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基于MOEMS技术的光学调制器研究

2020-11-23阅读(100)

基于MOEMS技术的光学调制器研究

论文摘要

MEMS和光学的结合（MOEMS）给传统光学器件的设计和制造带来了全新的思路,它具有性能灵活、低成本、尺寸小和易于批量生产等优点。本课题对基于MOEMS技术的光学调制器进行了理论和实验研究。 表面微机械工艺中,薄膜的光学常数、初始应力及其梯度等光学和机械性能对MOEMS器件有着至关重要的作用。本文提出了一种从单透过率测试曲线求解薄膜光学常数和厚度的方法。借助于合适的色散模型,采用改进的单纯形法进行反演,从而确定薄膜光学常数和物理厚度。利用这种方法,测试了不同制备方法沉积的各种薄膜的光学常数和膜厚,获得了<4%的折射率及厚度误差。对磁控反应溅射沉积MOEMS中常用的SiNx和SiOxNy薄膜进行了实验和分析,研究了不同气压、气体流量比等工艺条件对薄膜的光学常数、化学成分、禁带宽度等性能的影响。用有限元法设计了测试薄膜应力及其梯度的MEMS旋转微结构,并在制作器件的Wafer上用它测得LPCVD制备的Si3N4、Polysilicon薄膜的初始应力分别为-47.8MPa和+530MPa,应力梯度为+267.43MPa和+44.2MPa。 微腔器件是MOEMS中最常用的光学调制器。本文首次在理论上分析了短腔长MOEMS Fabry-Perot可调谐滤光片中,空气腔厚度和峰值波长之间的关系。提出了反射相移系数概念,并采用传输矩阵法推导出了解析表达式,从而获得了调谐过程中新的线性关系。并且分析了组成反射镜的介质折射率、膜堆数目等因素对光学调谐灵敏度的影响。 本文设计了一种介质/金属-微腔结构的干涉型MOEMS显示元件。基于诱导反射概念,采用传输矩阵计算了这个器件的光学特性。器件在不同的空气腔厚度下可以诱导出高饱和度的红绿蓝三基色,因而不需要外部分色系统即可实现彩色显示。根据微腔Purcell效应,设计了一种基于MOEMS的波长可调谐微腔有机发光二极管,分析了不同电压下的发光光谱。对静电力驱动的微腔MOEMS器件,提出了一种自适应算法来计算结构和电荷的耦合场,并用它分析了不同形状粱的变形和光学特性。 本文在国内首先开展了利用表面微机械加工工艺制作基于光栅光阀的可调

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • §1.1 MEMS技术概述
  • §1.1.1 引言
  • §1.1.2 MEMS制造工艺
  • §1.2 MOEMS的应用（MEMS和光学的结合）
  • §1.2.1 光通讯领域
  • §1.2.2 微显示领域
  • §1.2.3 空间光学领域
  • §1.2.4 光源工程
  • §1.2.5 光探测领域
  • §1.3 本论文的主要研究内容和创新点
  • §1.3.1 本论文的主要研究内容
  • §1.3.2 创新意义
  • 参考文献
  • 第二章 MOEMS调制器中的薄膜研究
  • §2.1 用透过率测试曲线确定薄膜的光学常数和厚度
  • §2.1.1 引言
  • §2.1.2 光学模型
  • §2.1.3 实验结果
  • §2.1.4 结论
  • §2.2 反应磁控溅射氮化硅和氮氧化硅薄膜的研究
  • §2.2.1 氮化硅薄膜
  • §2.2.2 氮氧化硅薄膜
  • §2.3 薄膜初始应力的测试
  • §2.3.1 应力测试的旋转结构
  • §2.3.2 薄膜应力梯度
  • 参考文献
  • 第三章 微腔MOEMS光学调制器的设计和实验
  • §3.1 MOEMS Fabry-Perot滤光片的可调谐光学特性分析
  • §3.1.1 引言
  • §3.1.2 公式推导
  • §3.1.3 数值验证
  • §3.1.4 调谐灵敏性和误差分析
  • §3.1.5 结论
  • §3.2 MOEMS F-P滤光片的静电力耦合分析
  • §3.2.1 引言
  • §3.2.2 基本理论
  • §3.2.3 自调节算法
  • §3.2.4 不同结构的数值分析
  • §3.3 诱导反射的MOEMS微显示元件设计
  • §3.3.1 引言
  • §3.3.2 基本结构
  • §3.3.3 光学特性分析
  • §3.3.4 结论
  • §3.4 基于MOEMS的波长可调谐微腔有机发光二极管的设计
  • §3.4.1 引言
  • §3.4.2 原理
  • §3.4.3 设计与模拟结果
  • §3.4.4 结论
  • §3.5 MOEMS微显示器件的工艺研究
  • 参考文献
  • 第四章 光栅光阀可调谐衰减器的设计制作和测试
  • §4.1 光栅光阀的设计
  • §4.1.1 光学特性分析
  • §4.1.2 结构分析
  • §4.2 光栅光阀的制作
  • §4.2.1 表面微机械器件的主要失效机理研究
  • §4.2.2 光栅光阀的制作工艺流程
  • §4.3 光栅光阀的测试和结果讨论
  • §4.4 SOI（Silicon On Insulator）工艺的探索
  • §4.4.1 薄膜沉积
  • §4.4.2 阳极键合实验
  • §4.4.3 实验结果与讨论
  • 参考文献
  • 第五章 总结与展望
  • 博士期间完成的论文
  • 致谢

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