【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,外腔可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器受到人們的極大關(guān)注。與其他可調(diào)諧激光器相比,可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器具有波長調(diào)諧范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊和調(diào)諧速度快等優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)使其在頻譜分析,光纖傳感和污染氣體檢測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其中,基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)轉(zhuǎn)鏡的外腔可調(diào)諧激光器因其本身具有結(jié)構(gòu)緊湊、可調(diào)諧范圍寬、光譜線寬窄、控制精度高等優(yōu)點(diǎn),一直是可調(diào)諧半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對于這類激光器,最關(guān)鍵的技術(shù)是按照激光器特定需求驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)全反鏡或者光柵移動(dòng)的MEMS驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。目前市面上的MEMS驅(qū)動(dòng)器仍存在一些問題,如旋轉(zhuǎn)角度有限制,驅(qū)動(dòng)電壓過高,或者結(jié)構(gòu)本身不能滿足外腔可調(diào)諧激光器無跳模連續(xù)調(diào)諧、光譜線寬窄等需求。因此本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,對應(yīng)用于外腔可調(diào)諧激光器的MEMS驅(qū)動(dòng)開展相關(guān)研究,提出了四種可繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的新型MEMS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。具體工作如下:(1)本文在詳細(xì)分析單梳靜電梳齒驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上,利用COMSOL Multiphysics軟件,構(gòu)建了單梳MEMS驅(qū)動(dòng)模型,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,同時(shí)分析了其旋轉(zhuǎn)特性。同時(shí),構(gòu)建了多個(gè)不同梳齒間距、梳齒寬度、懸臂梁長度、梳齒弧度的單梳結(jié)構(gòu)模型,對這些參數(shù)逐個(gè)進(jìn)行仿真對比分析,重點(diǎn)探討了這些參數(shù)對結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)結(jié)果的影響,為應(yīng)用于外腔可調(diào)諧激光器的MEMS靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)提供了最優(yōu)梳齒參數(shù)及優(yōu)化依據(jù)。(2)本文提出了一種應(yīng)用于外腔可調(diào)諧激光器的MEMS突出梳齒對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。首先對單梳突出梳齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,構(gòu)建單梳突出梳齒結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明突出梳齒能夠有效減小驅(qū)動(dòng)電壓。在此基礎(chǔ)上,對突出梳齒的參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步建模分析,探討了這些參數(shù)對結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)結(jié)果的影響。其次,改進(jìn)并提出了一種繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)窄結(jié)構(gòu)下,大角度繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)考慮突出梳齒的優(yōu)點(diǎn),提出了 MEMS突出梳齒對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),對所提結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,并不斷優(yōu)化參數(shù)與結(jié)構(gòu),最終得到了結(jié)構(gòu)頂端距虛軸點(diǎn)2500 μm,施加52 V電壓,可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)2.5°的MEMS對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。(3)本文提出了一種應(yīng)用于外腔可調(diào)諧激光器的ME入MS突出梳齒扇環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。首先對繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS扇環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的原理進(jìn)行詳細(xì)分析,其本身可以實(shí)現(xiàn)繞外側(cè)虛軸點(diǎn)大角度旋轉(zhuǎn)。同時(shí)結(jié)合突出梳齒的特點(diǎn),提出了 MEMS突出梳齒扇環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。然后對所提結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,并不斷優(yōu)化參數(shù)與結(jié)構(gòu),最終得到了結(jié)構(gòu)頂端距虛軸點(diǎn)3200 μm,施加140 V電壓,可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)3°的MEMS扇環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。(4)本文提出了一種應(yīng)用于外腔可調(diào)諧激光器的MEMS拉鏈?zhǔn)猃X對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。首先對單梳拉鏈?zhǔn)猃X結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,構(gòu)建單梳拉鏈?zhǔn)猃X結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明拉鏈?zhǔn)猃X在結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí),可以有效增加旋轉(zhuǎn)角度。在此基礎(chǔ)上,對拉鏈?zhǔn)猃X參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析,探討了這些參數(shù)對結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)結(jié)果的影響。在對稱結(jié)構(gòu)原理分析的基礎(chǔ)上,提出了MEMS拉鏈?zhǔn)猃X對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),對所提結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,通過對參數(shù)的不斷優(yōu)化,最終得到了結(jié)構(gòu)頂端距虛軸點(diǎn)2500 μm,施加262 V電壓,可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)3.7°的MEMS對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。(5)本文提出了一種應(yīng)用于外腔可調(diào)諧激光器的MEMS拉鏈?zhǔn)猃X扇環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。在拉鏈?zhǔn)猃X參數(shù)分析與扇環(huán)驅(qū)動(dòng)原理分析的基礎(chǔ)上,提出了MEMS拉鏈?zhǔn)猃X扇環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),進(jìn)行建模分析,得到了拉鏈?zhǔn)猃X對扇環(huán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化作用較小的結(jié)論。本文創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)為了降低MEMS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對高驅(qū)動(dòng)電壓的要求,我們首次將突出梳齒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS對稱結(jié)構(gòu)中,將工作時(shí)梳齒間距縮小至1 μm。由此設(shè)計(jì)的應(yīng)用于無跳模、窄線寬外腔可調(diào)諧激光器的MEMS突出梳齒對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),施加52 V電壓,可以實(shí)現(xiàn)繞虛軸點(diǎn)雙側(cè)旋轉(zhuǎn)2.5°。相比于已有繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)需要幾百伏的驅(qū)動(dòng)電壓,我們提出的MEMS突出梳齒對稱驅(qū)動(dòng)大幅減小了驅(qū)動(dòng)電壓和結(jié)構(gòu)寬度。(2)為了不影響光路設(shè)計(jì)并降低MEMS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對高驅(qū)動(dòng)電壓的要求,我們首次將突出梳齒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS扇環(huán)結(jié)構(gòu)中,使結(jié)構(gòu)可以繞外側(cè)虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)同時(shí)減小梳齒間距。由此設(shè)計(jì)的應(yīng)用于無跳模、窄線寬外腔可調(diào)諧激光器的MEMS突出梳齒扇形驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),施加140 V電壓,可以實(shí)現(xiàn)繞虛軸點(diǎn)雙側(cè)旋轉(zhuǎn)3°。相比于已有繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),MEMS突出梳齒扇環(huán)驅(qū)動(dòng)可以繞外側(cè)虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)且有效減小了驅(qū)動(dòng)電壓。(3)為了獲得更大的旋轉(zhuǎn)角度,我們首次將拉鏈?zhǔn)猃X結(jié)構(gòu)應(yīng)用于繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS對稱結(jié)構(gòu)中,縮短內(nèi)側(cè)梳齒長度。由此設(shè)計(jì)的應(yīng)用于無跳模、窄線寬外腔可調(diào)諧激光器的MEMS拉鏈?zhǔn)猃X對稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),施加262 V電壓,可以實(shí)現(xiàn)3.7°的繞虛軸點(diǎn)雙側(cè)旋轉(zhuǎn)角度。相比于已有繞虛軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的MEMS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)最大旋轉(zhuǎn)角度為3°,MEMS拉鏈?zhǔn)猃X對稱驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步提升了旋轉(zhuǎn)角度至3.7°。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248.4
【圖文】：

邐山東大學(xué)碩士學(xué)位論文邐逡逑圖１－１－１為外腔可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器最基本的結(jié)構(gòu)示意圖，通過使用諸如旋逡逑轉(zhuǎn)光柵或旋轉(zhuǎn)平面鏡等波長選擇性元件作為外部反射鏡，即可構(gòu)建出外腔。外腔逡逑可調(diào)諧激光器可以利用半導(dǎo)體激光器的寬光譜實(shí)現(xiàn)大范圍的連續(xù)調(diào)諧。半導(dǎo)體激逡逑光器作為內(nèi)腔，其與外腔相連的表面鍍膜。半導(dǎo)體激光器輸出激光通過準(zhǔn)直透鏡，逡逑入射到外部反射鏡上。大多數(shù)外腔可調(diào)諧激光器都是使用全反鏡或光柵作為外部逡逑反射鏡。經(jīng)過外部反射鏡，一部分光直接輸出，一部分光返回半導(dǎo)體激光器的有逡逑源區(qū)繼續(xù)振蕩。外腔可調(diào)諧激光器的調(diào)諧能力由半導(dǎo)體增益介質(zhì)和外腔的特征共逡逑同確定，例如外部反射鏡的類別，腔長度和外腔的耦合效率。一旦確定了這些參逡逑數(shù)即可確定外腔可調(diào)諧激光器的主要參數(shù)性能，例如調(diào)諧范圍，分辨率和調(diào)諧方逡逑式（離散地，準(zhǔn)連續(xù)地或連續(xù)地等）。逡逑Ｔｒａｎｓｌａｔｉｎｇ邋ＭｉｉＴｏｒ逡逑

圖２－３－３靜電驅(qū)動(dòng)梳齒驅(qū)動(dòng)側(cè)面圖逡逑對于這兩種類型的靜電驅(qū)動(dòng)器，存儲在電容中的能量五都可由下式給出逡逑Ｅ邋＝邋－ＣＶ２逡逑２邐（２－３－１）逡逑其中，Ｃ是極板間電容，Ｆ是極板之間的施加電壓差。靜電力是該能量相對逡逑于位移方向的導(dǎo)數(shù)。平行板結(jié)構(gòu)的位移方向是可動(dòng)極板向固定極板移動(dòng)的方向。逡逑交叉梳齒結(jié)構(gòu)的位移方向是沿著梳齒長度的方向。極板在位移方向上驅(qū)動(dòng)靜電力逡逑可表示為：逡逑１２逡逑

圖２－３－３靜電驅(qū)動(dòng)梳齒驅(qū)動(dòng)側(cè)面圖逡逑對于這兩種類型的靜電驅(qū)動(dòng)器，存儲在電容中的能量五都可由下式給出逡逑Ｅ邋＝邋－ＣＶ２逡逑２邐（２－３－１）逡逑其中，Ｃ是極板間電容，Ｆ是極板之間的施加電壓差。靜電力是該能量相對逡逑于位移方向的導(dǎo)數(shù)。平行板結(jié)構(gòu)的位移方向是可動(dòng)極板向固定極板移動(dòng)的方向。逡逑交叉梳齒結(jié)構(gòu)的位移方向是沿著梳齒長度的方向。極板在位移方向上驅(qū)動(dòng)靜電力逡逑可表示為：逡逑１２逡逑

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本文編號：2805040