CN100479356C

CN100479356C - 一种基于微机电系统技术制作的光分插复用器

Info

Publication number: CN100479356C
Application number: CNB021363625A
Authority: CN
Inventors: 吴亚明; 李四华
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: CN1396738A

Abstract

一种基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于以MEMS技术为基础，采用其精确的定位技术，在硅片上精确定位四个球透镜、四个光纤及一个带通滤波器件的位置，然后再在相应的位置放置四根光纤、四个球透镜及一个带通滤波器件，且在光纤与球透镜的放置槽之间设有一段比光纤放置槽位置高1-10μ的槽，以此构成一个基本的四端口光分插复用器。本发明其中两端口作为指定波长的上载端与下载端，其它两端口一个作为输入端，一个作为输出端。本发明主要用于密集波分复用系统中的上下载不同波长信号。串接使用本光分插复用器件还可以实现多波长光信号的上载与下载。

Description

一种基于微机电系统技术制作的光分插复用器

技术领域

本发明涉及一种光通信应用中的无源器件，主要用于下载密集波分复用系统(DWDM系统)光纤传输线路中的多波长信号中的指定波长光信号或将指定光波长信号上载到DWDM系统的光纤传输线路中，构成新的多波长传输信号。

背景技术

随着社会的发展，人们对于信息量的需求也日益增加。这也导致了光纤通信网络的高速发展，而随着通信网对传输容量不断增长的需要以及网络的交互性，灵活性的要求，也产生了各种复用技术，以增加传输的效率。在数字通信中，除了大家熟悉的时分复用(TDM)方式外，还出现了其它复用方式如：光时分复用(OTDM)，微波副载波复用(SCM)，密集波分复用(DWDM)等。尤其是密集波分复用系统发展迅速。因为在以前通常的做法是，在一根光纤中只传输单一波长信号，但是随着通信量的增加，这样的传输方式远远不能满足需要，而光纤本身的传输潜力却是巨大的。因此采用密集波分复用就成为了最有效的光纤通信扩容技术。它采用在一根光纤线路中同时传输十几乃至上百个不同的光波长信道，相当于以往的单一波长传输，其通信容量扩大了十几乃至几百倍，以适应人们对信息需求量的急剧增长，而且可以利用现有的光纤传输网络，节省了大量的成本。以DWDM技术为基础的光纤网络中，由于用户需要从光纤传输网络中下载需要的信息并且也需要向传输网络中上载信息，而要提高网络效率和灵活性，这就使得以后的光纤网络其发展的趋势是利用光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)结合构成一个光层网络即光传送网。而其中的光分插复用器就是在光网络中对指定的光波长信号进行上载与下载的一种重要设备。

现在已经提出的OADM相关技术中，有利用控制光开关和波导阵列光栅制作的OADM，其美国专利号为：6385362B1。它是利用在在一个基底上放置有三层不同的敷层，其中最主要的是利用其中的一个polymer层，即高聚合物层，利用加热改变polymer的折射率，使得polymer层起到一个光开关的作用，然后利用光开关来选择所需要的波长范围，最后用波导阵列光栅来输出分开的光信号。在这个专利中关键要很精确的控制好polymer的状态，即开关状态，即作出的OADM热稳定性不好，而且在本专利中还需要用到两个波导阵列的光栅进行输出与输入，这也造成器件本身的体积增大，而且器件成本也很高，不利于大规模生产。另外还有是利用两个双光纤插针，两个耦合透镜，一个滤波片构成的OADM。其中国专利申请号为：99124947.X。其中一个双光纤插针与一个耦合透镜构成一个双光纤准直器，而滤波片放在两个双光纤准直器之间如图1所示。它利用端口11为光信号的输入端，端口19作为光信号下载端，端口17作为光信号的上载端，而端口12作为光信号的输出端，以此来实现光信号的光分插复用功能。而众所周知，双光纤准直器对角度的变化非常敏感，只要给两双光纤准直器有一个偏向角，其引起的损耗就大大增加，一般其偏向角度要控制在0.02度以内，这样在调试其对准光路的时候就需要非常高的装配精度。而在专利99124947.X的方案中，滤波片的安装角度的变化就会大大影响双光纤准直器的光路对准，这样也直接影响了其OADM的主要性能指标，比如其插入损耗大大增加，在偏转角度只有0.1度时，其插入损耗就达到5.7dB。其次是滤波片的安装角度要求很高，使得其调试精度也要求很高，这直接导致了其成品率很低。所以用此种方法构成的OADM器件虽然结构比较简单，但由于装配的要求精度非常高，调试非常困难，且成品率低，不利于大批量生产。

MEMS微机电系统(Micro-Electro Mechanical Systems，简称″MEMS″)，又称微系统，是受微电子技术启发并在其基础上发展起来的、是微电子加工技术和多种微机械加工技术相融合而成的微型系统。完整的MEMS是由感知外界信息(力、热、光、磁、化等)的微传感器、控制对象的微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS具有集成电路系统的许多优点，如微型化、以硅为主要材料，机械电气性能优良、可批量生产、集成化等，同时又集约了机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科发展出的尖端成果。具有多学科交叉、多技术融合的特点，并且为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微机电系统技术制作的光分插复用器。它是通过二个途径实现的。首先利用微机电系统(MEMS)技术中比较成熟的腐蚀与刻蚀工艺，设计制作出一种能够大批量生产且装配要求低、装配方便、一致性好、尺寸小、高精度的微光学组装平台，并利用微装配技术进行OADM器件的装配。

其次在于利用MEMS的封装技术，设计一种封装难度低，操作简单，器件集成度高，其性能指标好，如插入损耗可作到小于1dB，使之具有单波长光分插复用功能的四端口OADM器件。如果多级串接使用本发明，还可以实现多波长光信号上下复用。

实现本发明的一种基于微机电系统技术制作的光分插复用器，含有带通滤波器件，其主要特征在于：

(1)利用MEMS技术中的腐蚀与刻蚀工艺，在硅片上制作出四根光纤，四个球透镜(ball lens)，带通滤波器件的V型放置槽和矩形放置槽。以此来对OADM器件的各个部件进行精确定位。所制作的V型槽其槽宽度范围可以是：490～2500um，其槽深可以是300～1750um。所制作的矩形放置槽其槽宽度范围可以是：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，利用微装配技术在其相应的V型槽位置放置输入光信号光纤、输出光信号光纤、上载光信号光纤、下载光信号光纤、四个球透镜，在矩形放置槽内放置一个带通滤波器件构成一个四端口的OADM器件。

(3)如(1)中所述的V型放置槽，其进一步的特征是：在光纤与球透镜的放置槽之间设有一段定位光纤端面的V型槽，其V型槽与光纤放置V型槽相比有一个高度差，其高度差可以控制在1～10个um内，主要作用是定位光纤端面的位置，当光纤推入光纤放置V型槽时，光纤端面会因为这两个V型槽的不同高度而停留在两V型槽的交界处。这个装置设置在每个光纤放置槽和球透镜放置槽之间。

(4)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：输入光信号光纤和下载光信号光纤所在的光轴与上载光信号光纤和输出光信号光纤所在的光轴相交，这两光轴之间的夹角可以成30°～90°夹角。

(5)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：带通滤波器件可以是波长动态可调谐的，这样可以使用户选择上载或下载何种光信号，即构成可重构型OADM。带通滤波器的长度范围在0.5～10mm，厚度在10～400um，宽度在0.5～10mm，滤波范围可选择在980～1650nm内。

(6)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：带通滤波器件还可以用带阻滤波器件代替。带阻滤波器件与带通滤波器件作用正好相反，带通滤波器件是指定波长的光信号可以以很小的损耗完全通过，非指定波长光信号将被反射。带阻滤波器件是指定的波长光信号被反射，非指定的波长光信号透射通过。因此使用带阻滤波器件其光信号输出端与上载端的功能正好与使用带通滤波器件的作用相反。

(7)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：用平凸透镜(Plano-Convex)代替球透镜，可以减小球透镜引起的球差，可以比球透镜提高5％～9％的耦合效率，但平凸透镜不象球透镜是球对称的，这使装配难度有所增加。

(8)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：用单纤准直器代替球透镜与光纤的组合系统。使用四个单纤准直器，与使用两个双纤准直器比较起来对角度的容差，而且由于四个单纤准直器是彼此分开的，调试更为容易。而且其插入损耗也比较小，可以达到小于1dB。其缺点是导致其产品体积较大。

(9)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：用扩束光纤代替球透镜和光纤系统，还可以用Corning公司的Collimating Lensed Fiber代替球透镜和光纤系统。上述方案也具有很好的器件性能，但其缺点是扩束光纤与Collimating Lensed Fiber制作工艺较困难，而且成本较高。

(10)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：用折射率匹配液填充光纤与球透镜中间的空隙，以提高光信号的耦合效率，一般可以提高1～5个百分点的耦合效率，同时可以减少回波功率。但其缺点是折射率匹配液使用时间过长，容易引起折射率匹配液的老化，影响其光路的性能指标。

(11)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：多级串接使用本发明，可以实现多波长光信号的上载与下载。

(12)在上述的OADM器件中，其进一步的特征可以是：四根光纤的输出端面与接收端面的位置均在球透镜的焦面上即离球透镜球心为一倍的焦距，四个球透镜具有一样的半径与一样的折射率。球透镜半径可以是200um～1000um，球透镜折射率可以是1.4～2.0。

(13)如(11)中所述，其进一步的特征可以是：输入光信号光纤端面或在球透镜焦平面上，或放置在距离球透镜球心稍小于一倍的焦距的地方，即不是在球透镜的焦面上，其离开焦面的距离可以在0～20um，而接收光信号光纤端面也可以放置在距离球透镜球心稍远于一倍的焦距的地方，即不是在球透镜的焦面上，其离开焦面的距离也可以在0～20um。这样做的目的是可以进一步减小球透镜带来的球差，提高光信号的耦合效率。

(14)如(11)中所述，其进一步的特征可以是：输入光信号端球透镜的焦距f1与下载端球透镜的焦距f2，其两者的比值f2/f1是1～6，并且上载光信号端球透镜的焦距f3与输出光信号端球透镜的焦距f4，其两者的比值f4/f3是1～6，这样做的目的也可以提高一部分光信号的耦合效率。

(15)如(2)所述的输入光纤信号光纤，输出光信号光纤，上载光信号光纤和下载光信号光纤的端面可以有一个倾角，其倾角范围在0°～8°。

本发明一种基于微机电系统技术制作的光分插复用器，采用在硅片上MEMS的腐蚀与刻蚀工艺，制作出各个部件的V型放置槽，精确定位出各个部件的位置，其中还设计了一个利用不同高度的V型槽来精确定位光纤端面的位置。再利用球透镜的聚焦与光线准直原理，并利用带通滤波器件选择下载与上载的光波长，使得非选定的光波长光信号反射耦合，而选定光波长的上载与下载光信号透射耦合，来实现光分插复用功能。本发明还实现了精确微光学装配平台制作工艺的简单化，并利用MEMS的封装技术，使得器件集成在很小的芯片，其产品体积小，并可大批量生产，具有装配要求低等优点，有望作为OADM器件中的一种，广泛用于光传送网络中。

附图说明

图1：已有技术原理图。

图2：本发明光路结构图。

图3：本发明制作的有V型槽的硅基片示意图。

图4：球透镜放置在V型槽中示意图。

图5：本发明装配侧面示意图。

图6：光纤出射的光经过球透镜后传播示意图。

图7：串接使用本发明实现多波长光信号上载与下载示意图。

图1为已有技术，它是利用双纤准直器来实现光分插复用功能。图中11是输入光纤，14是双光纤插针。光信号从11输入后，经过聚焦透镜13，再经过特定波长的滤波片16，特定波长λ₁的光信号透过滤波片16，再经聚焦透镜15，经双光纤插针18，由下载光纤19输出。上载特定波长λ₁光信号由上载光纤17输入，经双光纤插针18，聚焦透镜15，再经滤波片16，与11输入的非λ₁波长光信号一起经过透镜14，再经双光纤插针14，耦合入输出光纤12。

图2是本发明的光路结构图。101为输入光信号光纤，输入光信号经球透镜104聚焦准直后，经过带通滤波器件107，特定波长λ₁光信号将通过带通滤波器件107，再经过球透镜109聚焦，使光信号耦合进入下载光信号光纤108。上载光信号光纤103中输入特定波长λ₁光信号，光信号经过球透镜102，聚焦准直后经过带通滤波器件107，与光纤101输入的非特定波长λ₁的光信号经过球透镜106耦合进入输出光纤105。以此来完成光分插复用功能。

图3是本发明实施例在硅片上刻好V型放置槽的示意图。图中207为硅基片。204是图2中输出光信号光纤105的放置槽，301为定位光纤105端面的定位V型槽，其还具有扩大通过输出光信号通道的作用。205为放置图2中球透镜106的定位槽。213是图2中下载光信号光纤108的放置槽，302为定位光纤108端面的定位V型槽，其还具有扩大通过下载光信号通道的作用。209为放置图2中球透镜109的定位槽。303是图2中上载光信号光纤103的放置槽，304为定位光纤103端面的定位V型槽，其还具有扩大通过上载光信号通道的作用。307为放置图2中球透镜102的定位槽。308是图2中输入光信号光纤101的放置槽，307为定位光纤101端面的定位V型槽，其还具有扩大通过输入光信号通道的作用。310为放置图2中球透镜104的定位槽。图中309和306为两个相互垂直的V型槽，其主要作用为扩大光信号通过的自由空间，使光信号不因被硅片阻挡而引起损耗。214为图2中带通滤波器件107的放置槽。

图4为本发明实施例的装配剖面示意图。利用MEMS技术加工好的硅片207，硅片上已经定位好光纤，球透镜，带通滤波器件的位置，图4中203为输入光信号光纤101的纤芯，204为图3中V型槽308，215为图3中V型槽307，216为图3中V型槽309，219为图3中V型槽302，213为图3中V型槽213，212为下载光信号光纤108的纤芯，202和211为放置在光纤上的弹性封装材料，210为器件上部封装金属片，201为器件外部的金属封装盒，218和217为金属片210与金属盒201的焊点。

图5为本发明球透镜放入刻好的V型槽示意图。图中501为球透镜，502为放置球透镜的V型槽。

图6为本发明光信号在光纤与球透镜中传播示意图。图中601为光纤，602为球透镜，603为传播的光信号。

图7为串接使用本发明实现多波长上载与下载光信号示意图。其中401为整个OADM系统的输入光信号端，它输入包含有λ1，λ2......λn个光波长信号。光信号经过第一个OADM器件后在402上载λ1光信号，而在404下载λ1光信号，403为第一个OADM器件输出端与第二个OADM器件输入端405串接，光信号经过第二个OADM器件后，由上载光信号端406上载λ2光信号，而由下载光信号端408下载λ2光信号，第二个OADM器件输出光信号端407继续向下串接OADM器件，到达第n个OADM器件后，由上载光信号端410上载λn光信号，而由下载光信号端412下载λn光信号，最后由第n个OADM器件输出端411输出λ1，λ2......λn光信号。

本发明的具体实施方式如下：

1.利用MEMS中的腐蚀工艺制作出图3所示的204，301，205，213，302，209，303，304，305，306，307，308，309，310，214各个V型放置槽。其中204，213，303，308均为槽宽半径53um，槽深74um。301，302，304，307均为槽宽半径49um，槽深70um，槽长125um。205，209，305，310均为正方形边长槽宽为1186um。306与309均为槽宽半径70um，槽深100um，槽长1700um。

2.如(1)中所述制作好的硅基片再利用MEMS技术中的刻蚀工艺在306和309的中心处刻蚀出与306与309均成45度角的214放置槽，其槽深度为150um，槽宽200um。

3.利用微装配技术把光纤，球透镜，带通滤波器件放入相应的放置槽，并适当做些轻微调整，然后用少量固定胶水固定光纤及带通滤波器件的边缘。

4.将整个硅基片放入金属盒内，在四根光纤上放如图4中所示的弹性材料202，其尺寸为440x440x440um，在利用金属片盖板封装整个器件，再在金属片与金属盒的边缘用焊锡将其固定。

5.当利用单光纤准直器来代替球透镜与光纤的组合系统的时候，其放置单光纤准直器的放置V型槽需要做相应的调整，其V型槽的槽宽可以是777um，槽深可以是800um，也可以把硅片完全腐蚀穿通。

Claims

1.一种基于微机电系统技术制作的光分插复用器，包括透镜、光纤、带通滤波器件，其特征在于：

(1)四根光纤和四个球透镜是分别放入各自对应彼此不相连的V型放置槽中的，且带通滤波器件放入相应的矩形放置槽中，构成一个四端口的光分插复用器器件；

(2)在光纤与球透镜的放置槽之间设有一段比光纤放置槽位置高1～10um的V型槽，其槽宽，槽深不同于放置光纤的V型放置槽；

(3)所述的四根光纤中的输入光信号光纤和下载光信号光纤与上载光信号光纤和输出光信号光纤构成的两个光轴之间的夹角成30°～90°。

2.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于所述的带通滤波器件为波长动态可调谐器件。

3.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于所述的带通滤波器件为固定波长器件。

4.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于所述的带通滤波器件替换为带阻滤波器件。

5.按权利要求2所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于波长动态可调谐的带通滤波器件的波长为980～1650nm，长度为0.5～10mm，厚度为10～400μm，宽度为0.5～10mm。

6.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于四根光纤、四个球透镜及带通滤波器件的V型槽和矩形槽的位置是利用微机电系统技术在硅片上精确定位，制作出微型光学装配平台，其中V型槽的宽度为490～2500μm，深度为300～1750μm；矩形槽的槽宽为0.5～10mm，槽深为0.5～10mm。

7.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于所述的四个球透镜的半径和折射率相同，半径为200-1000μm，折射率1.4-2.0。

8.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于球透镜用平凸透镜代替。

9.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于球透镜和光纤系统用单纤准直器代替。

10.按权利要求1所述的基于微机电系统技术的光分插复用器，其特征在于球透镜和光纤系统用扩束光纤代替。

11.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于球透镜和光纤系统用准直透镜光纤代替。

12.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于光纤与球透镜中间的空隙用折射率匹配液填充。

13.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于四根光纤端面或放置在球透镜焦平面上，或离焦平面放置，其距离在0～20μm。

14.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于：

(1)四根光纤的端面制作成有一定的倾角，其倾角范围在0°-8°；

(2)输入光信号端球透镜的焦距f1与下载端球透镜的焦距f2，其两者的比值f2/f1是1～6，并且上载光信号端球透镜的焦距f3与输出光信号端球透镜的焦距f4，其两者的比值f4/f3是1～6。

15.按权利要求1所述的基于微机电系统技术制作的光分插复用器，其特征在于多级串联以实现多波长光信号的上载与下载。