[发明专利]一种腔内掩埋金属加热电极的可调谐光学滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种可调谐光学滤波器，可用于光通信和光传感等领域。

背景技术

可调谐光学滤波器在光纤通信和光传感领域有着重要的应用[IEE Proceedings：Circuits，Devices and Systems，150(2003)501-505；Electric PowerSystems Research，80(2010)77-83]，其中Fabry-Perot(法布里-珀罗)滤波器(以下简称“FP滤波器”)具有低成本、可集成、窄线宽、高精度的特点。FP滤波器的调谐方式主要包括微机械调谐[Japanese J.Applied Physics，Part 1，45(2006)7732-7736]、电光调谐[J.Lightw.Technol.，23(2005)2169-2174]和热光调谐[J.Microelectromechanical Systems，16(2007)500-510]等。其中微机械滤波器由于不是全固态结构、稳定性较差；电光调谐的调谐速率快(纳秒量级)、功耗低，但是调谐范围则很窄(一般＜2nm)；热光调谐则有全固态、稳定性好以及调谐范围大的优势，但是调谐速率较慢(毫秒量级)。

FP滤波器的热光调谐机理是：通过加热改变谐振腔内物质的温度、进而改变其折射率，实现谐振腔的有效腔长和谐振波长的改变。目前，热光调谐的FP滤波器，其加热电极通常位于谐振腔上表面[Optics Communications，244(2005)167-170；J.Microelectromechanical Systems，16(2007)500-510]、或置于谐振腔底部[J.Lightw.Technol.，22(2004)126-135]。这种腔外加热方式，所产生的热量易于发散到空气或基底中，因此热调谐的能量利用效率不高；并且热量由腔外传导到腔内需要额外的时间，也降低了调谐速率。但是对于光通信和光传感系统，往往需要器件能高速和低功耗工作。

我们曾经利用腔内加热的方式进行调谐，即加热电极位于谐振腔内部[Applied Optics，45(2006)8448-8453]。由于该器件结构是一次性外延生长而成，腔内加热层采用半导体材料，而半导体材料的电阻率对温度和掺杂浓度很敏感，很难获得稳定、精确的电阻值，因此该方案无法提供性能稳定、一致的产品。

综上所述，设计性能稳定、高效和快速的加热调谐方式，使得热光调谐FP滤波器具有更稳定的性能、更低的功耗和更快的调谐速率，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明提出一种“腔内掩埋金属加热电极的可调谐光学滤波器”，该器件的特点是将金属加热电极掩埋在谐振腔内进行加热调谐(如图1)，由于金属加热电极具有电阻值稳定、发热效率高的特点，同时这种腔内加热结构能提高能量利用效率，因此本发明的热光可调谐滤波器具有稳定性高、功耗低和调谐速度快的特点。本发明可以按以下方式实现：

如图2所示，首先在基底上生长介质膜布拉格反射镜(DBR)作为底镜，接着生长厚度为L1的腔内层；然后，生长厚度为d的金属薄膜，该金属层可以通过光刻、刻蚀工艺形成环状加热电极结构(如图2)、从而获得所需要的电阻值；最后，生长厚度为L2的腔内层和顶部DBR(如图1)。

本发明的器件还可以按照另一种方式实现(如图3)，首先在两块基底上生长DBR和厚度为L1的腔内层；然后，在其中一块基底上生长金属薄膜，该金属层可以通过光刻、刻蚀工艺形成环状加热电极结构(如图2)、从而获得所需要的电阻值；最后，将两块基底键合在一起，从而构成整个器件(如图1)。

所述的金属加热电极，通过外部施加电压或电流产生热量，从而改变腔内材料的折射率，实现调节谐振腔的谐振波长。

所述的金属电极通过加热形成的温度分布，可以通过选择不同导热系数的基底材料、腔内层材料、DBR材料以及L1/K2的厚度比例来控制。

所述的金属薄膜材料优选自Pt、Cr、Au、Ti、Ni、Al、W和Pt-Cr-Au-Ti材料。

所述的DBR材料优选自Si/SiO₂、Si/SiN_X和GaAs/AlGaAs材料。

所述的衬底优选自Si、玻璃和GaAs材料。

所述的金属加热电极的形状为圆形、椭圆形或多边形的环形结构。

附图说明

附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。

图1为可调谐光学滤波器的结构示意图。

图2为金属加热电极的结构。