4-1、第二下电极4-2，在第二绝缘层5-2上制作第三下电极4-3、第四下电极4-4，第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4的材料为金属铝，它们的尺寸长×宽×高大小为：300μm×70μm×0.5μm；光栅2位于微桥部1的桥面8的中央处，光栅2的尺寸长×宽大小为300μm×200μm，刻蚀深度为450nm，同时微桥部1上的光栅2的区域所对的桥面8的下表面作为法布里珀罗腔的前腔面6，在光栅2正下方的在第一绝缘层5-1和第二绝缘层5-2之间的基低3的上表面作为后腔面7；通过在第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3、第四下电极4-4和滤波器的上电极之间加不同的电压可以调节前腔面6在发生位移变化时与后腔面7的平形度。

图3为未加电压时平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器(在检测前、后腔面的平形度时未加光栅2，且不包括基底3)的结构图。在第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3和第四下电极4-4未接驱动电压时，前腔面6处于初始平衡状态，前腔面6与后腔面7之间的空气隙厚度最大。当入射光线以任一角度入射到法布里珀罗腔时，分别经法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7反射的两条反射光线的光程差也最大。此时，所述滤波器的选择波长最长。

图4是施加电压但未进行平行调整的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器(在检测前、后腔面的平形度时未加光栅2，且不包括基底3)的结构变形图。当给第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3和第四下电极4-4施加相同电压后，微桥部1和第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3和第四下电极4-4之间产生静电场和静电吸引力。由于此材料特性和静电吸引作用，微桥部1的桥面8会向下弯曲变形，带动前腔面6向后腔面7靠近。由于加工误差的影响桥面8向下弯曲时，如图4所桥面8各部分的弯曲程度不同，这样使得法布里珀罗腔的前腔面6与后腔面7的平行度受到影响。对于微桥部1的桥面8厚度为1μm时，通过对第一下电极4-1和第二下电极4-2施加5V电压、第三下电极4-3和第四下电极4-4施加2.8V电压后，可以对前腔面6向下移动时的整体形态进行调整，从而达到前腔面6与后腔面7的平行度可调的作用效果。

如图5所示的是施加调节电压进行平行调整后的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器结构图(在检测前、后腔面的平形度时未加光栅2，且不包括基底3)。这种情况下，前腔面6在一定的调整电压下具有很好的平形性，前腔面6和后腔面7之间的平行度高。此时法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7之间的空气隙厚度将变小，对于未加电压时同一条入射光线而言，分别经法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7反射的两条反射光线的光程差也变小，滤波器的选择波长也相应变短。撤去驱动电压后，微型结构1及其桥面8又恢复到初始平衡状态，如附图3所示。这样，通过改变四个下电极上的驱动电压的大小，就可以改变法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7之间空气间隙的厚度，并调节前腔面6和后腔面7的平行度，从而使得滤波器的波长可选择，并得到好的滤波效果。

图6是光线在在平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器的前腔面6和后腔面7上的反射光路示意图；在该示意图中，法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7始终保持平行状态，这样经过法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7反射的光线的干涉位相条纹也是平行的，这会大大增加滤波器的滤波效率和对选择光的利用率。

在本实例中光栅2是直接加工在法布里珀罗腔的微桥部1的桥面8的上表面上。此外，光栅2也可以加个在基底3上，如图7所示。此时，微桥部1的桥面8依然是平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器的上电极，或者可动电极。光栅2所对的基底3的上表面相应作为微机电系统法布里珀罗腔的前腔面6使用，桥面8的下表面，即正对着前腔面6的表面作为微机电系统法布里珀罗腔的后腔面7使用，后腔面7即为本段所述此结构的法布里珀罗腔的可动腔面，前腔面6为固定腔面。此时，通过在第一下电极4-1、第二下电极4-2、第三下电极4-3和第四下电极4-4上加不同的调整电压，与桥面8形成静电场，同样可使桥面8向下移动，并在桥面8的移动过程中实现对后腔面7形貌的调整作用，消除加工误差对法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7的平行度的不利影响，实现微机电系统法布里珀罗腔波长可调滤波器的平行度可随时调整，使法布里珀罗腔的前腔面6和后腔面7之间保持好的平行度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内。

Claims (8)

1.一种平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：包括：微桥部、光栅、基底、多个下电极、第一绝缘层、第二绝缘层、前腔面、后腔面、桥面和两个矩形孔，其中：

微桥部，具有一桥面，桥面作为法布里珀罗腔的上电极；

光栅，位于微桥部的桥面的中央处，并集成在一起；

基底，作为最下层；

多个下电极，平行对称的分布在微桥部的下面，分别固定在第一绝缘层和第二绝缘层上面；

第一绝缘层和第二绝缘层，覆盖在基底之上；

前腔面，位于光栅的区域所对应桥面的下表面，形成法布里珀罗腔可动腔面；

后腔面，位于光栅正下方的在第一绝缘层和第二绝缘层之间的基底的上表面，用作法布里珀罗腔的后腔面：通过在多个下电极和上电极之间加入不同的电压，在上电极、多个下电极之间形成复杂的静电场，使法布里珀罗腔的可动腔面在向下移动的过程中，同时调整可动腔面的形貌，用于动态调整法布里珀罗腔前腔面与后腔面之间的平行度。

2.如权利要求1所述的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：用第一绝缘层和第二绝缘层在基底上阻隔形成法布里珀罗腔的后腔面，其材料为二氧化硅或者氮化硅。

3.如权利要求1所述的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：每个所述下电极的材料为金属铝掺杂多晶硅或其他金属材料，每个下电极长×宽×高的尺寸选值如下范围：长为200μm-350μm，宽为50μm-80μm，高为0.1μm-1.5μm。

4.如权利要求1所述的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：所述光栅尺寸选值范围：长为200μm-350μm，宽为100μm-250μm，刻蚀深度为300 nm-550nm。

5.如权利要求1所述的平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：所述桥面作为法布里珀罗腔的上电极为可动电极，又是法布里珀罗腔的一个腔体的面板。

6.如权利要求1所述平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：所述光栅刻蚀在微桥部的桥面上，或刻蚀在基底上。

7.如权利要求1所述平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：位于光栅下方的基底的上表面部分作为后腔面，基底其余部分上表面的覆盖第一绝缘层和第二绝缘层，所述后腔面是固定腔面。

8.如权利要求1所述平行度可调的微机电系统法布里珀罗腔波长可调谐滤波器，其特征在于：所述法布里珀罗腔的下电极的数量大于2个，其分布方式是以均匀分布或随机分布。