一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里－珀羅濾波器，濾波器的上基板由雙面腐蝕后截面呈“W”形的體硅及其下表面的濃硼摻雜層構(gòu)成，“W”形體硅上表面以透明薄膜作為支撐膜，其上的反射膜作為法布里－珀羅濾波器的前腔鏡，“W”形體硅下表面不同區(qū)域的濃硼摻雜層可分別作為懸臂梁和上電極。濾波器的下基板由石英玻璃構(gòu)成，其上表面與前腔鏡和上電極對(duì)應(yīng)的區(qū)域分別制作有后腔鏡和下電極，下表面與后腔鏡對(duì)應(yīng)的區(qū)域刻有衍射光柵。該微機(jī)電濾波器可方便獲得200μm以上的初始腔長(zhǎng)，能在不同方向上實(shí)現(xiàn)單一波長(zhǎng)的濾波，具有窄半峰全寬和寬自由光譜范圍的優(yōu)點(diǎn)，在光通訊，光信息讀取，激光技術(shù)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微光機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅 濾波器。

【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器具有體積小、易集成、帶寬窄、波長(zhǎng)可調(diào)等優(yōu) 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感、光通訊、光信息讀取以及激光技術(shù)等領(lǐng)域。然而，由于法布里一珀 羅濾波器自身原理的限制，它的兩個(gè)重要參數(shù)一自由光譜范圍與半峰全寬在理論上相互 限制，兩者的性能指標(biāo)往往不可兼得。一般來(lái)講，濾波器的腔長(zhǎng)越長(zhǎng)則半峰全寬越窄，但自 由光譜范圍也會(huì)越窄；反之，濾波器腔長(zhǎng)越短則自由光譜范圍越寬，但半峰全寬也會(huì)越寬。 因此，很難同時(shí)獲得窄半峰全寬和寬自由光譜范圍。"一種新型微機(jī)電系統(tǒng)法布里一珀羅濾 波器的設(shè)計(jì)與分析"（《光學(xué)學(xué)報(bào)》，2012,32,8,0822005-1) -文中提出了一種新型的微型 法布里一珀羅濾波器，該濾波器在傳統(tǒng)法布里一珀羅濾波器的基礎(chǔ)上集成了一塊光柵進(jìn)行 色散，使濾波器的自由光譜范圍大大擴(kuò)展。然而，該文中所設(shè)計(jì)的微型法布里一珀羅濾波器 的腔長(zhǎng)仍然較短（僅為1.7iim)，在擴(kuò)展自由光譜范圍的同時(shí)并未體現(xiàn)出更窄半峰全寬的 優(yōu)勢(shì)來(lái)。如果能將這種新型的微型法布里一珀羅濾波器的腔長(zhǎng)增大，則可使該濾波器同時(shí) 獲得窄半峰全寬和寬自由光譜范圍。
[0003] 然而，現(xiàn)有微機(jī)電法布里一珀羅濾波器為了獲得較寬的自由光譜范圍，其腔長(zhǎng)往 往較短。很多設(shè)計(jì)為了使器件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，還將法布里一珀羅腔鏡上的金屬膜同時(shí)作為 反射鏡和驅(qū)動(dòng)電極。這種設(shè)計(jì)對(duì)于短腔長(zhǎng)的濾波器而言是很巧妙的，但對(duì)于長(zhǎng)腔長(zhǎng)的濾波 器而言卻是不可行的。因?yàn)楫?dāng)濾波器的腔長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，同時(shí)作為腔鏡的兩電極相隔很遠(yuǎn)，此時(shí) 兩電極間的靜電力很微弱，不足以驅(qū)動(dòng)腔鏡的移動(dòng)。盡管也有設(shè)計(jì)者提出將腔鏡反射膜與 驅(qū)動(dòng)電極分離可獲得更長(zhǎng)的腔長(zhǎng)，但這些腔體的初始腔長(zhǎng)通常是通過(guò)沉積一層阻擋層來(lái)實(shí) 現(xiàn)的，這于>200 y m的初始腔長(zhǎng)而言，沉積200 y m的阻擋層顯然不是一件容易的事情。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)現(xiàn)有微機(jī)電法布里一珀羅濾波器腔長(zhǎng)較短，難 以同時(shí)實(shí)現(xiàn)窄半峰全寬和寬自由光譜范圍的問(wèn)題，提出一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里一 珀羅濾波器。該濾波器具有200 i! m以上的初始腔長(zhǎng)，并能通過(guò)光柵的分光作用使不同級(jí)次 不同波長(zhǎng)的光在空間上得到分離，同時(shí)能滿足低電壓驅(qū)動(dòng)的要求。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里一 珀羅濾波器，其特征在于：包括：
[0006] -雙面腐蝕后截面呈"W"形的體硅及其下表面的濃硼摻雜層，所述體硅及其下表 面的濃硼摻雜層作為濾波器的上基板；
[0007] 一前腔鏡支撐膜，所述前腔鏡支撐膜位于"W"形體硅上表面四周鏤空區(qū)域以內(nèi)的 所有區(qū)域；
[0008] -前腔鏡，所述前腔鏡位于支撐膜的上表面；
[0009] -懸臂梁，所述懸臂梁即為"W"形體硅四周鏤空區(qū)域下方的濃硼摻雜層；
[0010] 一上電極，所述上電極即為"W"形體硅中央鏤空區(qū)域與四周鏤空區(qū)域之間體硅下 表面的濃硼摻雜層；
[0011] 一石英基底，所述石英基底作為濾波器的下基板；
[0012] 一后腔鏡，所述后腔鏡位于石英基底上表面與前腔鏡相對(duì)應(yīng)的區(qū)域；
[0013] 一光柵，所述光柵位于石英基底下表面與后腔鏡相對(duì)應(yīng)的區(qū)域；
[0014] 一下電極，所述下電極位于石英基底上表面與上電極相對(duì)應(yīng)的區(qū)域。
[0015] 進(jìn)一步的，所述上基板與下基板通過(guò)對(duì)準(zhǔn)鍵合的方式使其形成一個(gè)法布里-珀羅 腔，腔體的初始腔長(zhǎng)由所述體硅的厚度決定，體硅的厚度可以通過(guò)濕法腐蝕進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié) 范圍為 200iim?500iim。
[0016] 進(jìn)一步的，所述支撐膜為氮化硅與二氧化硅的雙層膜，薄膜總厚度為250nm? 350nm〇
[0017] 進(jìn)一步的，所述前后腔鏡可以為金屬膜或布拉格多層介質(zhì)膜。
[0018] 進(jìn)一步的，所述懸臂梁的寬度為300iim?500iim，厚度為10iim?12iim。
[0019] 進(jìn)一步的，所述光柵的總縫數(shù)N應(yīng)該滿足以下關(guān)系：N彡2L/Amin，其中，L為法布 里-珀羅濾波器的腔長(zhǎng)，Amin為入射光中的最小波長(zhǎng)，滿足該關(guān)系式可使經(jīng)法布里-珀羅濾 波器濾波后不同級(jí)次不同波長(zhǎng)的光在空間上得以分離。
[0020] 進(jìn)一步的，所述上下電極應(yīng)對(duì)稱分布在前后腔鏡四周，上電極的寬度為500iim? 1mm，下電極的寬度應(yīng)該不大于上電極的寬度，下電極的厚度可以為50nm?200nm，上下電 極的間距為2um?4um。
[0021] 進(jìn)一步的，所述上基板的驅(qū)動(dòng)行程等于最大入射光波長(zhǎng)的一半，正向誤差不超過(guò) 最大入射光波長(zhǎng)的十分之一。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] (1)與現(xiàn)有微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器的性能相比，本發(fā)明所述濾波器具 有更長(zhǎng)的腔長(zhǎng)，通過(guò)光柵分光獲取寬自由光譜范圍的同時(shí)，能獲得更窄的半峰全寬，從而實(shí) 現(xiàn)寬波段窄帶濾波；
[0024] (2)與現(xiàn)有微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器的結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明采用雙面腐蝕 加工的"W"形體硅作為濾波器的上基板，既可方便的獲得200ym以上的腔長(zhǎng)，又可實(shí)現(xiàn)低 電壓驅(qū)動(dòng)；同時(shí)，"W"形體硅下表面的濃硼摻雜層既充當(dāng)了懸臂梁又充當(dāng)了上電極，而且在 加工過(guò)程中還可充當(dāng)腐蝕自停止層，降低了加工工藝的難度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便等優(yōu) 占.
[0025] (3)本發(fā)明所述濾波器的寬自由光譜范圍是通過(guò)多級(jí)次光譜掃描拼接獲得的，因 此其驅(qū)動(dòng)行程較短，直接采用濃硼摻雜硅層作為懸臂梁即可滿足對(duì)驅(qū)動(dòng)行程的要求，而無(wú) 需在濃硼摻雜硅層上進(jìn)行圖形化刻蝕，減少了工藝步驟，降低了工藝難度。同時(shí)，還避免了 由于刻蝕不對(duì)稱導(dǎo)致的鏡面扭曲等問(wèn)題，具有穩(wěn)定性高，可有效保證腔鏡的平行度等優(yōu)點(diǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是本發(fā)明中長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器的截面示意圖；
[0027] 圖中：1-1是雙面腐蝕后截面呈"W"形的體硅，1-2是"W"形體硅下表面的濃硼摻 雜層，1-3是濃硼摻雜層充當(dāng)?shù)膽冶哿海?-4是濃硼摻雜層充當(dāng)?shù)纳想姌O，1-5是"W"形體硅 的中央鏤空區(qū)域，1-6是"W"形體硅的四周鏤空區(qū)域，2是前腔鏡支撐膜，3是前腔鏡，4是石 英基底，5是后腔鏡，6是下電極，7是衍射光柵；
[0028] 圖2是本發(fā)明中"W"形體硅的表面示意圖；圖中1-5是"W"形體硅的中央鏤空區(qū) 域，1-6是"W"形體硅的四周鏤空區(qū)域；
[0029] 圖3是光線通過(guò)本發(fā)明中長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器前腔鏡、后腔 鏡及光柵時(shí)的光路示意圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中所述長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器的電壓一 位移曲線；
[0031] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中所述長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器的電壓一 位移曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā) 明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過(guò)以下實(shí)施例對(duì)領(lǐng)域的技術(shù)人 員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。
[0033] 實(shí)施例1
[0034] 本發(fā)明的實(shí)施例1，是一種腔長(zhǎng)為200i!m的微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器， 其光譜范圍為400nm-800nm，半峰全寬小于0. 05nm。該濾波器截面示意圖如圖1所示，上基 板包括：雙面腐蝕后呈"W"形的體硅1-1，"W"形體硅下表面的濃硼摻雜層1-2,懸臂梁1-3， 上電極1_4，"W"形體硅的中央鏤空區(qū)域1-5，"W"形體硅的四周鏤空區(qū)域1-6,前腔鏡支撐 膜2,前腔鏡3 ;下基板包括：石英基底4,后腔鏡5,下電極6以及衍射光柵7。
[0035] "W"形體硅1-1及其下表面濃硼摻雜層1-2作為微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波 器的上基板，總厚度為200ym，該厚度決定微機(jī)電可調(diào)諧法布里一珀羅濾波器的初始腔長(zhǎng)。 其中，下表面濃硼摻雜層1-2的厚度為12ym，其加工區(qū)域被減薄2ym，減薄的目的是為了 確定懸臂梁1-3的厚度和上下電極（1-4和6)的間距。"W"形體硅1-1的中央鏤空區(qū)域1-5 在其上表面長(zhǎng)X寬的尺寸為l_Xlmm，該尺寸決定濾波器的通光孔徑。"W"形體硅1-1的 四周鏤空區(qū)域1-6在其下表面的寬度為300ym，該尺寸決定了懸臂梁1-3的寬度；"W"形體 硅1-1中央鏤空區(qū)域1-5與四周鏤空區(qū)域1-6之間在其下表面留下體硅的寬度為500ym， 此即為上電極1-4的寬度；氮化硅薄膜作為前腔鏡支撐膜2完全覆蓋在"W"形體硅1-1上表 面四周鏤空區(qū)域以內(nèi)的所用區(qū)域，其厚度為lOOnm，前腔鏡3為反射率為90%的金屬鋁膜， 完全覆蓋在前腔鏡支撐膜2的上表面。石英基底4作為下基板與上基板鍵合形成法布里一 珀羅腔，石英基底4的正中央沉積有反射率為90%的金屬鋁膜作為后腔鏡5,后腔鏡5長(zhǎng)X 寬的尺寸為l_Xlmm，與"W"形體硅1-1上表面中央鏤空區(qū)域相對(duì)應(yīng)。后腔鏡5的四周對(duì) 稱沉積有50nm厚、400ym寬的鋁膜作為下電極6,鋁膜的寬度決定上下電極的有效正對(duì)面 積。石英基底4下表面加工有衍射光柵7,與石英基底4上表面的后腔鏡5的位置相對(duì)應(yīng)， 光柵長(zhǎng)X寬的尺寸為ImmX1mm，由公式N彡2L/Xmin可確定光柵刻線密度為1200線/毫 米。
[0036] 圖3是光線通過(guò)濾波器前腔鏡、后腔鏡及光柵時(shí)的光路示意圖。光線首先經(jīng)由前 腔鏡3和后腔鏡5組成的法布里一珀羅腔進(jìn)行濾波，由于兩腔鏡之間的間距為200ym，故針 對(duì)中心波長(zhǎng)為600nm的入射光，其單干涉級(jí)次的自由光譜范圍約為0. 9nm，若入射光為一寬 光譜光源，則被濾出的將是一系列不同干涉級(jí)次、不同波長(zhǎng)的光，這些光將繼續(xù)入射至光柵 7,由于光柵7的刻線密度為1200線/毫米，能分辨最小的波長(zhǎng)差可達(dá)到0. 5nm，因此，完全 可將上述不同干涉級(jí)次、不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行空間分離，在不同方向上實(shí)現(xiàn)單一波長(zhǎng)的濾波。
[0037] 選擇適當(dāng)?shù)那昂笄荤R的反射率可獲得不同的半峰全寬，在實(shí)施例1中，前后腔鏡 的反射率均為90%，故可由公式

【權(quán)利要求】
1. 一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于，包括： 一雙面腐蝕后截面呈"W"形的體硅及其下表面的濃硼摻雜層，所述體硅及其下表面的 濃硼摻雜層作為濾波器的上基板； 一前腔鏡支撐膜，所述前腔鏡支撐膜位于"W"形體硅上表面四周鏤空區(qū)域以內(nèi)的所有 區(qū)域； 一前腔鏡，所述前腔鏡位于支撐膜的上表面； 一懸臂梁，所述懸臂梁即為"W"形體硅四周鏤空區(qū)域下方的濃硼摻雜層； 一上電極，所述上電極即為"W"形體硅中央鏤空區(qū)域與四周鏤空區(qū)域之間體硅下表面 的濃硼摻雜層； 一石英基底，所述石英基底作為濾波器的下基板； 一后腔鏡，所述后腔鏡位于石英基底上表面與前腔鏡相對(duì)應(yīng)的區(qū)域； 一光柵，所述光柵位于石英基底下表面與后腔鏡相對(duì)應(yīng)的區(qū)域； 一下電極，所述下電極位于石英基底上表面與上電極相對(duì)應(yīng)的區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于： 所述上基板與下基板通過(guò)對(duì)準(zhǔn)鍵合的方式使其形成一個(gè)法布里_珀羅腔，腔體的初始腔長(zhǎng) 由所述體娃的厚度決定，體娃的厚度可以通過(guò)濕法腐蝕進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為200 y m? 500 u m〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于： 所述支撐膜為氮化硅與二氧化硅的雙層膜，薄膜總厚度為250nm?350nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于： 所述前后腔鏡可以為金屬膜或布拉格多層介質(zhì)膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于： 所述懸臂梁的寬度為300 y m?500 y m，厚度為10 y m?12 y m。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于： 所述光柵的總縫數(shù)N應(yīng)該滿足以下關(guān)系：N > 2L/ A min，其中，L為法布里-珀羅濾波器的腔 長(zhǎng)，A min為入射光中的最小波長(zhǎng)，滿足該關(guān)系式可使經(jīng)法布里-珀羅濾波器濾波后不同級(jí) 次不同波長(zhǎng)的光在空間上得以分離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于： 所述上下電極應(yīng)對(duì)稱分布在前后腔鏡四周，上電極的寬度為500 iim?1mm,下電極的寬度 應(yīng)該不大于上電極的寬度，下電極的厚度可以為50nm?200nm,上下電極的間距為2 y m? 4 u m〇
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)腔長(zhǎng)微機(jī)電可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于： 所述上基板的驅(qū)動(dòng)行程等于最大入射光波長(zhǎng)的一半，正向誤差不超過(guò)最大入射光波長(zhǎng)的十 分之一。
【文檔編號(hào)】G02B26/00GK104330890SQ201410614452
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】方亮, 石振東, 汪為民, 王強(qiáng), 邱傳凱, 周崇喜, 田中群 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所