CN1238758C - 微型机电系统可变光衰减器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种MEMS可变光衰减器，包括具有平面的衬底，安置在衬底的平面上的微电子激励器，一对分别具有接收和发射端的光波导，并且彼此同轴安置成一行并安置在平面上，光闸，可移向光波导的发射端和接收端间的预定位置，并由微电子激励器驱动来移动，以及形成在光闸上的表面层，具有低于80%的反射率以便部分透射其中的入射光束，并具有消光属性，从而根除其中的该部分透射光。

Description

微型机电系统可变光衰减器
技术领域
本发明涉及使用微型机电系统(MEMS)设备的元件的光衰减器，更具体地说涉及具有改进光闸的MEMS可变光衰减器，通过部分挡住入射光束来调节光信号的光功率。
背景技术
用在光通信网络中的光衰减器是用于通过使光束插入损耗，将经光波导的出口端输出的光束输送到光波导的入射端的光学部件。
通常，基于光通信系统的结构，在很宽的范围上调节光功率电平。例如，由通常根据光传输线的长度、光纤接点的数量以及诸如耦合到光传输线上的光耦合器的光学部件的数量和性能改变的光传输损耗来确定光功率电平。在光通信网络中需要光衰减器以便当接收具有大于容许的功率电平的过大功率电平的光信号时，降低到光信号接收器的光功率。另外，可将光衰减器用在评估、调节和较正通信装置和光测量装置中。
将这些光衰减器分成两种类型，用于按固定衰减量降低光功率的固定光衰减器以及基于用户请求，能按可变衰减量衰减光功率的可变光衰减器(VOA)。需要生产具有高可靠性和小尺寸的低成本光衰减器。
为满足这些要求，已经提出了使用MEMS设备的元件的光衰减器。使用薄膜加工技术，通过在衬底诸如硅上形成充当激励器的微观结构来形成这种MEMS光衰减器。通常，通过由热膨胀或静电力产生的驱动力来驱动MEMS激励器移动。当MEMS激励器移动时，移动耦合到MEMS激励器的光闸以便插入两个光波导之间的间隔中，从而部分挡住从光波导诸如光纤的发射端(或出口端)传播到光波导的接收端(或入射端)的光束。
图1示例说明使用由静电力驱动的激励器的传统可变光衰减器的透视图。图1中所示的可变光衰减器包括具有一对光纤的衬底11，这对光纤分别具有发射端20和接收端30，由驱动电极12a，12b、接地电极14、弹簧15以及可移动主体16组成的静电激励器、以及连接到静电激励器的可移动主体16的光闸17。
在衬底11上形成驱动电极12a，12b以及接地电极14并由称为“锚”的氧化层支撑。可移动主体16经弹簧15连接到接地电极14并具有梳齿状。驱动电极12a、12b分别具有延长13a、13b，每个延长部分具有梳齿状。每个延长部分13a、13b的梳齿与可移动主体16的梳齿相互交叉。
当将驱动信号提供给驱动电极12a、12b以便在驱动电极12a、12b和接地电极14间生成电位差，在可移动主体16和延长部分13a、b的相互交叉的梳齿间生成静电力，从而驱动可移动主体16移动。当可移动主体16移动时，将光闸17插入由发射端20和接收端30限定的间隔中以便部分挡住入射在光闸17上的光束。
对可变光衰减器来说，根据入射光束的波长改变衰减量是很重要的。
另外，对可变光衰减器来说，最小化衰减光束的功率电平的变化是很重要的，这种变化是由诸如经过的时间、入射光束的波长、入射光束的极化改变以及振动的干扰引起的。
然而，传统可变光衰减器的缺点在于由于光闸具有平板形状，因此波长相关损耗(WDL)和极化相关损耗(PDL)很大。
图2A和2B示例说明根据传统技术的传统光闸的示意图。
参考图2A，由光闸27部分挡住从光纤的发射端20传播到光纤的接收端30的光束。在这里，由与已知激励器相同的硅材料形成光闸27。
入射到光闸27的光束中，由光闸反射大部分的光束R，以便防止反射光R进入接收端30。然而，由于光闸27由具有高透射率的硅制成，允许部分光束T通过光闸27入射到光纤的接收端30上。另外，通过反射散射光束，因此产生散射光S1、S2。散射光中，部分S1进入接收端以及另一部分S2可反射回发射端20。因此，由于光闸27由具有高透射率的硅制成，因此传统的光闸27具有低遮光效率的缺点。因此，为解决光闸27的低遮光效率的总量，参考图2B，提供涂以具有高反射率(约90％)的反射金属层的光闸。反射金属层由Au、Ni、Cu、Al和Pt的材料形成。
图2B示例说明由涂以用Au制成的反射金属层37a的光闸37。光闸37反射几乎所有入射在光闸37上的光束R，以致少数光束可入射在光纤的接收端30上。
然而，涂以Au层37a的光闸37生成散射光S1、S2，以及散射光S1、S2进入接收端30和发射端20。
例如，在将入射到涂以Au层的光闸的光束衰减到经发射端20输出的整个光束的光束R的50％、49％可由光闸37上的Au层的反射挡住的情况下，仅散射1％的光束并且散射光S1、S2进入接收端30并再次进入发射端20。
然而，尽管散射光S1、S2很少，通过再次反射增加了再次进入发射端20的散射光S2。另外，根据入射光束的波长和极化，细微地改变散射光S1、S2的总量。在散射光进入接收端30的情况下，增加了WDL和PDL，从而恶化衰减可靠性。
如上所述，传统的MEMS可变光衰减器因为由于光闸的低遮光效率使反向反射光量增加以及因为增加了WDL和PDL，从而具有低可靠性的缺点。
发明内容
因此，鉴于上述问题，做出了本发明，以及本发明的目的是提供具有涂以表面层的光闸的MEMS可变光衰减器，表面层具有高反射率以及透射率的特性，从而防止光束散射并降低反向反射光束量。
本发明的另一目的是提供具有能折射传送到光闸的光束的形状的光闸的MEMS可变光衰减器，用于防止透射光束进入光纤的接收端。
根据本发明的一个方面，通过提供包括具有平面的衬底、安置在衬底的平面上的微电子激励器、分别具有接收端和发射端，并且彼此同轴地安置一行同时安置在平面上的一对光波导、可移向光波导的接收和发射端间的预定位置并由微电子激励器驱动来移动的光闸、以及形成在光闸上并具有低于80％的反射率，以致入射光束部分地传输到此，并具有可由其厚度改变的消光比的表面层，从而根除部分传输到此的光束。
优选地，表面层由从Ti、TiO2、Cr、CrO2、W、Te和Be组成的组选择的材料形成。
优选地，表面层由双层形成，该双层包括第一层，由从包括Ti、Cr、W、Te和Be组成的组选择的材料形成，以及由TiO2或CrO2形成的第二层。
优选地，光闸具有平板形状，并安置为相对于光纤的发射和接收端倾斜。
优选地，光闸具有垂直于光波导的接收端的光轴的第一表面，以及相对于光波导的发射端，倾斜的具有低于90°的倾角的第二表面。
优选地，光闸具有半楔形。
优选地。激励器包括电极区，该区域包括固定以衬底上的接地电极和驱动电极，安置在衬底上并在其一端连接到接地电极的弹簧，以及连接到弹簧的另一端并安置在衬底上主体以便移向驱动电极的可移动主体。
优选地，表面层由从Ti、Cr、W、Te和Be组成的组选择的材料的形成，以及电极涂以与表面层相同的材料。
根据本发明的另一方面，提供MEMS可变光衰减器，该衰减器包括具有上平面的衬底、安置在衬底的上平面上的微电子激励器、分别具有发射和接收端，并彼此同轴地安置成一行的安置在衬底的上表面上的光波导，以及可移向光波导的接收端和发射端间的预定位置的光闸，其中光闸具有垂直于接收端的光轴的第一表面以及相对于光波导的发射端倾斜的具有低于90°倾角的第二表面。
优选地，光闸具有半楔形。
附图说明
从下述结合附图的详细描述，将更容易理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：
图1示例说明根据传统技术的光衰减器的示意性透视图；
图2A和2B示例说明用在传统MEMS可变光衰减器中的光闸的平板形状的示意图；
图3示例说明用在根据本发明的一个实施例的MEMS可变光衰减器中的光闸的示意图，其中光闸涂以Ti层；
图4示例说明根据本发明的另一实施例的MEMS可变光衰减器的半楔形光闸的示意图；
图5示例说明根据本发明的另一实施例的MEMS可变光衰减器的光闸的示意图；
图6示例说明根据本发明的MEMS可变光闸的示意性透视图；
图7A示例说明将传统可变光衰减器的波长相关损耗(WDL)与本发明的可变光衰减器的WDL比较的图；
图7B示例说明将传统可变光衰减器的极化相关损耗(PDL)与本发明的可变光衰减器的PDL比较的图。
具体实施方式
下面，将参考附图来详细地描述根据本发明的优选实施例的MEMS可变光衰减器。
图3示例说明根据本发明的一个实施例的MEMS可变光衰减器中的光闸的示意图。
参考图3，光闸47具有平板形状并涂以Ti层48。由光闸47的平板形状部分地挡住从光纤的发射端20传播到光纤的接收端30的光束。
在光闸47的表面上形成的Ti层48是可透光材料，与具有约98％的反射率并且在传统光闸中用作涂层的Au不同。与Au的反射率相比，Ti层48具有约60％的反射率。即，Ti层48的透光率为约40％。Ti层48具有比用作光闸的本体的硅低的透射率但具有消光特性。
因此，如图3中所示，当光束入射在涂以Ti层48的光闸47上时，由形成在光闸47上的Ti层48反射部分光束R以便反射光R不会入射到光纤的接收端30上。另外，部分光束传输到Ti层48并在Ti层48中耗尽。因此，进入Ti层48的透射光也不会入射在光纤的接收端30上。
另外，Ti层48具有低反射率，与用在传统的光闸中的Au层不同，以致总体减少由反射散射的光束。
因此，通过使用涂以Ti层的光闸，提高了可变光衰减器的可靠性，因为由于减少散射光，与散射光量成比例的波长相关损耗(WDL)和极化相关损耗(PDL)降低。
由于本发明的该实施例的光闸由硅和Ti形成，两者均具有高透射率，光束通过光闸易于透射。因此，有必要形成具有能防止光束通过光闸透射的厚度的Ti层。
假定经光纤的发射端20输出的整个光束的强度为100％，当如图3中所示，光闸47移向发射端20和接收端间预定位置用于部分挡住光束时，由在光闸47上形成的Ti层48的表面反射30％的光束，以及20％的光束传输到Ti层中并在此根除。因此，衰减总量为50％。
在使用具有Au涂层的传统光闸的情况下，由光闸49反射整个入射光束的49％。即，通过闸的反射实现衰减量的98％。
然而，在使用根据本发明的实施例的具有Ti层48的光闸的情况下，仅反射整个入射光束的30％。因此，减少产生于反射光束的散射光量。另外，由于在Ti层中根除透射光束，也可根除产生于透射光束的散射光。因此，减少由入射光束的反射和透射光的反向反射引起的散射光。
因此，由于减少散射光量，大大地减少散射光量成比例的WDL和PDL。
代替在光闸上形成的用于提高光闸的遮光效率的Ti层，可使用从包括Cr、W、Te和BE的组选择的材料形成的金属层。另外，可使用TiO2或CrO2来代替Ti层，因为它具有透光和消光特性。可用由第一层和TiO2或CrO2的第二层组成的双层来代替Ti层，其中第一层由从Ti、Cr、W、Te和Be组成的组选择的金属形成。第二层是形成在第一层上的表面层。
在表1中，示出了用于涂敷光闸的所需材料。用作光闸的涂层的Ti、Cr、W和Te具有低于80％的反射率，从而容许光束部分传输到此。在由Ti、Cr、W或Te形成的涂层中根除透射光束，因为该涂层具有消光特性。表1表示基于涂层的厚度的光束的消光比。在表1中所示的金属能通过涂在光闸上，降低光闸的反射率并根除其中的透射光，从而最小化散射光束对光闸的遮挡效率的影响以及提高光闸的遮挡特性。在表1中，假定光束的波长为1.5μm，1.5μm为通常用在光通信中的光束的波长，获得物理量。
表1
  材料   实数折射率   虚数折射率   反射率   消光比(dB/)
  Ti   4.04   3.82   0.596   0.139
  Cr   4.13   5.03   0.680   0.183
  W   2.36   4.61   0.710   0.168
  Te   7.23   0.48   0.574   0.107
另外，由于表1中材料的自然氧化物或氧化物具有与表1中材料相同的特性，表1中材料的自然氧化物和氧化物也可用作形成在光闸上的涂层来代替Ti层48。因此，TiO2和CrO2可单独或结合表1中所示的金属用作涂层。
图4是根据本发明的另一实施例的可变光衰减器的半楔形光闸的示意图。
在该实施例中，光闸57具有与传统光闸相同的Au涂层但具有与传统光闸不同的形状。与具有平板形状的传统光闸不同，根据本发明的实施例的光闸具有半楔形以便能防止生成散射光束以便透射到光闸的光束不能入射在光纤的接收端30的中心区域上，因为在半楔形光闸的表面上折射透射光束。
如图4中所示，光闸57具有垂直于光纤的接收端30的光轴X1的第一表面以及具有相对于光纤的发射端20倾斜的第二表面。
只要能在第二表面上折射透射到光闸57中的光束而不会进入光纤的接收端30的中心区域。可在从0到小于90°的范围内任意确定光闸57的第二表面与光纤的发射端20的光轴X2间的角度。
图4表示从光纤的发射端20传播到光纤的接收端30的光束的分散，其中由楔形光闸挡住光束部分。光闸由硅形成，与其他激励器相同。
约60％的光束能透过用作光闸的本体的硅材料。因此，在传统的光衰减器中，用具有高反射率的Au涂敷光闸，用于防止入射光束透入光闸并通过光闸进入光纤的接收端。然而，这种传统的具有Au涂层的光闸由于增加了与产生于反射光和反向反射光的散射光束成比例的WDL和PDL，导致了恶化可变光衰减器的可靠性。
因此，本发明提供出不具有产生散射光的反射涂层的光闸。本发明的光闸具有不同于传统光闸的形状，从而通过反射部分入射光束以及折射透射到光闸中的光束，防止光束进入光纤的接收端30。
参考图4，当从光纤的发射端20传播到光纤的接收端30的光束入射在光闸57上时，由光闸57反射部分光束，从而挡住这部分光束。将另一部分光束T透射到光闸57中，在光闸57的第二表面(或倾斜表面)上折射，然后再次在垂直于光纤的接收端30的光轴的第一表面上折射，从而将这部分光束移离光纤的接收端30的中心区域。在第二表面上，按与光闸57的倾斜面与光入射方向间的相同的角度的角度折射透射光束T。
因此，图4中所示的半楔形光闸57不会由产生由反射引起的散射光，而仅会产生由于表面粗糙度引起的少量散射光S1、S2。因此，能大大地降低WDL和PDL。
另外，优选地，结合图3中所示的光闸的优点和图4中所示的光闸的优点，从而提供图5中所示的光闸。
图5示例说明涂以Ti层的半楔形光闸。参考图5，当从光纤的发射端20传播到光纤的接收端30的光束入射在具有Ti层68的光闸67上时，用与图4中所示的光闸相同的方式，由于反射挡住大部分光束R。
然而，根据如图5所示的实施例的光闸不同于根据图4的实施例的光闸之处在于在Ti涂层68中根除散射光束和透入光闸67中的光束。因此，基本上防止光束进入光纤的接收端。另外，因为将Ti层68涂在光闸67上，从而改进光闸67的表面粗糙度，以致几乎不会产生散射光。
如上所述，由于光闸67不使用具有高反射率的Au层作为表面涂层，大大地降低散射光量。因此，导致产生于散射光的WDL和PDL减小，因此，提高可变光衰减器的可靠性。
另外，在图5的实施例中，不必精确地限定Ti涂层的厚度。即，在参考图3的实施例中，有必要通过Ti涂层48消除透射到光闸中的所有光束。因此，Ti涂层48必须具有用于根除其中的所有透射光束的足够的厚度。然而，在参考图5的实施例中，由于光闸67具有楔形，通过光闸67的表面的折射，透射到光闸67中的光束不指向进入光纤的接收端30。因此，不必精确在限定Ti涂层的厚度。
因此，在使用图5所示的光闸的情况下，由于由反射引起的散射光量降低到由于使用传统的涂有Au的光闸而引起的散射光量的1/3，以及在光闸的表面上折射透射光，防止散射光进入光纤的接收端。
图6示例说明具有根据本发明的实施例的光闸的MEMS可变光衰减器的示意透视图。
参考图6，根据本发明的MEMS可变光衰减器包括具有分别含有发射端20和接收端30的光波导，优选地，光纤的衬底71、静电激励器，包括驱动电极72a，72b，接地电极74，弹簧75以及可移动主体76、以及光闸77，连接到可移动主体76的光闸77。在衬底71上形成驱动电极72a，72b以及接地电极74并由氧化层79支撑。将可移动主体76经弹簧75在其一端连接到接地电极并吊在衬底71上。弹簧75具有弹性结构并且由与传统激励器相同的材料形成。参考图6，弹簧75具有卷曲结构，并不限于此。驱动电极72a、72b具有各自延长的部分73a、73b，每个延长部分具有梳齿状。每个延长部分73a、73b的梳齿与可移动主体73的梳齿相互交叉。
光闸77具有面向光波导的接收端的倾斜表面的半楔形。另外，表面层优选地涂在半楔形光闸上，用于提高光闸的遮光效率。表面层包括Ti层。另外，电极，驱动电极和接地电极可涂以由与光闸上的表面层相同的材料形成的层。如果用于涂敷光闸的表面层以及用于涂敷电极的层由相同的材料形成，在相同的步骤期间，可同时形成该层和该表面层。
用在根据本发明的MEMS可变光衰减器中的光闸能最小化散射光束的影响，从而降低与散射光量成比例的WDL和PDL，并提高光闸的可靠性。
图7A示例说明将涂以Au层的传统光闸的WDL与根据本发明的涂以Ti层的光闸的WDL比较的图。分别在衰减量为0dB、10dB和20dB的情况下测量WDL。在图7A的图中，纵向轴表示WDL量以及竖条表示WDL量的变化。
参考图7A，在衰减量为0dB的情况下，涂以Ti层的光闸几乎不引起WDL变化，但涂以Au层的光闸中，测量WDL的范围从0.1至0.2dB。
另外，在衰减量为10dB的情况下，在传统的涂以Au层的光闸中，WDL的范围从0.1至0.2dB，而本发明的光闸中仅为0.1dB。
更进一步，在衰减量为20dB的情况下，在传统的光闸中，WDL的范围从0.4至1dB，而在本发明的光闸中，仅为0.3dB。
另一方面，在PDL的特性方面，本发明的光闸也优于传统的光闸。参考图7B，在衰减量为0dB的情况下，本发明的具有半楔形以及Ti涂层的光闸以及涂以Au层的传统光闸中，PDL几乎不变化，然而，在衰减量为10dB的情况下，传统光闸中PDL的范围从0.1至1dB，而在本发明的光闸中仅为0.2dB。另外，在衰减量为20dB的情况下，传统光闸中的PDL的范围从0.7至1.6dB，而在本发明的光闸中仅为0.2dB。
如上所述，根据本发明的实施例，具有光闸的可变光衰减器能通过抑制生成散射光来最小化衰减光量的光强度的变化。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员将可以理解，在不脱离附加的权利要求书中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和取代是可能的。

Claims (8)

1.一种微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，包括：
具有平面的衬底；
安置在衬底的平面上的微电子激励器；
一对光波导，分别具有接收端和发射端，并同轴安置在平面上；
光闸，可移向光波导的接收端和发射端间的指定位置，并由微电子激励器驱动来移动；以及
表面层，形成在光闸上，具有低于80％的反射率以便将入射光束部分透射到该表面层中，并具有适合其厚度的消光比，从而根除其中的部分透射光束。
2.如权利要求1所述的微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，其中：表面层由从包括Ti、TiO2、Cr、CrO2、W、Te和Be的组中选择的材料形成。
3.如权利要求1所述的微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，其中：表面层由双层形成，该双层包括由从包括Ti、Cr、W、Te和Be的组中选择的材料形成的第一层和由TiO2或CrO2形成的第二层。
4.如权利要求1所述的微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，其中：光闸为平板形状，并且倾斜地安置于发射端和接收端之间。
5.如权利要求1所述的微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，其中：光闸具有垂直于光波导的接收端的光轴的第一表面，以及相对于光波导的接收端倾斜的具有低于90°的倾角的第二表面。
6.如权利要求5所述的微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，其中：光闸具有半楔形。
7.如权利要求1所述的微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，其中：激励器包括：
电极区，包括固定到衬底上的接地电极和驱动电极；
弹簧，安置在衬底上并在其一端连接到接地电极；以及
可移动主体，连接到弹簧的另一端，并安置在衬底上以便移向驱动电极。
8.如权利要求7所述的微型机电系统(MEMS)可变光衰减器，其中：表面层由从包括Ti、Cr、W、Te和Be的组中选择的材料形成，并且电极涂以与表面层相同的材料。
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