基于MEMS技术的可调谐光滤波器

论文摘要

可调谐光滤波器是现代光通信系统和传感领域中的重要元器件,研究和开发体积小、成本低、响应速度快、调谐范围宽以及偏振不敏感的可调谐光滤波器成为必然趋势。本文提出了一种基于微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS）技术的新型结构的可调谐光滤波器（Tunable Optical Filter,TOF）,该器件结构简单,易于制备,光学性能优良且波长在整个C波段内连续可调,具有良好的实用价值。本文利用衍射光栅的色散特性和MEMS反射镜的角度调节特性来实现波长的选择功能;光信号两次通过光栅,有效地提高了可调谐光滤波器的性能。论文的主要内容包括绪论,基本原理,器件结构设计,ZEMAX软件仿真,实验测试分析以及总结与展望六部分:论文的第一章首先阐述了光滤波器的概念,介绍了几种常见的光滤波器的工作原理及结构特点,分析了MEMS技术的结构原理及在光通信中的应用,提出了一种基于MEMS技术的可调谐光滤波器;第二章从光栅滤波的原理出发,引出了MEMS可调谐光滤波器的滤波原理,分析了光栅的性能对滤波器的调谐范围、光谱等相关参数的影响并阐述了高斯光束的传输理论;第三章从光栅的入射角、MEMS的转角及光斑大小三者之间的关系,来详细设计各个元件的具体结构参数,并计算在此参数下MEMS可调谐光滤波器的理论带宽和计算机软件模拟的带宽;第四章详细介绍了光学设计软件ZEMAX的仿真流程、设计步骤和建立的实体模型,以及分析最终的仿真结果;第五章通过搭建光学平台进行实验测试,对MEMS可调谐光滤波器的插入损耗、波长相关损耗、偏振相关损耗以及带宽做了详细的测试与分析,并与理论计算值相比较,得出结论;第六章对全文进行了总结并做出了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光滤波器概述
• 1.2 可调谐光滤波器
• 1.2.1 介质膜型干涉光滤波器
• 1.2.2 马赫-泽德干涉型光滤波器
• 1.2.3 基于F-P 腔的光滤波器
• 1.2.4 基于光栅的光滤波器
• 1.3 MEMS 技术
• 1.3.1 MEMS 的结构与特点
• 1.3.2 MEMS 的原理
• 1.3.3 MEMS 在光通信系统中的应用
• 1.4 本论文的研究工作
• 1.4.1 本论文的研究目的及意义
• 1.4.2 本论文的创新点
• 1.4.3 本论文的主要内容
• 第2章 MEMS 可调谐光滤波器的基本原理
• 2.1 光栅的分光原理
• 2.1.1 光栅的分类
• 2.1.2 光栅的性能
• 2.2 高斯光束的基本原理
• 2.2.1 高斯光束的传输规律
• 2.2.2 高斯光束的特征参数
• 2.2.3 高斯光束经透镜后的变换
• 2.3 本章小结
• 第3章 MEMS 可调谐光滤波器的结构设计
• 3.1 基本结构
• 3.2 光路分析
• 3.2.1 光束转换结构
• 3.2.2 MEMS 转角计算
• 3.2.3 光斑计算
• 3.3 光谱分析
• 3.3.1 理论带宽计算
• 3.3.2 计算机模拟带宽计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 MEMS 可调谐光滤波器的ZEMAX 软件仿真
• 4.1 ZEMAX 简介
• 4.2 ZEMAX 仿真流程
• 4.3 ZEMAX 设计步骤
• 4.4 ZEMAX 实体模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 MEMS 可调谐光滤波器的性能测试
• 5.1 测试平台
• 5.2 插入损耗（IL）
• 5.3 波长相关损耗（WDL）
• 5.4 偏振相关损耗（PDL）
• 5.5 带宽
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本论文工作总结
• 6.2 对研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 主要英文缩写语对照表