基于MEMS技術的F-P腔濾波器分析與設計*

李元元， 蒙慶華， 陳四海， 曾毅波， 郭 航

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

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基于MEMS技術的F-P腔濾波器分析與設計*

李元元1,2， 蒙慶華1， 陳四海1， 曾毅波3， 郭 航3

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

通過對微光纖法布里—珀羅(F-P)腔濾波器工作原理的綜合分析，確立了微F-P腔濾波器靜電驅動腔長調諧方案。對可調諧濾波器的主體部分進行光學設計和分析，確立了反射鏡的多層薄膜光學結構，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構，可以實現0.625 μm的調諧范圍；保持橋面平行的能力很高，可實現高精度的濾波效果；結構穩固，能夠抵抗制造時的殘余應力。

濾波器； 調諧； 反射鏡； 腔體結構

0 引 言

光學通信以其大容量、長傳輸、低成本的優勢，使得其研發與應用日益深入[1]。基于MEMS技術制作的微法布里—珀羅(Fabry-Perot，F-P)可調諧濾波器相比于其他可調諧濾波器，體積微小，易于集成，可調諧光譜范圍大，光譜的分辨率高，大批量制作時成本比較低，因而,在光通信系統中應用較為廣泛[2]。目前，F-P腔可調諧濾波器的研究正朝著大陣列、小單元尺寸、調諧范圍廣、精細度高、調諧速度快、損耗低的方向發展[3]。空氣腔微型F-P腔濾波器由于調諧范圍大，精度高且驅動簡單成為未來濾波器的首選方案[2，3]。

本文從F-P腔工作原理出發，進行研究分析，提出了一種以多層介質薄膜作為其上、下反射鏡的光學膜層和L型的腔體支撐臂的新型微型F-P腔濾波器結構,該結構具有良好的波長選擇性，能實現比較好的調諧控制。

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，兩板的內表面鍍上了高反射膜,當光束E入射到腔體時，會在兩反射面之間來回反射，形成多光束干涉效應,只有當光波長滿足式(1)光波才能透過腔體，使透射光干涉增強，產生明亮精細的條紋

2ndcosθ=mλ

(1)

式中n為折射率；d為濾波器腔長；θ為折射角；m為整數；λ為光波長。F-P腔的調諧過程，即為諧振頻率的改變過程。其中，調節腔長最為直觀，在MEMS技術中也最為常用。

2 結構設計

本文對可調諧濾波器的主體部分進行了設計，主要包括反射鏡光學設計和腔體結構設計。

2.1 反射鏡結構設計

反射鏡是F-P腔的一個主要組成部分，由反射膜堆疊構成。常用的反射膜有金屬薄膜和多層介質薄膜[4～7]。多層介質薄膜由于光吸收損耗小以及可以通過改變膜層數改變反射率而更加符合要求。依據設計要求，考慮到多種組合之后，采用Al2O3為低折射率材料L1，Ge作為高折射率介質材料L2。由于Ge化學性能穩定，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0.2～7 μm。為此，本文采用高低折射率交替的介質薄膜作為反射鏡結構，其結構如圖1所示。

圖1 反射鏡膜層結構

由式(1)，當m=1，入射角θ=0時，由于空氣折射率n=1，可得λ=2d，此時透射光強最大。調諧范圍為3～5 μm，則此F-P腔工作的中心波長為4 μm，腔長變化要從1.5 μm至2.5 μm，腔長變化到2個極值時，器件峰值透過率分別為88.2 %，91.7 %，濾波特性保持較好。但當腔長改變時，透射中心波長也會隨之變化，因此，比例系數也不再為2，即λ≠2d。

腔長變化時，濾波特性的變化如表1所示，此時的器件峰值透過率為95.8 %，半波寬FWHM為112 nm，整個濾波范圍內只有中心波長4 μm的透射峰，其他波段透過率低于1.9 %，濾波效果顯著。實驗值和理論分析相吻合。

表1 腔長變化時濾波特性的變化

通過計算得出，二者之間基本呈線性關系，擬合直線為

2.全面覆蓋了監察對象。國家監察法第15條規定了留置適用的六大類對象，(1)中國共產黨機關、人民代表大會及其常務委員會機關、人民政府、監察委員會、人民法院、人民檢察院、中國人民政治協商會議各級委員會機關、民主黨派機關和工商業聯合會機關的公務員，以及參照《中華人民共和國公務員法》管理的人員；(2)法律、法規授權或者受國家機關依法委托管理公共事務的組織中從事公務的人員；(3)國有企業管理人員；(4)公辦的教育、科研、文化、醫療衛生、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 腔體結構設計

理想的F-P腔的腔體,可以通過施加最小的電壓，達到器件調諧的目,并在調諧過程中腔體要有很好的平行度以保證優良的選頻性能，同時,腔體支撐部分還要能夠抵御極大的應力，決不可超過材料的最大承受度而造成器件損壞。改變空氣腔腔長的驅動方式主要有熱驅動和電磁驅動以及靜電驅動，前兩者的噪音大且功耗大，對于需要大量驅動的MEMS濾波器陣列，在有限范圍內靜電驅動可以提供足夠的腔長調諧量，故本文采用靜電驅動來進行濾波器的腔長調節。微F-P腔濾波器的腔體結構如圖2所示，上反射鏡可調，在上、下電極上施加電壓后，靜電力的作用會牽引上反射鏡上(或下)運動，從而實現波長或頻率的調諧。

圖2 微F-P腔濾波器腔體結構

在給電極施加電壓時，雖然靜電驅動能量很低，但是當距離比較大時，所需施加的電壓也相對增大，此時的靜電力Fe的大小對于平板是非線性的[8，9]，表達式有

(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。電極在外加電壓時產生靜電吸引力，腔體之間的靜電力會使電極發生形變，一旦電極發生形變，其均勻電場線就會遭到破壞，而電場力的變化又會造成新的形變。研究中用ANSYS有限元分析軟件進行力電耦合分析，對器件位移、橋面形變，以及橋體應力大小，選擇最佳的腔體結構。圖3為3種微橋結構，X-arm結構具有很好的幾何對稱性，不僅軸對稱，還滿足中心對稱尺寸。+circular-arm結構與X-arm結構相似，只是橋面的形狀采用圓形，這2種結構與所設計的L-arm結構參數相同，腔長均為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 微橋結構

2.3 腔體結構仿真

圖4為3種橋面結構的電壓—位移的ANSYS仿真云圖，可以看出:X-arm和+circular-arm結構橋面發生扭曲，這樣會對F-P腔的選頻性能產生極大的影響，降低峰值透過率，增大FWHM。而采用L-arm結構的橋面在調諧過程中一直比較平整，幾乎沒有發生形變，所以，其濾波精細度更高。

圖4 橋面結構電壓—位移云圖

圖5為整個調節過程中，三種結構對應的電壓—位移曲線。

圖5 電壓—位移曲線

在達到圖示位移0.5μm時,L-arm結構施加電壓僅為1.90V，遠遠小于另外X-arm(7.81V)和+circular-arm(8.97V)2種結構的驅動電壓。

2.3.2 結構應力分析

圖6和表2分別為3個橋面結構的應力分布云圖和腔體位移為0.5μm時對應的電壓—應力，分析得：調諧過程中，腔體位移達到0.5μm時，L-arm微橋橋面所受到的應力很小，僅為4.615MPa，驅動電壓僅為1.9V。

表2 腔體位移為0.5 μm時對應的電壓—應力

圖6 應力云圖

在3種結構中，L-arm調諧效果和抵抗應力的能力最好。可見，L-arm長長的手臂能有效抵抗應力的影響，L-arm為最佳橋面結構。

此外，從應力云圖可知，腔體應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，橋臂的選擇是設計的關鍵,不僅需要保證其能夠提供足夠大的移動空間防止腔體因靜電吸合導致器件失效，還要支撐起整個腔體結構且不能發生結構斷裂。

圖7 L-arm橋面位移0.625 μm時應力云圖

由仿真結果圖7可知，空氣腔向下移動0.625 μm時，L-arm支撐臂結構應力最大為8.97 MPa，遠小于鋁的許用應力70 GPa，理論上不會發生橋腿斷裂的現象。

衡量F-P腔濾波器性能的重要標準為橋面結構的平整度，即Finesse和調諧范圍FSR。可見微橋結構的幾何形狀對調諧性能具有很大的影響，綜合以上所有分析結果，確立了L-arm腔體支撐臂結構。

3 結 論

設計了基于MEMS技術的微型F-P腔可調諧濾波器，具有多層介質膜光學結構和L型微橋橋臂結構，與其他結構相比，使調諧范圍最大可達0.625 μm，峰值透過率達95.8 %；保持橋面平行的能力很高，可實現高精度的濾波效果；結構穩固，能夠抵抗制造時的殘余應力。

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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

深圳市科技計劃資助項目(JCYJ20140610151856737)

TN 713

A

1000—9787(2017)08—0069—03

李元元(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為微機電系統的設計與制作，E—mail：18629464161@163.com。

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