專利名稱：一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光通信應用中的無源器件，主要用于下載密集波分復用系統(tǒng)(DWDM系統(tǒng))光纖傳輸線路中的多波長信號中的指定波長光信號或將指定光波長信號上載到DWDM系統(tǒng)的光纖傳輸線路中，構成新的多波長傳輸信號。
現(xiàn)在已經(jīng)提出的OADM相關技術中，有利用控制光開關和波導陣列光柵制作的OADM，其美國專利號為6385362 B1。它是利用在在一個基底上放置有三層不同的敷層，其中最主要的是利用其中的一個polymer層，即高聚合物層，利用加熱改變polymer的折射率，使得polymer層起到一個光開關的作用，然后利用光開關來選擇所需要的波長范圍，最后用波導陣列光柵來輸出分開的光信號。在這個專利中關鍵要很精確的控制好polymer的狀態(tài)，即開關狀態(tài)，即作出的OADM熱穩(wěn)定性不好，而且在本專利中還需要用到兩個波導陣列的光柵進行輸出與輸入，這也造成器件本身的體積增大，而且器件成本也很高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。另外還有是利用兩個雙光纖插針，兩個耦合透鏡，一個濾波片構成的OADM。其中國專利申請?zhí)枮?9124947.X。其中一個雙光纖插針與一個耦合透鏡構成一個雙光纖準直器，而濾波片放在兩個雙光纖準直器之間如

圖1所示。它利用端口11為光信號的輸入端，端口19作為光信號下載端，端口17作為光信號的上載端，而端口12作為光信號的輸出端，以此來實現(xiàn)光信號的光分插復用功能。而眾所周知，雙光纖準直器對角度的變化非常敏感，只要給兩雙光纖準直器有一個偏向角，其引起的損耗就大大增加，一般其偏向角度要控制在0.02度以內(nèi)，這樣在調試其對準光路的時候就需要非常高的裝配精度。而在專利99124947.X的方案中，濾波片的安裝角度的變化就會大大影響雙光纖準直器的光路對準，這樣也直接影響了其OADM的主要性能指標，比如其插入損耗大大增加，在偏轉角度只有0.1度時，其插入損耗就達到5.7dB。其次是濾波片的安裝角度要求很高，使得其調試精度也要求很高，這直接導致了其成品率很低。所以用此種方法構成的OADM器件雖然結構比較簡單，但由于裝配的要求精度非常高，調試非常困難，且成品率低，不利于大批量生產(chǎn)。
MEMS微機電系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical Systems，簡稱″MEMS″)，又稱微系統(tǒng)，是受微電子技術啟發(fā)并在其基礎上發(fā)展起來的、是微電子加工技術和多種微機械加工技術相融合而成的微型系統(tǒng)。完整的MEMS是由感知外界信息(力、熱、光、磁、化等)的微傳感器、控制對象的微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。MEMS具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點，如微型化、以硅為主要材料，機械電氣性能優(yōu)良、可批量生產(chǎn)、集成化等，同時又集約了機械、材料、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科發(fā)展出的尖端成果。具有多學科交叉、多技術融合的特點，并且為上述學科的進一步研究和發(fā)展提供了有力的工具。
其次在于利用MEMS的封裝技術，設計一種封裝難度低，操作簡單，器件集成度高，其性能指標好，如插入損耗可作到小于1dB，使之具有單波長光分插復用功能的四端口OADM器件。如果多級串接使用本發(fā)明，還可以實現(xiàn)多波長光信號上下復用。
實現(xiàn)本發(fā)明的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，含有帶通濾波器件，其主要特征在于(1)利用MEMS技術中的腐蝕與刻蝕工藝，在硅片上制作出四根光纖，四個球透鏡(ball lens)，帶通濾波器件的V型放置槽和矩形放置槽。以此來對OADM器件的各個部件進行精確定位。所制作的V型槽其槽寬度范圍可以是490～2500um，其槽深可以是300～1750um。所制作的矩形放置槽其槽寬度范圍可以是0.5～10mm，其槽深可以是0.5～10mm。
(2)如(1)中所述制作好放置槽的硅基片，利用微裝配技術在其相應的V型槽位置放置輸入光信號光纖、輸出光信號光纖、上載光信號光纖、下載光信號光纖、四個球透鏡，在矩形放置槽內(nèi)放置一個帶通濾波器件構成一個四端口的OADM器件。
(3)如(1)中所述的V型放置槽，其進一步的特征是在光纖與球透鏡的放置槽之間設有一段定位光纖端面的V型槽，其V型槽與光纖放置V型槽相比有一個高度差，其高度差可以控制在1～10個um內(nèi)，主要作用是定位光纖端面的位置，當光纖推入光纖放置V型槽時，光纖端面會因為這兩個V型槽的不同高度而停留在兩V型槽的交界處。這個裝置設置在每個光纖放置槽和球透鏡放置槽之間。
(4)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是輸入光信號光纖和下載光信號光纖所在的光軸與上載光信號光纖和輸出光信號光纖所在的光軸相交，這兩光軸之間的夾角可以成30°～90°夾角。
(5)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是帶通濾波器件可以是波長動態(tài)可調諧的，這樣可以使用戶選擇上載或下載何種光信號，即構成可重構型OADM。帶通濾波器的長度范圍在0.5～10mm，厚度在10～400um，寬度在0.5～10mm，濾波范圍可選擇在980～1650um內(nèi)。
(6)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是帶通濾波器件還可以用帶阻濾波器件代替。帶阻濾波器件與帶通濾波器件作用正好相反，帶通濾波器件是指定波長的光信號可以以很小的損耗完全通過，非指定波長光信號將被反射。帶阻濾波器件是指定的波長光信號被反射，非指定的波長光信號透射通過。因此使用帶阻濾波器件其光信號輸出端與上載端的功能正好與使用帶通濾波器件的作用相反。
(7)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是用平凸透鏡(Plano-Convex)代替球透鏡，可以減小球透鏡引起的球差，可以比球透鏡提高5％～9％的耦合效率，但平凸透鏡不象球透鏡是球對稱的，這使裝配難度有所增加。
(8)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是用單纖準直器代替球透鏡與光纖的組合系統(tǒng)。使用四個單纖準直器，與使用兩個雙纖準直器比較起來對角度的容差，而且由于四個單纖準直器是彼此分開的，調試更為容易。而且其插入損耗也比較小，可以達到小于1dB。其缺點是導致其產(chǎn)品體積較大。
(9)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是用擴束光纖代替球透鏡和光纖系統(tǒng)，還可以用Corning公司的Collimating Lensed Fiber代替球透鏡和光纖系統(tǒng)。上述方案也具有很好的器件性能，但其缺點是擴束光纖與Collimating Lensed Fiber制作工藝較困難，而且成本較高。
(10)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是用折射率匹配液填充光纖與球透鏡中間的空隙，以提高光信號的耦合效率，一般可以提高1～5個百分點的耦合效率，同時可以減少回波功率。但其缺點是折射率匹配液使用時間過長，容易引起折射率匹配液的老化，影響其光路的性能指標。
(11)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是多級串接使用本發(fā)明，可以實現(xiàn)多波長光信號的上載與下載。
(12)在上述的OADM器件中，其進一步的特征可以是四根光纖的輸出端面與接收端面的位置均在球透鏡的焦面上即離球透鏡球心為一倍的焦距，四個球透鏡具有一樣的半徑與一樣的折射率。球透鏡半徑可以是200um～1000um，球透鏡折射率可以是1.4～2.0。
(13)如(11)中所述，其進一步的特征可以是輸入光信號光纖端面或在球透鏡焦平面上，或放置在距離球透鏡球心稍小于一倍的焦距的地方，即不是在球透鏡的焦面上，其離開焦面的距離可以在0～20um，而接收光信號光纖端面也可以放置在距離球透鏡球心稍遠于一倍的焦距的地方，即不是在球透鏡的焦面上，其離開焦面的距離也可以在0～20um。這樣做的目的是可以進一步減小球透鏡帶來的球差，提高光信號的耦合效率。
(14)如(11)中所述，其進一步的特征可以是輸入光信號端球透鏡的焦距f1與下載端球透鏡的焦距f2，其兩者的比值f2/f1是1～6，并且上載光信號端球透鏡的焦距f3與輸出光信號端球透鏡的焦距f4，其兩者的比值f4/f3是1～6，這樣做的目的也可以提高一部分光信號的耦合效率。
(15)如(2)所述的輸入光纖信號光纖，輸出光信號光纖，上載光信號光纖和下載光信號光纖的端面可以有一個傾角，其傾角范圍在0°～8°。
本發(fā)明一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，采用在硅片上MEMS的腐蝕與刻蝕工藝，制作出各個部件的V型放置槽，精確定位出各個部件的位置，其中還設計了一個利用不同高度的V型槽來精確定位光纖端面的位置。再利用球透鏡的聚焦與光線準直原理，并利用帶通濾波器件選擇下載與上載的光波長，使得非選定的光波長光信號反射耦合，而選定光波長的上載與下載光信號透射耦合，來實現(xiàn)光分插復用功能。本發(fā)明還實現(xiàn)了精確微光學裝配平臺制作工藝的簡單化，并利用MEMS的封裝技術，使得器件集成在很小的芯片，其產(chǎn)品體積小，并可大批量生產(chǎn)，具有裝配要求低等優(yōu)點，有望作為OADM器件中的一種，廣泛用于光傳送網(wǎng)絡中。
圖2本發(fā)明光路結構圖。
圖3本發(fā)明制作的有V型槽的硅基片示意圖。
圖4球透鏡放置在V型槽中示意圖。
圖5本發(fā)明裝配側面示意圖。
圖6光纖出射的光經(jīng)過球透鏡后傳播示意圖。
圖7串接使用本發(fā)明實現(xiàn)多波長光信號上載與下載示意圖。
圖1為已有技術，它是利用雙纖準直器來實現(xiàn)光分插復用功能。圖中11是輸入光纖，14是雙光纖插針。光信號從11輸入后，經(jīng)過聚焦透鏡13，再經(jīng)過特定波長的濾波片16，特定波長λ1的光信號透過濾波片16，再經(jīng)聚焦透鏡15，經(jīng)雙光纖插針18，由下載光纖19輸出。上載特定波長λ1光信號由上載光纖17輸入，經(jīng)雙光纖插針18，聚焦透鏡15，再經(jīng)濾波片16，與11輸入的非λ1波長光信號一起經(jīng)過透鏡14，再經(jīng)雙光纖插針14，耦合入輸出光纖12。
圖2是本發(fā)明的光路結構圖。101為輸入光信號光纖，輸入光信號經(jīng)球透鏡104聚焦準直后，經(jīng)過帶通濾波器件107，特定波長λ1光信號將通過帶通濾波器件107，再經(jīng)過球透鏡109聚焦，使光信號耦合進入下載光信號光纖108。上載光信號光纖103中輸入特定波長λ1光信號，光信號經(jīng)過球透鏡102，聚焦準直后經(jīng)過帶通濾波器件107，與光纖101輸入的非特定波長λ1的光信號經(jīng)過球透鏡106耦合進入輸出光纖105。以此來完成光分插復用功能。
圖3是本發(fā)明實施例在硅片上刻好V型放置槽的示意圖。圖中207為硅基片。204是圖2中輸出光信號光纖105的放置槽，301為定位光纖105端面的定位V型槽，其還具有擴大通過輸出光信號通道的作用。205為放置圖2中球透鏡106的定位槽。213是圖2中下載光信號光纖108的放置槽，302為定位光纖108端面的定位V型槽，其還具有擴大通過下載光信號通道的作用。209為放置圖2中球透鏡109的定位槽。303是圖2中上載光信號光纖103的放置槽，304為定位光纖103端面的定位V型槽，其還具有擴大通過上載光信號通道的作用。307為放置圖2中球透鏡102的定位槽。308是圖2中輸入光信號光纖101的放置槽，307為定位光纖101端面的定位V型槽，其還具有擴大通過輸入光信號通道的作用。310為放置圖2中球透鏡104的定位槽。圖中309和306為兩個相互垂直的V型槽，其主要作用為擴大光信號通過的自由空間，使光信號不因被硅片阻擋而引起損耗。214為圖2中帶通濾波器件107的放置槽。
圖4為本發(fā)明實施例的裝配剖面示意圖。利用MEMS技術加工好的硅片207，硅片上已經(jīng)定位好光纖，球透鏡，帶通濾波器件的位置，圖4中203為輸入光信號光纖101的纖芯，204為圖3中V型槽308，215為圖3中V型槽307，216為圖3中V型槽309，219為圖3中V型槽302，213為圖3中V型槽213，212為下載光信號光纖108的纖芯，202和211為放置在光纖上的彈性封裝材料，210為器件上部封裝金屬片，201為器件外部的金屬封裝盒，218和217為金屬片210與金屬盒201的焊點。
圖5為本發(fā)明球透鏡放入刻好的V型槽示意圖。圖中501為球透鏡，502為放置球透鏡的V型槽。
圖6為本發(fā)明光信號在光纖與球透鏡中傳播示意圖。圖中601為光纖，602為球透鏡，603為傳播的光信號。
圖7為串接使用本發(fā)明實現(xiàn)多波長上載與下載光信號示意圖。其中401為整個OADM系統(tǒng)的輸入光信號端，它輸入包含有λ1，λ2......λn個光波長信號。光信號經(jīng)過第一個OADM器件后在402上載λ1光信號，而在404下載λ1光信號，403為第一個OADM器件輸出端與第二個OADM器件輸入端405串接，光信號經(jīng)過第二個OADM器件后，由上載光信號端406上載λ2光信號，而由下載光信號端408下載λ2光信號，第二個OADM器件輸出光信號端407繼續(xù)向下串接OADM器件，到達第n個OADM器件后，由上載光信號端410上載λn光信號，而由下載光信號端412下載λn光信號，最后由第n個OADM器件輸出端411輸出λ1，λ2......λn光信號。
本發(fā)明的具體實施方式
如下1.利用MEMS中的腐蝕工藝制作出圖3所示的204，301，205，213，302，209，303，304，305，306，307，308，309，310，214各個V型放置槽。其中204，213，303，308均為槽寬半徑53um，槽深74um。301，302，304，307均為槽寬半徑49um，槽深70um，槽長125um。205，209，305，310均為正方形邊長槽寬為1186um。306與309均為槽寬半徑70um，槽深100um，槽長1700um。
2.如(1)中所述制作好的硅基片再利用MEMS技術中的刻蝕工藝在306和309的中心處刻蝕出與306與309均成45度角的214放置槽，其槽深度為150um，槽寬200um。
3.利用微裝配技術把光纖，球透鏡，帶通濾波器件放入相應的放置槽，并適當做些輕微調整，然后用少量固定膠水固定光纖及帶通濾波器件的邊緣。
4.將整個硅基片放入金屬盒內(nèi)，在四根光纖上放如圖4中所示的彈性材料202，其尺寸為440×440×440um，在利用金屬片蓋板封裝整個器件，再在金屬片與金屬盒的邊緣用焊錫將其固定。
5.當利用單光纖準直器來代替球透鏡與光纖的組合系統(tǒng)的時候，其放置單光纖準直器的放置V型槽需要做相應的調整，其V型槽的槽寬可以是777um，槽深可以是800um，也可以把硅片完全腐蝕穿通。
權利要求
1.一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，包括透鏡、光纖、濾波片，其特征在于(1)四個V型放置槽在相應位置放置輸入光信號光纖，輸出光信號光纖，上載光信號光纖，下載光信號光纖，四個球透鏡以及一個帶通濾波器件；(2)在光纖與球透鏡的放置槽之間設有一段比光纖放置槽位置高1～10um的V型槽，其槽寬，槽深不同于放置光纖的V型放置槽。
2.按權利要求1所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于輸入光信號光纖和下載光信號光纖與上載光信號光纖和輸出光信號光纖構成的兩個光軸之間的夾角成30°～90°。
3.按權利要求1所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于所述的帶通濾波器或為波長動態(tài)可調諧，或為固定波長，或帶阻濾波器件。
4.按權利要求3所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于所述的波長動態(tài)可調諧濾波器的波長為980～1650um，長度為0.5～10um，厚度為10～400um，寬度為0.5～10。
5.按權利要求1所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于四個V型槽、四個球透鏡及一個帶通濾波器的位置是利用微機電系統(tǒng)技術在硅片上精確定位，制作出微型光學裝配平臺，其中V型槽的寬度為490～2500um，深度為300～1750um。
6.按權利要求1所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于所述的四個球透鏡的半徑和折射率相同，半徑為200-1000μm，折射率1.4-2.0，且或可用平凸透鏡代替，或者用單前準直器或用擴束光纖代替，或用準直透鏡光纖來代替球透鏡與光纖系統(tǒng)。
7.按權利要求1或6所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于光纖與球透鏡中間的空隙用折射率匹配液填充。
8.按權利要求書1所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術的光分插復用器，其特征在于四根光纖端面或放置在球透鏡焦平面上，或離焦平面放置，其距離在0～20um。
9.按權利要求書1所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于(1)四根光纖的端面可以制作成有一定的傾角，其傾角范圍在0°-8°。(2)輸入光信號端球透鏡的焦距f1與下載端球透鏡的焦距f2，其兩者的比值f2/f1是1～6，并且上載光信號端球透鏡的焦距f3與輸出光信號端球透鏡的焦距f4，其兩者的比值f4/f3是1～6。
10.按權利要求書1所述的一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于多級串聯(lián)以實現(xiàn)多波長光信號的上載與下載。
全文摘要
一種基于微機電系統(tǒng)技術制作的光分插復用器，其特征在于以MEMS技術為基礎，采用其精確的定位技術，在硅片上精確定位四個球透鏡、四個光纖及一個帶通濾波器件的位置，然后再在相應的位置放置四根光纖、四個球透鏡及一個帶通濾波器件，且在光纖與球透鏡的放置槽之間設有一段比光纖放置槽位置高1－10μ的槽，以此構成一個基本的四端口光分插復用器。本發(fā)明其中兩端口作為指定波長的上載端與下載端，其它兩端口一個作為輸入端，一個作為輸出端。本發(fā)明主要用于密集波分復用系統(tǒng)中的上下載不同波長信號。串接使用本光分插復用器件還可以實現(xiàn)多波長光信號的上載與下載。
文檔編號H04J14/02GK1396738SQ0213636
公開日2003年2月12日 申請日期2002年8月2日 優(yōu)先權日2002年8月2日
發(fā)明者吳亞明, 李四華 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所