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基于热光效应的可调Fabry-Perot薄膜滤波器关键技术的研究

作　者: 田东
导　师: 刘爽
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: Fabry-Perot滤波器热光效应薄膜非晶硅 PECVD
分类号: TN713
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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SiN_x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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究背景  9-15
    1.1.1 可调谐 Fabry-Perot 滤波器简介  9-12
      1.1.1.1 MEMS 型Fabry-Perot 滤波器  9-10
      1.1.1.2 波导 Fabry-Perot 滤波器  10-11
      1.1.1.3 光纤型 Fabry-Perot 腔滤波器  11-12
    1.1.2 热光可调谐滤波器国内外发展现状  12-15
  1.2 本论文研究的内容  15-17
    1.2.1 热光可调 Fabry-Perot 滤波器的设计与仿真  15-16
    1.2.2 非晶硅及氮化硅薄膜的实验制备和测试分析  16-17
第二章 Fabry-Perot 薄膜滤波器原理  17-26
  2.1 光学薄膜的基本理论  17-20
    2.1.1 薄膜的干涉  17-18
    2.1.2 多层介质薄膜理论  18-20
  2.2 Fabry-Perot 干涉仪原理  20-23
    2.2.1 自由光谱范围  22
    2.2.2 精细度  22-23
  2.3 薄膜 Fabry-Perot 滤光片  23-26
第三章热光可调 Fabry-Perot 薄膜滤波器的设计与仿真  26-42
  3.1 热光可调 Fabre-Perot 薄膜滤波器的调谐原理  26-27
    3.1.1 Fabre-Perot 腔体材料的选择  26
    3.1.2 Fabre-Perot 滤波器热光调谐工作原理  26-27
  3.2 窄带 Fabry-Perot 可调薄膜滤波器  27-32
    3.2.1 窄带 Fabry-Perot 薄膜滤波器的透射特性分析  28-29
    3.2.2 谐振腔的光学厚度对滤波器输出特性的影响  29-30
    3.2.3 反射镜的周期数对滤波器输出特性的影响  30
    3.2.4 窄带 Fabry-Perot 薄膜滤波器的热光调谐特性分析  30-31
    3.2.5 谐振腔光学厚度对滤波器调谐特性的影响  31-32
    3.2.6 总结  32
  3.3 平顶Fabry-Perot 可调谐薄膜滤波器  32-36
    3.3.1 平顶 Fabry-Perot 薄膜滤波器透射特性分析  33-34
    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  34-35
    3.3.3 平顶 Fabry-Perot 薄膜滤波器热光调谐特性分析  35
    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  35-36
    3.3.5 总结  36
  3.4 多通道Fabry-Perot 可调谐薄膜滤波器  36-42
    3.4.1 多通道滤波器的设计原理  36-37
    3.4.2 多通道滤波器透射特性分析  37-40
    3.4.3 多通道滤波器的热光调谐特性分析  40-41
    3.4.4 结论  41-42
第四章非晶硅及氮化硅薄膜的制备  42-53
  4.1 PECVD 技术概况  42-45
    4.1.1 PECVD 设备概况  42-44
    4.1.2 影响薄膜性能的 PECVD 系统参数  44-45
      4.1.2.1 射频功率  44
      4.1.2.2 气压  44-45
      4.1.2.3 衬底温度  45
      4.1.2.4 气体流速  45
  4.2 PECVD 制备非晶硅薄膜反应机理  45-49
    4.2.1 PECVD 技术沉积非晶硅薄膜  45-46
    4.2.2 PECVD 的微观过程  46-47
    4.2.3 PECVD 制备非晶硅薄膜的反应机理  47-49
  4.3 实验  49-53
    4.3.1 实验的设计  49-50
      4.3.1.1 实验的主要内容  49-50
      4.3.1.2 实验设计  50
    4.3.2 实验的准备  50-51
    4.3.3 实验过程  51-53
第五章硅化物薄膜特性的测试与分析  53-71
  5.1 测试设备  53-56
    5.1.1 椭偏仪  53-54
    5.1.2 S2-82 数字式四探针测试  54
    5.1.3 吸收、透射/反射光谱测量系统  54-56
  5.2 非晶硅薄膜性能分析  56-67
    5.2.1 工艺条件  56-58
    5.2.2 结果和讨论  58-67
      5.2.2.1 非晶硅薄膜透过率的研究  58-59
      5.2.2.2 沉积温度对非晶硅薄膜性能影响  59-61
      5.2.2.3 压强对非晶硅薄膜厚度的影响  61-62
      5.2.2.4 反应气体的流量对沉积速率的影响  62-63
      5.2.2.5 射频功率对非晶硅薄膜性能的影响  63-67
  5.3 氮化硅薄膜性能分析  67-71
    5.3.1 射频功率对折射率的影响  67
    5.3.2 Si/N 比对氮化硅薄膜折射率的影响  67-68
    5.3.3 SiH_4/NH_3比对氮化硅薄膜性能的影响  68-69
    5.3.4 总结  69-71
第六章总结  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-76
硕士期间取得的研究成果  76-77

基于热光效应的可调Fabry-Perot薄膜滤波器关键技术的研究

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