（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems技术的fabryperot腔可调光学滤波器研究.pdf

摘要 基于m e m s 技术的 f a b r y p e r o t 腔可调光学滤波器研究 向民( 微电子学与固体电子学) 指导老师：王跃林教授 摘要 可调谐光学滤波器是现代光通信系统和传感器网络的关键器件，利用微机电系统 ( m e m s ) 技术的法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 腔可调光学滤波器以其体积小、性能 高、成本低等优点成为众多解决方案中有力的竞争者之一。本论文以该类型滤波器为 研究对象，从理论与实际工艺制备等方面对其进行了探索。 论文阐述了f p 干涉仪的一般理论，利用矩阵法计算了多种的四分之一波堆光学 介质薄膜的反射率和反射相移。以此为基础，较为系统地研究了高反射镜面的反射相 移及其色散对短腔长的f - p 干涉仪光学性能的影响。首次从理论上解释了由高反射镜 面的反射相移和色散导致的短腔长的法布里一珀罗干涉仪自由谱域缩短效应，并由实 验得到了验证。 论文研究将压电驱动精密、稳定的特点同m e m s 批量制造优势相结合，自主设 计了一种新型的压电驱动f p 腔可调光学滤波器，设计中采用了独特的阻挡块结构将 两镜面的平行度保持在一个合适的范围。制备中先后尝试了普通硅片湿法腐蚀工艺、 选择性外延工艺和利用s o i 材料制作三种路线方案。 本论文首次利用湿法腐蚀工艺制备了f p 腔。经测试其插入损耗约为8 d b ，半波 宽1 5 2 r i m ，精细因子在5 0 以上，两镜面无需静电调节机构即可保持良好的平行度。 本论文在国内首先开展了选择性外延工艺在m e m s 领域的前期研究，尝试利用 选择性外延工艺制作法布里一珀罗腔光学器件，总结了在选择性外延工艺当中的一些 重要现象和效应，包括一些尚未见文献报道的现象。 本论文利用s o i 硅片制备了新型的压电驱动f p 腔体可调光学滤波器并进行了初 步的光学测试。在制备中笔者利用简单的各向异性湿法腐蚀工艺和金属溅射( 或真空 蒸发) 工艺实现了将电极从硅片的一面引到另一面，该电极导引方法在本实验之前未 见相关报道。 经初步测试可调滤波器的插入损耗约为8 d b ，半波宽5 n m ，加电驱动后透射峰值 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 摘要 波长移动量可达2 0 h m 。笔者对实验结果进行了分析，对下一步的工作进行了展望， 确定了改进方向与揞施。 关键词：f p 干涉仪，微机电系统，可调光学滤波器，自由谱域，介质薄膜 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论之 a b s t r a c t s t u d yo ff a b r y - p e r o tt u n a b l eo p t i c a lf i l t e r e m p l o y i n gm e m st e c h n o l o g y x i a n g m i n ( m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy u e l i n a b s t r a c t t u n a b l eo p t i c a lf i l t e ri st h ek e yd e v i c eo fm o d e mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n ds e n s o r s y s t e m s w i t ht h ea d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，h i g hp e r f o r m a n c e ，a n dl o wc o s t ，t h e f a b r y p e r o t ( f p ) t u n a b l ef i l t e re m p l o y i n gt h em i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n ga m o n g a l lo p t i c a lt u n a b l ef i l t e rs o l u t i o n s t h i s t h e s i sf o c u s e do nt i l er e l a t e dt h e o r i e so f t h em o e m st u n a b l ef i l t e ra sw e l la si t sf a b r i c a t i o n t e c h n i q u e s t h ec o n v e n t i o n a lt h e o r yo ft h ef - pi n t e r f e r o m e t e rw a si n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h e nt h e r e f l e c t i v i t ym a dr e f l e c t i o np h a s es h i f to fq u i t eaf e wk i n d so fd i e l e c t r i cf i l m sc o n s i s t i n go f q u a r t e rw a v es t a c k sw e r ec a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h er e f l e c t i o np h a s es h i f ta n di t s d i s p e r s i o no nt h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es h o r t c a v i t y ( s c ) f - pi n t e r f e r o m e t e rw a s a n a l y z e d i nd e t a i l s t h ef r e e s p e c t r a lr a n g e ( f s 鼢s h o r t e n i n ge f f e c t i nt h es c f - p i n t e r f e r o m e t e rw a st h e o r e t i c a l l yp r o v e df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hm a t c h e dt h ee x p e r i m e n t a l d a t av e r yw e l l b yc o m b i n i n gw i t ht h ep r e c i s ea n ds t a b i l ec h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i cd r i v i n ga n d t h eb a t c hf a b r i c a t i o na d v a n t a g eo ft h em e m st e c h n o l o g y , an o v e lf pt u n a b l ef i l t e rw a s p r o p o s e da n dd e s i g n e d t h ep a r a l l e l i s mo ft h et w of - pr e f l e c t i o nm i r r o r sc a nb ew e l l c o n t r o l l e db yt h ep r o p o s e ds t r u c t u r e t h r e ef a b r i c a t i o np r o c e s s e s ，i n c l u d i n g ( i ) w e te t c h i n g ， ( i i ) t h es e l e c t i v ee p i t a x i a lg r o w t h ( s e g ) o ns i l i c o nw a f e r s ，a n d ( i i i ) u s i n gs i l i c o no n i n s u l a t o r ( s o i ) w a f e r s ，w e r es t u d i e d t h ef pc a v i t i e se m p l o y i n gt h ew e te t c h i n gp r o c e s sw a sf a b r i c a t e df o rt h ef i r s t t i m e t h ei n s e r t i o nl o s sw e r ea b o u t8 d b ，t h ef u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ( f w h m ) a b o u t1 5 2 n i n ，a n dt h ef i n e s s em o r et h a n5 0 t h eh i g hp a r a l l e l i s mo ft h et w or e f l e c t i o nm i r r o r sw a s a u t o m a t i c a l l ya c h i e v e dw i t h o u ta p p l y i n ga d d i t i o ne l e c t r o s t a t i cc o n t r 0 1 t h ea p p l i c a t i o no ft h es e g p r o c e s so nt h em e m sf i e l dw a se x p l o r e da n dt h ee f f o r tt o f a b r i c a t ef - pb a s e do p t i c a ld e v i c e se m p l o y i n gt h es e gt e c h n o l o g yw a sm a d e t h e p h e n o m e n o na p p e a r e di nt h es e ge x p e r i m e n t sw e r es u m m a r i z e d ，s o m eo fw h i c hw e r ef i r s t 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论支 a b s t r a c t o b s e r v e d an o v e lf - pt u n a b l ef i l t e rd r i v e ab yu s i n gp i e z o e l e c t r i c sw a sf a b r i c a t e dw i t ht h es o m a t e r i a l b ye m p l o y i n gs i m p l ew e ta n i s o t r o p i ce t c h i n gp r o c e s sa n dm e t a ls p u t t e r i n g ( o r e v a p o r a t i n g ) p r o c e s s ，t h ee l e c t r i c a li n t e r c o n n e c tb e t w e e nt h ee l e c t r o d e so nb o t hs i d e so f t h e s i l i c o nw a f e r w a sr e a l i z e df o r t h ef i r s tt i m e t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n s e r t i o nl o s so ft h et u n a b l ef i l t e rw a sa b o u t8 d b ，t h ef w h ma b o u t5m n ，a n dt h et r a n s m i t t e dp e a kr e ds h i f t e da b o u t2 0n m t h et e s t r e s u l t sw e r ea n a l y z e d t h ef u r t h e rm e a s u r e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ew e r ea l s o d i s c u s s e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：f pi n t e r f e r o m e t e r ，m e m s ，t u n a b l eo p t i c a lf i l t e r , f s r ，d i e l e c t r i c sf i l m s 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 基于m e m s 技术的f a b r y p e r o t 腔可调光学痣波器研究 1 1 1 光纤通信系统 第一章绪论 光纤通信主要是指利用激光作为信息的载波信号并通过光导纤维来传递信息的 通信系统，现今的光纤通信己成为信息社会的神经系统。一个典型的光纤通信系统通 常由发射电端机、发射光端机、接收光端机、接收电端机以及连接发射和接收光端机 的光纤线路组成。随着信息量的不断扩大，必须提高光纤的传输比特( b i t ) 率。早 期系统是采用电子时分复用技术，即在发送方面，把低比特速率的电信号用时分复用 逐级合成为高速率的电信号，然后以强度调制激光二极管；在接收方面，由光电探测 器检出电信号，再分路。目前的光纤通信系统是采用光波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术，它将两个或两个以上的光通道合成在一条光纤中传输， 使用掺铒光纤放大器( e d f a ：e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 中继放大，使传输容量 提高几倍甚至上千倍，目前复用上百个信道的密集波分复用( d w d m ：d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术已被系统大量采用。 未来的光通信网络的发展趋势是全光网络。所谓全光网络，就是网络中直到用户 端点之间的信号通路仍保持着光的形式，即只有信号在进入和离开网络时才进行电 光( e o ) 和光电( o e ) 转换，而在网络中的传输和交换过程中始终以光的形式存 在。在全光网络中，由于没有光电转换的障碍，所以允许存在各种不同的协议和编码 形式，是信息传输更具有透明性，且无须面对电子器件处理信息速率难以提高的困难， 因此全光网络成为宽带通信网未来的发展目标。 为了实现基于d w d m 的仝光通信，必须具备一系列的关键技术：光多址技术、 全光交换、光插分复用( o a d m ：o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ) 、光交义连接( o x c ： o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 、波长变换、信道争夺解决技术、同步技术、前端识别技术、 全光信息再生技术、网络管理与控制技术等i l l 。这些技术需要一系列新型的光通信器 件加以实现，可调光学滤波器就是其中的核心部分。 可调光学滤波器的发展对于推动全光网络架构扮演着关键性的角色。以光性能监 测器( o p m ：o p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r ) 为例，发展全光网络的一个先决条件是必 须做到光层面的网络临控与管理，以目前的技术而言，若要对光讯号做控管，必须先 将光讯号拾取后，经过光电转换，刁能做下一步的讯号监控或路由控制。然而，这种 方式不但所需的设备昂贵，且线路复杂、管理不易，随着网络鼠务的快速增加，显然 是没有经济效益的。利用可调式滤波器为基础的o p m ，则不须针对每一个波长分别 建置光电转换及监测设备，只需要透过可调式滤波器，将要处理的波长筛选出来即可， 因此可大大简化光纤监管系统的架构。 传统的可调o a d m 必须用波分复用器将所有波长分别独立，再透过电路控制选 择要下载的波氏，如果用可调式滤波器来取代波分复用器，则不须将个别波长分别独 立，只需使用一个可调光学滤波器将要下载的波长筛选出来即可。 可调光学滤波器和激光源的结合就成为可调激光器。目前的d w d m 系统普遍已 中国科学院上海微系统与信包技术研咒所博士学位论文 经达到4 0 路波分复用，若在这种情形下使用固定波长的激光源，则4 0 个波长就要搭 配4 0 个激光源，再加上每个波长都要准备3 至5 个备品，将形成庞大的成本负担， 对于系统的可靠度也是挑战。如果采用可调式激光源，就可以1 颗激光器取代多个固 定波长之激光，同时备品总共也只需要3 至5 颗即可，大大的降低了系统成本。 光通信系统的进步也带动了光传感器系统的发展，现代的光传感器系统f 朝着智 能化、小型化、网络化发展。可调光学滤波器也在其中占据着重要地位。例如，在光 纤通信中可调偕滤波器的基础上研制出的光纤光栅、光纤干涉仪等光学传感器件，己 经在分布式、多功能传感系统起到了重要作用。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、 灵敏度高等优点，将光纤光栅埋入建筑物或飞行器中，可以对建筑物或飞行器的应力 状况、机械性能、外部环境等进行实时隘测，真正形成一个智能感应的网络。 总之，光学滤波器在光纤通信系统和光传感器系统中有着重要应用，这些应用可 归纳为： 半导体激光器和光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波； 光波长复用j 辑复用器； 光性能监测器( o p m ：o p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r ) ： 光放大器中的噪声抑制； 波长选择器； 波长转换器； 色散补偿器及延时器等。 1 1 2 微机电系统 微机电系统( m e m s ：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ) 技术近年来得到了迅 速的发展。这种技术以成熟的半导体集成电路( i c ：i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 微细加工技术 为基础，结合超精密机械加工技术，把多个领域的技术诸如微机械技术、微光学技术、 光电子技术、微电子技术结合到同一块芯片上的，将信息获取处理和执行一体化地集 成在一起，共同组成一个完整的多功能系统，具有高性能、低成本、小型化的特征。 1 9 8 1 年发起的国际学术会议t r a n s d u c e r s 和学术刊物s e n s o r sa n da c t u a t o r s 可以被看成m e m s 学术领域的诞生。k u r t e p e t e r s e n 于1 9 8 2 年发表了一篇著名的综 述文章【2 i ，从而确立了硅材料在微机电系统制造技术中的主体地位。经过2 0 多年的 发展，硅微机械技术逐渐被划分为两大类。一类是对硅片体材料的整个厚度进行加工 的体微机械技术 3 】，主要包括静电键合、共融键合、硅硅直接键合、各向同性腐蚀、 各向异性腐蚀和腐蚀中止技术等等。另一类是只将硅片作为衬底看待，着重在硅片表 面制作微机械结构的表面微机械技术【4 j 。这类技术首先是利用微电子工艺来制作各种 低应力且有一定厚度的薄膜，利用光刻技术和等离子刻蚀或反应离子刻蚀形成结构图 形，再用千法或湿法对衬底材料进行牺牲腐蚀实现可动的微机械结构。后来德国发明 了一种可以与表面微机械技术归纳在一起的l i g a 技术，用同步辐射加速器产生的x 光对厚的感光材料进行深刻蚀，再用选择性金属或合金电镀来制作高深宽比的结构。 由于该技术所要求的设备昂贵，不利于推广，又产生了所谓准l i g a 技术，即用深紫 外光源来替代进行光刻。自从1 9 9 2 年m u m p s p j ( m u l t iu s e rm e m sp r o c e s s ) 工艺标 准推出以后，表面微机械技术至今出现了若干工艺标准，包括m u m p s ( m c n c ) ，i t t ( s a n d i a ) ，i m e m s ( a d i i v l c n c ) ，c m u ( m o s i s ) is c n a m e m s ( m o s i s n i s t ) 。 利用m u m p s 工艺标准已经可以制作出多达五层的表面微机械结构。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 基于m e m s 技术的f a b r y p e r o t 腔可调光学滤波器研究 运用体微机械技术加工的器件，性能较好，但体微机械加工一般是双面工艺，与 集成电路的兼容性也不如表面微机械，器件体积也比较大。表面微机械技术是一种单 面工艺，与集成电路兼容性好，制成的器件体积小，便于单片集成，但是由于表面结 构层很薄，机械强度和质量有限，使表面微机械器件的性能收到一些限制。 最早实现实用化的m e m s 技术是在惯性器件方面。体硅微机械技术成功地开发 出了种类繁多的力敏传感器，压阻式压力传感器和加速度传感器正是在该类技术的依 托下实现了产业化。表面微机械的加工魅力在t r a n s d u c e r s 8 7 会议上由u c b e r k e l e y 展示微机械马达部件制成成果时开始为人们所认识【6 j ，然而最成功的杰作应是a d 公司于2 0 世纪9 0 年代推出的与信号处理电路单片集成的加速度传感器a d x l 一5 0 1 7 。 该产品在汽车安全气囊等领域的成功应用为m e m s 技术的发展竖立了一座里程碑。 此外，m e m s 加工手段还应用在集成电路、热学、化学、生物、流体、光学等 多个技术领域，其中m e m s 在光学特别是在光通信领域的应用最为引人注目。 1 1 3 光学与微机电系统的结合 白1 9 6 9 年m i l l e r 1 提出“集成光学”的概念以来，基于波导的集成光学得到了巨 大的发展，人们已经可以在一块衬底上集成几乎所有的波导光学器件。但足，在光学 成像、投影、数据存储、开关、传感等领域有重要应用的自由空间光学器件却有很多 无法被集成进来。m e m s 技术的出现使这一问题出现了解决的曙光。换而言之，光 学是m e m s 技术理想的应用领域：光子没有静止质量，因而对于m e m s 执行器来说 能够比其它微小物体更容易被操纵：m e m s 执行器微小的力输出与位移变化能适合 很多光学应用；m e m s 构造的三维结构可以使集成光学由平面走向立体；m e m s 器 件的精确定位特性大大减少了光电器件耦合与封装的难度。 光学与微机电技术的结合诞生了微机电技术的一个重要分支：微光机电系统 ( m o e m s ：m i c r o o p t o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 。大量基于m o e m s 技术的微光 学器件被开发出来【9 】，一些技术成熟的器件诸如数字微镜器件( d m d ：d i g i t a l m i c r o m i r r o r sd e v i c e ) 1 0 l 、光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 、可调光衰减器( o p t i c a la t t e n u a t e r ) 等已经在商品化的投影显示、光通信设备中得到重要应用。另外一些如可调谐滤波器 ( t u n a b l ef i l t e r ) 、可调谐激光器( t u n a b l el a s e r ) 、微光学平台( m i c r oo p t i c a lb e n c h ) 、 微透镜阵列( m i r o l e n sa r r a y ) 等器件也在光通信、光传感、光信息读取等应用方面显 示了巨大的潜力，成为各国m o e m s 研究人员争相发展的热t i 。 本论文的工作即围绕可调光学滤波器展开，以下首先对光学滤波器作一概述，简 述各种类型的光学滤波器的原理、特点及应用范围，再分类详细介绍利用m e m s 技 术研制的法布里一珀罗( f p ：f a b r y p e r o t ) 腔光学滤波器和传感器，在本章最后一 节介绍本论文：l 作的目的、意义、创新点和内容。 1 2 光学滤波器概述 光学滤波器按滤波原理可以分为三种类型：棱镜滤波器，衍射光栅滤波器以及干 涉滤波器。另外，根据滤波器能否提供光增益，还可以把滤波器分为无源和有源滤波 器两大类，有源光学滤波器是无源器件和可调谐检波器的组合，每个检波器调渚到一 个特定的频率。本节主要以无源光学滤波器为主介绍各种光学滤波器的原理、特点和 应用范围。无源光学滤波器的分类如图1 1 所示。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章绪论 ，光纤光栅滤波器 按原理分 1 光纤取锥型滤波器 l 全光纤卢光可调谐滤波器 ji 光纤光栅七按特性分丁墨 、波导光栅 ，干涉薄膜滤波器 【i 声光效应滤波器 i 磁光效应滤波器 、f - p 腔滤波器 1 2 1 棱镜型光学滤波器 棱镜型光滤波器是最早的光学滤波器件，它是利用棱镜对不同波长的光有不同折 射率，从而使不同频率的光具有不同的偏折角，最终达到滤波的功能。棱镜型滤波器 具有较强的峰值透过率，由于采用的是玻璃棱镜，所以价格低廉。但由于棱镜是块状 元件，其色散系数小，故而棱镜型滤波器的带宽较宽，不能用作窄带滤波器，现用波 分复用器一般不采用棱镜。 1 2 2 衍射光栅型光学滤波器 衍射光栅滤波器包括传统光栅、光纤光栅( f g ：f i b e r g r a t i n g ) 和平面光路( p l c p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ) 器件。 1 2 2 1 传统光栅滤波器 传统光栅滤波器是利用入射光入射到光栅表面时，每个波长分量朝着空间内不同 的点衍射。使用透镜系统或凹面衍射光栅可将衍射的各个波长聚焦，从而把不同波长 光分开，实现滤波功能。这种类型的滤波器比较成熟，并在光信息处理、可调谐激光 器等诸多领域得到广泛应用 1 l , l z ，但由于传统衍射光栅的体积较大，一般在光纤通信 系统中很少采用。 4中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论丈 基于m e m s 技术的f a b r y p e r o t 腔可调光学滤波器研究 1 2 2 2 光纤光栅 自从1 9 7 8 年k o h i l l 1 3 1 等人首先在掺铒光纤中采用驻波写入法制成世界上第一 只光纤光栅以来，由= 丁= ：其优良和独特的性质，光纤光栅已被应用在光纤通信、光纤传 感器等领域。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互 作用引起折射率的永久性变化) ，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率的周期性变化， 从而形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜。利用这一特性可以构成许多性 能独特的光纤无源滤波器件。 对光纤通信来说，最感兴趣的是光纤b r a g g 光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 1 4 1 ， f b g 是完成全光通信网络波长选择的关键元件之一。根据滤光原理和滤光器结构， f b g 滤光器可分为光纤光栅滤波器、马赫一策恩德( m z ：m a c h z e h n d e r ) 光纤滤波 器、光纤双锥型滤波器和全光纤声光可调谐滤波器等。根据光纤光栅的特性，可将光 纤光栅滤波器( f g f ：f i b e rg r a t i n gf i l t e r ) 分为均匀b r a g g 光栅型 i ”、m o i r e 光栅型 1 6 , 1 7 、梳状( i i l t e r l e a v e r ) 光栅型【”l 、长周期光栅型和啁啾光栅型1 4 l 等。这些器件 可以提供非常窄的频率间隔。最好可以作到2 5 g h z ( o 0 4 n m ) ，理论上在c 波段 ( 1 5 2 0 1 5 6 0 h m ) 就可以容纳1 6 0 0 个通道复用，插损与一致性也非常好。 光纤光栅是通过紫外光在高掺锗或普通氢载光纤上按一定的掩膜刻制光栅的器 件。k 周期光纤光栅还具有宽带滤波的性能，特别适合制作e d f a 增益平坦的滤波器。 光纤光栅器件的困难在于温度稳定性，由于光栅的中心波长会随温度而变化，所以实 用化的器件必须解决这个问题。 1 2 2 3 平面光路器件 随着集成光学技术的发展，平面光路器件( 即集成光波导) 也迅速发展起来。集 成光波导滤波器件主要是一种阵列波导光栅( a w g ：a r r a y e dw a v e g u i d eg r a d n g ) ， 由集成在同一块衬底上的输入输出波导、阵列波导和平板波导构成。从功能上讲， 可把a w g 看成由。个相位控制器、一个衍射光栅和外加辅助的输入输出波导组成。 制作原理是在磷化铟( n p ) i 、氧化硅( s i 0 2 ) 2 1 】、绝缘层卜的硅( s 0 1 ：s i l i c o n o ni n s u l a t o r ) 2 2 1 、聚合物( p o l y m e r ) 1 2 驯等衬底上镀多层玻璃膜( 形成光栅) ，玻璃 的成分必须仔细选定以产乍合适的折射率。这些玻璃层按一定形状用光刻、反应离子 刻蚀等标准的半导体工艺制备在衬底上。同样地入制光在光栅中产生干涉滤波。这种 技术的难点在于制作波导光栅，即控制玻璃膜的厚度，成分与缺欠等。这种器件的优 点在于集成性，频率间隔可以达到1 0 0 g h z ，5 0 g h z 的器件也可以做出来。 1 2 3 干涉光滤波器 干涉滤波器是利用相干光干涉的原理来实现窄带滤波的。常见的十涉滤波器有模 式耦合型滤波器、多层介质薄膜滤波器以及f - p 腔干涉滤波器。本小节简要介绍应用 较多的声光效应滤波器和介质薄膜干涉滤波器，f p 腔滤波器在下- d , 节详细阐述。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论丈 1 2 3 1 声光效应滤波器 模式耦合滤波器是基于声光 2 4 , 2 5 、电光 2 6 - 2 8 j 或磁光【2 9 j 效应等各种模式耦合的滤波 器。其中以声光效应滤波器应用最为普遍。声光可调谐滤波器( a o t f ：a c o u s t o o p t i c a l t u n a b l ef i l t e r ) 是一种基于声光相互作用的器件，它也是建立在b r a g g 原理之上。a o t f 一般由一个卢一光变换器( 从t e 到t m ) 、两个正交偏振器和两个靠得很近的光波导 组成。若入射光的能量都处于t e 模式，将射频( r f ：r a t i of r e q u e n c y ) 卢信号施加 于透明光波导，使折射率发生周列性的起伏。施加在波导上的声频( 振动) 对它的分 子结构产生周期性的扰动，这个周期就决定了折射率变化的周期，凡是符合b r a g g 条 件的光波的偏振也从t e 转换到t m ，从而实现波长选择滤波。a o t f 可用于可调单 多波长接收机、波长选择空分开关。典型的a o t f 有两个缺点：一是不易对准输入光 的偏振状念，从而引起偏振失配的耦合损耗；二是容易造成光谱偏移。 1 2 3 2 介质薄膜干涉滤波器 介质薄膜干涉滤波器【弛”l 是使用最广泛的一种滤波器，主要应用在4 0 0 g h z 到 2 0 0 g h z 频率间隔的低通道波分复用系统中。这种技术十分成熟，可以提供良好的温 度稳定性和通道隔离度和很宽的带宽。主要工作原理是在玻璃衬底上蒸镀多层电介质 薄膜，多层膜的作用使光产生干涉选频，镀膜的层数越多选择性越好，一般都要镀 2 0 0 层以上。镀膜后的玻璃经过切割，研磨，再与光纤准直器封装在起。这种技术 的不足之处在于要实现频率问隔1 0 0 g h z 以下非常困难，限制了通道数只能在1 6 以 下。另外薄膜滤波器一经制备好后其中心波长和通道数就已经固定了， 般不具备可 调功能。 1 2 4 f p 腔滤波器 1 2 4 1 传统的f p 干涉仪 早在1 9 世纪术，f p 腔就被用于光谱分析p q 。f p 干涉滤波器是由平行放置的两 块平面板组成。为了提高端面反射率，在两平面板上镀有多层介质膜或金属膜。若两 个平行平面的问隔固定不变( 通常采用石英或殷钢做间隔) ，该仪器称为f p 标准具； 若两个平行平面之间的间隔可以改变，则该仪器称为f p 干涉仪。同迈克耳孙 ( m i c h e l s o n ) 干涉仪相比，基于多光束干涉的f p 干涉仪产生的条纹要细锐得多。 因此f ，p 腔在光谱精细结构分析、激光谐振腔、光学滤波器等方丽得到了广泛的运用。 图1 2 为传统的f p 于涉仪结构图例。 f p 腔一般有四个主要的光学参数：1 插入损耗( i l ：i n s e r t i o nl o s s ) ，即峰值透 射率；2 自由谱域( f s r ：f r e es p e c t r a lr a n g e ) ，即透射峰之间的波长( 或频率) 间 隔，一般来说腔长越火则自由谱域越短；3 半波宽( f w h m ：f u l lw i d t ha th a l f m a x i m ) ， 即透射率为峰值一半处的波形宽度；4 精细因子( f i n e s s e ) ，即自由谱域与半波宽的 比值，精细因子表示了波形的“精细”程度。各个参数对f p 腔的光学性能的影响和 相互之间的关系将在第二章详述。 f p 腔滤波器是主要类型的带通滤波器。早期的f - p 型干涉滤波器结构如图1 2 6 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学住论文 基于m e m s 技术的f a b r y p e r o t 腔可调光学滤波器研究 所剥3 4 。这种滤波器可用加膜方法制备于玻璃平面上，上下为反射膜( 金属膜或介质 膜) ，中间为介质膜( 间隔层) 。在正入射下如果腔长的光学厚度为入射光半波长的整 数倍时，这个波长下的光可以低损耗地透射过去，而不满足这个条件的波长则被反射， 从而实现滤波的功能。 介质 问隔 图1 2 传统的f p 干涉仪结构图 图1 3 早期的f p 型干涉滤波器 1 2 4 2 传统的压电驱动f - p 腔可调滤波器 部分 反射膜 f - p 型滤波器透射( 或反射) 的峰值波长主要同间隔层的光学厚度相关，因此改 变间隔层的物理厚度、折射率和光的入射角都可以改变透射( 或反射) 的峰值波长， 从而实现可调滤波。其中以改变腔长最为直观，最初的可调滤波器采用压电驱动的办 法( 图1 4 ) 【3 ”，先是将整块玻璃抛光并镀上高反膜后，再用压电陶瓷粘合起来，这 种方法依靠压电陶瓷来调节腔长和两镜面的平行度，器件尺寸较大，而且腔长一般都 在毫米量级以上。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学住论文 第一章绪论 0 b o m m 图1 , 4 早期的压电驱动可调滤波器 目前市场上主要的f p 腔可调滤波器是利用光纤端面作为反射镜面，采用压电驱 动的办法来改变两个光纤端面的间距，从而实现可调滤波的功能【3 “4 0 l 。 1 9 8 7 年j s t o n e 等人【3 目分析了三种具有不同自由潜域的光纤型f p 腔可调滤波器 的结构形式，腔长分别可以为1 3 e r a 、1 0 u m 、4 r a m 不等，因而自出谱域也可分别为 0 0 2 n m 、1 0 0 n m 、0 2 n m ，覆盖了广阔的范围，三种结构的的示意图如图1 5 所示。 第一种类型的结构如图1 5 ( a ) 所示。一段长约为几个厘米的光纤两个端面抛光， 蒸镀上高反射薄膜，光纤外部用套管和环氧胶沾在可以轴向伸缩的压电结构上，这段 光纤的两个端面构成了f p 腔体的高反射镜面，光纤的k 度即为腔长。若外部电压加 在压电部件上，压电部件在伸长的同时也拉动中间的光纤伸长，从而改变腔长实现可 调滤波功能。因为这种结构的腔体为光纤波导，所以在保持较大的腔长的同时大大减 小了腔内的衍射损耗。例如当光纤长为3 5 c m 时，测得的插入损耗为3 5 d b ，自由谱 域为0 0 2 n m ，半波宽为0 2 p m ，精细因子在1 0 0 以上。但这种结构的不足在于对于较 短的腔长( 小于l c r n ) 制作相当困难，从而限制了它在大自由谱域滤波器巾的应用。 第二种类型( 图i 5 ( b ) ) 是将高反射膜燕镀在两段光纤相对的抛光端面上作为 f p 腔的镜面。两端光纤依然被套管、环氧胶和压电部件组合成一个整体。这种类型 的优点是两个高反射的光纤端而可以靠得很近，从而适合在对自由谱域要求较大的场 合适用。当光纤端而距离在1 0 9 i n 时，测得的插入损耗为1 0 d b ，自由i 普域为1 2 0 n m ， 半波宽为0 5 5 n m ，精细因子约为2 0 0 。这个结构的不足之处也恰恰在于光纤端面的距 离不能大于1 0 岬，否则会由于光束的发散导致腔内的衍射损耗非常严重。 第三种类型( 图1 5 ( c ) ) 将一小段光纤先放进了套管中问，其中。端的表面蒸 镀上高反射薄膜，另。端面蒸镀上减反射薄膜。另外两段光纤分别与中间光纤的两端 对准，其中与中问光纤蒸镀高反射薄膜的一端相对的光纤端面蒸镀减反射薄膜，与中 间光纤蒸镀减反射薄膜的一端相对的光纤端面则蒸镀高反射薄膜。用这种结构中间光 纤的长度可以比第一种类型短，比第二种类型长，因而得到的自由谱域在前两种类型 之间。例如当腔长为4 m m ，测得的插入损耗为8 7 d b ，自由谱域为0 2 n m ，半波宽约 为1 1 p m ，精细因子约为1 7 5 。这种类型的基本腔长仍然取决于中问光纤的长度( 最 小可以为l m m ) ，因而在使用方面不是很灵活，另外多个光纤端面之间的对准也增加 了装配的难度。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学住论文 基于m e m s 技术的f a b r y p e r o t 腔可调光学滤波器研究 ( a ) ( b ) $ 0 l n0 7s o l i d ：jr c o n $ t e e v e ( c ) 图1 5 三种光纤型f p 腔可调滤波器结构示意图 这三种类型基本上涵盖了光纤型f p 腔滤波器的主要结构形式。这种滤波器经过 2 0 多年的发展，现在已经日趋成熟，成为目前市场上的f p 腔可调滤波器的主要形 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章绪论 式。由于是压电驱动，其调谐速度为毫秒级，若在两光纤的缝隙中填入液晶( l c ： l i q u i dc r y s t a l ) ，由于液晶的折射率在通电后能迅速改变，则可以将调谐时间缩短到 1 0 u s ，这种填充液晶的光纤型f p 腔滤波器可调波长可达5 0 0 n m ，可调范围为8 0 n m ， 波长分辨率为0 0 5 - - l o n m ，精细因子可达几百乃至上千1 4 “。 这种类型的可调滤波器性能可靠，重复性好，缺点是需精细调节光纤径向偏差及 两光纤端面的平行度，制作成本高，器件体积偏大，大量采用装配工艺，难于与i c 工艺兼容，不利于和其它光电器件集成，不利于批量化生产。 1 3 利用f p 腔结构的m e m s 器件 f p 腔以其简单的结构特别适合于用m o e m s 技术手段加以微小化，其中无源器 件( 如滤波器、传感器) 以硅材料为主，有源器件( 如激光器) 以三、五族材料特别 是磷化铟( i n p ) 为主，以下就着重阐述m o e m s 技术在f p 腔可渊光滤波器、传感 器方面的发展，其中可调光滤波器的调节方式又可分为调节腔长、调节入射角和调节 折射率三大类。 1 3 1 腔长可调滤波器 调节腔长、腔体折射率和入射光角度即可以实现对滤波的可调控制，其中凋节腔 长最为直观，在m o e m s 技术当中也最为常用。依据光线传播方向同衬底的关系， 町以把f p 腔滤波器分为“横向”和“纵向”两大类。“横向”滤波器中的光线传播 方向同衬底甲行，而“纵向”滤波器的光线传播方向则同衬底垂直。而依据使用的工 艺不同又可以分为体工艺和表面工艺两大类。因此我们分别介绍应用体工艺的“横 向”、“纵向”滤波器以及应用表面工艺的“横向”、“纵向”滤波器。 1 3 1 1 体工艺“横向”滤波器 横向滤波器的最大优点是光线传播方向同衬底平行，这给同其它光器件之间的集 成带来了很大的方便。由于“横向”滤波器的镜面垂直于衬底，用通常的镀膜工艺很 难把高反射薄膜( 金属膜或介质膜) 蒸镀到镜面上，所以在体工艺的“横向”滤波器 中一般采用分布式b r a g g 反射镜( d b r ：d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s ) 的方式制作高 反射镜。即制作高低折射率间隔的四分之一波长夹层，其中又以硅一空气h 9 分之一波 长夹层最为常见。 s u n gs i ky u n 4 2 峙艮道了在s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 硅片 ：制作的静电驱动的带 有d b r 结构的特定波长光衰减器，如图1