[发明专利]一种长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器

说明书

技术领域

本发明属于微光机电系统领域，特别涉及一种长腔长微机电可调谐法布里-珀罗滤波器。

背景技术

微机电可调谐法布里－珀罗滤波器具有体积小、易集成、带宽窄、波长可调等优点，广泛应用于光学传感、光通讯、光信息读取以及激光技术等领域。然而，由于法布里－珀罗滤波器自身原理的限制，它的两个重要参数——自由光谱范围与半峰全宽在理论上相互限制，两者的性能指标往往不可兼得。一般来讲，滤波器的腔长越长则半峰全宽越窄，但自由光谱范围也会越窄；反之，滤波器腔长越短则自由光谱范围越宽，但半峰全宽也会越宽。因此，很难同时获得窄半峰全宽和宽自由光谱范围。“一种新型微机电系统法布里－珀罗滤波器的设计与分析”(《光学学报》，2012，32，8，0822005-1)一文中提出了一种新型的微型法布里－珀罗滤波器，该滤波器在传统法布里－珀罗滤波器的基础上集成了一块光栅进行色散，使滤波器的自由光谱范围大大扩展。然而，该文中所设计的微型法布里－珀罗滤波器的腔长仍然较短(仅为1.7μm)，在扩展自由光谱范围的同时并未体现出更窄半峰全宽的优势来。如果能将这种新型的微型法布里－珀罗滤波器的腔长增大，则可使该滤波器同时获得窄半峰全宽和宽自由光谱范围。

然而，现有微机电法布里－珀罗滤波器为了获得较宽的自由光谱范围，其腔长往往较短。很多设计为了使器件结构更为简单，还将法布里－珀罗腔镜上的金属膜同时作为反射镜和驱动电极。这种设计对于短腔长的滤波器而言是很巧妙的，但对于长腔长的滤波器而言却是不可行的。因为当滤波器的腔长较长时，同时作为腔镜的两电极相隔很远，此时两电极间的静电力很微弱，不足以驱动腔镜的移动。尽管也有设计者提出将腔镜反射膜与驱动电极分离可获得更长的腔长，但这些腔体的初始腔长通常是通过沉积一层阻挡层来实现的，这于>200μm的初始腔长而言，沉积200μm的阻挡层显然不是一件容易的事情。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有微机电法布里－珀罗滤波器腔长较短，难以同时实现窄半峰全宽和宽自由光谱范围的问题，提出一种长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器。该滤波器具有200μm以上的初始腔长，并能通过光栅的分光作用使不同级次不同波长的光在空间上得到分离，同时能满足低电压驱动的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种长腔长微机电可调谐法布里－珀罗滤波器，其特征在于：包括：

－双面腐蚀后截面呈“W”形的体硅及其下表面的浓硼掺杂层，所述体硅及其下表面的浓硼掺杂层作为滤波器的上基板；

－前腔镜支撑膜，所述前腔镜支撑膜位于“W”形体硅上表面四周镂空区域以内的所有区域；

－前腔镜，所述前腔镜位于支撑膜的上表面；

－悬臂梁，所述悬臂梁即为“W”形体硅四周镂空区域下方的浓硼掺杂层；

－上电极，所述上电极即为“W”形体硅中央镂空区域与四周镂空区域之间体硅下表面的浓硼掺杂层；

－石英基底，所述石英基底作为滤波器的下基板；

－后腔镜，所述后腔镜位于石英基底上表面与前腔镜相对应的区域；

－光栅，所述光栅位于石英基底下表面与后腔镜相对应的区域；

－下电极，所述下电极位于石英基底上表面与上电极相对应的区域。

进一步的，所述上基板与下基板通过对准键合的方式使其形成一个法布里-珀罗腔，腔体的初始腔长由所述体硅的厚度决定，体硅的厚度可以通过湿法腐蚀进行调节，调节范围为200μm～500μm。

进一步的，所述支撑膜为氮化硅与二氧化硅的双层膜，薄膜总厚度为250nm～350nm。

进一步的，所述前后腔镜可以为金属膜或布拉格多层介质膜。

进一步的，所述悬臂梁的宽度为300μm～500μm，厚度为10μm～12μm。

进一步的，所述光栅的总缝数N应该满足以下关系：N≥2L/λ_min，其中，L为法布里-珀罗滤波器的腔长，λ_min为入射光中的最小波长，满足该关系式可使经法布里-珀罗滤波器滤波后不同级次不同波长的光在空间上得以分离。

进一步的，所述上下电极应对称分布在前后腔镜四周，上电极的宽度为500μm～1mm，下电极的宽度应该不大于上电极的宽度，下电极的厚度可以为50nm～200nm，上下电极的间距为2μm～4μm。

进一步的，所述上基板的驱动行程等于最大入射光波长的一半，正向误差不超过最大入射光波长的十分之一。

本发明与现有技术相比具有如下优点：