李元元， 蒙慶華， 陳四海， 曾毅波， 郭 航

(1.中國(guó)科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071；3.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

?

基于MEMS技術(shù)的F-P腔濾波器分析與設(shè)計(jì)*

李元元1,2， 蒙慶華1， 陳四海1， 曾毅波3， 郭 航3

(1.中國(guó)科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071；3.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

通過(guò)對(duì)微光纖法布里—珀羅(F-P)腔濾波器工作原理的綜合分析，確立了微F-P腔濾波器靜電驅(qū)動(dòng)腔長(zhǎng)調(diào)諧方案。對(duì)可調(diào)諧濾波器的主體部分進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)和分析，確立了反射鏡的多層薄膜光學(xué)結(jié)構(gòu)，并借助ANSYS有限元力電耦合分析，最終選擇L型橋臂支撐的腔體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)0.625 μm的調(diào)諧范圍；保持橋面平行的能力很高，可實(shí)現(xiàn)高精度的濾波效果；結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，能夠抵抗制造時(shí)的殘余應(yīng)力。

濾波器； 調(diào)諧； 反射鏡； 腔體結(jié)構(gòu)

0 引 言

光學(xué)通信以其大容量、長(zhǎng)傳輸、低成本的優(yōu)勢(shì)，使得其研發(fā)與應(yīng)用日益深入[1]?；贛EMS技術(shù)制作的微法布里—珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)可調(diào)諧濾波器相比于其他可調(diào)諧濾波器，體積微小，易于集成，可調(diào)諧光譜范圍大，光譜的分辨率高，大批量制作時(shí)成本比較低，因而,在光通信系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛[2]。目前，F(xiàn)-P腔可調(diào)諧濾波器的研究正朝著大陣列、小單元尺寸、調(diào)諧范圍廣、精細(xì)度高、調(diào)諧速度快、損耗低的方向發(fā)展[3]。空氣腔微型F-P腔濾波器由于調(diào)諧范圍大，精度高且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單成為未來(lái)濾波器的首選方案[2，3]。

本文從F-P腔工作原理出發(fā)，進(jìn)行研究分析，提出了一種以多層介質(zhì)薄膜作為其上、下反射鏡的光學(xué)膜層和L型的腔體支撐臂的新型微型F-P腔濾波器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有良好的波長(zhǎng)選擇性，能實(shí)現(xiàn)比較好的調(diào)諧控制。

1 F-P腔基本原理

F-P腔是多光束諧振腔，如圖1所示，由兩塊平行放置的平面玻璃板組成，兩板的內(nèi)表面鍍上了高反射膜,當(dāng)光束E入射到腔體時(shí)，會(huì)在兩反射面之間來(lái)回反射，形成多光束干涉效應(yīng),只有當(dāng)光波長(zhǎng)滿足式(1)光波才能透過(guò)腔體，使透射光干涉增強(qiáng)，產(chǎn)生明亮精細(xì)的條紋

2ndcosθ=mλ

(1)

式中n為折射率；d為濾波器腔長(zhǎng)；θ為折射角；m為整數(shù)；λ為光波長(zhǎng)。F-P腔的調(diào)諧過(guò)程，即為諧振頻率的改變過(guò)程。其中，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)最為直觀，在MEMS技術(shù)中也最為常用。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文對(duì)可調(diào)諧濾波器的主體部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括反射鏡光學(xué)設(shè)計(jì)和腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反射鏡是F-P腔的一個(gè)主要組成部分，由反射膜堆疊構(gòu)成。常用的反射膜有金屬薄膜和多層介質(zhì)薄膜[4～7]。多層介質(zhì)薄膜由于光吸收損耗小以及可以通過(guò)改變膜層數(shù)改變反射率而更加符合要求。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮到多種組合之后，采用Al2O3為低折射率材料L1，Ge作為高折射率介質(zhì)材料L2。由于Ge化學(xué)性能穩(wěn)定，折射率為4，可制備大尺寸單晶體的紅外光材料，紅外透射范圍為1.7～100 μm，已廣泛應(yīng)用于透鏡和濾波片上；Al2O3是常用的低折射率材料，折射率1.59，紅外透光區(qū)0.2～7 μm。為此，本文采用高低折射率交替的介質(zhì)薄膜作為反射鏡結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反射鏡膜層結(jié)構(gòu)

由式(1)，當(dāng)m=1，入射角θ=0時(shí)，由于空氣折射率n=1，可得λ=2d，此時(shí)透射光強(qiáng)最大。調(diào)諧范圍為3～5 μm，則此F-P腔工作的中心波長(zhǎng)為4 μm，腔長(zhǎng)變化要從1.5 μm至2.5 μm，腔長(zhǎng)變化到2個(gè)極值時(shí)，器件峰值透過(guò)率分別為88.2 %，91.7 %，濾波特性保持較好。但當(dāng)腔長(zhǎng)改變時(shí)，透射中心波長(zhǎng)也會(huì)隨之變化，因此，比例系數(shù)也不再為2，即λ≠2d。

腔長(zhǎng)變化時(shí)，濾波特性的變化如表1所示，此時(shí)的器件峰值透過(guò)率為95.8 %，半波寬FWHM為112 nm，整個(gè)濾波范圍內(nèi)只有中心波長(zhǎng)4 μm的透射峰，其他波段透過(guò)率低于1.9 %，濾波效果顯著。實(shí)驗(yàn)值和理論分析相吻合。

表1 腔長(zhǎng)變化時(shí)濾波特性的變化

通過(guò)計(jì)算得出，二者之間基本呈線性關(guān)系，擬合直線為

2.全面覆蓋了監(jiān)察對(duì)象。國(guó)家監(jiān)察法第15條規(guī)定了留置適用的六大類對(duì)象，(1)中國(guó)共產(chǎn)黨機(jī)關(guān)、人民代表大會(huì)及其常務(wù)委員會(huì)機(jī)關(guān)、人民政府、監(jiān)察委員會(huì)、人民法院、人民檢察院、中國(guó)人民政治協(xié)商會(huì)議各級(jí)委員會(huì)機(jī)關(guān)、民主黨派機(jī)關(guān)和工商業(yè)聯(lián)合會(huì)機(jī)關(guān)的公務(wù)員，以及參照《中華人民共和國(guó)公務(wù)員法》管理的人員；(2)法律、法規(guī)授權(quán)或者受國(guó)家機(jī)關(guān)依法委托管理公共事務(wù)的組織中從事公務(wù)的人員；(3)國(guó)有企業(yè)管理人員；(4)公辦的教育、科研、文化、醫(yī)療衛(wèi)生、體育等單位中從事管理的人員；(5)基層群眾性自治組織中從事管理的人員；(6)其他依法履行公職的人員。

λ=1.466d+1.069

(2)

2.2 腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理想的F-P腔的腔體,可以通過(guò)施加最小的電壓，達(dá)到器件調(diào)諧的目,并在調(diào)諧過(guò)程中腔體要有很好的平行度以保證優(yōu)良的選頻性能，同時(shí),腔體支撐部分還要能夠抵御極大的應(yīng)力，決不可超過(guò)材料的最大承受度而造成器件損壞。改變空氣腔腔長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)方式主要有熱驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)以及靜電驅(qū)動(dòng)，前兩者的噪音大且功耗大，對(duì)于需要大量驅(qū)動(dòng)的MEMS濾波器陣列，在有限范圍內(nèi)靜電驅(qū)動(dòng)可以提供足夠的腔長(zhǎng)調(diào)諧量，故本文采用靜電驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行濾波器的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)。微F-P腔濾波器的腔體結(jié)構(gòu)如圖2所示，上反射鏡可調(diào)，在上、下電極上施加電壓后，靜電力的作用會(huì)牽引上反射鏡上(或下)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)或頻率的調(diào)諧。

圖2 微F-P腔濾波器腔體結(jié)構(gòu)

在給電極施加電壓時(shí)，雖然靜電驅(qū)動(dòng)能量很低，但是當(dāng)距離比較大時(shí)，所需施加的電壓也相對(duì)增大，此時(shí)的靜電力Fe的大小對(duì)于平板是非線性的[8，9]，表達(dá)式有

(3)

式中 A為平板面積； h 為距離；V為電壓；ε0為自由空間的介電常數(shù)。電極在外加電壓時(shí)產(chǎn)生靜電吸引力，腔體之間的靜電力會(huì)使電極發(fā)生形變，一旦電極發(fā)生形變，其均勻電場(chǎng)線就會(huì)遭到破壞，而電場(chǎng)力的變化又會(huì)造成新的形變。研究中用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行力電耦合分析，對(duì)器件位移、橋面形變，以及橋體應(yīng)力大小，選擇最佳的腔體結(jié)構(gòu)。圖3為3種微橋結(jié)構(gòu)，X-arm結(jié)構(gòu)具有很好的幾何對(duì)稱性，不僅軸對(duì)稱，還滿足中心對(duì)稱尺寸。+circular-arm結(jié)構(gòu)與X-arm結(jié)構(gòu)相似，只是橋面的形狀采用圓形，這2種結(jié)構(gòu)與所設(shè)計(jì)的L-arm結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，腔長(zhǎng)均為2.3μm，有效面積均為80μm×80μm，反射鏡的直徑均為50μm，微橋支撐臂為40μm×10μm；而+circular-arm的微橋單元直徑為80μm，反射鏡直徑50μm，支撐臂為40μm×10μm。

圖3 微橋結(jié)構(gòu)

2.3 腔體結(jié)構(gòu)仿真

圖4為3種橋面結(jié)構(gòu)的電壓—位移的ANSYS仿真云圖，可以看出:X-arm和+circular-arm結(jié)構(gòu)橋面發(fā)生扭曲，這樣會(huì)對(duì)F-P腔的選頻性能產(chǎn)生極大的影響，降低峰值透過(guò)率，增大FWHM。而采用L-arm結(jié)構(gòu)的橋面在調(diào)諧過(guò)程中一直比較平整，幾乎沒(méi)有發(fā)生形變，所以，其濾波精細(xì)度更高。

圖4 橋面結(jié)構(gòu)電壓—位移云圖

圖5為整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，三種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的電壓—位移曲線。

圖5 電壓—位移曲線

在達(dá)到圖示位移0.5μm時(shí),L-arm結(jié)構(gòu)施加電壓僅為1.90V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外X-arm(7.81V)和+circular-arm(8.97V)2種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電壓。

2.3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖6和表2分別為3個(gè)橋面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖和腔體位移為0.5μm時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓—應(yīng)力，分析得：調(diào)諧過(guò)程中，腔體位移達(dá)到0.5μm時(shí)，L-arm微橋橋面所受到的應(yīng)力很小，僅為4.615MPa，驅(qū)動(dòng)電壓僅為1.9V。

表2 腔體位移為0.5 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓—應(yīng)力

圖6 應(yīng)力云圖

在3種結(jié)構(gòu)中，L-arm調(diào)諧效果和抵抗應(yīng)力的能力最好?？梢?jiàn)，L-arm長(zhǎng)長(zhǎng)的手臂能有效抵抗應(yīng)力的影響，L-arm為最佳橋面結(jié)構(gòu)。

此外，從應(yīng)力云圖可知，腔體應(yīng)力主要集中在支撐橋臂和橋面連接處以及橋臂位移最大的位置，因此，橋臂的選擇是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,不僅需要保證其能夠提供足夠大的移動(dòng)空間防止腔體因靜電吸合導(dǎo)致器件失效，還要支撐起整個(gè)腔體結(jié)構(gòu)且不能發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂。

圖7 L-arm橋面位移0.625 μm時(shí)應(yīng)力云圖

由仿真結(jié)果圖7可知，空氣腔向下移動(dòng)0.625 μm時(shí)，L-arm支撐臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大為8.97 MPa，遠(yuǎn)小于鋁的許用應(yīng)力70 GPa，理論上不會(huì)發(fā)生橋腿斷裂的現(xiàn)象。

衡量F-P腔濾波器性能的重要標(biāo)準(zhǔn)為橋面結(jié)構(gòu)的平整度，即Finesse和調(diào)諧范圍FSR。可見(jiàn)微橋結(jié)構(gòu)的幾何形狀對(duì)調(diào)諧性能具有很大的影響，綜合以上所有分析結(jié)果，確立了L-arm腔體支撐臂結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于MEMS技術(shù)的微型F-P腔可調(diào)諧濾波器，具有多層介質(zhì)膜光學(xué)結(jié)構(gòu)和L型微橋橋臂結(jié)構(gòu)，與其他結(jié)構(gòu)相比，使調(diào)諧范圍最大可達(dá)0.625 μm，峰值透過(guò)率達(dá)95.8 %；保持橋面平行的能力很高，可實(shí)現(xiàn)高精度的濾波效果；結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，能夠抵抗制造時(shí)的殘余應(yīng)力。

[1] Meng Qinghua,Chen Sihai.Multi-physics simulation and fabrication of a compact 128 × 128 micro-electro-mechanical system Fabry-Perot cavity tunable filter array for infrared hyperspectral imager[J].Applied Optics,2015,54(22) :6850-6856.

[2] 李旭輝.MEMS發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(5):7-9.

[3] Shen Zhenqiang,Zhao Jianlin,Zhang Xiaojuan.Frequency-division multiplexing technique of fiber grating Fabry-Perot sen-sors[J].Acta Optica,2007,27(7):1173-1177.

[4] Meng Q H,Luo H A,Bao S W,et al .Study on the structure of bridge surface of the micro Fabry-Perot cavity tunable filter[J].Phys Conf Ser,2011,276:75-79.

[5] Zhou Tingting,Xie Hui,Sun Liping,et al.A MEMS-based tunable optical filter[J].Study on Optical Communications,2011,37(4):23-25.

[6] Chee S Goh,Sze Y Set,Kazuro Kikuchi.Widely tunable optical filters based on fiber Bragg gratings[J].IEEE Photonics Techno-logy Letters,2002,14(9):1306-1308.

[7] 李凱朋,王多書,王濟(jì)州,等.膜層的光學(xué)薄膜參數(shù)測(cè)量方法研究[J].真空與低溫， 2013(4):19-23.

[8] 趙文杰,楊守杰,于 洋,等.AlN陶瓷微熱板MEMS傳感器陣列設(shè)計(jì)與工藝實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015，34(8):87-90.

[9] 李 勇，李玉和，李慶祥，等.計(jì)及邊緣效應(yīng)的非平行梳狀驅(qū)動(dòng)器的靜電力計(jì)算[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2003,43 (8):1024-1030.

Analysis and design of MEMS-based F-P cavity filter*

LI Yuan-yuan1,2, MENG Qing-hua1, CHEN Si-hai1, ZENG Yi-bo3, GUO Hang3

(1.Shenzhen Institute of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 518055,China；2.School of Microelectronics,Xidian University,Xi’an 710071,China;3.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

By comprehensive analysis on working principle of micro F-P cavity filter,the optimum tuning scheme of micro F-P cavity filter is established.The main part of the optical structure is designed,a multilayer film structures of the mirror is established,and with the help of ANSYS finite element electro-mechanical coupling analysis,L type bridge arm supported cavity structure is finally established,the structure can achieve a considerable range of tuning 0.625 μm; relatively high fill factor,filter light leakage is avoided; the high ability to keep parallel can achieve high precision filtering effect; structural stability can resist the residual stress of manufacture.

filter; tuning; mirror; cavity structure

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0069—03

2016—09—19

深圳市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(JCYJ20140610151856737)

TN 713

A

1000—9787(2017)08—0069—03

李元元(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，E—mail：18629464161@163.com。

陳四海(1973-)，女，通訊作者，研究員，博導(dǎo)，從事微光學(xué)元器件研究工作，E—mail：cshai99@163.com。