应用于外腔可调谐半导体激光器的MEMS静电驱动设计与仿真

发布时间：2020-08-26 10:13

【摘要】：随着科学技术的发展,外腔可调谐半导体激光器受到人们的极大关注。与其他可调谐激光器相比,可调谐半导体激光器具有波长调谐范围宽、结构紧凑和调谐速度快等优点,这些优点使其在频谱分析,光纤传感和污染气体检测等领域具有广泛应用。其中,基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)转镜的外腔可调谐激光器因其本身具有结构紧凑、可调谐范围宽、光谱线宽窄、控制精度高等优点,一直是可调谐半导体激光领域的研究热点。对于这类激光器,最关键的技术是按照激光器特定需求驱动腔内全反镜或者光栅移动的MEMS驱动器的设计。目前市面上的MEMS驱动器仍存在一些问题,如旋转角度有限制,驱动电压过高,或者结构本身不能满足外腔可调谐激光器无跳模连续调谐、光谱线宽窄等需求。因此本文在现有研究基础上,对应用于外腔可调谐激光器的MEMS驱动开展相关研究,提出了四种可绕虚轴点旋转的新型MEMS驱动结构。具体工作如下:(1)本文在详细分析单梳静电梳齿驱动原理的基础上,利用COMSOL Multiphysics软件,构建了单梳MEMS驱动模型,并对结构进行仿真,同时分析了其旋转特性。同时,构建了多个不同梳齿间距、梳齿宽度、悬臂梁长度、梳齿弧度的单梳结构模型,对这些参数逐个进行仿真对比分析,重点探讨了这些参数对结构旋转结果的影响,为应用于外腔可调谐激光器的MEMS静电驱动结构提供了最优梳齿参数及优化依据。(2)本文提出了一种应用于外腔可调谐激光器的MEMS突出梳齿对称驱动结构。首先对单梳突出梳齿结构进行分析,构建单梳突出梳齿结构模型,并进行仿真分析,结果表明突出梳齿能够有效减小驱动电压。在此基础上,对突出梳齿的参数进行了进一步建模分析,探讨了这些参数对结构旋转结果的影响。其次,改进并提出了一种绕虚轴点旋转的MEMS对称驱动结构,该结构可以实现窄结构下,大角度绕虚轴点旋转。同时考虑突出梳齿的优点,提出了 MEMS突出梳齿对称驱动结构,对所提结构进行建模分析,并不断优化参数与结构,最终得到了结构顶端距虚轴点2500 μm,施加52 V电压,可以实现旋转2.5°的MEMS对称驱动结构。(3)本文提出了一种应用于外腔可调谐激光器的ME入MS突出梳齿扇环驱动结构。首先对绕虚轴点旋转的MEMS扇环驱动结构的原理进行详细分析,其本身可以实现绕外侧虚轴点大角度旋转。同时结合突出梳齿的特点,提出了 MEMS突出梳齿扇环驱动结构。然后对所提结构进行建模分析,并不断优化参数与结构,最终得到了结构顶端距虚轴点3200 μm,施加140 V电压,可以实现旋转3°的MEMS扇环驱动结构。(4)本文提出了一种应用于外腔可调谐激光器的MEMS拉链梳齿对称驱动结构。首先对单梳拉链梳齿结构进行分析,构建单梳拉链梳齿结构模型,并进行仿真分析,结果表明拉链梳齿在结构尺寸一定时,可以有效增加旋转角度。在此基础上,对拉链梳齿参数进行了进一步分析,探讨了这些参数对结构旋转结果的影响。在对称结构原理分析的基础上,提出了MEMS拉链梳齿对称驱动结构,对所提结构进行建模分析,通过对参数的不断优化,最终得到了结构顶端距虚轴点2500 μm,施加262 V电压,可以实现旋转3.7°的MEMS对称驱动结构。(5)本文提出了一种应用于外腔可调谐激光器的MEMS拉链梳齿扇环驱动结构。在拉链梳齿参数分析与扇环驱动原理分析的基础上,提出了MEMS拉链梳齿扇环驱动结构,进行建模分析,得到了拉链梳齿对扇环驱动结构优化作用较小的结论。本文创新点如下:(1)为了降低MEMS驱动结构对高驱动电压的要求,我们首次将突出梳齿结构应用于绕虚轴点旋转的MEMS对称结构中,将工作时梳齿间距缩小至1 μm。由此设计的应用于无跳模、窄线宽外腔可调谐激光器的MEMS突出梳齿对称驱动结构,施加52 V电压,可以实现绕虚轴点双侧旋转2.5°。相比于已有绕虚轴点旋转的MEMS驱动结构需要几百伏的驱动电压,我们提出的MEMS突出梳齿对称驱动大幅减小了驱动电压和结构宽度。(2)为了不影响光路设计并降低MEMS驱动结构对高驱动电压的要求,我们首次将突出梳齿结构应用于绕虚轴点旋转的MEMS扇环结构中,使结构可以绕外侧虚轴点旋转同时减小梳齿间距。由此设计的应用于无跳模、窄线宽外腔可调谐激光器的MEMS突出梳齿扇形驱动结构,施加140 V电压,可以实现绕虚轴点双侧旋转3°。相比于已有绕虚轴点旋转的MEMS驱动结构,MEMS突出梳齿扇环驱动可以绕外侧虚轴点旋转且有效减小了驱动电压。(3)为了获得更大的旋转角度,我们首次将拉链梳齿结构应用于绕虚轴点旋转的MEMS对称结构中,缩短内侧梳齿长度。由此设计的应用于无跳模、窄线宽外腔可调谐激光器的MEMS拉链梳齿对称驱动结构,施加262 V电压,可以实现3.7°的绕虚轴点双侧旋转角度。相比于已有绕虚轴点旋转的MEMS驱动结构最大旋转角度为3°,MEMS拉链梳齿对称驱动进一步提升了旋转角度至3.7°。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.4
【图文】：

可调谐半导体激光器,外腔,结构示意图,外部反射

逦山东大学硕士学位论文逦逡逑图１－１－１为外腔可调谐半导体激光器最基本的结构示意图，通过使用诸如旋逡逑转光栅或旋转平面镜等波长选择性元件作为外部反射镜，即可构建出外腔。外腔逡逑可调谐激光器可以利用半导体激光器的宽光谱实现大范围的连续调谐。半导体激逡逑光器作为内腔，其与外腔相连的表面镀膜。半导体激光器输出激光通过准直透镜，逡逑入射到外部反射镜上。大多数外腔可调谐激光器都是使用全反镜或光栅作为外部逡逑反射镜。经过外部反射镜，一部分光直接输出，一部分光返回半导体激光器的有逡逑源区继续振荡。外腔可调谐激光器的调谐能力由半导体增益介质和外腔的特征共逡逑同确定，例如外部反射镜的类别，腔长度和外腔的耦合效率。一旦确定了这些参逡逑数即可确定外腔可调谐激光器的主要参数性能，例如调谐范围，分辨率和调谐方逡逑式（离散地，准连续地或连续地等）。逡逑Ｔｒａｎｓｌａｔｉｎｇ邋ＭｉｉＴｏｒ逡逑

示意图,静电驱动,示意图,极板

图２－３－３静电驱动梳齿驱动侧面图逡逑对于这两种类型的静电驱动器，存储在电容中的能量五都可由下式给出逡逑Ｅ邋＝邋－ＣＶ２逡逑２逦（２－３－１）逡逑其中，Ｃ是极板间电容，Ｆ是极板之间的施加电压差。静电力是该能量相对逡逑于位移方向的导数。平行板结构的位移方向是可动极板向固定极板移动的方向。逡逑交叉梳齿结构的位移方向是沿着梳齿长度的方向。极板在位移方向上驱动静电力逡逑可表示为：逡逑１２逡逑

静电驱动,梳齿,俯视图,极板

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