（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems技术的角度可调谐光滤波器研究.pdf

摘要 基于m e m s 技术的角度可调谐光滤波器 摘要 可调谐光滤波器是现代光通信系统和传感器网络中的关键器件。研究和开发 成本低、体积小、响应快、调谐范围宽以及偏振不敏感的可调谐光滤波器成为迫 切需要。本文提出了一种基于m e m s ( m i c r 0 e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电 系统) 工艺技术的新型结构的角度调谐光滤波器。该器件结构简单、易于制备、 响应速度快、偏振相关损耗低且波长可在较大范围内连续可调，具有一定的实用 价值。 文中采用技术成熟的多层介质膜滤波片进彳亍滤波，并利用电磁驱动的微机械 转动结构实现角度调谐。论文内容主要包括器件原理分析与总体结构设计，转动 结构设计和器件制备与测试三部分： ( 1 ) 器件原理分析与总体结构设计。首先对滤波片在斜入射条件下的偏振 效应进行了分析，提出了采用双折射晶体与半波片组合将入射光在滤波前分为两 束并转换为同一偏振态，滤波后还原偏振态再合束的方法，有效地消除了偏振的 影响；其次，针对正入射附近角度调谐灵敏度较低的缺点，提出将滤波片工作角 度预偏置的方法来提高灵敏度，从而降低了调谐范围对转动角度的要求：最后， 对斜入射条件下的光束移位效应进行了分析，提出了采用新颖的空频域迭代法来 计算透射光斑随角度增大时的展宽情况。 ( 2 ) 转动结构的设计。基于电磁感应原理，本文提出一种带有组尼线圈的 电磁驱动平台结构，有效地提高了微机械角度调节装置的响应速度。转动平台上 下两表面同时电镀金属线圈，上表面线圈起驱动作用，下表面线圈起阻尼作用。 通过建立结构的力学模型，结合静态与动态的受力运动分析，确定了最佳的结构 参数。 ( 3 ) 器件制备与测试。文中给出了转动结构的完整制作工艺流程，重点介 绍了牺牲层，电镀以及深度离子反应腐蚀：【艺，确定了相应的工艺参数，得到了 转动平台芯片。通过将转动平台与滤波片，双折射晶体、半波片和永磁体进行组 中科院i 海微系统j 府崽拉术研究所坝i 岸位论义 装，最后完成了角度可调谐滤波器的制各。本文选用中心波长为1 6 1 0 n m 的介质 膜干涉滤波片，当预偏置角度取2 5 。时得到了以下初步测试结果：在5 。内， 波长调谐范围可达到4 0 r i m ( 1 5 3 2 n m 1 5 7 2 n m ) ，插入损耗 5 d b ，3 d b 带宽 1 l 矾， 偏振相关损耗 o 3 d b 。 测试结果表明，本论文设计制作的角度调谐光滤波器具有较好的滤波性 能。针对实验结果，笔者对下一步的工作进行了展望，确定了改进方向与措施。 关键词：微电子机械系统；可调光学滤波器； 偏振效应； 介质薄膜 中科院j 。海微系统。i 信息挫术研究所捌卜学位论文 a b s t r a c t s t u d yo fa n g l et u n a b i eo p t i c a if ii t e r e m p i o y i n gm e m st e c h n o i o g y 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 r i st h ek e yd e v i c eo fm o d e r no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n d s e n s o rs y s t e m s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft u n a b l eo p t i c a lf i l t e r so fl o wc o s t ， s m a l ls i z e ，q u i c kr e s p o n s e ，b r o a dt u n a b l er a n g ea n di n s e n s i t i v et op o l a r i z a t i o na r ei n g r e a tn e e d i nt h et h e s i s ，an o v e ls t r u c t u r eo ft u n a b l eo p t i c a lf i l t e r sb a s e do nm e m s ( m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) t e c h n o l o g i e sh a sb e e np u to u t w i t ht h ea d v a n t a g e o fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt of a b r i c a t e ，q u i c kr e s p o n d i n gt i m e ，l o wp l d ( p o l a r i z a t i o n d e p e n d e dl o s s ) a n dw i d ec o n t i n u o u st u n a b l er a n g e ，t h ed e v i c eh a sc e r t a i np r a c t i c a l v a l u e i nt h et h e s i s ，d i e l e c t r i c m u l t i l a y e rf i l t e r , t h et e c h n o l o g yo fw h i c hi sf i l l l y d e v e l o p e d ，i su s e dt of i l t e ra n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t e dt u n a b l es t r u c t u r eb a s e d o nm e m si su s e dt ot u n et h ea n g l e t h ec o n t e n to ft h et h e s i sm a i n l yc o n t a i n st h r e e p a r t s ：t h ep r i n c i p l ea n a l y s i sm a dd e s i g no ft h ew h o l es t r u c t u r e ，t h ed e s i g no ft h e t o r s i o ns t n i c t u r ea n dt h ef a b r i c a t i o na n dt e s to f t h ed e v i c e 1 1 1 ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s - ( 1 ) t h ep r i n c i p l ea n a l y s i s a n dd e s i g no ft h ew h o l es t r u c t u r e f i r s t ，t h e p o l a r i z a t i o ne f f e c to f t h ef i l t e ri sa n a l y z e du n d e rt h eo b l i q u ei n c i d e n tc o n d i t i o n aw a y o fr e d u c i n gt h ep o l a r i z a t i o ne f r c c th a sb e e np u tf o r w a r d ：b e f o r ef i l t e r i n g t h ei n c i d e n t b e a mi ss p l i ti n t ot w oa n dt r a n s f o r m e di n t ot h es a m ep o l a r i z a t i o ns t a t eb ym e a n so f d o u b l er e f r a c t i o nc r y s t a l ，h a l f - w a v ep l a t e a f t e rf i l t e r i n g ，t h et w ob e a m sr e v e r tt ot h e p r i m m yp o l a r i z a t i o ns t a t ea n dc o m b i n es e c o n d l y , t ot h ed i s a d v a n t a g eo fl o wa n g u l a r d e v i a t i o ns e n s i t i v i t yn e a rt h ev e r t i c a li n c i d e n t ，aw a yo fm a k i n gt h ef i l t e rw o r k s i n i t i a l l ya ta l li n c l i n e da n g l eh a sb e e np u to u t b ym e a n so ft h i s ，t h en e e d e dr a n g eo f t h et u n a b l ea n g l ei sr e d u c e dl a s t t h ew o r k o f fe f r e c tu n d e ro b l i q u ei n c i d e n t c o n d i t i o ni sa n a l y z e d t h ew i d t ho ft h eb e a ms p o ta l o n ew i t ht h ei n c i d e n ta n g l ei s a n a l y z e db y ar e c u r s i v em e t h o di nf r e q u e n c yf i e l d 中科脯；：海撒系统与俯息挫；柱琊f 究所硬j j 学位论立 a b s t r a c t ( 2 ) t h ed e s i g no ft h et o r s i o ns t r u c t u r e b yt h el a wo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ， a ne l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t e dt u n a b l es t r u c t u r ew i t hd a m p i n gc o i l sa r ed e s i g n e d ，t h i s s t r u c t u r ei sa b l et or e d u c et h er e s p o n d i n gt i m eo ft h ea n g l et u n a b l ed e v i c ee f f e c t i v e l y b o t hs i d e so ft h et o r s i o np l a t ea r eg a l v a n i z e dm e t a lc o i l s t h ef r o n tc o i l sa r eu s e da s a c t u a t i n gc o i l sw h i l et h er e a rc o i l sa r eu s e da sd a m p i n gc o i l s b ym e a n so fs t a t i ca s w e l la sd y n a m i ca n a l y s i so nt h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h et o r s i o np l a t e ，t h eo p t i m u m p a r a m e t e r so f t h es t r u c t u r ew e r ed e c i d e d ( 3 ) t h ef a b r i c a t i o na n dt e s to ft h ed e v i c e t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so ft h i sd e v i c e w a sd e v e l o p e da n de m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e ds e v e r a lk e yf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e ss u c h a ss a c r i f i c el a y e rt e c h n o l o g y , g a l v a n i z a t i o na n dd e e pi r o n r e a c t i o ne t c h e r t h e p a r a m e t e r so ft h ef a b r i c a t i o np r o c e s sh a v eb e e nd e c i d e da n dt h ec h i po ft h et o r s i o n p l a t ew a sa c h i e v e d b ya s s e m b l i n gt h et o r s i o np l a t e ，d i e l e c t r i cm u l t i l a y e rf i l t e r , d o u b l er e f r a c t i o nc r y s t a l ，h a l f - w a v ep l a t ea n dp e r m a n e n tm a g n e t ，t h ea n g l et u n a b l e o p t i c a lf i l t e rw a sp r o d u c e d t h ed i e l e c t r i cm u l t i l a y e rf i l t e rw i t ht h ec e n t r a lw a v e l e n g t h a t1 6 1 0 h mi su s e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e v i c e t h et e s tr e s u l t sa r eo b t a i n e d b ys e t t i n gt h ei n i t i a la n g e la t2 5 。t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t h i nt h et u n a b l er a n g eo f 5 。，t h et u n a b l er a n g eo f w a v e l e n g t hi s4 0 n m ( 1 5 3 2 r m a - 1 5 7 2 n m ) ， t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea n g l et u n a b l eo p t i c a lf i l t e rf a b r i c a t e di nt h et h e s i s h a sag o o dp e r f o f i n a n c eo ff i l t e r i n g b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ，t h ef u r t h e rm e a s m - e st o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c ew e r ea l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：m e m s ，t u n a b l eo p t i c a lf i l t e r , p o l a r i z a t i o ne f f e c t ，d i e l e c t r i c sf i l m s 中科院i ：海微系统信息拽术研究所倾i 学位论文 基于m e m s 技术的角度可调谐光滤波器研究 1 1 引言 1 1 1 光纤通信系统 第一章绪论 光纤通信是以光波作为信号载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通 信技术是当代通信技术的最新成就，已成为现代通信网的基石。最基本的光纤通 信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括各种信 号源，如话音、图像、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制 器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有 0 8 5 u m 、1 3 1 u m 和1 5 5 u m 。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器e d f a 等：而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得 到对应的话音、图像、数据等信息。传统的光中继器采用的是光一电一光( 0 一e 一0 ) 的模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信 号，再通过放大、整形、再定时，还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。然后 用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发 送出光脉冲信号。 随着密集波分复用技术的发展，未来的光通信网络的发展趋势是全光网络。 全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要 经过光电、电光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程始终在 光域内。由于全光网络中的信号传输全部在光域内进行。因此全光网络具有对信 号的透明性。它通过波长选择器件实现路由选择。全光网络具有如下优点：1 提 供巨大的带宽；2 与无线或铜线比，处理速度高且误码率低；3 采用光路交换的 全光网络具有协议透明性，即对信号形式无限制。允许采用不同的速率和协议， 有利于网络应用的灵活性；4 全光网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光 电光转换工作量及设备，提高网络整体的交换速度，降低了成本并有利于提高 可靠性。全光网络的相关技术主要包括全光交换、光交叉连接、全光中继和光复 用去复用等。这些技术需要一系列新型的光通信器件加以实现，而可调光学 滤波器是实现密集波分复的重要器件，它被用来在不同的光通道中动态的分配波 k 信号，或在接收端对波长进行选择滤波。 目6 0 全光网络发展中有待突破的瓶颈：一是在于光交换技术的发展，在光交 中困科学院 ：海微系统信息技术研究嘲l 学位抱，i 第一章绪论 换技术方面，需要发展的技术主要的有两种：光交叉连( o x c ) 与光分插复用器 ( o a d m ) 。其二是波长监控技术。发展全光网络的一个先决条件是必须做到光层 面的网络监控与管理，服务提供者必须能监测每个波长的行为，即实现所谓的光 性能监测器( o p m ) ，o p m 是支持d 粕m 传送、节点智能化的重要技术之一。系统 中对波长和光功率进行监控是基本的监控功能，而在需要严格的线路质量信息时 选用补充监控功能，如光学信噪比( o s n r ) ，q 因子等。然而，以目前的技术而售。， 若要对光信号做监控，必须先将光信号分波后，经过光电转换，才能做下一步的 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，随着网络业务的快速增加，显然是经济效益是有限的。利用可调谐光滤波 器为基础的o p m ，则不须针对每一个波长分别构建光电转换及监测设备，只需要 通过可调谐光滤波器，将要处理的波长筛选出来即可，因此可大大简化光纤监管 系统的结构。由此可见，基于可调光滤波器的o p m 拥有很好的应用前景 还应当看到的是，可调光滤波器在可重构o a d m 和o x c 方面也有一定的应用 前景传统的可重构o a d m 必须用波分复用器将所有波长分别分离，再通过电路 控制选择要下载的波长。如果用可调谐光滤波器来取代波分复用器，则不须将各 个波长分别分离。只需使用一个可调谐光滤波器将要下载的波长筛选出来即可。 另外，光纤光栅传感技术的进一步发展也与可调谐光滤波器的发展密不可 分。光纤传感是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传 感技术，在某些方面的应用优势是传统的传感器所无法比拟的。随着光纤光栅传 感技术的发展，光纤光栅传感器正在石油化工，建筑桥梁等领域推广应用。可调 谐光滤波器作为光纤光栅传感的核心器件得到了广泛的重视，基于可调光滤波器 的光纤光栅传感器解调设备日益成熟。 光学可调谐滤波器在光通信系统中有着其他更多的重要的应用，主要可归纳 为： 1 半导体激光器和光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波； 2 波长转换器件； 3 波长选择器件； 4 光性能检测器； 5 光波长复用解复用器； 6 光放大器中噪声抑制： 中国科学院：海微系统j 信息技术研究颂i ：学位论义 基于m e m s 技术的角度可调谐光滤波器研究 1 1 2 微机电系统 随着信息技术逐步走上多媒体、网络化和智能化的道路，信息获取技术和信 息执行技术都成为信息发展的瓶颈。为了满足这一日益迫切的要求，微电子信息 处理正逐步向系统芯片方向发展。在这场变革中，微机电系统( m e m s ) 由于能够 把信息获取、处理和执行集成在一起，成为了系统芯片中关键的组成部分。由于 微机电技术不仅为传统的机械领域打开了新的大门，也真正实现了机电一体化， 因此，被认为是微电子技术的又一次革命。 微电子机械系统( m i c r o e 1 e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，是指用微电子技术 和微加工技术( 包括体硅微加工、硅表面微加工、l i g a 和晶片键合等技术) 相结 合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱 动器和微系统【2 】。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为个 整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指 令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。 m e m s 技术的特点主要是： 1 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、 响应时间短。 2 以硅为主要材料，机械电气性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量 与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上干个微 型机电装置或完整的m e m s 。批量生产可大大降低生产成本。 4 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器 或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至 把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微 执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的m e m s 。 5 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控 制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的 许多尖端成果。 对微电子机械系统( m e m s ) 的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应 用研究三类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微磨擦、微柯件的机械效应以及 微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微 材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究 主要是将所研究的成果，如微型电机o “、微型阀“。、微型传感器”以及各种专用 微型机械投入实用。 m e m s 发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件 巾阿科学院：海微系统与信息技术研究坝卜学位论立 3 第一章绪论 和系统，开辟了一个崭新技术领域和产业。m e m s 可以完成大尺寸机电系统所不 能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到 一个新的水平。m e m s 在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和生 物： 程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。 1 1 ，3m e m s 技术在光纤通信系统中的应用 近年来，由于通信网络、计算机技术和i n t e r n e t 技术的发展，通信的业务 形式日趋多样化，全球通信业务量飞速增长。为了实现宽带传输，光密集波分复 用技术和全光网日益受到人们的重视。目前，长距离、大容量公用通信网络以及 各种局域网上，光取代电成为通信的主要传输技术已经成为一种不可逆转的趋 势。可以预见，在未来高性能计算机内部的板与板之间、芯片与芯片之间，以及 芯片内部，都将建立光互连系统。 在这样一个背景下，人们将微机电系统和光学技术相结合，产生了微光机电 系统( m o e m s ，m i c y o o p t i c a l e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ) 。与常规系统相比， 微光机电系统具有体积小、重量轻、与大规模集成电路的制作工艺相兼容，易于 大批量生产，成本低等显著优点。同时，传感器、信号处理电路与微执行器的集 成，可使微弱信号的放大，校正以及补偿等在同一芯片中进行，不需要经过较长 距离的传输，这样可以极大地抑制噪声的干扰，提高输出信号的品质。因此，微 光机电技术的应用已经深入到许多不同的应用领域“1 。目前，受到人们极大关注 的是将微光机电技术应用于光通信中，研制多种光器件，如光交叉连接o x c 与光 分插复用o a d m 等光节点系统中所必需的光开关与光开关阵列、光均衡器、发射 功率限幅器、光滤波器、泵浦源选择开关、设备监控保护开关以及光接入网中的 光调制器、功率限幅器、光滤波器等。例如： 1 可调谐光器件j 在d w d m 技术中，可调谐光器件是不可缺少的器件，包括可调谐光源与光检 测器、光滤波器。采用光电子技术，可以研制出这类器件。但由于折射率变化极 其有限，主要依赖于材料折变效应的这些可调谐光器件，其可调谐范围也就非常 有限。可调谐光学滤波器是一项具有挑战性的工作。利用m o e m s 技术可以非常方 便地设计和制作出可动f a b r y p e r o t 腔镜，控制腔镜的位置可以获得f p 腔腔长 的变化，实现对光波的可调谐。基于m o e m s 技术，一些执行器结构可以使腔镜位 置发生较大移动，所以m o e m s 技术能够带来器件非常大的可调谐范围。 7 可变衰减器与光调制器1 8 j 在光路中，光可变衰减器的作用是完成光信号的功率限制与多路光信号的功 中周科学院i ：海微系统j 信息挫术研究硼小学位论立 基于m e m s 技术的角度可调谐光滤波器耐f 巍 率均衡。采用m o e m s 技术，可以设计出简单而有效的光衰减器与光强度调制器。 一个电好的光衰减器要求器件必须有尽可能小的插入损耗、小的驱动电压与功 率、大的可调动态范围、良好的线性可调或方便的线性补偿，以及调动时对光信 号有尽可能小的噪声干扰。 8 开关与光开关阵列t 9 1 空分型光开关及开关阵列是光通信中的重要器件，而在0 x c 光节点系统中， 具有相当规模的光开关阵列与光波分复用解复用器、光波长变换器等一起构成 系统，更是其中不可缺少的关键器件，虽然目前光通信行业不景气，但光开关与 开关阵列的潜在市场极大，因此，全世界对m o e m s 光开关的研究非常重视。聚用 m o e m s 制作的光开关是将光机械结构。、微驱动器和微光学元件集成在同一衬底 上。这种光开关继承了传统光机械开关的优点，如串音小、插入损耗小等，又克 服了传统光机械开关的一些缺点：在开关响应速度上，由于机械结构的固有特性， 目前主要是在毫秒级或次毫秒级。在光节点系统中，毫秒级的开关响应速度已经 可以满足系统需要。在器件的插a 损耗上，高效率的耦台是需要研究的重点。总 之，m o e i v l s 光开关在串音、偏振化依赖性、波长依赖性等器件性能方面，以及制 作成本、器件可扩展性等方面都具有极强的竞争力。 综上所述，微光机电系统技术将在丌发新一代高速光纤传输系统，提高通信 系统的容量、传输速度、信噪比以及降低成本等方而发挥巨大的作用，具有非常 广阔的应用前景和巨大的市场需求。 本论文的工作围绕可调谐光学滤波器展开，以下先对光学滤波器作一概述， 简述各种类型光学滤波器的原理，特点及应用范围，在本章晟后将介绍本论文工 作的目的、意义、创新点和内容。 1 2 光学滤波船概述 光学滤波器是种波长或频率选择器件，其功能是从许多不同波长的输入光 信号中选择出一个特定波长的光信号。图j 1 给出光滤波器的基本功能。图中r _ 为输入的撮高频率信道和最低频率信道之间的频率差，a 乙为信道间隔，丁u ) 为 滤波器的传输函数。现存的光学滤波器按基本工作方式可以归结为固定滤波器和 可调谐滤波器两大类。 可调谐滤波器两大类。 中周利学院海徽系统j 信息牡术研究埘p 学垃论j ： 第一章绪论 1 2 1 固定光学滤波器 图1 1 光学滤波器的基本功能 不可调谐光学滤波器的滤波特性是在设计与制造后已确定的，主要包括：衍 射光栅、集成阵列波导光栅、薄膜干涉滤波器等。 1 2 1 1 衍射光栅 固定光学滤波器之一便是衍射光栅。衍射光栅可分为透射光栅和反射光栅两 类。透射光栅按透射率函数的不同可分为普通的矩形透射率光栅和正弦光栅两 种。闪耀光栅是反射光栅的一种，有较高的能量利用率，凹面反射光栅能自动聚 焦成像。根据制作方法的不同，可分划线光掇、复制光栅和全息光栅3 种。 衍射光栅最基本结构是在一块透明材料( 平面波导) 上平行地刻划出一系列 沟槽或在材料中形成光折射率周期变化的区域。通过反射以各神角度入射到沟槽 上的光线，衍射光栅将光线区分成各个波长成分。在特定的角度上，只有特定波长 被选择，其他波长成分均遭阻隔。相对用于反射某波长成分，衍射光栅更多被用于 透射选通波长成分的场合以及用于可调激光器( 如分布反馈激光器) 之中【1 0 】。 1 2 1 2集成阵列波导光栅 集成阵列波导光栅【l 3 ) 是一种平面光波回路器件。将一个等光程差的阵列 波导与输入输出波导阵列星形平板波导集成在同一块衬底上就可以构成波导光 栅复用器。波导光栅复用器特有的结构和性能，使它在d w d m 光网络中得到广泛应 用。其基本工作方式有复用、解复用、分插复用和交叉互联。可以说，集成陈列 波导光栅就是为d w d m 全光网所需的功能器件( 复用器、解复用器、光分插复用器 及光交叉厄联等) 而设计的。 集成阵列波导光栅的典型结构如图1 2 所示。它由输入输出波导、星型波 6 中周科学院i 。海微系统j 竹息投术_ | j f 究硕卜学位论殳 血 基于m e m s 技术的角度可调谐光滤波器研究 导和阵列波导三部分组成。输入、星型波导与阵列波导组成一个相位控制器，使 得到达输入端的光波相位与光的输入端口和光波长有关。每个阵列中的波导正对 中心的输入输出波导，端面展开以减小耦合损耗，阵列波导数要保证所有衍射光 能被收集。这样从输入波导进来的光就能被无畸变( 或畸变小) 传输到输出波导。 波导阵列中相邻波导间的长度差为常数，对入射光的相位周期性地调制。这种器 件的优点在于集成性，频率间隔可咀达到i o o g h z ，5 0 g h z 的器件也可以做出来。 尽管从理论上来说，它可以实现大规模集成，但如何精确控制a w g 中各个光 臂的长度差以消除不同波长通道之间的串扰是该器件进行大规模集成的最大限 制因素，另外制备材料的折射率等参数的温度敏感性使得该设备必须使用温度控 制技术，所以信道串扰、温度稳定性是a w g 实际应用所面临的最大技术障碍。 1 2 1 3 薄膜干涉滤波器 i t “f t f “f t t h i 、i f t | i | 1 、“f 、j 、 i t i t | 矗 | t | t f t k ! ；f i | 图1 2 集成阵列波导光栅 薄膜干涉滤波器由介质薄膜构成。w d m 薄膜干涉滤波器的基本结构是基于法 布里一泊罗标准具，f - p 标准具由腔和反射镜构成，可作为带通滤波器 1 钔。通带 的中心波长由腔长确定，必须精确地控制到i t u 标准频率。窄带薄膜干涉滤波 器由两个以上的f - p 腔构成，所以也称为多腔薄膜干涉滤波器，其腔之间通过介 质反射层隔离，每个腔包括5 0 层以上的多层结构。 薄膜干涉滤波器一般采用光学薄膜技术制作，所用的介质层材料一般为有大 折射率差的s i 0 2 和t i 0 2 。利用具有特定波长选择特性的干涉滤波器就可以将不 同的波长分离或者合并起来。腔的数量越多，w d m 滤波器的通带形状越好，即通 带的顶部变得平坦及边缘变得陡峭，已可获得损耗 0 5 d b 、宽带和低串扰的滤波 器。 1 2 2 可调谐光学滤波器 固定光学滤波器由于其滤波特性的局限性，限制了它的应用范围。当| i 随着 光通信系统与光纤传感技术的发展，可调谐光滤波器具有更广泛的应用前景，是 中困科学院卜海微系统b 信息技术酬究醐i 学位论文 第一章绪论 目前研究的热点之一。可调光滤波器按工作原理主要可分为基于干涉原理的滤波 器和基于光栅原理的滤波器两大类。 1 2 2 1基于干涉原理的滤波器 1 2 2 1 1f - p 腔滤波器 法布里一珀罗( f a b r e p a r o t ) 腔由两面彼此平行的镜面构成，光线由光纤输入 进入腔中并在两镜面问多次反射。通过调整两镜面间距，某一种波长的光被选择 通过腔体，而其他波长成分被阻隔。两镜面的间距可以通过直接移动镜面机械地 改变，也可以通过腔中物质折射率的改变而间接地改变。应用f - p 腔滤波原理的 滤波器种类很多，主要有光纤型f - p 腔滤波器、折射率可调f - p 腔滤波器以及微 机械f p 滤波器。 光纤型f - p 腔滤波器( f f p ) 是一种可调谐滤波器，如图1 2 所示。图中两根 光纤相对的端面镀膜以增强反射率，形成f - p 光学谐振腔。在光纤型f - p 腔滤波 器中利用了压电陶瓷的压电效应通过改变外加电压的大小改变压电陶瓷的长度， 从而改变了由光纤构成的f - p 谐振腔的腔长，造成谐振波长改变，实现了用电信 号来选择光波长。 压电膏瓷 图1 3 光纤型f - p 腔滤波器 折射率可调f - p 腔滤波器【l 纠一般要用到材料的电光效应或热光效应。其中 利用电光效应的材料一般采用液晶，由两块内侧依次镀有透明导电膜、高反射率 膜和定向膜的平板玻璃平行放置构成腔体。在腔内充有折射率会随加于其上的电 压改变而变化的液晶，导电膜有电极引出，可以通过电极在液晶两端加电压，形 成折射率随外加电压变化的f - p 腔。采用热光效应的f - p 腔可调滤波器f 1 6 0 ( 如 图1 4 所示) 陔器件在s o l 硅片上刻蚀出垂直于衬底的两个d b r 是高反射镜，中 删的硅标准具以及两边的光纤对准槽，d b r 结构与中间的硅标准具构成一个f - p 中国科学院j ：海微系统1 - 3 信息挫术研究顿i ：学位论文 基于m e m s 技术白句角度可调谐光滤波器研究 腔体。通过对中间硅标准具加热可以改变f - p 腔体材料的折射率从而实现对谐振 波长的调制。 酉臼 图1 4 基于硅热光效应的f p 腔滤波器 微机械f - p 滤波器主要通过调节腔长【1 7 】和入射光的角度 1 8 - 1 9 1 来实现对滤波 的可控调制。其中，通过调节腔长实现可调滤波最为常见。图1 4 为j e r m a n 等 1 9 9 1 年向人们展示的体硅微机械f a b r y p e r o t 型分光仪，它是由两个体硅腐蚀 的晶片结合在一起形成的，并采用静电控制的腔体间隙和处在体硅块四周的皱纹 线性化偏移，有效的增加了动态驱动线性范围。它主要用在光纤通信网络中，作 为波长分剖多路传输系统的组成部分。 图1 5 体硅工艺微机械f p 滤波器 1 2 2 1 2 马赫一曾德尔干涉滤波器 图1 6 为马赫一曾德尔干涉滤波器的示意图。它由两个3 d b 耦合器串联组成 一个马赫曾德尔干涉仪，干涉仪的两臂长度不等，光程差为。马赫一曾德尔 干涉滤波器的原理是基于两个相干光经过不同的光程传输后的干涉理论。考虑两 个波长 和五，复用后的光信号由光纤送入马赫一曾德尔干涉滤波器的输入端l ， 两个波长的光信弓经第一个3 d b 耦合器均匀地分配到干涉仪的两臂上，由于两臂 的长度差为，所以经两臂传输后的光信号，在到达第二个3 d b 耦合器时就产 中周科学院卜海微系统与信息技术研究颈i ：学位论立 第一章绪论 生相位差舻= 2 d ( z d , ) n c ，复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件 下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口 3 ，五，满足相长条件，丑满足相消条件，则输出丑光；如果在输出端口4 ，无满 足相消条件，无满足相长条件，则输出丑光。 马赫一曾德尔干涉仪构成的可调谐滤波器制造成本低，对偏振很不灵敏，串 音很低。但是调谐控制复杂，调谐速度较慢2 们。 一三! 图1 6 马赫一曾德尔干涉滤波器 1 2 2 3 基于光栅原理的滤波器 1 2 2 3 1 光纤光栅滤波器 光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。光敏性是指u v 强激光辐照掺杂 光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。如用特定波长的激 光干涉条纹( 全息照相) 从侧面辐照掺锗光纤，会使其内部折射率呈现周期性变 化，成为光纤布喇格光栅( 如图1 7 a ) 。这种光栅在大约5 0 0 以下稳定不变， 但用5 0 0 。c 以上的高温加热时就可擦除。在i n p 衬底上用材料制成凸凹不平结构 的表面，其间距为人光栅，就构成一个单片集成布喇格光栅( 如图1 7 b ) 。 以光纤光栅为基础的光通信滤波器具有极低的传输损耗和较长的相互作用 距离，并且易于与光纤系统耦合和连接，尤其可用于密集波分复用光通信系统中 作为去除杂波光频率成分的波长选择滤波器 2 1 - 2 4 】。 图1 7 光纤光栅滤波器 中田科学院j ：海微系统与仿息挫术研究颂- i ：学位论文 基于m e m s 技术的角度可调谐光滤波器研究 1 2 2 3 2 迈克尔逊干涉滤波器 迈克尔逊干涉滤波器如图1 8 所示，它由一个3 d b 光纤耦合器和两个位于迈 克尔逊干涉仪两臂上的光纤光栅组成，该光栅起反射镜的作用。光栅滤波器可以 在硅衬底上用二氧化硅波导制成平面波导电路实现。 i 2 2 3 3 声光可调滤波器 图i 8 迈克尔逊干涉仪 声光可调谐滤波器“”( 如图1 9 所示) 具有高的调谐速率。射频信号加在可 将声波转化为机械运动的压电晶体上。声波改变了晶体的折射率，使得晶体在一 定意义上成为光栅。入射到传感器的光波将依据入射角和光波长按照一定的角度 发生衍射。改变射频信号就可以选择单一光波长信号通过压电晶体，而其他波 长的信号被滤除。 声光可调滤波器具有一个独特功能，即可以在同一时间选出几个光频道。它 可以用作光交换器，应用于w d m 中。声光滤波的最大优点是调谐范围特别大，达 4 0 0 n m ，可以容纳约1 0 0 个光信道。它的调谐速度也特别快，试验时能到l o u s 2 7 - 2 8 。 攘毋常档 图1 9 声光可调滤波器 1 2 2 3 4 电光可调滤波器 电光可调谐滤波器滤波原理与声光可调滤波器相同，都是利用了光栅的布拽 中闺科学院二海微系统与信息技术司f 究坝小学位论文 第一章绪论 格衍射原理，只是调谐的机制( 改变布拉格波长的方法) 不同，声光可调滤波器用 声波改变晶体的折射率来改变光栅周期，而电光可调谐滤波器是通过电压改变晶 体的折身寸率来改变光栅周期。电光可调谐滤波器的调谐范围可以达到1 6 n m ，调谐 速率较高可达纳秒量级1 27 1 。 1 3 本论文的工作 1 3 1 本论文的目的与意义 如表1 所示的各种可调光滤波器的性能指标中可以看到，在所有以上的各种 可调谐光滤波器技术方案的中，目前真正能实用的并不多。a w g 滤波器大多数是 作为固定而非可调部件，马赫一曾德尔干涉仪滤波器插入损耗大，通带较宽，选 择性较差，通常是级联使用以改善其性能；电光可调滤波器还仍在研究阶段，声 光可调滤波器已商业化，其速度可达微秒量级，且在1 5 5 0 n m 波段上可调波长范 围宽，因而是目前国内外研究的重点，但对偏振的敏感、插入损耗大和3 d b 带宽 指标不好而限制了其应用。机械调谐的可调滤光器有实用产品，但体积较大，速度 慢，难以胜任光网的要求。 表1 各种可调谐光滤波器性能比较 技术插入损耗隔离度带宽( 3 d b )调谐范围速度调谐方式 f f p2 02 n m 3 0 d b o 5 n m3 0 n mi j 】sp z t 液晶f p 3 0 2 n m 3 0 d b o 5 n m5 0 n mu s 晶向改变 机械f p 1 0 2 n m 3 0 d b 0 5 n m6 0 n m1 0 0 u s 微机械 马赫一曾 l i n b 0 3 ：1 9 0 4 n m 2 2 d b o 2 n m4 n m5 0 n s 电光效应 德尔滤波 s i l i c a ：1 器 光纤光栅 0 11 6 n m 2 2 d b i n m 】o o n mu s 声光 电光技术 4 0 4 n m 2 5 d b 1 5 n m3 0 n mn s 电光 a w g 8 0 8 n m 3 0 d b 0 0 时，式( 2 1 0 ) 化为 爿= 爿( o 。) = 了二；拿7 f 4 利用式( 2 6 ) ，可得到 3 南4 因而相应的透射光强度，。= 4 a + 为 扣丽，o 2 i 孕i 厶 ( 21 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 根据能量守恒定理，反射光强度与透射光强度是互补的，因此只需研究透射光的 ，i 。t _ = _ 、_ 1 ( 2 1 4