專利名稱：平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器的制作方法
技術領域：
本發明涉及微光機電系統技術領域，特別涉及一種適用于光纖通信系統的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器。
背景技術：
在波長可調濾波器領域，微機電系統(MEMS)波長可調濾波器具有體積小，能耗低、響應速度快、驅動電壓低以及與集成電路兼容性好等優點，而在光纖通信系統中備受青睞。基于微機電系統技術制作的法布里珀羅腔(Fabry-PeiOt)濾波器是通過微機電驅動裝
置，在法布里珀羅腔的前、后腔面上加反偏電壓，利用靜電力或熱應變的作用使腔長收縮或增長，從而持續調節濾波器的諧振波長。空氣腔微機電系統法布里珀羅腔濾波器的調諧范圍大，精度高而且驅動簡單，是未來微濾波器的首選方案。微機電系統法布里珀羅腔可調諧濾波器正在朝著大陣列、小尺寸、高頻率、大調諧范圍，以及多自由度方向發展。這些方面是相互制約的，更小的單元尺寸帶來的是更高的固有頻率，更大的調諧范圍以及更低的驅動電壓。目前國際上研制的微機電系統法布里珀羅腔濾波器各具特色，但也各存一些局限，比如材料生長困難、工藝難度大、調諧電壓較高等。實際工作中衡量法布里珀羅腔濾波器性能優良的指標，分別是精細常數、峰值透射率、反襯度。法布里珀羅腔前、后反射腔面的平行度是影響這三項指標好壞的主要因素，腔面平行度直接影響到微機電系統法布里珀羅腔精細常數和對波長選擇的靈敏性，所以反射腔面的平行度是微機電系統法布里珀羅腔濾波器的重要參數之一。然而在實際工作中，由于加工工藝誤差的存在，支撐腔面結構的各梁的形狀尺寸不能嚴格保證一致，且受殘余應力以及鍍膜工藝的影響，梁的內部微結構不均一，材料特性不同，像楊氏模量、泊松比、導電率等不同，導致在實際應用中的微機電系統法布里珀羅腔的前、后腔面的平行度很差，濾波效果與設計值偏離很大，實際應用效果很差。一種新型微機電系統法布里珀羅濾波器的設計與分析。光學學報，2012，In Press報道，作者通過將光柵和法布里珀羅腔相結合研制了一種新型濾波器，但在濾波器的法布里珀羅腔變形時，無法對因加工誤差的影響而造成的腔面形貌的畸變進行調節，平行度不能保證。此夕卜，濾波器還需要一個額外的頂部反射鏡，反射鏡與支撐結構的應力不匹配等因素更加劇了濾波器變形時法布里珀羅腔的不平行度，限制了濾波器的實用性。
發明內容
本發明要解決的技術問題是消除加工過程中的工藝誤差對微機電系統法布里珀羅腔前、后腔面平行度的影響，保證法布里珀羅腔濾波器的前、后腔面在使用過程中始終保持好的平形度。本發明的目的是設計一種平行度可調節的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，它通過在偏轉電極上加不同的電壓，在上、下電極處產生不同大小的靜電力，來調整因加工誤差對微機電系統法布里珀羅腔造成的不良影響，保持濾波器的前、后腔面在實際工作中始終平行，從而提高濾波器的濾波效率和對選擇光的利用率。
為了實現所述目的，本發明提供一種平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，包括微橋部、光柵、基底、多個下電極、第一絕緣層、第二絕緣層、前腔面、后腔面、橋面和兩個矩形孔，其中微橋部，具有一橋面，橋面作為法布里拍羅腔的上電極；光柵，位于微橋部的橋面的中央處，并集成在一起；基底，作為最下層；多個下電極，平行對稱的分布在微橋部的下面，分別固定在第一絕緣層和第二絕緣層上面；第一絕緣層和第二絕緣層，覆蓋在基底之上； 前腔面，位于光柵的區域所對應橋面的下表面，形成法布里珀羅腔可動腔面；后腔面，位于光柵正下方的在第一絕緣層和第二絕緣層之間的基底的上表面，用作法布里珀羅腔的后腔面；通過在多個下電極和上電極之間加入不同的電壓，在上電極、多個下電極之間形成復雜的靜電場，使法布里珀羅腔的可動腔面在向下移動的過程中，同時調整可動腔面的形貌，用于調整法布里珀羅腔前腔面與后腔面之間的平行度。本發明與現有技術相比所具有的優點本發明通過在微機電系統法布里珀羅腔濾波器的多個下電極上加不同的電壓來調節法布里珀羅腔由制作誤差帶來的可動腔面畸變的問題，從而達到法布里珀羅腔的前、后腔面間隙處處相等，前腔面和后腔面及其反射光，以及反射光的干涉條紋始終平行；同時在微橋部的橋面的上表面中心處刻蝕光柵或在刻蝕在基底上刻蝕光柵，先讓光入射平面光柵，經光柵色散后的衍射光再通過法布里珀羅腔進行濾波，這種濾波器能在較寬的自由光譜范圍下獲得較小的半波寬。本發明同時將光柵與法布里珀羅腔相結合在一起，能在較窄的半波寬下獲得較寬的自由光譜范圍。通過對多塊下電極的分布方式和上、下電極間的偏轉電壓控制，可在上電極板上產生復雜力場，有效消除法布里珀羅腔前表面因加工誤差和殘余應力引起的變形，實現在使用過程中對法布里珀羅腔前、后腔面的平行度的有效可調控制，消除加工誤差對濾波器的性能影響，實用性高。采用微橋部，微橋的橋面既做上電極，其下表面也作為法布里珀羅腔的前腔面，在微橋橋面的上表面中心處刻蝕光柵。位于光柵正下方的，兩塊絕緣層之間部分的基底的上表面作為濾波器的后腔面，其余部分的基底上表面被絕緣層覆蓋，在橋面下方的絕緣層上固定著多個下電極，通過在這些個下電極上加不同的電壓調節法布里珀羅腔在前腔面移動時的形貌，從而保證法布里珀羅腔的前腔面與后腔面有較好的平行度，提高微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器的濾波效率和對選擇光的利用率。
圖I是平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器的立體示意圖；圖2是平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器的側視圖；圖3是未施加電壓時平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器(在檢測前、后腔面的平形度時未加光柵，且不包括基底)；圖4是施加電壓時未進行平行調整的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器(在檢測前、后腔面的平形度時未加光柵，且不包括基底)；圖5是施加調節電壓進行了平行調整后的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器(在檢測前、后腔面的平形度時未加光柵，且不包括基底)；圖6是光線在平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器的前腔面、后腔面上的反射光路示意圖；圖7是光柵刻蝕在濾波器基底上的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器的側視圖。圖中符號說明I為微橋部，2為光柵，3為基底，4-1為第一下電極，4-2為第二下電極，4-3為第三下電極，4-4為第四下電極，
5-1第一絕緣層， 5-2第一絕緣層，6為前腔面，7為后腔面，8橋面，9矩形孔。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。圖I和圖2為本實施例的一種平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器(如下簡稱濾波器)的立體圖和側視圖；其中包括微橋部I、光柵2、基底3、多個下電極4、第一絕緣層5-1、第二絕緣層5-2、前腔面6、后腔面7、橋面8和兩個矩形孔9，其中微橋部I，具有一橋面8，橋面8作為法布里珀羅腔的上電極；光柵2，位于微橋部I的橋面8的中央處，并集成在一起；基底3，作為最下層；多個下電極4，平行對稱的分布在微橋部I的下面，分別固定在第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2上面；第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2，覆蓋在基底3之上，用于將多個下電極2與上電極之間的電絕緣；前腔面6，位于光柵2的區域所對應橋面8的下表面，形成法布里珀羅腔可動腔面；后腔面7，位于光柵2正下方的在第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2之間的基底3的上表面，用作法布里珀羅腔的后腔面7 ;通過在多個下電極4和上電極之間加入不同的電壓，在上電極、多個下電極之間形成復雜的靜電場，使法布里珀羅腔的可動腔面在向下移動的過程中，同時調整可動腔面的形貌，用于調整法布里珀羅腔前腔面6與后腔面7之間的平行度；兩個矩形孔9，位于微橋部I的兩邊，用于釋放犧牲層。多個下電極4和上電極之間加入不同的電壓范圍為5V-50V。本發明的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器是用靜電來調節腔長的濾波器，微橋部I的橋面8作為濾波器的上電極使用，又是法布里珀羅腔的一個腔體的面板，所述上電極為可動電極。在本實施例中多個下電極數目采用四塊為第一下電極
4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-4共同組成濾波器的下電極，在基底3上覆蓋有第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2，用于上電極和下電極之間絕緣，在上電極和第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-4之間加上偏置電壓后，這樣就形成了平行平板之間的電容，上、下電極的重合面積為平行平板電容的有效面積。在靜電力的作用下，微橋部I的橋面8產生移動。光柵2刻蝕在微橋部I的橋面8的中心表面處或刻蝕在基底3上，微橋部I的兩邊均勻的刻有兩個矩形孔9，便于釋放犧牲層。光束經過準直后入射光柵2，經光柵2預色散后的衍射光再通過法布里珀羅腔進行濾波。光柵2是閃耀光柵或黑白光柵。位于光柵下方的基底的上表面部分作為后腔面，基底其余部分上表面的覆蓋第一絕緣層和第二絕緣層，所述后腔面是固定腔面。多個下電極數目大于兩塊，分布方式按照實際情況可靈活布置，其分布方式可以均勻分布或隨機分布；第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-4，平行對稱的分布在微橋部I的下面。濾波器尺寸的可以做成長200 μ m-400 μ m，寬為700 μ m-950 μ m。第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-4的材料為金屬鋁或摻雜多晶硅或其他金屬材料，它們的尺寸選值如下范圍長為200 μ m-350 μ m，寬為50 μ m-80 μ m,高為 O. I μ m_l. 5 μ m。光柵2尺寸選值如下范圍長為200 μ m-350 μ m，寬為100 μ m-250 μ m，刻蝕深度為300nm_550nm。
用第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2在基底上阻隔形成法布里珀羅腔的后腔面，其材料為二氧化娃或氮化娃，厚度30nm-l μ m,第一絕緣層5_1和第二絕緣層5_2之間露出的基底3的上表面為法布里珀羅腔的固定腔面也是后腔面7。后腔面7在光柵2的正下方，其尺寸范圍長為220 μ m-400 μ m，寬為120μπι-300μπι。在后腔面7上可以鍍光學膜來增加它的反射率。所述微型橋結構I的橋面8同時作為濾波器的上電極，或可動電極。所述基底3為硅基底或按照所要濾波的波長選擇相應合適的材料。第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4_4平行對稱的分布在法布里珀羅腔的第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2上，在驅動電壓的作用下微橋部I的橋面8向下移動，帶動前腔面6向下移動，為了使前腔面6在向下移動過程中始終與后腔面7保持平行，分別對第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-4上加不同的電壓來調節前腔面6或稱可動腔面在下移時的形貌，實現前腔面6和后腔面7的平行度可調，保證前腔面6與后腔面7 —直保持好的平行度，所述不同電壓范圍隨器件尺寸有關，沒有具體要求。法布里珀羅腔中可進行位置變化的前腔面稱為可動腔面，本段所述的法布里珀羅腔結構中，前腔面6就是可動腔面。相應，后腔面7是固定腔面。下面以300 μ mX900 μ m尺寸的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器為例，并結合附圖對本發明作具體描述，其他尺寸的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器則不再贅述。本實施例中所述基底3采用硅基底。利用靜電驅動方式的微橋部I的橋面8既作為上電極，其橋面8的下表面也作為法布里珀羅腔的前腔面6。在濾波器的最下層是基底3，在基底3之上生長第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2，用于將第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-2與微橋部I即濾波器上電極之間的電絕緣，第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2的材料為二氧化硅或者氮化硅。然后在第一絕緣層5-1上制作第一下電極4-1、第二下電極4-2，在第二絕緣層5-2上制作第三下電極4-3、第四下電極4-4，第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-4的材料為金屬鋁，它們的尺寸長X寬X高大小為300 μ mX 70 μ mXO. 5 μ m ;光柵2位于微橋部I的橋面8的中央處，光柵2的尺寸長X寬大小為300 μ mX 200 μ m,刻蝕深度為450nm，同時微橋部I上的光柵2的區域所對的橋面8的下表面作為法布里珀羅腔的前腔面6，在光柵2正下方的在第一絕緣層5-1和第二絕緣層5-2之間的基低3的上表面作為后腔面7 ;通過在第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3、第四下電極4-4和濾波器的上電極之間加不同的電壓可以調節前腔面6在發生位移變化時與后腔面7的平形度。圖3為未加電壓時平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器(在檢測前、后腔面的平形度時未加光柵2，且不包括基底3)的結構圖。在第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3和第四下電極4-4 未接驅動電壓時，前腔面6處于初始平衡狀態，前腔面6與后腔面7之間的空氣隙厚度最大。當入射光線以任一角度入射到法布里珀羅腔時，分別經法布里珀羅腔的前腔面6和后腔面7反射的兩條反射光線的光程差也最大。此時，所述濾波器的選擇波長最長。圖4是施加電壓但未進行平行調整的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器(在檢測前、后腔面的平形度時未加光柵2，且不包括基底3)的結構變形圖。當給第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3和第四下電極4-4施加相同電壓后，微橋部I和第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3和第四下電極4-4之間產生靜電場和靜電吸引力。由于此材料特性和靜電吸引作用，微橋部I的橋面8會向下彎曲變形，帶動前腔面6向后腔面7靠近。由于加工誤差的影響橋面8向下彎曲時，如圖4所橋面8各部分的彎曲程度不同，這樣使得法布里珀羅腔的前腔面6與后腔面7的平行度受到影響。對于微橋部I的橋面8厚度為I μ m時,通過對第一下電極4_1和第二下電極4_2施加5V電壓、第三下電極4-3和第四下電極4-4施加2. 8V電壓后,可以對前腔面6向下移動時的整體形態進行調整，從而達到前腔面6與后腔面7的平行度可調的作用效果。如圖5所示的是施加調節電壓進行平行調整后的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器結構圖(在檢測前、后腔面的平形度時未加光柵2，且不包括基底3)。這種情況下，前腔面6在一定的調整電壓下具有很好的平形性，前腔面6和后腔面7之間的平行度高。此時法布里珀羅腔的前腔面6和后腔面7之間的空氣隙厚度將變小，對于未加電壓時同一條入射光線而言，分別經法布里珀羅腔的前腔面6和后腔面7反射的兩條反射光線的光程差也變小，濾波器的選擇波長也相應變短。撤去驅動電壓后，微型結構I及其橋面8又恢復到初始平衡狀態，如附圖3所示。這樣，通過改變四個下電極上的驅動電壓的大小，就可以改變法布里珀羅腔的前腔面6和后腔面7之間空氣間隙的厚度，并調節前腔面6和后腔面7的平行度，從而使得濾波器的波長可選擇，并得到好的濾波效果。圖6是光線在在平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器的前腔面6和后腔面7上的反射光路示意圖；在該示意圖中，法布里珀羅腔的前腔面6和后腔面7始終保持平行狀態，這樣經過法布里珀羅腔的前腔面6和后腔面7反射的光線的干涉位相條紋也是平行的，這會大大增加濾波器的濾波效率和對選擇光的利用率。在本實例中光柵2是直接加工在法布里珀羅腔的微橋部I的橋面8的上表面上。此外，光柵2也可以加個在基底3上，如圖7所示。此時，微橋部I的橋面8依然是平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器的上電極，或者可動電極。光柵2所對的基底3的上表面相應作為微機電系統法布里珀羅腔的前腔面6使用，橋面8的下表面，即正對著前腔面6的表面作為微機電系統法布里珀羅腔的后腔面7使用，后腔面7即為本段所述此結構的法布里珀羅腔的可動腔面，前腔面6為固定腔面。此時，通過在第一下電極4-1、第二下電極4-2、第三下電極4-3和第四下電極4-4上加不同的調整電壓，與橋面8形成靜電場，同樣可使橋面8向下移動，并在橋面8的移動過程中實現對后腔面7形貌的調整作用，消除加工誤差對法布里珀羅腔的前腔面6和后腔面7的平行度的不利影響，實現微機電系統法布里珀羅腔波長可調濾波器的平行度可隨時調整，使法布里珀羅腔的前腔面6和后腔 面7之間保持好的平行度。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內。
權利要求
1.一種平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于包括微橋部、光柵、基底、多個下電極、第一絕緣層、第二絕緣層、前腔面、后腔面、橋面和兩個矩形孔，其中 微橋部，具有一橋面，橋面作為法布里珀羅腔的上電極； 光柵，位于微橋部的橋面的中央處，并集成在一起； 基底，作為最下層； 多個下電極，平行對稱的分布在微橋部的下面，分別固定在第一絕緣層和第二絕緣層上面； 第一絕緣層和第二絕緣層，覆蓋在基底之上； 前腔面，位于光柵的區域所對應橋面的下表面，形成法布里珀羅腔可動腔面； 后腔面，位于光柵正下方的在第一絕緣層和第二絕緣層之間的基底的上表面，用作法布里珀羅腔的后腔面；通過在多個下電極和上電極之間加入不同的電壓，在上電極、多個下電極之間形成復雜的靜電場，使法布里珀羅腔的可動腔面在向下移動的過程中，同時調整可動腔面的形貌，用于動態調整法布里珀羅腔前腔面與后腔面之間的平行度。
2.如權利要求I所述的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于用第一絕緣層和第二絕緣層在基底上阻隔形成法布里珀羅腔的后腔面，其材料為二氧化硅或者氮化硅。
3.如權利要求I所述的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于所述每個下電極的材料為金屬鋁摻雜多晶硅或其他金屬材料，每個下電極長X寬X高的尺寸選值如下范圍長為200μπι-350μπι，寬為50μπι-80μπι，高為O. I μ m_L 5 μ m。
4.如權利要求I所述的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于所述光柵尺寸選值范圍長為200 μ m-350 μ m,寬為100 μ m-250 μ m,刻蝕深度為300nm_550nm。
5.如權利要求I所述的平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于所述橋面作為法布里珀羅腔的上電極為可動電極，又是法布里珀羅腔的一個腔體的面板。
6.如權利要求I所述平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于所述光柵刻蝕在微橋部的橋面上，或刻蝕在基底上。
7.如權利要求I所述平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于位于光柵下方的基底的上表面部分作為后腔面，基底其余部分上表面的覆蓋第一絕緣層和第二絕緣層，所述后腔面是固定腔面。
8.如權利要求I所述平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，其特征在于所述法布里珀羅腔的下電極的數量大于2個，其分布方式是以均勻分布或隨機分布。
全文摘要
本發明是平行度可調的微機電系統法布里珀羅腔波長可調諧濾波器，微橋部的橋面作為法布里珀羅腔的上電極；光柵位于微橋部的橋面的中央處；基底為最下層；多個下電極，平行對稱的分布在微橋部的下面，分別固定在兩個絕緣層上面；兩個絕緣層覆蓋在基底上，將多個下電極與上電極之間的電絕緣；兩個矩形孔位于微橋部的兩邊；前腔面位于光柵的區域所對應橋面的下表面；后腔面位于光柵下方的在兩絕緣層之間的基底的上表面，用作法布里珀羅腔的后腔面；在多個下電極和上電極之間加入不同的電壓并形成復雜的靜電場，使法布里珀羅腔的可動腔面向下移動的過程中，調整可動腔面的形貌，用于調整法布里珀羅腔前腔面與后腔面之間的平行度。
文檔編號G02B26/00GK102866497SQ201210407660
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者莊須葉, 張建飛, 姚軍, 邱傳凱, 周崇喜 申請人:中國科學院光電技術研究所