压电驱动分布式布拉格反射器基可调谐法布里-珀罗滤波器

引言

Pratyasha Sahani 与 Yoshiaki Kanamori 团队在《IEEE Photonics Journal》（2025 年，工程技术领域 TOP 期刊）发表研究，针对传统可见光可调谐法布里 - 珀罗滤波器（FPF）存在的腔隙不平行、透射率低、吞吐量不足等瓶颈，开发出基于分布式布拉格反射器（DBR）的压电驱动创新架构，通过四组致动器实现波长调谐与腔隙平行性的协同控制，为高光谱成像系统的微型化、高分辨率升级提供解决方案。

摘要 Abstract

传统可见光波段可调谐法布里 - 珀罗滤波器（FPF）面临腔隙非平行导致的光谱分离大、表面微机械加工工艺存在的透射率低（10%-13%）、吞吐量与光谱分辨率难以兼顾等局限，制约其在微型高光谱成像中的应用。本研究开发压电驱动 DBR 基空气隙 FP 滤波器，采用 TiO₂/SiO₂交替堆叠的 DBR 作为腔镜，集成四组面内压电致动器，通过 X/Y 方向正交布置实现腔隙尺寸的独立调控。该技术在 400-700nm 可见光范围实现精准调谐，将初始腔隙非平行导致的最大光谱分离从～28nm 降至～3nm，腔隙尺寸最大变异量从 535nm 缩减至 18nm，平行性提升约 30 倍。所制备滤波器孔径达 1mm×1mm，具备高透射率与窄半高宽（FWHM~8nm），为高分辨率、高通量高光谱成像提供关键器件支撑，在医疗诊断、环境监测等领域具有重要应用潜力。

实验方法

可调谐 FPF 组装

将底部 DBR 腔镜通过碳带（厚度～0.01mm）固定于盖玻片，选用 4 个相同的面内压电致动器（PA1CEW，Thorlabs，尺寸 2mm×2mm×2mm），采用氰基丙烯酸酯胶固定于盖玻片，其中 2 个沿 X 方向、2 个沿 Y 方向对称布置于底部 DBR 两侧。通过环氧胶将顶部 DBR 腔镜与四组致动器连接，静置固化后形成有效腔隙区域（1mm×1mm），腔角点标记为 (0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。

光学传输性能测试

采用 Lambda Vision LVmicro-Z显微分光光度计（波长分辨率 0.5nm）进行透射光谱测试，入射光束直径为 16μm。分别在无外加电压（Va=0V）和施加调控电压（V2=16V、V3=28V，V1=V4=0V）条件下，测试腔隙四角及不同区域的透射光谱，分析峰值波长、透射率（TFPF）、半高宽（FWHM）、自由光谱范围（FSR）等参数，验证腔隙平行性与波长调谐性能。

（Lambda Vision LVmicro-Z显微分光光度计）

结论

本研究提出一种工作于可见光波段的压电驱动分布式布拉格反射器（DBR）基可调谐空气隙法布里 - 珀罗滤波器（FPF）。该器件采用四组相同的面内压电致动器，可同时实现波长可调谐性与腔隙平行性调控。其中两组压电致动器沿 X 方向对称布置于底部 DBR 腔镜两侧，另外两组则沿 Y 方向布置。

为测定上述空间位置的腔隙厚度（ta）值，研究人员在腔隙区域的角点（0,0）、（1,0）、（0,1）及（1,1）处开展光学透射测试。在无外加电压（Va=0 V）条件下，对可调谐空气隙 FPF 的初始透射光谱测试显示，腔隙区域不同角点间的初始最大峰值透射波长差约为 28 nm。将实验结果与模拟结果对比发现，腔隙区域不同角点间的初始腔隙厚度（ta）值最大变异量为 535 nm。

通过向 X 方向的压电陶瓷致动器（PZT2）施加 16 V 电压（V2=16 V），同时向 Y 方向的压电陶瓷致动器（PZT3）施加 28 V 电压（V3=28 V），可实现可调谐空气隙 FPF 的初始腔隙平行性调控 —— 两组致动器分别沿对应方向独立调节腔隙平行性。在 V2=16 V、V3=28 V 的条件下，对腔隙区域角点的透射光谱测试显示，最终最大峰值透射波长差降至约 3 nm；结合模拟结果可知，腔隙区域不同角点间的最终腔隙厚度（ta）值最大变异量仅为 18 nm。

所提出的器件结构可将初始腔隙平行性提升约 30 倍。本研究中的滤波器孔径为 1 mm×1 mm，未来可通过设计优化扩大孔径以满足特定应用需求。该器件原型能够确保大滤波面积下的空间均匀性，实现高分辨率、高通量透射，这对高光谱成像系统的技术发展具有重要意义。