一種數(shù)字化控制的mems可調(diào)光衰減器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖通信、光纖傳感及MEMS光通信器件領(lǐng)域，特別是涉及一種數(shù) 字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可調(diào)光衰減器是光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用最廣泛的光器件之一，其主要功能是對(duì)光信 號(hào)功率的動(dòng)態(tài)控制，其具體應(yīng)用包括光通信線路的光信號(hào)功率動(dòng)態(tài)調(diào)控、光通信線路性能 測(cè)試和光器件測(cè)試等，而且對(duì)光衰減量的控制精度要求越來(lái)越高。特別是在光通信線路性 能測(cè)試和光器件測(cè)試中，需要準(zhǔn)確控制光衰減量。
[0003] 目前，在商用MEMS可調(diào)光衰減器中，主流產(chǎn)品是基于微鏡偏轉(zhuǎn)的MEMS可調(diào)光衰減 器，其采用靜電驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)功耗很低，體積小、封裝簡(jiǎn)易、成本低，近幾年得到了大量的 應(yīng)用。但是，MEMS微鏡的轉(zhuǎn)角與驅(qū)動(dòng)電壓平方成正比，同時(shí)高斯光束的耦合損耗與鏡面轉(zhuǎn)角 之間為指數(shù)函數(shù)的平方關(guān)系，因此MEMS可調(diào)光衰減器的電壓-衰減曲線的斜率會(huì)隨衰減量 的增加而急劇增大。隨著MEMS可調(diào)光衰減器的驅(qū)動(dòng)電壓降低到5V以下，電壓-衰減曲線 斜率在15dB時(shí)已達(dá)到20dB/V，如果期望5V時(shí)有更大的衰減范圍，則電壓-衰減曲線斜率就 會(huì)更大。圖1為5V驅(qū)動(dòng)電壓VOA的典型電壓-衰減曲線，由圖可見(jiàn)，衰減器的輸出損耗值對(duì) 于驅(qū)動(dòng)電源電壓非常敏感，當(dāng)需要對(duì)損耗精確調(diào)節(jié)時(shí)，對(duì)電壓控制精度提出了很高的要求， 同時(shí)也易受電磁干擾的影響。
[0004] 對(duì)于靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS光衰減器，通常難以避免靜電"慢漂移"的影響，這主要是因 為靜電荷在絕緣部位的積累，其靜電場(chǎng)將引起光衰減量的緩慢變化，這一效應(yīng)需要長(zhǎng)時(shí)間 的精密測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)。MEMS光衰減器的電壓-衰減曲線也會(huì)隨著器件的老化、應(yīng)力的釋放 等原因而出現(xiàn)"慢漂移"。因此，在不采用反饋控制的情況，現(xiàn)有靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS光衰減器 的衰減量會(huì)出現(xiàn)不同程度的"漂移"，導(dǎo)致其衰減量控制的長(zhǎng)期精度不高。在要求較高衰減 量控制精度時(shí)，采用開(kāi)環(huán)控制難以達(dá)到要求，需要引入衰減量的反饋控制，大大增加了器件 成本、功耗和體積。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字化控制的MEMS 可調(diào)光衰減器及控制方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中MEMS可調(diào)光衰減器的衰減量開(kāi)環(huán)控制精 度不高的問(wèn)題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰 減器，所述的MEMS可調(diào)光衰減器包括N面可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡陣列，每面扭轉(zhuǎn)微鏡只有 兩個(gè)扭轉(zhuǎn)角度狀態(tài)，通過(guò)控制每面微鏡的扭轉(zhuǎn)角度狀態(tài)實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)衰減量的數(shù)字化控 制，其中，9彡N彡50。
[0007] 作為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的一種優(yōu)選方案，所述扭轉(zhuǎn)微鏡 的兩個(gè)扭轉(zhuǎn)角度狀態(tài)分別為0°及最大扭轉(zhuǎn)角度Θ，分別對(duì)應(yīng)輸入至扭轉(zhuǎn)微鏡的光束OdB 衰減及最大衰減兩種狀態(tài)，在最大扭轉(zhuǎn)角度Θ下，所述轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)微鏡可實(shí)現(xiàn)輸入光束不小于 60dB的衰減。
[0008] 作為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的一種優(yōu)選方案，所述扭轉(zhuǎn)微鏡 的驅(qū)動(dòng)電壓只有兩種狀態(tài)，分別為0和V，其中，V多V 0，V0為剛好達(dá)到最大扭轉(zhuǎn)角度Θ對(duì) 應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓。
[0009] 作為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的一種優(yōu)選方案，各面可獨(dú)立驅(qū) 動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡為懸臂梁支撐的長(zhǎng)條狀單晶硅膜，各長(zhǎng)條狀單晶硅膜表面鍍制光學(xué)高反射 膜，每面扭轉(zhuǎn)微鏡的寬度根據(jù)該面扭轉(zhuǎn)微鏡的設(shè)計(jì)衰減量來(lái)確定。
[0010] 優(yōu)選地，各可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡采用靜電平板的驅(qū)動(dòng)方式，所述靜電平板與各 扭轉(zhuǎn)微鏡之間設(shè)置有限位凸臺(tái)，以防止扭轉(zhuǎn)微鏡與靜電平板永久吸合，所述限位凸臺(tái)決定 所述扭轉(zhuǎn)微鏡的最大扭轉(zhuǎn)角度θ。
[0011] 優(yōu)選地，各面可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡采用壓電的驅(qū)動(dòng)方式，所述懸臂梁由單晶硅 和壓電材料雙層薄膜制成。
[0012] 作為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的一種優(yōu)選方案，所述N面可獨(dú)立 驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡陣列具有不小于95%的填充因子。
[0013] 本發(fā)明還提供一種數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的控制方法，其中，所述MEMS 可調(diào)光衰減器由N比特二進(jìn)制小數(shù)0. S1S^ Sn來(lái)控制衰減量，小數(shù)點(diǎn)后第1位S i、第2位S2 到第N位Sn，分別對(duì)應(yīng)著對(duì)輸入光信號(hào)S1 · 2' S2 · 2<到S N · 24的衰減，N比特共同實(shí)現(xiàn)將 輸入光功率為1的光信號(hào)衰減為光功率為S1 · 24+S2 · 2<+~+SN · 24的光信號(hào)，其中S i = 0對(duì)應(yīng)第i面扭轉(zhuǎn)微鏡的扭轉(zhuǎn)角度為最大扭轉(zhuǎn)角度Θ，Si= 1對(duì)應(yīng)第i面扭轉(zhuǎn)微鏡的扭轉(zhuǎn) 角度為〇°
[0014] 作為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的控制方法的一種優(yōu)選方案，所 述MEMS可調(diào)光衰減器的控制數(shù)字0. S1S2…確定算法為根據(jù)設(shè)計(jì)的最大衰減量A dB、衰 減步長(zhǎng)δ dB，結(jié)合采用的總衰減量控制方式或衰減量控制方式，分別計(jì)算每個(gè)衰減dB值對(duì) 應(yīng)的S1 · 2<+S2 · 2_2+~+SN · 2_N衰減值，所得到對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制小數(shù)0. S iS2~SN，構(gòu)成對(duì)應(yīng)的 表格，存儲(chǔ)在控制器中，根據(jù)每次設(shè)定的衰減值，查表得到控制數(shù)字〇. S1S2…SN。
[0015] 作為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的控制方法的一種優(yōu)選方案，所 述MEMS可調(diào)光衰減器存在一個(gè)不能控制的插入損耗值IL dB，其衰減量控制有兩種控制方 式，一種是總衰減量控制方式，即從IL dB至A+IL dB以步長(zhǎng)SdB進(jìn)行衰減，另一種是衰減 量控制方式，即實(shí)際總衰減量扣除IL dB外，從0 dB至A dB以步長(zhǎng)δ dB進(jìn)行衰減。
[0016] 如上所述，本發(fā)明提供一種數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器，所述的MEMS可調(diào)光 衰減器包括N面可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡陣列，每面扭轉(zhuǎn)微鏡只有兩個(gè)扭轉(zhuǎn)角度狀態(tài)，通過(guò) 控制每面微鏡的扭轉(zhuǎn)角度狀態(tài)實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)衰減量的數(shù)字化控制，其中，9 < N < 50。本 發(fā)明具有以下有益效果：1)采用數(shù)字化二進(jìn)制電壓控制，實(shí)現(xiàn)了 MEMS光衰減器高精度的衰 減量控制；2)無(wú)需采用反饋控制，可以有效抑制靜電驅(qū)動(dòng)MEMS光衰減器的"慢漂移"，大幅 度降高精度光衰減器的成本和體積；3)可以有效抑制MEMS光衰減器的溫度相關(guān)插入損耗， 大幅度降低器件的溫度影響；4)數(shù)字化控制的高精度MEMS光衰減器將大幅降低可調(diào)光衰 減器儀表的成本和體積。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1顯示為5V驅(qū)動(dòng)電壓VOA的典型電壓-衰減曲線。
[0018] 圖2顯示為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3顯示為本發(fā)明的數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0021] 10 扭轉(zhuǎn)微鏡
[0022] 101長(zhǎng)條狀單晶硅膜
[0023] 102懸臂梁
[0024] 103光學(xué)高反射膜
[0025] 104限位凸臺(tái)
[0026] 20 共用焊盤(pán)
[0027] 30 圖形化的SOI襯底
[0028] 40 下電極引線焊盤(pán)
[0029] 50 驅(qū)動(dòng)下電極
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū) 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0031] 請(qǐng)參閱圖2~圖3。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明 本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0032] 如圖2~圖3所示，本實(shí)施例提供一種數(shù)字化控制的MEMS可調(diào)光衰減器，所述的 MEMS可調(diào)光衰減器包括N面可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡10陣列，每面扭轉(zhuǎn)微鏡10只有兩個(gè)扭 轉(zhuǎn)角度狀態(tài)，通過(guò)控制每面微鏡的扭轉(zhuǎn)角度狀態(tài)實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)衰減量的數(shù)字化控制，其 中，9 < N < 50,例如，如圖2所示為N = 9,即所述MEMS可調(diào)光衰減器由9面可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的 扭轉(zhuǎn)微鏡10陣列組成。
[0033] 在本實(shí)施例中，所述扭轉(zhuǎn)微鏡10的兩個(gè)扭轉(zhuǎn)角度狀態(tài)分別為0°及最大扭轉(zhuǎn)角度 Θ，分別對(duì)應(yīng)輸入至扭轉(zhuǎn)微鏡10的光束OdB衰減及最大衰減兩種狀態(tài)，在最大扭轉(zhuǎn)角度Θ 下，所述轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)微鏡可實(shí)現(xiàn)輸入光束不小于60dB的衰減。所述扭轉(zhuǎn)微鏡10的驅(qū)動(dòng)電壓只有 兩種狀態(tài)，分別為〇和V，其中，V多V 0，V0為剛好達(dá)到最大扭轉(zhuǎn)角度Θ對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓。
[0034] 在本實(shí)施例中，所述MEMS可調(diào)光衰減器結(jié)構(gòu)如圖2~圖3所示，其包括：圖形化的 SOI襯底30、懸臂梁102、長(zhǎng)條狀單晶硅膜101、限位凸臺(tái)104、光學(xué)高反射膜103、共用焊盤(pán) 20、驅(qū)動(dòng)下電極50、以及下電極引線焊盤(pán)40。
[0035] 其中，各面可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡10為懸臂梁102支撐的長(zhǎng)條狀單晶硅膜101， 懸臂梁102的長(zhǎng)度、寬度與厚度等參數(shù)根據(jù)根據(jù)MEMS可調(diào)光衰減器設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電壓、抗震 要求等因素綜合確定，保證各面扭轉(zhuǎn)微鏡10在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下吸合，以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)。各長(zhǎng) 條狀單晶硅膜101表面鍍制有光學(xué)高反射膜103,每面扭轉(zhuǎn)微鏡10的寬度根據(jù)該面扭轉(zhuǎn)微 鏡10的設(shè)計(jì)衰減量來(lái)確定，該寬度獨(dú)立于懸臂梁102的寬度?？紤]輸入光束為高斯光斑照 射到扭轉(zhuǎn)微鏡10陣列上，高斯光斑具有高斯分布特性，其中心區(qū)域最強(qiáng)、向邊緣區(qū)域逐步 減弱，衰減權(quán)重最大的Ml的位置位于高斯光斑的最中央?yún)^(qū)域，其余扭轉(zhuǎn)微鏡10向兩側(cè)依次 排列，并且，各扭轉(zhuǎn)微鏡10的寬度根據(jù)其相對(duì)光斑的位置以及對(duì)于衰減量的貢獻(xiàn)權(quán)重來(lái)設(shè) 計(jì)。
[0036] 在本實(shí)施例中，各可獨(dú)立