CN104330890B - 一种长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器，滤波器的上基板由双面腐蚀后截面呈“W”形的体硅及其下表面的浓硼掺杂层构成，“W”形体硅上表面以透明薄膜作为支撑膜，其上的反射膜作为法布里－珀罗滤波器的前腔镜，“W”形体硅下表面不同区域的浓硼掺杂层可分别作为悬臂梁和上电极。滤波器的下基板由石英玻璃构成，其上表面与前腔镜和上电极对应的区域分别制作有后腔镜和下电极，下表面与后腔镜对应的区域刻有衍射光栅。该微机电滤波器可方便获得200μm以上的初始腔长，能在不同方向上实现单一波长的滤波，具有窄半峰全宽和宽自由光谱范围的优点，在光通讯，光信息读取，激光技术等领域中有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微光机电系统领域，特别涉及一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器。
背景技术
微机电可调谐法布里－珀罗滤波器具有体积小、易集成、带宽窄、波长可调等优点，广泛应用于光学传感、光通讯、光信息读取以及激光技术等领域。然而，由于法布里－珀罗滤波器自身原理的限制，它的两个重要参数——自由光谱范围与半峰全宽在理论上相互限制，两者的性能指标往往不可兼得。一般来讲，滤波器的腔长越长则半峰全宽越窄，但自由光谱范围也会越窄；反之，滤波器腔长越短则自由光谱范围越宽，但半峰全宽也会越宽。因此，很难同时获得窄半峰全宽和宽自由光谱范围。“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》，2012，32，8，0822005-1)一文中提出了一种新型的微型法布里－珀罗滤波器，该滤波器在传统法布里－珀罗滤波器的基础上集成了一块光栅进行色散，使滤波器的自由光谱范围大大扩展。然而，该文中所设计的微型法布里－珀罗滤波器的腔长仍然较短(仅为1.7μm)，在扩展自由光谱范围的同时并未体现出更窄半峰全宽的优势来。如果能将这种新型的微型法布里－珀罗滤波器的腔长增大，则可使该滤波器同时获得窄半峰全宽和宽自由光谱范围。
然而，现有微机电法布里－珀罗滤波器为了获得较宽的自由光谱范围，其腔长往往较短。很多设计为了使器件结构更为简单，还将法布里－珀罗腔镜上的金属膜同时作为反射镜和驱动电极。这种设计对于短腔长的滤波器而言是很巧妙的，但对于长腔长的滤波器而言却是不可行的。因为当滤波器的腔长较长时，同时作为腔镜的两电极相隔很远，此时两电极间的静电力很微弱，不足以驱动腔镜的移动。尽管也有设计者提出将腔镜反射膜与驱动电极分离可获得更长的腔长，但这些腔体的初始腔长通常是通过沉积一层阻挡层来实现的，这于>200μm的初始腔长而言，沉积200μm的阻挡层显然不是一件容易的事情。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有微机电法布里－珀罗滤波器腔长较短，难以同时实现窄半峰全宽和宽自由光谱范围的问题，提出一种长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器。该滤波器具有200μm以上的初始腔长，并能通过光栅的分光作用使不同级次不同波长的光在空间上得到分离，同时能满足低电压驱动的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器，其特征在于：包括：
－双面腐蚀后截面呈“W”形的体硅及其下表面的浓硼掺杂层，所述体硅及其下表面的浓硼掺杂层作为滤波器的上基板；
－前腔镜支撑膜，所述前腔镜支撑膜位于“W”形体硅上表面四周镂空区域以内的所有区域；
－前腔镜，所述前腔镜位于支撑膜的上表面；
－悬臂梁，所述悬臂梁即为“W”形体硅四周镂空区域下方的浓硼掺杂层；
－上电极，所述上电极即为“W”形体硅中央镂空区域与四周镂空区域之间体硅下表面的浓硼掺杂层；
－石英基底，所述石英基底作为滤波器的下基板；
－后腔镜，所述后腔镜位于石英基底上表面与前腔镜相对应的区域；
－光栅，所述光栅位于石英基底下表面与后腔镜相对应的区域；
－下电极，所述下电极位于石英基底上表面与上电极相对应的区域。
进一步的，所述上基板与下基板通过对准键合的方式使其形成一个法布里-珀罗腔，腔体的初始腔长由所述体硅的厚度决定，体硅的厚度可以通过湿法腐蚀进行调节，调节范围为200μm～500μm。
进一步的，所述支撑膜为氮化硅与二氧化硅的双层膜，薄膜总厚度为250nm～350nm。
进一步的，所述前后腔镜可以为金属膜或布拉格多层介质膜。
进一步的，所述悬臂梁的宽度为300μm～500μm，厚度为10μm～12μm。
进一步的，所述光栅的总缝数N应该满足以下关系：N≥2L/λmin，其中，L为法布里-珀罗滤波器的腔长，λmin为入射光中的最小波长，满足该关系式可使经法布里-珀罗滤波器滤波后不同级次不同波长的光在空间上得以分离。
进一步的，所述上下电极应对称分布在前后腔镜四周，上电极的宽度为500μm～1mm，下电极的宽度应该不大于上电极的宽度，下电极的厚度可以为50nm～200nm，上下电极的间距为2μm～4μm。
进一步的，所述上基板的驱动行程等于最大入射光波长的一半，正向误差不超过最大入射光波长的十分之一。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)与现有微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的性能相比，本发明所述滤波器具有更长的腔长，通过光栅分光获取宽自由光谱范围的同时，能获得更窄的半峰全宽，从而实现宽波段窄带滤波；
(2)与现有微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的结构相比，本发明采用双面腐蚀加工的“W”形体硅作为滤波器的上基板，既可方便的获得200μm以上的腔长，又可实现低电压驱动；同时，“W”形体硅下表面的浓硼掺杂层既充当了悬臂梁又充当了上电极，而且在加工过程中还可充当腐蚀自停止层，降低了加工工艺的难度，具有结构简单，加工方便等优点；
(3)本发明所述滤波器的宽自由光谱范围是通过多级次光谱扫描拼接获得的，因此其驱动行程较短，直接采用浓硼掺杂硅层作为悬臂梁即可满足对驱动行程的要求，而无需在浓硼掺杂硅层上进行图形化刻蚀，减少了工艺步骤，降低了工艺难度。同时，还避免了由于刻蚀不对称导致的镜面扭曲等问题，具有稳定性高，可有效保证腔镜的平行度等优点。
附图说明
图1是本发明中长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的截面示意图；
图中：1-1是双面腐蚀后截面呈“W”形的体硅，1-2是“W”形体硅下表面的浓硼掺杂层，1-3是浓硼掺杂层充当的悬臂梁，1-4是浓硼掺杂层充当的上电极，1-5是“W”形体硅的中央镂空区域，1-6是“W”形体硅的四周镂空区域，2是前腔镜支撑膜，3是前腔镜，4是石英基底，5是后腔镜，6是下电极，7是衍射光栅；
图2是本发明中“W”形体硅的表面示意图；图中1-5是“W”形体硅的中央镂空区域，1-6是“W”形体硅的四周镂空区域；
图3是光线通过本发明中长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器前腔镜、后腔镜及光栅时的光路示意图；
图4是本发明实施例1中所述长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的电压－位移曲线；
图5是本发明实施例2中所述长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的电压－位移曲线。
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。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1
本发明的实施例1，是一种腔长为200μm的微机电可调谐法布里－珀罗滤波器，其光谱范围为400nm-800nm，半峰全宽小于0.05nm。该滤波器截面示意图如图1所示，上基板包括：双面腐蚀后呈“W”形的体硅1-1，“W”形体硅下表面的浓硼掺杂层1-2，悬臂梁1-3，上电极1-4，“W”形体硅的中央镂空区域1-5，“W”形体硅的四周镂空区域1-6，前腔镜支撑膜2，前腔镜3；下基板包括：石英基底4，后腔镜5，下电极6以及衍射光栅7。
“W”形体硅1-1及其下表面浓硼掺杂层1-2作为微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的上基板，总厚度为200μm，该厚度决定微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的初始腔长。其中，下表面浓硼掺杂层1-2的厚度为12μm，其加工区域被减薄2μm，减薄的目的是为了确定悬臂梁1-3的厚度和上下电极(1-4和6)的间距。“W”形体硅1-1的中央镂空区域1-5在其上表面长×宽的尺寸为1mm×1mm，该尺寸决定滤波器的通光孔径。“W”形体硅1-1的四周镂空区域1-6在其下表面的宽度为300μm，该尺寸决定了悬臂梁1-3的宽度；“W”形体硅1-1中央镂空区域1-5与四周镂空区域1-6之间在其下表面留下体硅的宽度为500μm，此即为上电极1-4的宽度；氮化硅薄膜作为前腔镜支撑膜2完全覆盖在“W”形体硅1-1上表面四周镂空区域以内的所用区域，其厚度为100nm，前腔镜3为反射率为90％的金属铝膜，完全覆盖在前腔镜支撑膜2的上表面。石英基底4作为下基板与上基板键合形成法布里－珀罗腔，石英基底4的正中央沉积有反射率为90％的金属铝膜作为后腔镜5，后腔镜5长×宽的尺寸为1mm×1mm，与“W”形体硅1-1上表面中央镂空区域相对应。后腔镜5的四周对称沉积有50nm厚、400μm宽的铝膜作为下电极6，铝膜的宽度决定上下电极的有效正对面积。石英基底4下表面加工有衍射光栅7，与石英基底4上表面的后腔镜5的位置相对应，光栅长×宽的尺寸为1mm×1mm，由公式N≥2L/λmin可确定光栅刻线密度为1200线/毫米。
图3是光线通过滤波器前腔镜、后腔镜及光栅时的光路示意图。光线首先经由前腔镜3和后腔镜5组成的法布里－珀罗腔进行滤波，由于两腔镜之间的间距为200μm，故针对中心波长为600nm的入射光，其单干涉级次的自由光谱范围约为0.9nm，若入射光为一宽光谱光源，则被滤出的将是一系列不同干涉级次、不同波长的光，这些光将继续入射至光栅7，由于光栅7的刻线密度为1200线/毫米，能分辨最小的波长差可达到0.5nm，因此，完全可将上述不同干涉级次、不同波长的光进行空间分离，在不同方向上实现单一波长的滤波。
选择适当的前后腔镜的反射率可获得不同的半峰全宽，在实施例1中，前后腔镜的反射率均为90％，故可由公式计算出其半峰全宽为0.03nm，其中R是反射率，λ为入射光中心波长，h为腔长。此外，通过静电驱动上下电极可改变前后腔镜的间距，从而改变滤出光的波长，实现更大光谱范围的滤波。若能使上基板的行程达到最大入射光波长的一半，则可使滤波器的自由光谱范围完全由光栅来决定。图4是利用Intellisuite软件仿真计算的实施例1中所述微机电结构的电压－位移曲线图。显然，在0－105V电压驱动下，上基板可连续获得0-400nm的行程，能够满足最大入射波长一半的行程要求，故能实现400nm-800nm的光谱范围。
实施例2
本发明的实施例2，是一种腔长为500μm的微机电可调谐法布里－珀罗滤波器，其光谱范围为1.3μm-1.7μm，半峰全宽小于0.1nm。该滤波器的结构与实施例1相似，仅尺寸有所不同。
“W”形体硅1-1及其下表面浓硼掺杂层1-2作为微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的上基板，总厚度为500μm，该厚度决定微机电可调谐法布里－珀罗滤波器的初始腔长。其中，下表面浓硼掺杂层1-2的厚度为15μm，其加工区域被减薄4μm，减薄的目的是为了确定悬臂梁1-3的厚度和上下电极(1-4和6)的间距。“W”形体硅1-1的中央镂空区域1-5在其上表面长×宽的尺寸为2mm×2mm，该尺寸决定滤波器的通光孔径。“W”形体硅1-1的四周镂空区域1-6在其下表面的宽度为500μm，该尺寸决定了悬臂梁1-3的宽度；“W”形体硅1-1中央镂空区域1-5与四周镂空区域1-6之间在其下表面留下体硅的宽度为1mm，此即为上电极1-4的宽度；氮化硅薄膜作为前腔镜支撑膜2完全覆盖在“W”形体硅1-1上表面四周镂空区域以内的所用区域，其厚度为200nm，前腔镜3为反射率为90％的布拉格多层介质膜，完全覆盖在前腔镜支撑膜2的上表面。石英基底4作为下基板与上基板键合形成法布里－珀罗腔，石英基底4的正中央沉积有反射率为90％的布拉格多层介质膜作为后腔镜5，后腔镜5长×宽的尺寸为2mm×2mm，与“W”形体硅1-1上表面中央镂空区域相对应。后腔镜5的四周对称沉积有100nm厚、500μm宽的铝膜作为下电极6，铝膜的宽度决定上下电极的有效正对面积。石英基底4下表面加工有衍射光栅7，与石英基底4上表面的后腔镜5的位置相对应，光栅长×宽的尺寸为2mm×2mm，由公式N≥2L/λmin可确定光栅刻线密度为600线/毫米。
图3是光线通过滤波器前腔镜、后腔镜及光栅时的光路示意图。光线首先经由前腔镜3和后腔镜5组成的法布里－珀罗腔进行滤波，由于两腔镜之间的间距为500μm，故针对中心波长为1.5μm的入射光，其单干涉级次的自由光谱范围约为2.2nm，若入射光为一宽光谱光源，则被滤出的将是一系列不同干涉级次、不同波长的光，这些光将继续入射至光栅7，由于光栅7面积为2mm，刻线密度为600线/毫米，总刻线数为1200线，能分辨最小的波长差可达到1.3nm，因此，完全可将上述不同干涉级次、不同波长的光进行空间分离，在不同方向上实现单一波长的滤波。
选择适当的前后腔镜的反射率可获得不同的半峰全宽，在实施例2中，前后腔镜的反射率均为90％，故可由公式计算出其半峰全宽为0.075nm，其中R是反射率，λ为入射光中心波长，h为腔长。此外，通过静电驱动上下电极可改变前后腔镜的间距，从而改变滤出光的波长，实现更大光谱范围的滤波。若能使上基板的行程达到最大入射光波长的一半，则可使滤波器的自由光谱范围完全由光栅来决定。图5是利用Intellisuite软件仿真计算的实施例2中所述微机电结构的电压－位移曲线图。显然，在0－140V电压驱动下，上基板可连续获得0-850nm的行程，能够满足最大入射光波长一半的行程要求，故能实现1.3μm-1.7μm的光谱范围。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，包括：
－双面腐蚀后截面呈“W”形的体硅及其下表面的浓硼掺杂层，所述体硅及其下表面的浓硼掺杂层作为滤波器的上基板；
－前腔镜支撑膜，所述前腔镜支撑膜位于“W”形体硅上表面四周镂空区域以内的所有区域；
－前腔镜，所述前腔镜位于支撑膜的上表面；
－悬臂梁，所述悬臂梁即为“W”形体硅四周镂空区域下方的浓硼掺杂层；
－上电极，所述上电极即为“W”形体硅中央镂空区域与四周镂空区域之间体硅下表面的浓硼掺杂层；
－石英基底，所述石英基底作为滤波器的下基板；
－后腔镜，所述后腔镜位于石英基底上表面与前腔镜相对应的区域；
－光栅，所述光栅位于石英基底下表面与后腔镜相对应的区域；
－下电极，所述下电极位于石英基底上表面与上电极相对应的区域。
2.根据权利要求1所述的一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述上基板与下基板通过对准键合的方式使其形成一个法布里-珀罗腔，腔体的初始腔长由所述体硅的厚度决定，体硅的厚度通过湿法腐蚀进行调节，调节范围为200μm～500μm。
3.根据权利要求1所述的一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述支撑膜为氮化硅与二氧化硅的双层膜，薄膜总厚度为250nm～350nm。
4.根据权利要求1所述的一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述前后腔镜为金属膜或布拉格多层介质膜。
5.根据权利要求1所述的一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述悬臂梁的宽度为300μm～500μm，厚度为10μm～12μm。
6.根据权利要求1所述的一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述光栅的总缝数N应该满足以下关系：N≥2L/λmin，其中，L为法布里-珀罗滤波器的腔长，λmin为入射光中的最小波长，满足该关系式可使经法布里-珀罗滤波器滤波后不同级次不同波长的光在空间上得以分离。
7.根据权利要求1所述的一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述上下电极应对称分布在前后腔镜四周，上电极的宽度为500μm～1mm，下电极的宽度不大于上电极的宽度，下电极的厚度为50nm～200nm，上下电极的间距为2μm～4μm。
8.根据权利要求1所述的一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于：所述上基板的驱动行程等于最大入射光波长的一半，正向误差不超过最大入射光波长的十分之一。
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