CN104760921B - 一种数字化控制的mems可调光衰减器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器及控制方法，所述的MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜阵列，每面扭转微镜只有两个扭转角度状态，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其中，9≤N≤50。本发明具有以下有益效果：1）采用数字化二进制电压控制，实现了MEMS光衰减器高精度的衰减量控制；2）无需采用反馈控制，可以有效抑制静电驱动MEMS光衰减器的“慢漂移”，大幅度降高精度光衰减器的成本和体积；3）可以有效抑制MEMS光衰减器的温度相关插入损耗，大幅度降低器件的温度影响；4）数字化控制的高精度MEMS光衰减器将大幅降低可调光衰减器仪表的成本和体积。

Description

一种数字化控制的MEMS可调光衰减器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种光纤通信、光纤传感及MEMS光通信器件领域，特别是涉及一种数字化控制的MEMS可调光衰减器及控制方法。

背景技术

可调光衰减器是光纤通信系统的应用最广泛的光器件之一，其主要功能是对光信号功率的动态控制，其具体应用包括光通信线路的光信号功率动态调控、光通信线路性能测试和光器件测试等，而且对光衰减量的控制精度要求越来越高。特别是在光通信线路性能测试和光器件测试中，需要准确控制光衰减量。

目前，在商用MEMS可调光衰减器中，主流产品是基于微镜偏转的MEMS可调光衰减器，其采用静电驱动方式，驱动功耗很低，体积小、封装简易、成本低，近几年得到了大量的应用。但是，MEMS微镜的转角与驱动电压平方成正比，同时高斯光束的耦合损耗与镜面转角之间为指数函数的平方关系，因此MEMS可调光衰减器的电压-衰减曲线的斜率会随衰减量的增加而急剧增大。随着MEMS可调光衰减器的驱动电压降低到5V以下，电压-衰减曲线斜率在15dB时已达到20dB/V，如果期望5V时有更大的衰减范围，则电压-衰减曲线斜率就会更大。图1为5V驱动电压VOA的典型电压-衰减曲线，由图可见，衰减器的输出损耗值对于驱动电源电压非常敏感，当需要对损耗精确调节时，对电压控制精度提出了很高的要求，同时也易受电磁干扰的影响。

对于静电驱动的MEMS光衰减器，通常难以避免静电“慢漂移”的影响，这主要是因为静电荷在绝缘部位的积累，其静电场将引起光衰减量的缓慢变化，这一效应需要长时间的精密测试才能发现。MEMS光衰减器的电压-衰减曲线也会随着器件的老化、应力的释放等原因而出现“慢漂移”。因此，在不采用反馈控制的情况，现有静电驱动的MEMS光衰减器的衰减量会出现不同程度的“漂移”，导致其衰减量控制的长期精度不高。在要求较高衰减量控制精度时，采用开环控制难以达到要求，需要引入衰减量的反馈控制，大大增加了器件成本、功耗和体积。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器及控制方法，用于解决现有技术中MEMS可调光衰减器的衰减量开环控制精度不高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器，所述的MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜阵列，每面扭转微镜只有两个扭转角度状态，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其中，9≤N≤50。

作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，所述扭转微镜的两个扭转角度状态分别为0°及最大扭转角度θ，分别对应输入至扭转微镜的光束0dB衰减及最大衰减两种状态，在最大扭转角度θ下，所述转转微镜可实现输入光束不小于60dB的衰减。

作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，所述扭转微镜的驱动电压只有两种状态，分别为0和V，其中，V≥V_θ，V_θ为刚好达到最大扭转角度θ对应的驱动电压。

作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，各面可独立驱动的扭转微镜为悬臂梁支撑的长条状单晶硅膜，各长条状单晶硅膜表面镀制光学高反射膜，每面扭转微镜的宽度根据该面扭转微镜的设计衰减量来确定。

优选地，各可独立驱动的扭转微镜采用静电平板的驱动方式，所述静电平板与各扭转微镜之间设置有限位凸台，以防止扭转微镜与静电平板永久吸合，所述限位凸台决定所述扭转微镜的最大扭转角度θ。

优选地，各面可独立驱动的扭转微镜采用压电的驱动方式，所述悬臂梁由单晶硅和压电材料双层薄膜制成。

作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，所述N面可独立驱动的扭转微镜阵列具有不小于95％的填充因子。

本发明还提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法，其中，所述MEMS可调光衰减器由N比特二进制小数0.S₁S₂…S_N来控制衰减量，小数点后第1位S₁、第2位S₂到第N位S_N，分别对应着对输入光信号S₁·2^-1、S₂·2^-2到S_N·2^-N的衰减，N比特共同实现将输入光功率为1的光信号衰减为光功率为S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N的光信号，其中S_i＝0对应第i面扭转微镜的扭转角度为最大扭转角度θ，S_i＝1对应第i面扭转微镜的扭转角度为0°。

作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法的一种优选方案，所述MEMS可调光衰减器的控制数字0.S₁S₂…S_N的确定算法为根据设计的最大衰减量AdB、衰减步长δdB，结合采用的总衰减量控制方式或衰减量控制方式，分别计算每个衰减dB值对应的S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N衰减值，所得到对应的二进制小数0.S₁S₂…S_N，构成对应的表格，存储在控制器中，根据每次设定的衰减值，查表得到控制数字0.S₁S₂…S_N。

作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法的一种优选方案，所述MEMS可调光衰减器存在一个不能控制的插入损耗值ILdB，其衰减量控制有两种控制方式，一种是总衰减量控制方式，即从ILdB至A+ILdB以步长δdB进行衰减，另一种是衰减量控制方式，即实际总衰减量扣除ILdB外，从0dB至AdB以步长δdB进行衰减。

如上所述，本发明提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器，所述的MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜阵列，每面扭转微镜只有两个扭转角度状态，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其中，9≤N≤50。本发明具有以下有益效果：1)采用数字化二进制电压控制，实现了MEMS光衰减器高精度的衰减量控制；2)无需采用反馈控制，可以有效抑制静电驱动MEMS光衰减器的“慢漂移”，大幅度降高精度光衰减器的成本和体积；3)可以有效抑制MEMS光衰减器的温度相关插入损耗，大幅度降低器件的温度影响；4)数字化控制的高精度MEMS光衰减器将大幅降低可调光衰减器仪表的成本和体积。

附图说明

图1显示为5V驱动电压VOA的典型电压-衰减曲线。

图2显示为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的俯视结构示意图。

图3显示为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的截面结构示意图。

元件标号说明

10扭转微镜

101长条状单晶硅膜

102悬臂梁

103光学高反射膜

104限位凸台

20共用焊盘

30图形化的SOI衬底

40下电极引线焊盘

50驱动下电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图2～图3所示，本实施例提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器，所述的MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜10阵列，每面扭转微镜10只有两个扭转角度状态，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其中，9≤N≤50，例如，如图2所示为N＝9，即所述MEMS可调光衰减器由9面可独立驱动的扭转微镜10阵列组成。

在本实施例中，所述扭转微镜10的两个扭转角度状态分别为0°及最大扭转角度θ，分别对应输入至扭转微镜10的光束0dB衰减及最大衰减两种状态，在最大扭转角度θ下，所述转转微镜可实现输入光束不小于60dB的衰减。所述扭转微镜10的驱动电压只有两种状态，分别为0和V，其中，V≥V_θ，V_θ为刚好达到最大扭转角度θ对应的驱动电压。

在本实施例中，所述MEMS可调光衰减器结构如图2～图3所示，其包括：图形化的SOI衬底30、悬臂梁102、长条状单晶硅膜101、限位凸台104、光学高反射膜103、共用焊盘20、驱动下电极50、以及下电极引线焊盘40。

其中，各面可独立驱动的扭转微镜10为悬臂梁102支撑的长条状单晶硅膜101，悬臂梁102的长度、宽度与厚度等参数根据根据MEMS可调光衰减器设计的驱动电压、抗震要求等因素综合确定，保证各面扭转微镜10在相同的驱动电压下吸合，以简化驱动。各长条状单晶硅膜101表面镀制有光学高反射膜103，每面扭转微镜10的宽度根据该面扭转微镜10的设计衰减量来确定，该宽度独立于悬臂梁102的宽度。考虑输入光束为高斯光斑照射到扭转微镜10阵列上，高斯光斑具有高斯分布特性，其中心区域最强、向边缘区域逐步减弱，衰减权重最大的M1的位置位于高斯光斑的最中央区域，其余扭转微镜10向两侧依次排列，并且，各扭转微镜10的宽度根据其相对光斑的位置以及对于衰减量的贡献权重来设计。

在本实施例中，各可独立驱动的扭转微镜10采用静电平板的驱动方式，所述静电平板与各扭转微镜10之间设置有限位凸台104，以防止扭转微镜10与静电平板永久吸合，所述限位凸台104的位置和高度决定所述扭转微镜10的最大扭转角度θ，如图3所示。

需要说明的是，在其他的实施例中，各面可独立驱动的扭转微镜10也采用压电的驱动方式，所述悬臂梁102由单晶硅和压电材料双层薄膜制成。

为了降低器件的插入损耗(IL)，在本实施例中，所述N面可独立驱动的扭转微镜10阵列具有不小于95％的填充因子，如图2所示。

如图2及图3所示，本实施例还提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器的制作方法，包括步骤:

1)提供一SOI硅片，对SOI硅片表面进行氧化，进行光刻定义出镜面背面图形后，进行二氧化硅腐蚀；接着使用KOH溶液对SOI硅片表面进行各向异性腐蚀，腐蚀出限位凸台104的高度及扭转微镜10与驱动下电极50之间的间隙；

2)再次对SOI硅片进行氧化，表面进行光刻，定义出镜面悬臂梁102背面结构，并进行二氧化硅腐蚀；接着使用KOH溶液对SOI硅片表面进行各向异性腐蚀，腐蚀悬臂梁102背面位置，将悬臂梁102处的器件层减薄到所需的厚度；

3)再次对SOI硅片进行氧化，光刻并进行二氧化硅腐蚀，目的是为了保留限位凸台104上的二氧化硅层，使得其具有绝缘作用；

4)采用低压气相化学沉积(LPCVD)沉积多晶硅薄膜于氧化层之上；并在表面光刻，采用深反应离子刻蚀(DRIE)制作出下电极图形；

5)提供另外一片双面抛光的硅片，将做好图形的SOI硅片和普通硅片进行硅—硅键合，然后采用机械减薄和湿法腐蚀工艺去除SOI硅片的衬底硅，并去除二氧化硅掩埋层；

6)溅射光学高反射膜103，光刻并利用Au腐蚀液腐蚀出扭转微镜10的反射层；

7)表面光刻定义出悬臂梁102和扭转微镜10结构，并利用深反应离子刻蚀(DRIE)释放悬臂梁102和扭转微镜10结构；

8)采用硬掩模工艺，溅射Au层在下电极引线区和盖板表面，形成下电极引线焊盘40及共用焊盘20；

9)进行划片，获得独立的数字化控制的MEMS可调光衰减器芯片。

请参阅图2，本实施例还提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法，其中，所述MEMS可调光衰减器由N比特二进制小数0.S₁S₂…S_N来控制衰减量，小数点后第1位S₁、第2位S₂到第N位S_N，分别对应着对输入光信号S₁·2^-1、S₂·2^-2到S_N·2^-N的衰减，N比特共同实现对输入光功率为1的光信号衰减为光功率为S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N的光信号，其中S_i＝0对应第i面扭转微镜10的扭转角度为最大扭转角度θ，S_i＝1对应第i面扭转微镜10的扭转角度为0°。

在本实施例中，所述MEMS可调光衰减器的控制数字0.S₁S₂…S_N的确定算法为根据设计的最大衰减量AdB、衰减步长δdB，结合采用的总衰减量控制方式或衰减量控制方式，分别计算每个衰减dB值对应的S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N衰减值，所得到对应的二进制小数0.S₁S₂…S_N，构成对应的表格，存储在控制器中，根据每次设定的衰减值，查表得到控制数字0.S₁S₂…S_N。

另外，需要说明的是，所述MEMS可调光衰减器存在一个不能由电路控制的插入损耗值ILdB。MEMS可调光衰减器的衰减量控制有两种控制方式，一种是总衰减量控制方式，即从ILdB至A+ILdB以步长δdB进行衰减，另一种是衰减量控制方式，即实际总衰减量扣除ILdB外，从0dB至AdB以步长δdB进行衰减。

本实施例所要解决的技术问题：基于微镜偏转的MEMS可调光衰减器，随着精度驱动器工艺水平的提高，最大驱动电压已降低到5V电压，与高驱动电压的MEMS可调光衰减器相比，相同衰减量要求下的电压-衰减曲线斜率会急剧增加，从而增大了驱动电源控制难度。因此，本发明将传统的单面镜子变为M₁、M₂、……M_N共N面扭转微镜的阵列，每面扭转微镜对于衰减量的贡献权重分别为S₁·2^-1、S₂·2^-2……S_N·2^-N，每面镜子都只有两种工作状态，偏转0和原位1，扭转微镜M_i(i＝1、2、……N)都对应一个最大偏角控制电压V_i(i＝1、2、……N)，在该电压的作用下，镜子可偏转到接触限位凸点，状态为S_i＝0，将电压释放后，扭转微镜回到原位，状态为S_i＝1。若通过电压控制N面镜子的状态组合，就可以获得不同的衰减，衰减量L(dB)的公式为：

L＝10*lg(S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N)

下表中列出了16面镜子的状态码与衰减量的对应关系。只要根据列表中的状态码控制N面镜子的状态，就可以获得相应的衰减量，其中，P＝S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S₁₆·2^-16为线性的衰减量，L＝10*lg(S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N)，为对数值的衰减量(dB)，S_i(i＝1、2、…、16)的值为0或者1。

如上所述，本发明提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器，所述的MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜10阵列，每面扭转微镜10只有两个扭转角度状态，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其中，9≤N≤50。本发明具有以下有益效果：1)采用数字化二进制电压控制，实现了MEMS光衰减器高精度的衰减量控制；2)无需采用反馈控制，可以有效抑制静电驱动MEMS光衰减器的“慢漂移”，大幅度降高精度光衰减器的成本和体积；3)可以有效抑制MEMS光衰减器的温度相关插入损耗，大幅度降低器件的温度影响；4)数字化控制的高精度MEMS光衰减器将大幅降低可调光衰减器仪表的成本和体积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种数字化控制的MEMS可调光衰减器，其特征在于，所述的MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜阵列，每面扭转微镜只有两个扭转角度状态，每面扭转微镜的宽度根据该面扭转微镜的设计衰减量来确定，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其中，9≤N≤50。

2.根据权利要求1所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器，其特征在于：所述扭转微镜的两个扭转角度状态分别为0°及最大扭转角度θ，分别对应输入至扭转微镜的光束0dB衰减及最大衰减两种状态，在最大扭转角度θ下，所述扭转微镜可实现输入光束不小于60dB的衰减。

3.根据权利要求1所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器，其特征在于：所述扭转微镜的驱动电压只有两种状态，分别为0和V，其中，V≥V_θ，V_θ为刚好达到最大扭转角度θ对应的驱动电压。

4.根据权利要求1所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器，其特征在于：各面可独立驱动的扭转微镜为悬臂梁支撑的长条状单晶硅膜，各长条状单晶硅膜表面镀制光学高反射膜，每面扭转微镜的宽度根据该面扭转微镜的设计衰减量来确定。

5.根据权利要求4所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器，其特征在于：各可独立驱动的扭转微镜采用静电平板的驱动方式，所述静电平板与各扭转微镜之间设置有限位凸台，以防止扭转微镜与静电平板永久吸合，所述限位凸台决定所述扭转微镜的最大扭转角度θ。

6.根据权利要求4所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器，其特征在于：各面可独立驱动的扭转微镜采用压电的驱动方式，所述悬臂梁由单晶硅和压电材料双层薄膜制成。

7.根据权利要求1所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器，其特征在于：所述N面可独立驱动的扭转微镜阵列具有不小于95％的填充因子。

8.一种如权利要求1～7任意一项所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法，其特征在于：

所述MEMS可调光衰减器由N比特二进制小数0.S₁S₂…S_N来控制衰减量，小数点后第1位S₁、第2位S₂到第N位S_N，分别对应着对输入光信号S₁·2^-1、S₂·2^-2到S_N·2^-N的衰减，N比特共同实现将输入光功率为1的光信号衰减为光功率为S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N的光信号，其中S_i＝0对应第i面扭转微镜的扭转角度为最大扭转角度θ，S_i＝1对应第i面扭转微镜的扭转角度为0°。

9.根据权利要求8所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法，其特征在于：

所述MEMS可调光衰减器的控制数字0.S₁S₂…S_N的确定算法为根据设计的最大衰减量AdB、衰减步长δdB，结合采用的总衰减量控制方式或衰减量控制方式，分别计算每个衰减dB值对应的S₁·2^-1+S₂·2^-2+…+S_N·2^-N衰减值，所得到对应的二进制小数0.S₁S₂…S_N，构成对应的表格，存储在控制器中，根据每次设定的衰减值，查表得到控制数字0.S₁S₂…S_N。

10.根据权利要求8所述的数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法，其特征在于：

所述MEMS可调光衰减器存在一个不能控制的插入损耗值ILdB，其衰减量控制有两种控制方式，一种是总衰减量控制方式，即从ILdB至A+ILdB以步长δdB进行衰减，另一种是衰减量控制方式，即实际总衰减量扣除ILdB外，从0dB至AdB以步长δdB进行衰减。