[发明专利]一种基于MEMS机制的可调滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信和光纤传感领域，具体是一种基于MEMS机制的可调滤波器。

背景技术

可调滤波器（TOF）因为其可以改变其透射波长的位置可以广泛应用于光纤通信、 光纤传感、 光谱分析等领域，不同的可调滤波器其物理原理大体类似，一般通过光的衍射和干涉形成一个滤波带，然后通过一些物理参数的改变来调谐这些滤波带，比较有代表性的可调滤波器有基于体衍射光栅原理的、基于布拉格光栅原理的、基于介质膜滤波原理的、以及基于F-P腔滤波原理的。基于F-P腔滤波原理的可调滤波器由于具有体积小，滤波带对比度高，分辨率高等优点被广泛应用，图1显示了F-P滤波器的工作原理，F-P滤波器符合平行平板多光束干涉原理，当入射光的波长为腔长的整数倍时，光波可以形成稳定振荡，输出光波之间会产生多光束干涉，最后输出梳妆的滤波曲线，当腔长发生变化时，相应的输出滤波曲线峰值也发生变化，如图1中的A B C点即可看成由于腔长变化时产生的滤波效应；另外F-P滤波器有其自由光谱范围FSR，每隔一个FSR即存在一个透射峰，这个FSR的大小与F-P的腔长相关，也就是说要根据不同的应用场景来合理选择滤波器的初始腔长。

基于F-P腔原理的可调滤波器具体的实现方式有以下几种案例：

一种是使用楔形F-P腔实现可调滤波效果，例如专利WO2003/077386“梯度薄膜楔形干扰滤波器和用于激光器调谐的方法”里面提到的楔形F-P可调滤波器，通过改变入射光进入楔形F-P滤波器的位置，从而改变谐振腔的光程，达到调谐投射波长的作用，但是其工艺难度高，耦合插损较大，并且成本较高。

另一种是使用加热的办法改变F-P滤波器介质折射率来调谐波长，例如专利US7295582B2“Thermo-optic tunable laser apparatus”中提到使用热光学效应改变F-P滤波器的透射峰，具体地说通过对F-P滤波器进行温度控制，改变其介质折射率，从而达到改变有效光程来调谐波长的目的；但是这种通过温度控制达到调谐的方案响应速度比较慢（一般在2秒左右），无法在一些需要快速调谐场合应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于MEMS机制的可调滤波器。

本发明的具体方案是：一种基于MEMS机制的可调滤波器，包括底座，底座上方固定装有MEMS芯片，所述底座上方位于MEMS芯片外围还固定装有至少两块相同厚度的零膨胀玻璃，零膨胀玻璃上方固定装有一个部分反射镜A，所述MEMS芯片包括中间开孔的芯片衬底，芯片衬底上制作有上电电极，芯片衬底上方设有悬臂梁结构，悬臂梁可以通过电压或者电流进行驱动实现上下伸缩运动，悬臂梁的顶部固定装有一个位于芯片衬底开孔正上方的镜托，镜托上方固定装有一个部分反射镜B，部分反射镜B的重量小于悬臂梁的驱动力，所述部分反射镜B与部分反射镜A平行，部分反射镜A上表面镀有增透膜、下表面镀有部分反射膜，部分反射镜B上表面镀有部分反射膜、下表面镀有增透膜，底座上还装有热敏电阻，所述MEMS芯片上还集成有温度传感器，热敏电阻和MEMS芯片分别通过底座与主控板连接。

本发明所述底座为陶瓷材料的基板，基板上镀有相应图案，可以将MEMS芯片的上电电极引导出来，方便加电。

本发明所述镜托为圆形。

工作原理：本发明两个部分反射镜相互平行，部分反射镜A的下表面和部分反射镜B的上表面之间形成了F-P滤波谐振腔，改变两个部分反射镜之间的距离即可达到滤波的目的，利用MEMS微机械运动机制，使MEMS芯片的悬臂梁与镜托连接，镜托上固定安装部分反射镜B，通过电压或电流信号驱动悬臂梁上下伸缩运动，从而调节两个部分反射镜之间的距离，改变F-P滤波谐振腔的腔长，实现F-P滤波器透射波长调谐作用；环境温度变化对MEMS芯片有一定影响，当环境温度变化时，部分反射镜B的位置会有所变化，通过集成在MEMS芯片上的温度传感器将信号反馈给主控板，主控板控制热敏电阻加热，对环境温度进行实时补偿，即可达到稳定滤波器输出波长的目的。

本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1、本发明应用于自由空间互联光路，具有耦合方便结构简单的优点；

2、本发明采用F-P效应作为滤波器方案，实现窄带宽大范围可调；

3、本发明采用MEMS芯片作为驱动调谐原件，具有结构紧凑体积小，调谐速度快（25毫秒内）的优点；

4、本发明采用零膨胀玻璃避免了由于环境因素导致部分反射镜A的位置变化，从而使调谐更加精准。