一种光纤MEMS可调谐滤波器及其制作方法与流程

一种光纤mems可调谐滤波器及其制作方法
技术领域
[0001]
本发明涉及光纤 mems 滤波技术领域，具体说是一种光纤 mems 可调谐滤波器及其制作方法。


背景技术：

[0002]
光学滤波器是相位响应随频率变化的相位滤波结构，将不同波长的信号光在频域或空间域分开，具有对特定频率光信号的实时选择性，在光纤通信和光传感系统中有十分重要的应用，并且对于全光网络的发展具有极其重要的价值。光纤mems 传感器由于其具有的微型、响应频带宽、高灵敏度、低成本等特点而在很多应用领域中显得极为实用。光纤 mems 传感器在强电磁干扰、高温等恶劣环境下相比于其它传统的传感器具有较强的适应能力。mems 器件适合于大规模集成化生产，从而大大降低了传感器的生产成本。法布里-珀罗干涉仪是对入射光波的幅度和相位进行调制。f-p 标准具有很多种类，其中一种是由两个反射镜构成，光经过传输光纤进入到 f-p 腔中，在反射镜之间来回多次反射，引起光束之间产生相位差从而形成干涉光束，出射端光纤将接收多束干涉条纹，或通过改变谐振腔间距的方式实现光束间相位差的改变，从而实现干涉仪梳状谱的调整。但是现有的 f-p 谐振腔型滤波器均存在价格比较贵、调谐速度慢等不足的问题。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种光纤 mems 可调谐滤波器。
[0004]
本发明的另一目的是提供一种光纤 mems 可调谐滤波器的制作方法。
[0005]
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种光纤 mems 可调谐滤波器，包括光纤和敏感元件，所述敏感元件从上至下依次包括上dbr 反射镜 、多晶硅介质膜、下dbr 反射镜和氮化硅，所述上dbr 反射镜上设有金属电阻，上述金属电阻包括加热电阻和测温电阻，所述光纤包括入射光纤和出射光纤，对称设于所述敏感元件两侧，所述入射光纤设于所述上dbr 反射镜一侧，出射光纤设于所述下dbr 反射镜一侧，出射光纤固定在硅衬底上，且入射光线和出射光纤在一条直线上，所述上dbr 反射镜 、多晶硅介质膜和下dbr 反射镜构成法布里-珀罗腔，通过加热电阻的直接加热改变多晶硅介质膜的折射率，改变入射光光程，实现对光的调谐滤波。
[0006]
本发明进一步的设计方案中，上述上dbr 反射镜和下dbr 反射镜都具有四层结构，分别由交替布设的sio2介质膜和 poly-si/sio2的介质膜组成，上dbr 反射镜和下dbr 反射镜与所述多晶硅介质膜相接触的都是sio2介质膜。
[0007]
本发明进一步的设计方案中，上述sio2介质膜和 poly-si/sio2的介质膜均采用低压化学气相淀积lpcvd生长制作，每层的光学厚度为四分之一的入射波长。
[0008]
本发明进一步的设计方案中，上述多晶硅介质膜的光学厚度为半波长。
[0009]
本发明进一步的设计方案中，上述金属电阻材料为 au或cr,环状分布，金属电阻
有四条，两条为加热电阻，两条为测量温度电阻。
[0010]
一种光纤 mems 可调谐滤波器的制作方法，具体步骤如下：步骤1，在表面抛光的硅衬底的上面热氧化，用低压化学气相淀积法lpcvd在所述硅衬底的上面淀积一层氮化硅；步骤2，用低压化学气相淀积 lpcvd 依次生长poly-si/sio2的介质膜和 sio2介质膜，并重复一次，形成下 dbr反射镜；步骤3，在下 dbr 反射镜上用 lpcvd 方法生长多晶硅介质膜，为 fabry-perot 腔；步骤4，用 lpcv分别生长sio2介质膜和poly-si/sio2的介质膜，并重复一次，形成上 dbr 反射镜；步骤5，光刻掩膜硅衬底的背面，用深rie刻蚀未被掩膜的硅衬底，去除硅衬底上多余的光刻胶；步骤6，在上dbr反射镜上固定4个电阻，其中两个为加热电阻7，另外两个为测温电阻8，电阻用金属膜制作，金属材料可为 au或cr；步骤7，采用阳极键合技术将入射光线和出射光纤对称固定设于所述敏感元件两侧。
[0011]
本发明进一步的设计方案中，上述poly-si/sio2的介质膜和 sio2介质膜每层的光学厚度为四分之一波长。
[0012]
本发明进一步的设计方案中，上述多晶硅介质膜的光学厚度为半波长。
[0013]
本发明具有以下突出的有益效果：本发明 mems 可调谐滤波器，采用光学信号进行测量，避免了电磁干扰。
[0014]
本传感器采用多晶硅介质膜作为法布里-珀罗腔，由于多晶硅具有较大热光系数和热耗散速度, 利用热光效应的多晶硅可调谐滤波器的响应时间能够达到微秒量级，实现快速调谐。本发明的方法通过 mems 技术进行加工制作传感器，能实现批量生产。本滤波器的敏感元件与光纤采用阳极键合技术进行连接，避免了胶连接方式带来的温度影响。本发明方法具有可批量生产、体积小、制作方法简单、成本低的优点，制作的传感器具有可快速调谐的优点，能满足一般情况下的滤波要求。
附图说明
[0015]
图1是光纤 mems 可调谐滤波器的结构示意图；图2是实施例中敏感元件的结构示意图；图3是实施例中光纤 mems 可调谐滤波器加工制作的工艺流程图；；图4是实施例中上dbr 反射镜上的电阻布设示意图；图5是实施例中光纤 mems 可调谐滤波器的器件测试图；图中，1-入射光纤，2
--
出射光纤，3.1-上dbr 反射镜，3.2-下dbr 反射镜，4-多晶硅介质膜，5-氮化硅，6-硅衬底，7-加热电阻，8-测温电阻，9-宽光源，10-跳线，11-可调谐滤波器，12-光谱分析仪。
具体实施方式
[0016]
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0017]
实施例 1
参见附图1、2和4，一种光纤 mems 可调谐滤波器，包括光纤和敏感元件，敏感元件从上至下依次包括上dbr 反射镜3.1 、多晶硅介质膜4、下dbr 反射镜3.2和氮化硅5，上dbr 反射镜3.1上设有电阻，光纤包括入射光纤1和出射光纤2，对称设于敏感元件两侧，入射光纤1设于上dbr 反射镜3.1一侧，出射光纤2设于下dbr 反射镜3.2一侧，且入射光纤1和出射光纤2在一条直线上，上dbr 反射镜3.1 、多晶硅介质膜4和下dbr 反射镜3.2构成法布里-珀罗腔，通过金属加热电阻7的直接加热改变多晶硅介质膜4的折射率，改变入射光光程，实现对光的调谐滤波。
[0018]
参见附图2，上dbr 反射镜3.1和下dbr 反射镜3.2都具有四层结构，分别由交替布设的sio2介质膜和 poly-si/sio2的介质膜组成，上dbr 反射镜3.1和下dbr 反射镜3.2与多晶硅介质膜4相接触的都是sio2介质膜。sio2介质膜和 poly-si/sio2的介质膜均采用lpcvd 生长制作，每层的光学厚度一样，厚度均为四分之一波长。多晶硅介质膜4的光学厚度为半波长。入射波长为1510nm到1560nm之间。
[0019]
参见附图4，位于上dbr反射镜的电阻有四个，环状分布，其中两个为加热电阻7，通过加热改变多晶硅介质膜4的折射率；另外两个为测温电阻8，测量加热的温度。
[0020]
本发明的 mems 可调谐滤波器的制作方法，包括如下步骤：1)在双面抛光的硅衬底6上双面热氧化，在硅衬底6的上面用低压化学气相淀积lpcvd淀积一层氮化硅5si3n4，用于 koh 各向异性湿法腐蚀硅的钝化层。
[0021]
2)用低压化学气相淀积 lpcvd 依次生长poly-si/sio2的介质膜和 sio2介质膜，并重复一次，形成下 dbr反射镜。
[0022]
3)在下 dbr 反射镜上用 lpcvd 方法生长光学厚度为半波长的多晶硅介质膜4，为 fabry-perot 腔。
[0023]
4）用 lpcv在多晶硅介质膜4上分别生长sio2介质膜和poly-si/sio2的介质膜，并重复一次，形成上 dbr 反射镜。
[0024]
5）光刻掩膜硅衬底6的背面，用深rie刻蚀未被掩膜的硅衬底6，去除硅衬底6上多余的光刻胶，形成露出氮化硅5层的坑，供出射光纤2垂直放入固定。
[0025]
6）在上dbr反射镜上固定4个电阻，其中两个为加热电阻7，通过加热改变多晶硅介质膜4的折射率，另外两个为测温电阻8。用金属膜作成电阻，金属材料可为 au或cr,把电阻作成环形状。
[0026]
7）采用阳极键合技术将入射光线和出射光纤2对称固定设于所述敏感元件两侧。
[0027]
上述制作方法中的低压化学气相淀积lpcvd也可以采用等离子体增强化学的气相沉积法pecvd，不过，效果比低压化学气相淀积lpcvd法略差。
[0028]
通过上述加工步骤得到的 mems 可调谐滤波器，上、下高反射率的谐振腔dbr 反射镜之间的多晶硅介质膜4构成法布里-珀罗腔，通过加热电阻7改变温度，改变多晶硅介质膜4的折射率，从而改变入射光的光程，干涉光在法珀腔中传输位相差发生改变，以调谐所需要的波长。
[0029]
器件加工时用 nikon 金相显微镜和 veeco 公司轮廓仪测量表面形貌仪和氧化抛光前后硅片腐蚀表面均方根粗糙度。本专利设计的光纤mems可调谐滤波器，采用如图5所示测量系统进行测量。
[0030]
（1）使用宽光源9作为输出响应，宽光源9通过跳线10与入射光纤1连接，光经过入
射光纤1垂直入射到可调谐滤波器11上。
[0031]
（2）出射光纤2与光谱分析仪12通过跳线10连接，光从出射光纤2输出，被光谱分析仪12接收，得到宽带光谱响应。
[0032]
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。