硅基热光可调谐薄膜滤波器关键技术的研究

摘要

硅基热光可调谐Fabry-Perot薄膜滤波器分辨率高、可调谐范围广、结构设计灵活以及成本低廉，在光通信和光传感领域有着极为可观的应用前景。多层膜滤波器结构设计、硅基单层膜的均匀性和光学性质以及多层膜在制备过程中膜层微结构的变化等都是影响硅基多层膜滤波器性能的关键因素。因此，本文从理论上对滤波器的结构进行了分析与优化，从工艺上摸索了硅基单层薄膜性能的可控工艺技术，并在此基础上对多层膜DBR和薄膜滤波器的工艺制备技术进行了探究。
　　本文首先选择合适的制备材料，从理论上对影响多层膜DBR和滤波器结构的关键因素及热光调谐效果进行了仿真分析。结果表明，两个DBR的周期数对称的滤波器能得到更好的透射性能；腔层的光学厚度和DBR的周期数越大，滤波器透射峰的FWHM越小；在温度上升150℃时，波长的调谐范围可达15nm。其次，通过PECVD在不同工艺参数的a-Si:H和a-SiNx:H薄膜的制备及性能表征，研究了这两种硅基薄膜均匀性和光学性质的可控工艺技术。对于a-Si:H，薄膜均匀性和光学性质随着气体压强的增加均匀和理想，随着功率密度的增大二者的性能呈现先变优后下降的趋势；对于a-SiNx:H，均匀性和光学性质随功率密度和NH3所占比例增大的变化趋势，与a-Si:H随功率密度增大的变化趋势相似。得到了在0.17W/cm2和80 Pa的工艺条件下制备的a-Si:H以及0.51W/cm2和SiH4/NH4比为1:2的工艺条件下沉积的a-SiNx:H最适合红外波段薄膜滤波器的制备。之后，设计了在1550nm处高反射率多层膜DBR结构并实现了工艺上的验证。工艺结果表明，5周期的 a-Si:H/a-SiNx:H结构在高反射带中的最高反射率可达99.3％；最大高反射带带宽为742nm；分析得出在SEM剖面图中第5个周期膜层出现的缺陷态是由生长温度造成；FTIR光谱图得到周期数升到5时，Si-N键所在的吸收峰明显增强，在一定程度上从微结构组分改变的角度解释了缺陷态的形成。最后，基于PECVD制备多层膜的工艺经验，设计、制备并测试了两种多层膜滤波器。腔厚为0/2的结构完全达到了预期的设计指标，在1546nm得到了高达75.77%的透射率，FWHM和FSR分别为45nm和354nm；腔厚为0?的结构除了峰位蓝移外也基本上达到了指标；多层膜SEM剖面图中两种结构的膜层都呈现了优异的均匀性、表面粗糙度及致密度。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 硅基薄膜的研究现状

1.3 可调谐Fabry-Perot滤波器简介

1.4 本文选题依据及内容安排

第二章 光学薄膜理论与硅基薄膜的制备测试技术

2.1 光学薄膜特性分析

2.2 硅基薄膜的制备与测试

2.3 本章小结

第三章 薄膜滤波器结构设计及优化

3.1 硅基热光可调谐F-P薄膜滤波器的结构设计

3.2 多层介质DBR反射特性研究

3.3 硅基热光可调谐F-P薄膜滤波器的透射特性优化设计

3.4 硅基热光可调谐F-P薄膜滤波器的热光调谐特性研究

3.5 本章小结

第四章 硅基薄膜均匀性与光学特性可控技术研究

4.1 引言

4.2 a-Si:H薄膜的制备及性能分析

4.3 a-SiNx:H薄膜的制备及性能分析

4.4 本章小结

第五章 高反射率反射结构理论设计及工艺验证

5.1 引言

5.2 硅基介质DBR理论分析

5.3 硅基介质DBR的工艺制备及性能分析

5.4 本章小结

第六章 多层介质薄膜滤波器工艺制备及性能测试

6.1 引言

6.2 硅基F-P薄膜滤波器的理论设计及工艺制备

6.3 硅基F-P薄膜滤波器的性能分析

6.4 本章小结

第七章 总结

7.1 本文工作总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果