CN106154540A - 一种转镜式mems可变光衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种转镜式MEMS可变光衰减器，包括输入光纤、输出光纤、双芯毛细管、准直透镜、长玻璃管、短玻璃管、TO管帽、MEMS芯片和TO管座；所述输入光纤和输出光纤沿所述双芯毛细管的光轴被封入所述双芯毛细管中；所述双芯毛细管和准直透镜的光轴相对准，并同时被固定封装在长玻璃管中，使得所述输入光纤、输出光纤、双芯毛细管、准直透镜和长玻璃管共同组成准直器；所述MEMS芯片设置于所述TO管帽和TO管座构成的密闭腔内，并与TO管座上的加电引脚电连接。本发明可以实现掉电时衰减保持为特定值5～15dB，且同时满足最小衰减小于0.8dB、最大可调衰减达到40dB以上的要求。通过对MEMS芯片气密封装，还可有效防止水汽渗透所带来不良的影响，并提高器件制造效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信器件，尤其涉及一种可变光衰减器(Variable OpticalAttenuator)，具体涉及一种转镜式MEMS VOA，本发明属于通信领域。
背景技术
转镜式MEMS VOA是光通信系统中的一种重要的光无源器件，具有响应时间快、体积小、重量轻、功耗低、动态衰减范围大、插损小、回损大、精度高等优点，能很好地适应光纤系统小型化与集成化的发展趋势。
转镜式MEMS VOA的结构主要分为两部分。一部分是由双芯插针和准直透镜等组成，作为光的输入和反射输出通道；另一部分是TO密封件，通过贴片、金丝键合、真空封帽等精密工艺将MEMS芯片封装在稳定可靠的密封环境内。当外界施加电压到器件的正负引脚后，驱动MEMS芯片反射镜面发生微量角度的转动，从而带来入射到MEMS芯片镜面的反射光同步偏移，导致返回光的模场与耦合的单模光纤模场耦合失配，产生了衰减。随着施加电压的变化，衰减也相应地变化。
目前市场上转镜式MEMS VOA主要技术实现方案有两种，一种方案如图1所示，主要由双芯插针(包括输入光纤1、输出光纤2和双芯毛细管3)、准直透镜I 4、金属管帽5、MEMS芯片6和TO管座8构成。光信号经由输入光纤1输入，经过准直透镜I 4准直后，入射到MEMS芯片6上，再通过MEMS芯片6上的反射镜面7进行反射，反射光线经过准直透镜I 4聚焦后，会聚光进入输出光纤2，继续进行传输。其中，双芯毛细管3与准直透镜I 4的两个8°面通过粘胶固定；准直透镜I 4与金属管帽5可以通过热固化胶粘接，也可以将两者金属化处理后，通过焊锡膏粘接；通过TO管座上加电引脚9改变MEMS芯片6上所施加的电压，改变MEMS芯片6上反射镜面7的朝向，从而实现光信号衰减量的控制。另一种方案如图2所示，相对于图1的变化是，将双芯毛细管3和准直透镜II 10的角度由8°更改为其它的角度组合，例如：双芯毛细管3角度为11°，准直透镜II 10角度为0°，以此来改善WDL指标。但是，需要增加一个玻璃套管11，用来对双芯毛细管3和准直透镜II 10两者之间的相对位置和角度进行有效固定。
在掉电状态下(即未对MEMS芯片6施加电压时，后文同)，如图3所示，MEMS芯片6上的反射镜面7不发生转动，入射光经过反射镜面7反射后，反射光经由准直透镜I 4或准直透镜II 10后回到输出光纤中，反射光与输出光纤2的模场直径和位置都基本吻合，此时衰减最小，小于0.8dB；对TO管座上加电引脚9施加电压后，如图4所示，此时MEMS芯片6上的反射镜面7朝逆时针方向转动，入射光经过反射镜面6反射后，反射光经由准直透镜I 4或准直透镜II 10后回到输出光纤2中，反射光模场与输出光纤2的模场耦合失配，当施加电压6V时，光信号的衰减量能够大于40dB。典型的“衰减-电压”曲线参见图5。
上面所述的技术方案存在如下缺点：(1)准直透镜I 4或准直透镜II 10和TO管帽5采用热固化胶粘接，或金属化处理后进行焊接，气密性不佳，水汽会缓慢进入到TO管帽5内，对MEMS芯片6的性能指标带来不良的影响。(2)准直透镜I 4或准直透镜II 10粘接到金属管帽5上后，通过调节双芯插针进行耦合，这种结构对耦合平台的防震动性能要求非常高，一旦有轻微的震动，就会带来接收光功率的跳动，影响测试结果。(3)掉电状态下，MEMS VOA的衰减值很小，不符合其它场合的拓展应用。
发明内容
为了解决本发明所要解决的技术问题是，提供一种掉电时衰减能够保持特定值的挡光式MEMS VOA。
本发明提供了一种转镜式MEMS可变光衰减器，包括输入光纤、输出光纤、双芯毛细管、准直透镜、长玻璃管、短玻璃管、TO管帽、MEMS芯片和TO管座；所述输入光纤和输出光纤沿所述双芯毛细管的光轴被封入所述双芯毛细管中；所述双芯毛细管和准直透镜的光轴相对准，并同时被固定封装在长玻璃管中，使得所述输入光纤、输出光纤、双芯毛细管、准直透镜和长玻璃管共同组成准直器；所述MEMS芯片设置于所述TO管帽和TO管座构成的密闭腔内，并与TO管座上的加电引脚电连接。
在上述技术方案中，所述TO管帽上设置有一个玻璃窗，所述玻璃窗的正反面都镀有增透膜。
在上述技术方案中，所述玻璃窗是通过玻璃胶或焊料烧结到所述TO管帽上，从而具有良好的气密性，使得所述TO管帽与TO管座之间形成的密闭腔的漏率≤5E-9Pa·m3/s。
在上述技术方案中，所述短玻璃管设置于所述TO管帽外侧，所述准直器插入所述短玻璃管后，所述准直透镜通过所述玻璃窗与MEMS芯片的反射镜面对准，所述准直器的长玻璃管插入所述短玻璃管后进行粘接固定。
在上述技术方案中，对所述MEMS芯片不施加电压时，所述准直器相对于所述MEMS芯片的反射镜面的垂线偏转微小的角度，该微小的角度使得所述转镜式MEMS可变光衰减器的光衰减值为5～15dB。
在上述技术方案中，所述转镜式MEMS可变光衰减器的最小可调衰减值小于0.8dB，最大可调衰减值大于40dB。
在上述技术方案中，随着所述TO管座上的加电引脚上施加的电压的逐步增大，所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减值呈现先减小后增大的变化趋势。
本发明还提供了一种转镜式MEMS可变光衰减器的制作方法，所述准直器与密封的MEMS芯片进行耦合调试，按照具体应用场合对掉电特定衰减值的要求，通过TO管座上的加电引脚对MEMS芯片施加一个电压，使MEMS芯片的反射镜面预偏一个角度。
在上述技术方案中，首先，在加电引脚对MEMS芯片未施加电压状态下，将所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减调到最小，此时所述准直器的轴向与掉电时的MEMS芯片的反射镜面相垂直；然后，按照掉电衰减值的要求，对MEMS芯片施加一个电压，使得所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减值达到掉电时所需的特定衰减值，在此电压状态下，通过调整所述准直器的轴向再次将所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减值调到最小，此时所述准直器的轴向与偏转后的MEMS芯片的反射镜面相垂直或者基本上相垂直。
本发明的优点在于：
本发明装置能满足新需求下的应用，可以实现掉电时衰减保持为特定值5～15dB，掉电后MEMS VOA产品仍能保持在特定工作状态，且同时满足最小衰减小于0.8dB、最大可调衰减达到40dB以上的要求。对MEMS芯片进行气密封装，有效防止水汽渗透所带来不良的影响。双芯插针和准直透镜预先制作构成的准直器，有效降低器件组装复杂度，提高器件制造效率，并且准直器与MEMS芯片进行固定耦合，能够有效防止震动对器件衰减值带来影响。
附图说明
图1是现有技术中的方案I结构图；
图2是现有技术中的方案II结构图；
图3是现有技术中方案光路示意图(掉电状态)；
图4是现有技术中方案光路示意图(加电至较大衰减状态)；
图5是现有技术中方案典型的“衰减-电压”曲线；
图6是本发明技术方案结构图；
图7是本发明技术方案光路示意图—掉电状态；
图8是本发明技术方案光路示意图—加电至最小衰减状态；
图9是本发明技术方案光路示意图—继续加电至较大衰减状态；
图10是本发明技术方案典型的“衰减-电压”曲线；
其中：
1：输入光纤； 2：输出光纤；
3：双芯毛细管I； 4：准直透镜I；
5：金属管帽； 6：MEMS芯片；
7：MEMS芯片上反射面； 8：TO管座；
9：TO管座上加电引脚； 10：准直透镜II；
11：玻璃管； 12：双芯毛细管；
13：准直透镜； 14：长玻璃管；
15：短玻璃管； 16：TO管帽；
17：玻璃窗；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做出详细说明。
本发明提供的转镜式MEMS可变光衰减器如图6所示，包括：输入光纤1、输出光纤2、双芯毛细管12、准直透镜13、长玻璃管14、短玻璃管15、TO管帽16、玻璃窗17、MEMS芯片6和TO管座8。
所述输入光纤1和输出光纤2紧贴在一起沿双芯毛细管12的光轴被封入双芯毛细管12中，双芯毛细管12和准直透镜13的光轴相对准，固定封装在长玻璃管14中，使得所述输入光纤1、输出光纤2、双芯毛细管12、准直透镜13和长玻璃管14共同组成准直器；双芯毛细管12面向准直透镜13的端面成一6°～13°的倾角，该倾角优选为8°～11°，准直透镜13面向双芯毛细管12的端面为0°倾角，即准直透镜13面向双芯毛细管12的端面与光轴垂直。长玻璃管14起到套管的作用，使得双芯毛细管12和准直透镜13两者之间的相对位置和角度被有效固定。
所述MEMS芯片6固定安装在TO管座8上，与TO管座上加电引脚9电连接；TO管帽16与TO管座8气密封装，形成一气密腔，MEMS芯片6位于该气密腔内；所述TO管帽16上设置有一个玻璃窗17，玻璃窗17的正反面都镀增透膜，该玻璃窗17通过玻璃胶烧结到所述TO管帽16上从而具有良好的气密性，使得TO管帽16与TO管座8之间形成的气密腔的漏率≤5E-9Pa·m3/s。
所述TO管帽16外侧设置有短玻璃管15，短玻璃管15与玻璃窗17对准，所述准直器插入短玻璃管15后，准直透镜13通过玻璃窗17与MEMS芯片6的反射镜面7对准，即准直器与TO管帽16通过短玻璃管15桥接对准，准直器的长玻璃管14插入短玻璃管15后使用紫外胶进行粘接固定。
通过上述封装方式，使得MEMS芯片6能够完全不受外部环境中水汽等成分的干扰，有效提高器件精度和寿命。
待衰减的光信号经由输入光纤1输入，经过准直透镜13准直后，透过TO管帽16上的玻璃窗17入射到MEMS芯片6上，再通过MEMS芯片6上的反射镜面7进行反射，反向透过TO管帽16上的玻璃窗17后再经过准直透镜13聚焦，会聚光进入输出光纤2，继续进行传输。
所述准直器可以预先制作好后，再同后面的光学元件进行耦合调光；耦合调光时，所述准直器中的双芯毛细管12短端在上、长端在下，MEMS芯片6的正极在下，下面按此位置摆放方式进行描述，本领域技术人员应该可以理解，采用相反或者其他摆放方式也是可选择的。
本发明所述准直器与密封的MEMS芯片进行耦合调试，按照具体应用场合对掉电特定衰减值的要求，通过TO管座上加电引脚9对MEMS芯片6施加一个电压，让MEMS芯片6的反射镜面7朝逆时针方向预偏一个角度，具体耦合调试方法为：首先，在未施加电压状态下，将衰减调到最小，此时所述准直器的轴向与掉电时的MEMS芯片6的反射镜面7垂直或者基本上相垂直。然后，按照掉电衰减值的要求，对MEMS芯片6施加一个电压(一般为2.5V～4.5V，根据MEMS芯片6个体差异而不同)，使得器件的衰减值达到掉电时所需的特定衰减值，在此电压状态下，通过调整所述准直器的轴向再次将器件的衰减值调到最小，此时所述准直器的轴向与逆时针偏转后的MEMS芯片6的反射镜面7相垂直或者基本上相垂直。也就是说，使得所述准直器的轴向与掉电时的MEMS芯片6的反射镜面7偏移一定角度，该角度使得该MEMS VOA的衰减值为掉电时所需的特定衰减值。此时将准直器的长玻璃管14与短玻璃管15使用紫外胶进行粘接固定，完成该MEMS VOA的耦合调光。
掉电状态下，如图7所示，MEMS芯片6上的反射镜面7不发生转动，准直器相对于MEMS芯片6轴向逆时针转动一个微小角度，入射光经过反射镜面7反射后，反射光经由准直透镜13后回到输出光纤2中，反射光与输出光纤2的模场产生失配，通过调整准直器相对于MEMS芯片6的轴向转角大小，将衰减值控制在5～15dB的范围内，调整后的具体衰减值根据应用场合的需要进行设定。
对器件的TO管座上加电引脚9施加电压，如图8所示，此时MEMS芯片6上的反射镜面7朝逆时针方向转动，当准直器与MEMS芯片6的中心轴基本重合时，入射光经过反射镜面7反射后，反射光经由准直透镜13后回到输出光纤2中，反射光与输出光纤2的模场直径和位置都基本吻合，此时衰减最小，小于0.8dB。
继续对器件的TO管座上加电引脚9施加电压，如图9所示，此时MEMS芯片6上的反射镜面7朝逆时针方向继续转动，准直器与MEMS芯片6又继续产生了更大的轴向偏离，入射光经过反射镜面7反射后，反射光经由准直透镜13后回到输出光纤中，反射光与输出光纤2的模场又产生失配，当施加电压6V时，耦合失配导致的衰减值能够大于40dB。
典型的“衰减-电压”曲线参见图10。在掉电状态下，衰减值保持为特定值5～15dB(图中示意为15dB)，掉电后MEMS VOA器件仍能保持在特定工作状态，此时，器件输出的光功率既不是非常强，不会对光路中的其它光电器件产生破坏作用；器件输出的光功率也不是非常弱，不会使后续光路处于无光断开的非工作状态。随着工作电压的增加，衰减值先慢慢变小，在某个电压下，衰减能达到最小，并满足最小衰减值小于0.8dB的通用工作要求；继续增加工作电压，衰减值又开始慢慢变大，在6V的工作电压范围内，最大可调衰减达到40dB以上，能满足可调光衰减器件对可调衰减范围的要求。
虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围上，可以在耦合对准装置的结构和制作细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种转镜式MEMS可变光衰减器，包括输入光纤(1)、输出光纤(2)、双芯毛细管(12)、准直透镜(13)、长玻璃管(14)、短玻璃管(15)、TO管帽(16)、MEMS芯片(6)和TO管座(8)；所述输入光纤(1)和输出光纤(2)沿所述双芯毛细管(12)的光轴被封入所述双芯毛细管(12)中；其特征在于：所述双芯毛细管(12)和准直透镜(13)的光轴相对准，并同时被固定封装在长玻璃管(14)中，使得所述输入光纤(1)、输出光纤(2)、双芯毛细管(12)、准直透镜(13)和长玻璃管(14)共同组成准直器；所述MEMS芯片(6)设置于所述TO管帽(16)和TO管座(8)构成的密闭腔内，并与TO管座(8)上的加电引脚(9)电连接。
2.如权利要求1所述的转镜式MEMS可变光衰减器，其特征在于：所述TO管帽(16)上设置有一个玻璃窗(17)，所述玻璃窗(17)的正反面都镀有增透膜。
3.如权利要求2所述的转镜式MEMS可变光衰减器，其特征在于：所述玻璃窗(17)是通过玻璃胶或焊料烧结到所述TO管帽(16)上，从而具有良好的气密性，使得所述TO管帽(16)与TO管座(8)之间形成的密闭腔的漏率≤5E-9Pa·m3/s。
4.如权利要求2-3中任一项所述的转镜式MEMS可变光衰减器，其特征在于：所述短玻璃管(15)设置于所述TO管帽(16)外侧，所述准直器插入所述短玻璃管(15)后，所述准直透镜(13)通过所述玻璃窗(17)与MEMS芯片(6)的反射镜面(7)对准，所述准直器的长玻璃管(14)插入所述短玻璃管(15)后进行粘接固定。
5.如权利要求1-4中任一项所述的转镜式MEMS可变光衰减器，其特征在于：对所述MEMS芯片(6)不施加电压时，所述准直器相对于所述MEMS芯片(6)的反射镜面(7)的垂线偏转微小的角度，该微小的角度使得所述转镜式MEMS可变光衰减器的光衰减值为5～15dB。
6.如权利要求5所述的转镜式MEMS可变光衰减器，其特征在于：所述转镜式MEMS可变光衰减器的最小可调衰减值小于0.8dB，最大可调衰减值大于40dB。
7.如权利要求1-6中任一项所述的转镜式MEMS可变光衰减器，其特征在于：随着所述TO管座(8)上的加电引脚(9)上施加的电压的逐步增大，所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减值呈现先减小后增大的变化趋势。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的转镜式MEMS可变光衰减器的制作方法，其特征在于：所述准直器与密封的MEMS芯片(6)进行耦合调试，按照具体应用场合对掉电特定衰减值的要求，通过TO管座(8)上的加电引脚(9)对MEMS芯片(6)施加一个电压，使MEMS芯片(6)的反射镜面(7)预偏一个角度。
9.如权利要求8所述的转镜式MEMS可变光衰减器的制作方法，其特征在于：首先，在加电引脚(9)对MEMS芯片(6)未施加电压状态下，将所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减调到最小，此时所述准直器的轴向与掉电时的MEMS芯片(6)的反射镜面(7)相垂直；然后，按照掉电衰减值的要求，对MEMS芯片(6)施加一个电压，使得所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减值达到掉电时所需的特定衰减值，在此电压状态下，通过调整所述准直器的轴向再次将所述转镜式MEMS可变光衰减器的衰减值调到最小，此时所述准直器的轴向与偏转后的MEMS芯片(6)的反射镜面(7)相垂直或者基本上相垂直。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20161123 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |