一種擋光式微機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、磁場產生裝置和驅動電路；固定遮光板中心具有通光孔，驅動電路和固定遮光板的下表面與可動MEMS器件的上表面對準鍵合，可動MEMS器件中心具有運動遮光板，磁場產生裝置為中心漏空結構，且可動MEMS器件和磁場產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，再經可動MEMS器件產生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出；所述磁場產生裝置提供與通過可動MEMS器件的電流相互作用產生洛倫茲力，驅動所述運動遮光板產生運動。本發(fā)明公開的可變光衰減器的光衰減量連續(xù)可調。
【專利說明】—種擋光式微機電可變光衰減器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光電【技術領域】，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度產生可控的衰減。
【背景技術】
[0002]隨著通信業(yè)務量的飛速增長，業(yè)務形式的多樣化，全光網絡已成為現在通信網絡的發(fā)展趨勢。光網絡實用化需要解決的關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(機械、電力、磁力等)作用下，實現光學元件運動或光學狀態(tài)的改變，從而改變光的傳輸效率，達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整器件，可以在光網絡中產生可控的衰減，與其他器件匹配很好地實現光增益平坦、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格較低，用以平衡光能量，但是由于衰減量不能調節(jié)，不能實現對信號的動態(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，對信號實現實時處理，是目前研究的重點，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、調整及校正等方面，在光通信網絡中，尤其是波分復用(WDM)系統(tǒng)中VOA具有廣泛的應用。
[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，主要有可調機械式技術、磁光技術、液晶技術、聲光技術、熱光技術、平面波導技術、MEMS技術等形式?；贛EMS的器件體積小、性能好、易于實現陣列、功耗低，完全適應市場發(fā)展的需要。采用MEMS技術制作的V0A，除保持傳統(tǒng)技術VOA全面的光學性能外，還具有衰減范圍大、體積小、易于多通道集成、響應速度快、性價比高等優(yōu)點，被認為是滿足未來全光通信網絡的理想的器件之一。但現有的MEMS VOA還存在一些技術問題:如驅動電壓大、線性度差、可靠性等，離實際應用還有一定距離。

【發(fā)明內容】

[0006]為解決現有技術中的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于電磁驅動的MEMS可變光衰減器(VOA)，以實現結構簡單、成本低、可靠性高、具有實際應用價值的可變光衰減器。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種擋光式微機電可變光衰減器，其包括:輸入輸出光纖、固定遮光板、可動MEMS器件、磁場產生裝置和驅動電路；固定遮光板中心具有通光孔，驅動電路和固定遮光板的下表面與可動MEMS器件的上表面對準鍵合，可動MEMS器件中心具有運動遮光板，磁場產生裝置為中心漏空結構，且可動MEMS器件6和磁場產生裝置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，再經可動MEMS器件產生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出；所述磁場產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生洛倫茲力，驅動所述運動遮光板產生運動。
[0008]從上述技術方案可以看出，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電可變光衰減器，在自由空間中衰減光信號，相應的波長相關損耗、極化相關損耗和插入損耗等都要低于其它方法，光學性能好。同時避免了反射式結構需要復雜的光纖對準等問題，衰減范圍大，動態(tài)特性好，可以廣泛應用于光通信網絡。
[0010]本發(fā)明提供的擋光式微機電可變光衰減器，用基于洛倫茲力的電磁驅動方式，既可以提供較大的驅動力，又不會有磁滯效應，實現了低壓驅動和快速響應，很好地滿足了光通信網絡快速、低功耗的發(fā)展的要求。
[0011]本發(fā)明提供的擋光式微機電可變光衰減器，利用微電子工藝加工制作，結構簡單，通過采用固定遮光板與可動MEMS器件相結合的方式，有效控制了光束的面積，減小了器件尺寸，能夠與CMOS器件實現集成，為光電集成提供基礎。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明中擋光式微機電可變光衰減器的結構示意圖；
[0013]圖2(a)?圖2(c)是本發(fā)明中擋光式微機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器件的結構示意圖；
[0015]圖4是本發(fā)明中可動遮光板在洛倫茲力驅動下運動原理圖。
【具體實施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0017]圖1示出了本發(fā)明公開的擋光式微機電可變光衰減器的結構示意圖。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、驅動電路4、可動MEMS器件
6、磁場產生裝置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，用于限制光斑大小和衍射等現象。驅動電路4為器件提供可控的驅動電源。所述驅動電路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的上表面對準鍵合；磁場產生裝置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的中心為運動遮光板9，磁場產生裝置8為中心露空的環(huán)形結構，且可動MEMS器件6和磁場產生裝置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，再經可動MEMS器件6產生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出。磁場產生裝置8可以提供與光束平行的軸向磁場，與通過可動MEMS器件6結構的電流相互作用，產生洛倫茲力，提供驅動，使運動遮光板9運動，如圖4所示。若可動MEMS器件6的運動遮光板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，經過自由傳播可以進入輸出光纖，實現光信號輸出，形成完整的光通路；若運動遮光板9將通光孔2完全擋住，則光束不能進入輸出光纖，光信號被完全衰減；若運動遮光板9將通光孔2部分擋住，則光束部分進入輸出光纖，通過洛倫茲力控制運動遮光板9的運動位置，可以控制通光孔2被運動遮光板9擋住的面積大小，可以控制進入輸出光纖的光信號的強度，從而可以產生可控的光衰減。光信號的強度與通光面積成正比；通光面積與運動遮光板9的位移大小成正比；對于彈性結構，運動遮光板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動電流成正比。因此，基于洛倫茲力驅動的可變光衰減器的光衰減量與驅動電流成線性關系，可實現線性連續(xù)控制。
[0018]圖2(a)-圖2(c)示出了本發(fā)明中擋光式微機電可變光衰減器的三種可選實施例的結構示意圖。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，經過自由傳播可以進入輸出光纖，實現光信號輸出，形成完整的光通路；若運動遮光板9將通光孔2完全擋住(如圖2 (a)所示)，則光束不能進入輸出光纖，光信號被完全衰減；若運動遮光板9將通光孔2部分擋住(如圖2(b)所示)，則光束部分進入輸出光纖，通過控制運動遮光板9擋住通光孔2部分面積的大小，可以控制進入輸出光纖的光信號的強度，從而可以產生可控的光衰減。
[0019]擋光式微機電可變光衰減器采用洛倫茲力進行驅動，磁場產生裝置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器件的結構示意圖。如圖3(a)所示，可動MEMS器件6采用硅片制作，由折疊梁構成，該折疊梁中間帶有運動遮光板9。如圖3(b)所示，可動MEMS器件6由直梁構成，該直梁中間帶有運動遮光板9。梁具有彈性，在MEMS結構中起彈簧的作用。
[0021]圖4示出了本發(fā)明中可動遮光板在洛倫茲力驅動下運動原理圖。如圖4所示，在縱向磁場中，當在梁上通過穩(wěn)恒的電流時，電流與磁場相互作用產生橫向的洛倫茲力。所產生的洛倫茲力帶動使梁結構產生形變，運動遮光板9運動，使運動遮光板9與通光孔2的相對位置產生變化，實現對進入輸出光纖的光信號強度的控制。
[0022]所述可動MEMS器件6的梁發(fā)生形變后，由于結構的彈性會產生彈性回復力，彈性力的大小與結構的位移成正比。結構穩(wěn)定時，彈性力與洛倫茲力相等。而洛倫茲力大小與驅動電流成正比，因此可以通過控制電流的大小來控制結構的位移，進而控制光衰減量。在穩(wěn)定的磁場下，電流產生的洛倫茲力可以精確地確定運動遮光板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。由于彈性力與結構的位移成正比，洛倫茲力與電流成正比，因此在磁場和結構確定的條件下，結構的位移與驅動電流成正比，可以利用電流對光衰減器實現線性控制。
[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。要實現光完全通過與完全衰減之間狀態(tài)的切換，運動遮光板9需要移動的距離等于光斑的大小，因而結構所需要的位移也為幾微米到幾十微米，器件的驅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生的洛倫茲力沒有磁滯效應，MEMS器件可快速運動，因此可變光衰減器可以實現不同狀態(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與未加驅動電流時運動遮光板9初始位置的相對關系可以根據具體需要，通過在固定遮光板與可動MEMS器件安裝時，簡單地調整固定遮光板3與可動MEMS器件(6)的對準位置，既可以設定成運動遮光板9將通光孔2完全遮住或者完全露出的狀態(tài)，也可以設定成部分遮住的狀態(tài)。不會增加在結構和工藝難度，并且能降低衰減器的功耗。
[0026]上述方案中，所述磁場產生裝置8還可以為通電螺線管構成的電磁鐵或者其他中間為空心可以產生相對均勻的軸向磁場的裝置，可以實現同樣的效果。
[0027]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解 的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種擋光式微機電可變光衰減器，其包括:輸入輸出光纖、固定遮光板、可動MEMS器件、磁場產生裝置和驅動電路；固定遮光板中心具有通光孔，驅動電路和固定遮光板的下表面與可動MEMS器件的上表面對準鍵合，可動MEMS器件中心具有運動遮光板，磁場產生裝置為中心漏空結構，且可動MEMS器件6和磁場產生裝置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，再經可動MEMS器件產生可控的光衰減后，由輸出光纖輸出；所述磁場產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生洛倫茲力，驅動所述運動遮光板產生運動。
2.如權利要求1所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，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，經過自由傳播可以進入輸出光纖，實現光信號輸出，形成完整的光通路；通過控制可動MEMS器件的運動遮光板和固定遮光板的通光孔之間的關系，可以對進入輸出光纖的光信號強弱進行控制，實現可控光衰減。
3.如權利要求1所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，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。
4.如權利要求1所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，其特征在于:所述可動MEMS器件由中間帶有運動遮光板的梁結構構成，所述梁結構為可以通過電流的彈性結構。
5.如權利要求4所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，其特征在于:所述梁結構是折疊梁結構或直梁結構。
6.如權利要求1所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，其特征在于:所述可變光衰減器采用洛倫茲力進行驅動，由驅動電路為所述可動MEMS器件提供穩(wěn)恒的電流，電流與所述磁場產生裝置產生的磁場相互作用產生洛倫茲力，所產生的洛倫茲力帶動運動遮光板運動，實現光衰減；通過控制電流的大小可以控制運動遮光板的位置，從而實現對光衰減量的控制；運動遮光板的位移與驅動電流成線性關系，可實現對光衰減量的線性控制。
7.如權利要求1所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，其特征在于:所述固定遮光板的通光孔與未加驅動電流時運動遮光板初始位置的相對關系根據具體需要進行調整。
8.如權利要求7所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，其特征在于:所述運動遮光板與通光孔的初始位置為運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.如權利要求1所述的一種擋光式微機電可變光衰減器，其特征在于:所述磁場產生裝置可以是環(huán)形的永久磁鐵，也可以是通電螺線管構成的電磁鐵或者其它可以產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:中國科學院半導體研究所