基于热光效应的可调Fabry-Perot薄膜滤波器关键技术的研究

论文摘要

薄膜干涉滤光片具有通带窄、插入损耗低,温度稳定性好等特点,因此,采用薄膜干涉滤光片作为滤波器的调谐器件得到了广泛的研究。本文基于薄膜干涉滤光片热光调谐的基本原理,提出了一种热光可调Fabry-Perot薄膜滤波器。滤波器的材料是由等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备的非晶硅薄膜和氮化硅薄膜构成。利用非晶硅薄膜独特的热光特性和高的折射率,对非晶硅薄膜和氮化硅薄膜组成的多层介质薄膜Fabry-Perot腔加热,使得非晶硅薄膜的折射率发生变化,从而达到调谐透射波长的目的。在理论方面,以Fabry-Perot薄膜滤波片为研究对象,利用多层介质薄膜的膜系特征矩阵,对Fabry-Perot滤波片进行了计算分析,设计了一种垂直结构的热光可调Fabry-Perot滤波器。通过改变Fabry-Perot滤波片反射镜薄膜的层数和光学厚度以及中间腔的光学厚度,获得了一种窄带Fabry-Perot可调谐薄膜滤波器。研究了多腔结构的Fabry-Perot滤波片,通过仿真计算给出了一种采用垂直双腔结构的平顶Fabry-Perot薄膜滤波器。基于Fabry-Perot结构,通过合理的调整中间腔的个数和光学厚度获得多通道滤波器。通过对Fabry-Perot腔温度的变化来分析了上述滤波器的调谐特性,理论分析表明设计的滤波器具有好的滤波器特性和调谐特性。在实验方面,利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术来制备a-Si薄膜和SiNx薄膜。主要研究了PECVD的工艺参数对薄膜的性能的影响。通过研究发现,射频功率是影响非晶硅薄膜的性能的最主要的参数,它不仅影响薄膜的折射率、沉积速率而且影响薄膜的电阻率。另外,反应压强,气体的流量以及温度都在一定的程度上影响着薄膜的性能。在氮化硅薄膜中硅烷与氨气的比值也会影响薄膜的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 可调谐 Fabry-Perot 滤波器简介
• 1.1.1.1 MEMS 型Fabry-Perot 滤波器
• 1.1.1.2 波导 Fabry-Perot 滤波器
• 1.1.1.3 光纤型 Fabry-Perot 腔滤波器
• 1.1.2 热光可调谐滤波器国内外发展现状
• 1.2 本论文研究的内容
• 1.2.1 热光可调 Fabry-Perot 滤波器的设计与仿真
• 1.2.2 非晶硅及氮化硅薄膜的实验制备和测试分析
• 第二章 Fabry-Perot 薄膜滤波器原理
• 2.1 光学薄膜的基本理论
• 2.1.1 薄膜的干涉
• 2.1.2 多层介质薄膜理论
• 2.2 Fabry-Perot 干涉仪原理
• 2.2.1 自由光谱范围
• 2.2.2 精细度
• 2.3 薄膜 Fabry-Perot 滤光片
• 第三章 热光可调 Fabry-Perot 薄膜滤波器的设计与仿真
• 3.1 热光可调 Fabre-Perot 薄膜滤波器的调谐原理
• 3.1.1 Fabre-Perot 腔体材料的选择
• 3.1.2 Fabre-Perot 滤波器热光调谐工作原理
• 3.2 窄带 Fabry-Perot 可调薄膜滤波器
• 3.2.1 窄带 Fabry-Perot 薄膜滤波器的透射特性分析
• 3.2.2 谐振腔的光学厚度对滤波器输出特性的影响
• 3.2.3 反射镜的周期数对滤波器输出特性的影响
• 3.2.4 窄带 Fabry-Perot 薄膜滤波器的热光调谐特性分析
• 3.2.5 谐振腔光学厚度对滤波器调谐特性的影响
• 3.2.6 总结
• 3.3 平顶Fabry-Perot 可调谐薄膜滤波器
• 3.3.1 平顶 Fabry-Perot 薄膜滤波器透射特性分析
• 3.3.2 Fabry-Perot 谐振腔光学厚度对平顶滤波器透射曲线的影响
• 3.3.3 平顶 Fabry-Perot 薄膜滤波器热光调谐特性分析
• 3.3.4 Fabry-Perot 谐振腔光学厚度对平顶滤波器调谐特性的影响
• 3.3.5 总结
• 3.4 多通道Fabry-Perot 可调谐薄膜滤波器
• 3.4.1 多通道滤波器的设计原理
• 3.4.2 多通道滤波器透射特性分析
• 3.4.3 多通道滤波器的热光调谐特性分析
• 3.4.4 结论
• 第四章 非晶硅及氮化硅薄膜的制备
• 4.1 PECVD 技术概况
• 4.1.1 PECVD 设备概况
• 4.1.2 影响薄膜性能的 PECVD 系统参数
• 4.1.2.1 射频功率
• 4.1.2.2 气压
• 4.1.2.3 衬底温度
• 4.1.2.4 气体流速
• 4.2 PECVD 制备非晶硅薄膜反应机理
• 4.2.1 PECVD 技术沉积非晶硅薄膜
• 4.2.2 PECVD 的微观过程
• 4.2.3 PECVD 制备非晶硅薄膜的反应机理
• 4.3 实验
• 4.3.1 实验的设计
• 4.3.1.1 实验的主要内容
• 4.3.1.2 实验设计
• 4.3.2 实验的准备
• 4.3.3 实验过程
• 第五章 硅化物薄膜特性的测试与分析
• 5.1 测试设备
• 5.1.1 椭偏仪
• 5.1.2 S2-82 数字式四探针测试
• 5.1.3 吸收、透射/反射光谱测量系统
• 5.2 非晶硅薄膜性能分析
• 5.2.1 工艺条件
• 5.2.2 结果和讨论
• 5.2.2.1 非晶硅薄膜透过率的研究
• 5.2.2.2 沉积温度对非晶硅薄膜性能影响
• 5.2.2.3 压强对非晶硅薄膜厚度的影响
• 5.2.2.4 反应气体的流量对沉积速率的影响
• 5.2.2.5 射频功率对非晶硅薄膜性能的影响
• 5.3 氮化硅薄膜性能分析
• 5.3.1 射频功率对折射率的影响
• 5.3.2 Si/N 比对氮化硅薄膜折射率的影响
• 4/NH₃比对氮化硅薄膜性能的影响'>5.3.3 SiH₄/NH₃比对氮化硅薄膜性能的影响
• 5.3.4 总结
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间取得的研究成果