基于MEMS技术的F-P腔滤波器分析与设计*

李元元， 蒙庆华， 陈四海， 曾毅波， 郭 航

(1.中国科学院 深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055；2.西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安 710071；3.厦门大学 萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005)



基于MEMS技术的F-P腔滤波器分析与设计*

李元元1,2， 蒙庆华1， 陈四海1， 曾毅波3， 郭 航3

(1.中国科学院 深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055；2.西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安 710071；3.厦门大学 萨本栋微米纳米科学技术研究院，福建 厦门 361005)

通过对微光纤法布里—珀罗(F-P)腔滤波器工作原理的综合分析，确立了微F-P腔滤波器静电驱动腔长调谐方案。对可调谐滤波器的主体部分进行光学设计和分析，确立了反射镜的多层薄膜光学结构，并借助ANSYS有限元力电耦合分析，最终选择L型桥臂支撑的腔体结构，可以实现0.625 μm的调谐范围；保持桥面平行的能力很高，可实现高精度的滤波效果；结构稳固，能够抵抗制造时的残余应力。

滤波器； 调谐； 反射镜； 腔体结构

0 引 言

光学通信以其大容量、长传输、低成本的优势，使得其研发与应用日益深入[1]。基于MEMS技术制作的微法布里—珀罗(Fabry-Perot，F-P)可调谐滤波器相比于其他可调谐滤波器，体积微小，易于集成，可调谐光谱范围大，光谱的分辨率高，大批量制作时成本比较低，因而,在光通信系统中应用较为广泛[2]。目前，F-P腔可调谐滤波器的研究正朝着大阵列、小单元尺寸、调谐范围广、精细度高、调谐速度快、损耗低的方向发展[3]。空气腔微型F-P腔滤波器由于调谐范围大，精度高且驱动简单成为未来滤波器的首选方案[2，3]。

本文从F-P腔工作原理出发，进行研究分析，提出了一种以多层介质薄膜作为其上、下反射镜的光学膜层和L型的腔体支撑臂的新型微型F-P腔滤波器结构,该结构具有良好的波长选择性，能实现比较好的调谐控制。

1 F-P腔基本原理

F-P腔是多光束谐振腔，如图1所示，由两块平行放置的平面玻璃板组成，两板的内表面镀上了高反射膜,当光束E入射到腔体时，会在两反射面之间来回反射，形成多光束干涉效应,只有当光波长满足式(1)光波才能透过腔体，使透射光干涉增强，产生明亮精细的条纹

2ndcosθ=mλ

(1)

式中n为折射率；d为滤波器腔长；θ为折射角；m为整数；λ为光波长。F-P腔的调谐过程，即为谐振频率的改变过程。其中，调节腔长最为直观，在MEMS技术中也最为常用。

2 结构设计

本文对可调谐滤波器的主体部分进行了设计，主要包括反射镜光学设计和腔体结构设计。

2.1 反射镜结构设计

反射镜是F-P腔的一个主要组成部分，由反射膜堆叠构成。常用的反射膜有金属薄膜和多层介质薄膜[4～7]。多层介质薄膜由于光吸收损耗小以及可以通过改变膜层数改变反射率而更加符合要求。依据设计要求，考虑到多种组合之后，采用Al2O3为低折射率材料L1，Ge作为高折射率介质材料L2。由于Ge化学性能稳定，折射率为4，可制备大尺寸单晶体的红外光材料，红外透射范围为1.7～100 μm，已广泛应用于透镜和滤波片上；Al2O3是常用的低折射率材料，折射率1.59，红外透光区0.2～7 μm。为此，本文采用高低折射率交替的介质薄膜作为反射镜结构，其结构如图1所示。

图1 反射镜膜层结构

由式(1)，当m=1，入射角θ=0时，由于空气折射率n=1，可得λ=2d，此时透射光强最大。调谐范围为3～5 μm，则此F-P腔工作的中心波长为4 μm，腔长变化要从1.5 μm至2.5 μm，腔长变化到2个极值时，器件峰值透过率分别为88.2 %，91.7 %，滤波特性保持较好。但当腔长改变时，透射中心波长也会随之变化，因此，比例系数也不再为2，即λ≠2d。

腔长变化时，滤波特性的变化如表1所示，此时的器件峰值透过率为95.8 %，半波宽FWHM为112 nm，整个滤波范围内只有中心波长4 μm的透射峰，其他波段透过率低于1.9 %，滤波效果显著。实验值和理论分析相吻合。

表1 腔长变化时滤波特性的变化

通过计算得出，二者之间基本呈线性关系，拟合直线为

2.全面覆盖了监察对象。国家监察法第15条规定了留置适用的六大类对象，(1)中国共产党机关、人民代表大会及其常务委员会机关、人民政府、监察委员会、人民法院、人民检察院、中国人民政治协商会议各级委员会机关、民主党派机关和工商业联合会机关的公务员，以及参照《中华人民共和国公务员法》管理的人员；(2)法律、法规授权或者受国家机关依法委托管理公共事务的组织中从事公务的人员；(3)国有企业管理人员；(4)公办的教育、科研、文化、医疗卫生、体育等单位中从事管理的人员；(5)基层群众性自治组织中从事管理的人员；(6)其他依法履行公职的人员。

λ=1.466d+1.069

(2)

2.2 腔体结构设计

理想的F-P腔的腔体,可以通过施加最小的电压，达到器件调谐的目,并在调谐过程中腔体要有很好的平行度以保证优良的选频性能，同时,腔体支撑部分还要能够抵御极大的应力，决不可超过材料的最大承受度而造成器件损坏。改变空气腔腔长的驱动方式主要有热驱动和电磁驱动以及静电驱动，前两者的噪音大且功耗大，对于需要大量驱动的MEMS滤波器阵列，在有限范围内静电驱动可以提供足够的腔长调谐量，故本文采用静电驱动来进行滤波器的腔长调节。微F-P腔滤波器的腔体结构如图2所示，上反射镜可调，在上、下电极上施加电压后，静电力的作用会牵引上反射镜上(或下)运动，从而实现波长或频率的调谐。

图2 微F-P腔滤波器腔体结构

在给电极施加电压时，虽然静电驱动能量很低，但是当距离比较大时，所需施加的电压也相对增大，此时的静电力Fe的大小对于平板是非线性的[8，9]，表达式有

(3)

式中 A为平板面积； h 为距离；V为电压；ε0为自由空间的介电常数。电极在外加电压时产生静电吸引力，腔体之间的静电力会使电极发生形变，一旦电极发生形变，其均匀电场线就会遭到破坏，而电场力的变化又会造成新的形变。研究中用ANSYS有限元分析软件进行力电耦合分析，对器件位移、桥面形变，以及桥体应力大小，选择最佳的腔体结构。图3为3种微桥结构，X-arm结构具有很好的几何对称性，不仅轴对称，还满足中心对称尺寸。+circular-arm结构与X-arm结构相似，只是桥面的形状采用圆形，这2种结构与所设计的L-arm结构参数相同，腔长均为2.3μm，有效面积均为80μm×80μm，反射镜的直径均为50μm，微桥支撑臂为40μm×10μm；而+circular-arm的微桥单元直径为80μm，反射镜直径50μm，支撑臂为40μm×10μm。

图3 微桥结构

2.3 腔体结构仿真

图4为3种桥面结构的电压—位移的ANSYS仿真云图，可以看出:X-arm和+circular-arm结构桥面发生扭曲，这样会对F-P腔的选频性能产生极大的影响，降低峰值透过率，增大FWHM。而采用L-arm结构的桥面在调谐过程中一直比较平整，几乎没有发生形变，所以，其滤波精细度更高。

图4 桥面结构电压—位移云图

图5为整个调节过程中，三种结构对应的电压—位移曲线。

图5 电压—位移曲线

在达到图示位移0.5μm时,L-arm结构施加电压仅为1.90V，远远小于另外X-arm(7.81V)和+circular-arm(8.97V)2种结构的驱动电压。

2.3.2 结构应力分析

图6和表2分别为3个桥面结构的应力分布云图和腔体位移为0.5μm时对应的电压—应力，分析得：调谐过程中，腔体位移达到0.5μm时，L-arm微桥桥面所受到的应力很小，仅为4.615MPa，驱动电压仅为1.9V。

表2 腔体位移为0.5 μm时对应的电压—应力

图6 应力云图

在3种结构中，L-arm调谐效果和抵抗应力的能力最好。可见，L-arm长长的手臂能有效抵抗应力的影响，L-arm为最佳桥面结构。

此外，从应力云图可知，腔体应力主要集中在支撑桥臂和桥面连接处以及桥臂位移最大的位置，因此，桥臂的选择是设计的关键,不仅需要保证其能够提供足够大的移动空间防止腔体因静电吸合导致器件失效，还要支撑起整个腔体结构且不能发生结构断裂。

图7 L-arm桥面位移0.625 μm时应力云图

由仿真结果图7可知，空气腔向下移动0.625 μm时，L-arm支撑臂结构应力最大为8.97 MPa，远小于铝的许用应力70 GPa，理论上不会发生桥腿断裂的现象。

衡量F-P腔滤波器性能的重要标准为桥面结构的平整度，即Finesse和调谐范围FSR。可见微桥结构的几何形状对调谐性能具有很大的影响，综合以上所有分析结果，确立了L-arm腔体支撑臂结构。

3 结 论

设计了基于MEMS技术的微型F-P腔可调谐滤波器，具有多层介质膜光学结构和L型微桥桥臂结构，与其他结构相比，使调谐范围最大可达0.625 μm，峰值透过率达95.8 %；保持桥面平行的能力很高，可实现高精度的滤波效果；结构稳固，能够抵抗制造时的残余应力。

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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

深圳市科技计划资助项目(JCYJ20140610151856737)

TN 713

A

1000—9787(2017)08—0069—03

李元元(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为微机电系统的设计与制作，E—mail：18629464161@163.com。

陈四海(1973-)，女，通讯作者，研究员，博导，从事微光学元器件研究工作，E—mail：cshai99@163.com。