一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其包括：輸入輸出光纖、固定遮光板、可動MEMS器件、磁場產(chǎn)生裝置和驅(qū)動電路；固定遮光板中心具有通光孔，驅(qū)動電路和固定遮光板的下表面與可動MEMS器件的上表面對準(zhǔn)鍵合，可動MEMS器件中心具有運(yùn)動遮光板，磁場產(chǎn)生裝置為中心漏空結(jié)構(gòu)，且可動MEMS器件和磁場產(chǎn)生裝置的中心與通光孔的中心位于同一軸線；其中，光從輸入光纖輸入，通過固定遮光板的通光孔后，再經(jīng)可動MEMS器件產(chǎn)生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出；所述磁場產(chǎn)生裝置提供與通過可動MEMS器件的電流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，驅(qū)動所述運(yùn)動遮光板產(chǎn)生運(yùn)動。本發(fā)明公開的可變光衰減器的光衰減量連續(xù)可調(diào)。
【專利說明】—種擋光式微機(jī)電可變光衰減器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種可變光衰減器，該可變光衰減器可用于使輸入到其中的光強(qiáng)度產(chǎn)生可控的衰減。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信業(yè)務(wù)量的飛速增長，業(yè)務(wù)形式的多樣化，全光網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。光網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化需要解決的關(guān)鍵問題之一是各波長通道間的功率不均衡，許多場合需要減少光信號的功率。
[0003]光衰減器(Optical Attenuator, 0A)是一種可以在外部激勵(機(jī)械、電力、磁力等)作用下，實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件運(yùn)動或光學(xué)狀態(tài)的改變，從而改變光的傳輸效率，達(dá)到輸出光功率相對于輸入光功率衰減的器件。光衰減器作為一種重要的無源光功率調(diào)整器件，可以在光網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生可控的衰減，與其他器件匹配很好地實(shí)現(xiàn)光增益平坦、動態(tài)增益平衡以及傳輸功率均衡。
[0004]光衰減器可分為固定式光衰減器和可變光衰減器(Variable OpticalAttenuator, V0A)兩種形式。目前固定式光衰減器價(jià)格較低，用以平衡光能量，但是由于衰減量不能調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)對信號的動態(tài)控制；相對地，可變光衰減器在發(fā)展上較具優(yōu)勢，衰減量可以改變，能主動精確平衡光功率，對信號實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，是目前研究的重點(diǎn)，未來的發(fā)展較受矚目。VOA可用于光通信線路、系統(tǒng)的評估、研究、調(diào)整及校正等方面，在光通信網(wǎng)絡(luò)中，尤其是波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中VOA具有廣泛的應(yīng)用。
[0005]為更好地滿足光通信的需求，VOA正朝著高集成、小型化、低成本的方向發(fā)展。目前，VOA有多種不同類型的制造技術(shù)，主要有可調(diào)機(jī)械式技術(shù)、磁光技術(shù)、液晶技術(shù)、聲光技術(shù)、熱光技術(shù)、平面波導(dǎo)技術(shù)、MEMS技術(shù)等形式?；贛EMS的器件體積小、性能好、易于實(shí)現(xiàn)陣列、功耗低，完全適應(yīng)市場發(fā)展的需要。采用MEMS技術(shù)制作的V0A，除保持傳統(tǒng)技術(shù)VOA全面的光學(xué)性能外，還具有衰減范圍大、體積小、易于多通道集成、響應(yīng)速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是滿足未來全光通信網(wǎng)絡(luò)的理想的器件之一。但現(xiàn)有的MEMS VOA還存在一些技術(shù)問題:如驅(qū)動電壓大、線性度差、可靠性等，離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于電磁驅(qū)動的MEMS可變光衰減器(VOA)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的可變光衰減器。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其包括:輸入輸出光纖、固定遮光板、可動MEMS器件、磁場產(chǎn)生裝置和驅(qū)動電路；固定遮光板中心具有通光孔，驅(qū)動電路和固定遮光板的下表面與可動MEMS器件的上表面對準(zhǔn)鍵合，可動MEMS器件中心具有運(yùn)動遮光板，磁場產(chǎn)生裝置為中心漏空結(jié)構(gòu)，且可動MEMS器件6和磁場產(chǎn)生裝置8的中心與通光孔2的中心位于同一軸線；其中，光從輸入光纖輸入，通過固定遮光板的通光孔后，再經(jīng)可動MEMS器件產(chǎn)生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出；所述磁場產(chǎn)生裝置提供與光束平行的軸向磁場，與通過可動MEMS器件的電流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，驅(qū)動所述運(yùn)動遮光板產(chǎn)生運(yùn)動。
[0008]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0009]本發(fā)明提供的擋光式微機(jī)電可變光衰減器，在自由空間中衰減光信號，相應(yīng)的波長相關(guān)損耗、極化相關(guān)損耗和插入損耗等都要低于其它方法，光學(xué)性能好。同時(shí)避免了反射式結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的光纖對準(zhǔn)等問題，衰減范圍大，動態(tài)特性好，可以廣泛應(yīng)用于光通信網(wǎng)絡(luò)。
[0010]本發(fā)明提供的擋光式微機(jī)電可變光衰減器，用基于洛倫茲力的電磁驅(qū)動方式，既可以提供較大的驅(qū)動力，又不會有磁滯效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了低壓驅(qū)動和快速響應(yīng)，很好地滿足了光通信網(wǎng)絡(luò)快速、低功耗的發(fā)展的要求。
[0011]本發(fā)明提供的擋光式微機(jī)電可變光衰減器，利用微電子工藝加工制作，結(jié)構(gòu)簡單，通過采用固定遮光板與可動MEMS器件相結(jié)合的方式，有效控制了光束的面積，減小了器件尺寸，能夠與CMOS器件實(shí)現(xiàn)集成，為光電集成提供基礎(chǔ)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明中擋光式微機(jī)電可變光衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2(a)?圖2(c)是本發(fā)明中擋光式微機(jī)電可變光衰減器的衰減效果圖；
[0014]圖3(a)?圖3(b)是本發(fā)明中可動MEMS器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4是本發(fā)明中可動遮光板在洛倫茲力驅(qū)動下運(yùn)動原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0017]圖1示出了本發(fā)明公開的擋光式微機(jī)電可變光衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所述可變光衰減器包括輸入光纖1、輸出光纖10、固定遮光板3、驅(qū)動電路4、可動MEMS器件
6、磁場產(chǎn)生裝置8、可動遮光板9。其中，固定遮光板3與可動MEMS器件6分別為不同基片采用微機(jī)電工藝加工制作而成。固定遮光板3可以使用硅片、玻璃片或其它材料制作，表面鍍有反光膜，表面的反光膜可以是金、鋁等具有反光性能的薄膜材料，固定遮光板3中心具有通光孔2，所開通光孔2的大小與光束的大小有關(guān)，用于限制光斑大小和衍射等現(xiàn)象。驅(qū)動電路4為器件提供可控的驅(qū)動電源。所述驅(qū)動電路4和固定遮光板3的下表面通過第一鍵合層5與可動MEMS器件6的上表面對準(zhǔn)鍵合；磁場產(chǎn)生裝置8的上表面與可動MEMS器件6的下表面通過第二鍵合層7相互粘合。所述可動MEMS器件6的中心為運(yùn)動遮光板9，磁場產(chǎn)生裝置8為中心露空的環(huán)形結(jié)構(gòu)，且可動MEMS器件6和磁場產(chǎn)生裝置8的中心與通光孔2的中心位于同一軸線上。輸出光纖端口 10與輸入光纖端口 I相對,固定遮光板3和可動MEMS器件6位于輸入、輸出光纖之間,光由輸入光纖輸入,先通過固定遮光板3的通光孔2，再經(jīng)可動MEMS器件6產(chǎn)生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出。磁場產(chǎn)生裝置8可以提供與光束平行的軸向磁場，與通過可動MEMS器件6結(jié)構(gòu)的電流相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，提供驅(qū)動，使運(yùn)動遮光板9運(yùn)動，如圖4所示。若可動MEMS器件6的運(yùn)動遮光板9沒有將固定遮光板3的通光孔2擋住，光束從輸入光纖發(fā)射出來后，經(jīng)過自由傳播可以進(jìn)入輸出光纖，實(shí)現(xiàn)光信號輸出，形成完整的光通路；若運(yùn)動遮光板9將通光孔2完全擋住，則光束不能進(jìn)入輸出光纖，光信號被完全衰減；若運(yùn)動遮光板9將通光孔2部分擋住，則光束部分進(jìn)入輸出光纖，通過洛倫茲力控制運(yùn)動遮光板9的運(yùn)動位置，可以控制通光孔2被運(yùn)動遮光板9擋住的面積大小，可以控制進(jìn)入輸出光纖的光信號的強(qiáng)度，從而可以產(chǎn)生可控的光衰減。光信號的強(qiáng)度與通光面積成正比；通光面積與運(yùn)動遮光板9的位移大小成正比；對于彈性結(jié)構(gòu)，運(yùn)動遮光板9的位移大小與洛倫茲力的大小成正比；而洛倫茲力的大小與驅(qū)動電流成正比。因此，基于洛倫茲力驅(qū)動的可變光衰減器的光衰減量與驅(qū)動電流成線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)線性連續(xù)控制。
[0018]圖2(a)-圖2(c)示出了本發(fā)明中擋光式微機(jī)電可變光衰減器的三種可選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2(a)-圖2(c)所示，固定遮光板3的表面鍍有反光膜，并開有通光孔2，表面的反光膜可以是金、鋁等具有反光性能的薄膜材料，光只能從通光孔通過；若可動MEMS器件6的運(yùn)動遮光板9沒有將固定遮光板3的通光孔2擋住(如圖2 (c)所示)，光束從輸入光纖發(fā)射出來后，經(jīng)過自由傳播可以進(jìn)入輸出光纖，實(shí)現(xiàn)光信號輸出，形成完整的光通路；若運(yùn)動遮光板9將通光孔2完全擋住(如圖2 (a)所示)，則光束不能進(jìn)入輸出光纖，光信號被完全衰減；若運(yùn)動遮光板9將通光孔2部分擋住(如圖2(b)所示)，則光束部分進(jìn)入輸出光纖，通過控制運(yùn)動遮光板9擋住通光孔2部分面積的大小，可以控制進(jìn)入輸出光纖的光信號的強(qiáng)度，從而可以產(chǎn)生可控的光衰減。
[0019]擋光式微機(jī)電可變光衰減器采用洛倫茲力進(jìn)行驅(qū)動，磁場產(chǎn)生裝置8為環(huán)形的永久磁鐵，用以提供軸向磁場。
[0020]圖3(a)_3(b)示出了本發(fā)明中可動MEMS器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3(a)所示，可動MEMS器件6采用硅片制作，由折疊梁構(gòu)成，該折疊梁中間帶有運(yùn)動遮光板9。如圖3(b)所示，可動MEMS器件6由直梁構(gòu)成，該直梁中間帶有運(yùn)動遮光板9。梁具有彈性，在MEMS結(jié)構(gòu)中起彈簧的作用。
[0021]圖4示出了本發(fā)明中可動遮光板在洛倫茲力驅(qū)動下運(yùn)動原理圖。如圖4所示，在縱向磁場中，當(dāng)在梁上通過穩(wěn)恒的電流時(shí)，電流與磁場相互作用產(chǎn)生橫向的洛倫茲力。所產(chǎn)生的洛倫茲力帶動使梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，運(yùn)動遮光板9運(yùn)動，使運(yùn)動遮光板9與通光孔2的相對位置產(chǎn)生變化，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)入輸出光纖的光信號強(qiáng)度的控制。
[0022]所述可動MEMS器件6的梁發(fā)生形變后，由于結(jié)構(gòu)的彈性會產(chǎn)生彈性回復(fù)力，彈性力的大小與結(jié)構(gòu)的位移成正比。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，彈性力與洛倫茲力相等。而洛倫茲力大小與驅(qū)動電流成正比，因此可以通過控制電流的大小來控制結(jié)構(gòu)的位移，進(jìn)而控制光衰減量。在穩(wěn)定的磁場下，電流產(chǎn)生的洛倫茲力可以精確地確定運(yùn)動遮光板9的位移，使用連續(xù)可變的電流可以獲得連續(xù)可變的光衰減量。由于彈性力與結(jié)構(gòu)的位移成正比，洛倫茲力與電流成正比，因此在磁場和結(jié)構(gòu)確定的條件下，結(jié)構(gòu)的位移與驅(qū)動電流成正比，可以利用電流對光衰減器實(shí)現(xiàn)線性控制。
[0023]由于光纖中光束的尺寸一般很小,通常在幾微米到幾十微米之間,輸入光纖和輸出光纖之間固定擋光板3的通光孔2既保證了光束正常通過，又限制了光的衍射作用，使光束在可動MEMS器件6位置上的光斑面積很小。要實(shí)現(xiàn)光完全通過與完全衰減之間狀態(tài)的切換，運(yùn)動遮光板9需要移動的距離等于光斑的大小，因而結(jié)構(gòu)所需要的位移也為幾微米到幾十微米，器件的驅(qū)動電流就可以限制在幾毫安到幾十毫安的量級。[0024]由于電流與磁場相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力沒有磁滯效應(yīng)，MEMS器件可快速運(yùn)動，因此可變光衰減器可以實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)之間的快速切換。
[0025]上述方案中，所述固定遮光板3的通光孔2與未加驅(qū)動電流時(shí)運(yùn)動遮光板9初始位置的相對關(guān)系可以根據(jù)具體需要，通過在固定遮光板與可動MEMS器件安裝時(shí)，簡單地調(diào)整固定遮光板3與可動MEMS器件(6)的對準(zhǔn)位置，既可以設(shè)定成運(yùn)動遮光板9將通光孔2完全遮住或者完全露出的狀態(tài)，也可以設(shè)定成部分遮住的狀態(tài)。不會增加在結(jié)構(gòu)和工藝難度，并且能降低衰減器的功耗。
[0026]上述方案中，所述磁場產(chǎn)生裝置8還可以為通電螺線管構(gòu)成的電磁鐵或者其他中間為空心可以產(chǎn)生相對均勻的軸向磁場的裝置，可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。
[0027]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解 的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其包括:輸入輸出光纖、固定遮光板、可動MEMS器件、磁場產(chǎn)生裝置和驅(qū)動電路；固定遮光板中心具有通光孔，驅(qū)動電路和固定遮光板的下表面與可動MEMS器件的上表面對準(zhǔn)鍵合，可動MEMS器件中心具有運(yùn)動遮光板，磁場產(chǎn)生裝置為中心漏空結(jié)構(gòu)，且可動MEMS器件6和磁場產(chǎn)生裝置8的中心與通光孔2的中心位于同一軸線； 其中，光從輸入光纖輸入，通過固定遮光板的通光孔后，再經(jīng)可動MEMS器件產(chǎn)生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出；所述磁場產(chǎn)生裝置提供與光束平行的軸向磁場，與通過可動MEMS器件的電流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，驅(qū)動所述運(yùn)動遮光板產(chǎn)生運(yùn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述固定遮光板和可動MEMS器件位于輸入光纖和輸出光纖之間,所述輸出光纖端口與輸入光纖I端口相對，且它們的中心位于同一軸線上；光束從輸入光纖發(fā)射后，經(jīng)過自由傳播可以進(jìn)入輸出光纖，實(shí)現(xiàn)光信號輸出，形成完整的光通路；通過控制可動MEMS器件的運(yùn)動遮光板和固定遮光板的通光孔之間的關(guān)系，可以對進(jìn)入輸出光纖的光信號強(qiáng)弱進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)可控光衰減。
3.如權(quán)利要求1所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述固定遮光板3為硅片、玻璃片或其它材料，表面鍍有反光膜；表面的反光膜為具有反光性能的薄膜材料；所述開通光孔的大小與光束的大小有關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述可動MEMS器件由中間帶有運(yùn)動遮光板的梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述梁結(jié)構(gòu)為可以通過電流的彈性結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述梁結(jié)構(gòu)是折疊梁結(jié)構(gòu)或直梁結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述可變光衰減器采用洛倫茲力進(jìn)行驅(qū)動，由驅(qū)動電路為所述可動MEMS器件提供穩(wěn)恒的電流，電流與所述磁場產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，所產(chǎn)生的洛倫茲力帶動運(yùn)動遮光板運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)光衰減；通過控制電流的大小可以控制運(yùn)動遮光板的位置，從而實(shí)現(xiàn)對光衰減量的控制；運(yùn)動遮光板的位移與驅(qū)動電流成線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對光衰減量的線性控制。
7.如權(quán)利要求1所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述固定遮光板的通光孔與未加驅(qū)動電流時(shí)運(yùn)動遮光板初始位置的相對關(guān)系根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)整。
8.如權(quán)利要求7所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述運(yùn)動遮光板與通光孔的初始位置為運(yùn)動遮光板完全遮住通光孔、完全露出通光孔或部分遮住通光孔。
9.如權(quán)利要求1所述的一種擋光式微機(jī)電可變光衰減器，其特征在于:所述磁場產(chǎn)生裝置可以是環(huán)形的永久磁鐵，也可以是通電螺線管構(gòu)成的電磁鐵或者其它可以產(chǎn)生相對均勻軸向磁場的裝置。
【文檔編號】G02B6/26GK103576241SQ201310510617
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】毛旭, 呂興東, 魏偉偉, 楊晉玲, 楊富華 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所