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基于MEMS技术的可调谐光滤波器及可变光衰减器的研究和制作

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目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

§1.1引言

§1.2可调谐光滤波器的发展现状

§1.2.1可调谐光滤波器种类及发展概况

§1.2.2 MEMS-FP可调谐光滤波器的应用前景

§1.2.3 MEMS-FP可调谐光滤波器的研究现状

§1.3可变光衰减器的发展现状

§1.3.1可变光衰减器的种类及发展概况

§1.3.2 MEMS可变光衰减器在全光网中的应用前景

§1.3.3 MEMS可变光衰减器的研究现状

§1.4微镜制作工艺的进展

§1.5研究报告的意义和主要内容

§1.5.1研究工作的目的和意义

§1.5.2研究工作的创新点

§1.5.3研究工作内容

第二章 Fabry-Perot腔滤波器的光学性能分析

§2.1 Fabry-Perot腔滤波器的光学理论基础

§2.1.1多光束干涉原理

§2.1.2 FP滤波器特征参量

§2.1.3 FP滤波器调谐方式

§2.2镜面反射相移

§2.2.1正入射

§2.2.2斜入射

§2.3 FP滤波器的斜入射特性

§2.3.1偏振相关性

§2.3.2光束移走效应

§2.4镜面缺陷对光学性能的影响

§2.4.1镜面缺陷对精细度和带宽的影响

§2.4.2镜面缺陷对损耗的影响

§2.4.3反射率不对称对损耗的影响

§2.5衬底材料吸收对损耗的影响

§2.6增透膜对透射光谱的影响

§2.7本章小结

第二章 压电驱动和电磁驱动Fabry-Perot腔可调谐光滤波器的研制

§3.1压电驱动腔长调谐FP滤波器的研制

§3.1.1结构方案及制备工艺

§3.1.2关键技术

§3.1.3研制结果及测试分析

§3.1.4结论

§3.2电磁驱角度调谐FP滤波器的研制

§3.2.1结构方案及制备工艺

§3.2.2关键技术

§3.2.3研制结果及测试分析

§3.2.4结论

§3.3本章小结

第四章 静电驱动Fabry-Perot腔可调谐光滤波器的研制

§4.1静电驱动理论基础

§4.1.1静态平衡方程

§4.1.2运动方程

§4.1.3可靠工作条件

§4.2结构方案和设计指标

§4.3滤波器设计

§4.3.1光学设计与模拟

§4.3.2平板驱动器结构设计与模拟

§4.4工艺制作及测试

§4.4.1工艺流程

§4.4.2刻蚀工艺

§4.4.3光学介质膜图形化工艺

§4.4.4键合面金属引线工艺

§4.4.5钠离子沾污保护

§4.4.6气压平衡设计

§4.4.7测试结果

§4.5本章小结

第五章 扭转微镜可调光衰减器的研制

§5.1研制方案及设计指标

§5.2静电驱动扭转微镜VOA的理论基础

§5.2.1光学原理

§5.2.2静电驱动原理

§5.3光学设计与模拟

§5.3.1反射膜层设计

§5.3.2双光纤准直器设计

§5.4扭转微镜设计与模拟

§5.4.1结构参数设计

§5.4.2数值模拟计算

§5.5工艺制作

§5.6测试分析

§5.6.1插入损耗

§5.6.2电压-损耗特性

§5.6.3 WDL

§5.6.4 PDL

§5.6.5响应时间

§5.7本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

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摘要

可调谐光滤波器(TOF:Tunable Optical Filter)和可变光衰减器(VOA∶VariableOptical Attenuator)在构建智能全光网络中发挥着极其重要的作用,具有未来广阔的应用市场。在现有技术中,微机电系统(MEMS:Micro-electro MechanicalSystems)技术具有高性能、低成本、微型化、集成化等方面的显著优势。目前,国外推出的MEMS-TOF产品价格相当昂贵,供货上也存在问题,迫切需要构成FP腔的高质量可动微镜在制备技术上得到突破,而我国在这方面缺乏经验积累,研究报道比较少。在MEMS-VOA方面,国外已有不少公司推出了产品,而我国由于不能掌握芯片制备技术,造成了对国外光器件生产商的过份依赖。因此,开展TOF和VOA的研究开发,并推进其向产业化方向发展,对提升我国光器件产业的水平、促进我国光网络的发展具有重要意义。
   与传统的表面微机械和体微机械加工工艺相比,利用SOI-Glass键合和背面减薄工艺过程实现的SOG(Silicon on Glass)器件结构,在MEMS微镜制作上具有很多优点,目前没有此类结构的商用产品。研究基于SOG的微镜制作工艺,并发展其应用,是MEMS光器件新的探索方向。
   本论文提出了基于SOG的TOF及VOA的结构和制备工艺方案,从理论上全面分析了各自光学性能的影响因素,给出了由设计指标出发确定结构参数的详细设计方法和步骤,较好地解决了制备过程中遇到的关键工艺问题,为今后进一步的产品开发工作奠定有力的基础。
   在TOF研制上,首先全面分析了镜面缺陷、吸收、反射率对称性、衬底吸收、增透膜等对滤波特性的影响;然后根据设计指标以及镜面缺陷估计值选取镜面反射率、腔长和镜面移动量,由此确定介质膜层厚度分布参数和镜面驱动器结构参数,并分别利用TFCALC薄膜设计软件和Conventor MEMS设计软件进行模拟验证;制作过程中重点研究了影响镜面缺陷的刻蚀工艺和光学介质膜的图形化工艺,介绍了金属引线键合电连接、钠离子沾污和气体平衡问题的具体解决方法。最后说明了流片中遇到的问题,分析了测试结果。
   在VOA研制上,分析了金膜反射镜的厚度、表面粗糙度、斜入射角度、准直器束腰尺寸、工作距离、透镜类型等对角度衰减特性的影响,根据设计指标进行扭转微镜的结构尺寸设计,并进行了模拟分析;然后总结了流片过程中遇到的一些主要问题以及采取的解决方法,制作出了扭转微镜制动器的原型器件,通过与双光纤准直器耦合实现了VOA功能;最后给出了VOA的插损、驱动电压、WDL、PDL、动态响应时间等性能指标的测试和分析结果。
   作者在博士后阶段开展的基于SOG(Silicon on Glass)的TOF及VOA研制工作还需要进一步完善。TOF工作重点仍在于优化工艺和提高性能指标;VOA工作重点应为面向解决WDL的耦合封装技术。

著录项

  • 作者

    徐静;

  • 作者单位

    中国科学院上海微系统与信息技术研究所;

  • 授予单位 中国科学院上海微系统与信息技术研究所;
  • 学科
  • 授予学位 博士后
  • 导师姓名 吴亚明;
  • 年度 2007
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 均衡器、衰减器(衰耗器);
  • 关键词

    可调谐光;

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