CN1285935C - 光通信的可变光衰减器 - Google Patents

Abstract

一种用于光通信的可变光衰减器，包括：多个定位凹槽被模制在上面的一个衬底；一个输入光纤，输入光纤在定位凹槽之一中定位并且接收光信号；一个反光镜，反光镜形成在衬底上，从而移动以改变已经通过输入光纤的光信号的路径；一个输出光纤，输出光纤在定位凹槽之一中定位并且输出路径已经被改变的光信号；一个第一透镜，定位在输入/输出光纤和反射镜之间的一个定位凹槽中，以便在垂直于衬底的方向上校准光信号；和一个第二透镜，模制在输入/输出光纤和反射镜之间的衬底上，以便在与衬底水平的方向上校准光信号，因此，使得组装过程容易，减小定位误差，并且使得整体尺寸小型化。

Description

光通信的可变光衰减器

技术领域

本发明涉及到用于光通信的可变光衰减器，尤其涉及到用作光通信网络的接口设备的光通信的可变光衰减器，并且被设计成以较低的制造成本方便地制造。

背景技术

近来，信息相关技术随着使用能够传输和接收大量的信息的光纤的高速通信技术的开发正在显著地发展。尤其是，包含各种类型的数据例如活动图像、音频信号、字符信号等的多媒体信息的传输速度增加，交互式通信环境被建立，并且用户的数量爆炸性地增加。因此，使用现有的铜线进行传输的通信网络不能够应付这样的发展。由此，正考虑使用具有高的载波频率的光信号的通信网络取代它。

在使用光作为信息传输信号的光通信网络中，替代在利用现有的铜传输线的通信网络中使用的逻辑集成电路，光连接器模块被用作连接用户与中继器或公用载波的接口。

作为这样的光通信网络的数据接口的光连接器模块包括：由光纤制成的传输线、用于接收光信号的光接收模块、用于传输光信号的光传输模块、和光中继器。然而，光连接器模块需要精确的加工和组装，这就使得它的制造成本昂贵。

而且，光连接器模块应该满足下面的要求：功耗小，轻、小而易操作，并且有好的机械/光学性能。然而，制造满足所有这些要求的光连接器模块是不容易的。

同时，作为光纤通信的部件之一的可变光衰减器正在日益引起注意。这是因为：各设备被宽范围的光输出驱动，从由发送器、放大器等输出的高水平输出信号到输入到接收器的低水平信号。例如，为了衰减光接收部分的光输出，固定光衰减器被用于短距离光纤传输网络中。而且，用于控制涉及在WDM(波分多路复用)光学网络中的多通道的光信号的大小的可变光衰减器正在开发中。

作为包括光衰减器的光学开关，有体光机械开关(bulk optomechnicalswitch)、液晶开关、铌酸锂开关、使用波导的热光开关等。然而，虽然有多种类型的开关，但是，在制造超轻型的并能够保持高的机械/光学性能的，同时消耗功率小的开关方面是有限制的。

为了克服这样的限制，有关使用半导体制造工艺和显微机械加工技术的光纤通信的可变光衰减器和各种精密部件的研究正在活跃地进行中。

图1到3说明常规的使用微球形透镜的光通信的光衰减器。图1是说明常规的可变光衰减器的结构的透视图，图2是说明图1的校准透镜系统的结构的透视图，并且，图3是说明图2的校准透镜系统的操作原理的示意图。

如图所示，用于光通信的常规的光衰减器包括：一个校准和传输输入光信号5a的第一校准透镜系统10；一个反射镜20，反射镜20安装在衬底上从而被转动以按照一定的角度(α)改变从第一校准透镜系统10输出的光信号5b的方向；和一个第二校准透镜系统30，相对于入射在反射镜20上的光信号5b与第一校准透镜系统10呈一定的角度(α)安装在衬底上，用于校准和输出反射镜20反射的光信号5c。

第一和第二校准透镜系统10和30以及反射镜20被安装在接收凹槽41和42中，接收凹槽41和42模制在硅材料的衬底40上。

如在图2中所示，第一校准透镜系统10包括：一个传输光信号5a的光纤11；和一个微球形透镜12，按照预定的距离与光纤11的一端分隔开，从而校准通过光纤11的光信号5a。同样地，第二校准透镜系统30包括：一个微球形透镜32，用于校准方向已经被反射镜20改变了的光信号5c；和一个光纤31，按照预定的距离与微球形透镜32分隔开，并且，传输在通过微球形透镜32时已经被校准过的光信号5c。

如在图3中所示，光信号5a′，即未到达球形透镜12的光信号5a，还未被校准。当通过球形透镜12时，光信号5a′在水平和垂直于硅衬底40的方向上被校准，因此，增加光信号5的光亮度。由此，光效率能够被改善。

现在将详细描述用于光通信的常规的光衰减器的操作。

当通过第一校准透镜系统10时，在水平和垂直于硅衬底40的方向校准光信号5a，并且，通过按照预定反射角度的反射镜20，校准的光信号5b的前进方向发生变化。前进方向已经被反射镜20改变的光信号5c穿过第二校准透镜系统30的球形透镜32和光纤31，然后被输出。这里，反射镜20被设计成被转动，从而按照它的转动精密地改变反射角(α)。又，反射镜20控制光信号使得仅有反射的光信号5c的一部分入射在第二校准透镜系统30上。按照这样的方式，输出的光信号5d的亮度，即光的量被控制。

然而，在用于光通信的常规的光衰减器中，第一和第二校准透镜按照对应于反射角的一定的距离被安装在衬底上，这可能过分地增加它的尺寸。因此，由于系统的整个尺寸被增加，这就难以使系统满足轻、小的要求。

又，因为昂贵的和具有小于1mm直径的球形透镜被用于校准光信号，所以制造成本增加。

另外，因为包括微球形透镜的校准透镜系统应该在硅衬底被加工以后在硅衬底上被定位，所以，在组装时的定位误差更加容易发生。

发明内容

因此，本发明的一个目的是要提供一种用作光通信网络的接口设备的光通信的可变光衰减器，并且，配置成容易制造，减少制造成本。

为了获得这些和其它优点以及按照本发明的目的，这里将进行具体和广泛描述，提供的用于光通信的一种可变光衰减器包括：多个定位凹槽被模制在上面的一个衬底；一个输入光纤，定位在定位凹槽之一中并且接收光信号；一个反光镜，形成在衬底上，从而移动以改变已经通过输入光纤的光信号的路径；一个输出光纤，定位在定位凹槽之一中并且输出路径已经被改变的光信号；一个第一透镜，定位在输入/输出光纤和反射镜之间的定位凹槽之一中，从而在垂直于衬底的方向上校准光信号；和一个第二透镜，与定位凹槽同时模制在输入/输出光纤和反射镜之间的衬底上，从而在与衬底水平的方向上校准光信号。

本发明的前述的和其它的目的、特征、方案和优点，由下面的结合附图的关于本发明的详细说明，将会变得更加明白。

附图说明

被包括用于提供对本发明的进一步理解并且一起构成说明书的附图，说明本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

在图中：

图1是说明常规的可变光衰减器的结构的透视图；

图2是说明图1的校准透镜系统的结构的透视图；

图3是说明图2的校准透镜系统的操作原理的示意图；

图4是说明按照本发明的第一实施例的可变光衰减器的结构的透视图；

图5是说明图4的校准透镜系统的结构的透视图；

图6是说明图5的校准透镜系统的操作原理的侧视图；

图7是说明图5的校准透镜系统的操作原理的平面图；和

图8和9是说明按照本发明的第一实施例的可变光衰减器的操作原理的示意图。

具体实施方式

现在，将详细描述本发明的优选实施例，在附图中说明其实例。

图4到9说明按照本发明的第一实施例的用于光通信的可变光衰减器。图4说明按照本发明的第一实施例的可变光衰减器的结构，而图5说明图4的校准透镜系统的结构。又，图6和7说明校准透镜系统的操作原理，并且，图8和9说明按照本发明的第一实施例的可变光衰减器的操作原理。

如图所示，按照本发明的第一实施例的用于光通信的可变光衰减器包括：多个定位凹槽151、152和153被模制在上面的一个衬底150；一个输入光纤110，定位在一个定位凹槽151中并且接收光信号160；一个反光镜140，形成在衬底150上，从而移动以改变已经通过输入光纤110的光信号160的路径；一个输出光纤112，定位在一个定位凹槽152中并且输出一个光信号161，即路径已经被改变的光信号160；一个第一透镜120，定位在输入/输出光纤110、112和反射镜140之间的一个定位凹槽153中，并且在垂直于衬底150的方向(x-轴的方向)校准光信号；和一个第二透镜130，模制在输入/输出光纤110、112和反射镜140之间的衬底150上，从而在与衬底150水平的方向(y-轴的方向)校准光信号160。

衬底150通常由硅材料制成，并且，通过使用半导体加工技术的显微机械加工方法，在衬底150上模制定位凹槽151、152和153。

输入光纤110和输出光纤120被容纳在定位凹槽151和152中，并且定位成互相平行。第一透镜120被定位成垂直于输入/输出光纤110和120对准的方向。这时，第一透镜120被定位在与输入/输出光纤110和120的一端的预定的距离，使得光信号160通过第一透镜120时，在垂直于衬底150的方向上被校准。

优选地，这样的第一透镜120被形成为在垂直于衬底150的方向上具有一定的曲率半径的圆柱形。

因为，与常规的球形透镜相比较，第一透镜120具有一个恰当大的尺寸，所以，第一透镜120能够容易地容纳在衬底150上模制的定位凹槽153中，不会受定位误差大的影响。

优选地，透明材料的光纤被用作第一透镜120。

同时，形成在第一透镜120和反光镜140之间的第二透镜130被分成一个输入光透镜130a和输出光透镜130b，输入光透镜130a沿着输入光纤110的对准轴线(alignment axis)形成在衬底150上，以在水平于衬底150的方向校准已经通过输入光纤110的光信号，输出光透镜130b沿着输出光纤的对准轴线形成在衬底150上，以在水平于衬底150的方向校准已经被反射镜140改变路径的光信号160。

至于包括两个透镜130a和1 30b的第二透镜130，各透镜130a和130b的一个表面在与衬底150水平的方向上具有一定的曲率半径，从而在与衬底150水平的方向校准光信号160。于是，第二透镜130能够与第一透镜120一起有效地校准光信号160。

这里，输入光学透镜130a和输出光学透镜130b的功能和形状是相同的。因此，两个透镜将被描述为一个第二透镜130，而不在两者之间加以区分。

即，当光信号160通过第一透镜120时，在垂直于衬底150的方向上发散的光信号160的垂直发散角被减小。当光信号160通过第二透镜130时，在与衬底水平的方向上发散的光信号160的水平发散角被减小。

优选地，这样的第二透镜130与模制在衬底150上的定位凹槽151、152和153同时被模制。

即，通过使用MEMS技术的批处理过程，能够以非常简单和容易的方式在硅片上形成第二透镜130和定位凹槽151、152和153。

更详细地，通过光刻技术模制形成在衬底150上的厚的光刻胶，容易形成第二透镜130和定位凹槽151、152和153。作为另一种方法，通过光刻技术模制形成在衬底150上的光敏聚合物薄膜，能够容易地形成第二透镜130和定位凹槽151、152和153。

即，第二透镜130由聚合物制成。当然，如果材料能够被应用于使用MEMS技术的批处理过程，那么，能够起到透镜作用的任何材料可以被用于第二透镜。

同时，能够沿垂直于来自输入光纤110的光信号160的前进方向的方向(x-轴的方向)移动的反射镜140被形成在衬底150上，从而控制通过输出光纤112输出的光信号的量(即：亮度)。

反射镜140具有一个第一反射表面141，反射已经通过输入光纤110的光信号并改变光信号的路径；和一个第二反射表面142，再次改变已经被第一反射表面141反射的光信号的路径，从而使得光信号通过输出光纤112被输出。

即，反射镜140的反射表面141和142被布置形成一个‘V’字形，并且，优选地，在第一反射表面141和第二反射表面142之间的夹角是直角。

同时，优选地，输入光信号平行于其路径已经通过第一和第二反射表面141和142被改变的输出光信号161。即，通过形成这样的反射镜140，输入光纤111和输出光纤112被定位成相互平行。

又，反射镜140在衬底上沿垂直于光信号160的前进方向的方向，被通过静电力或电磁力驱动的装置(图中未示出)驱动，从而在光信号160的路径从输入光纤110被改变到输出光纤112时，控制传输的光信号160的亮度(即：量)。

这里，反射镜140的第一反射表面141和第一反射表面142被整体地形成并且可以同时移动，以便控制输出光信号161的光的量。

同时，尽管未在图中表示，反射镜140的反射表面141和142能够被单独地驱动。例如，反射镜140的第一反射表面141和第一反射表面142能够被分别构成，并且，仅第二反射表面142在衬底150上沿垂直于输入/输出光信号160和162的前进方向的方向移动，因此，控制光信号160的输出亮度。

下面，将详细描述按照本发明的第一实施例的用于光通信的可变光衰减器的操作。

光信号160通过输入光纤110，然后通过沿垂直于光信号161前进方向的方向安装在衬底150上的第一透镜120。这时，如在图6中所示，光信号在垂直于衬底150的方向上校准。然后，如在图7中所示，光信号通过第二透镜130，由此，在与衬底150水平的方向被校准。因此，引入反射镜140的光的量被增加，因而光信号160被有效地传送到反射镜140。

这里，如在图8和9中所示，已经通过第一透镜120和第二透镜130的光信号160，在垂直于入射在第一反射表面141上的光信号的路径的方向上被反射镜140的第一反射表面141反射，使得光信号的路径被改变成朝着第二反射表面142。光信号160由第二反射表面142反射，因而沿与光信号160入射在第一反射表面141上的前进方向相反但平行的方向前进。

这时，如在图9中所示，当反射镜140沿第一反射表面141反射的光信号160的方向水平移动时，由反射镜140反射的光信号160相当于d1-d2的光的量被传送到输出光纤112，从而光的量被减少了d2。即，通过输入光纤110并且其光的量相当于d1的光信号发生了相当于d2的光的量的减少。

如上所述，与使用球形透镜作为光信号的校准透镜的常规的可变光衰减器不同，本发明使用一种校准透镜系统，包括：一个第一透镜，在垂直于衬底的方向校准光信号；和一个第二透镜，由聚合物材料制成，并且，通过半导体批处理过程和显微机械加工技术，与光纤的定位凹槽结构同时模制在衬底上。于是，因为仅仅具有一个相对大的尺寸的第一透镜在模制在衬底上的定位凹槽中被定位，所以，校准透镜系统的定位过程变得非常简单，并且，定位误差能够被明显地减小。于是，按照本发明的可变光衰减器，能够以低的成本被容易地制造为小巧和轻便的光接口设备，这种光接口设备被用作高频带的光接收/传送模块和光通信网络。

而且，在本发明中，因为形成有具有预定夹角的反射表面的反射镜被使用，所以，输入光纤和输出光纤能够被定位成相互平行。于是，光纤的集成可以容易地进行，且因此，可变光衰减器的整体尺寸能够被有效地减小。于是，如果按照本发明的用于光通信的可变光衰减器被平行地连接，那么，多通道的光加(add)/减(drop)多路复用器(OADM)模块能够被小型化。

本发明可以用几种形式具体实现，而不会离开其精神或实质，也应该明白：上述的实施例并不被前述的任何细节所限制，除非另有说明，而是应该在权利要求确定的精神和范围内进行广义解释，并因此，落入权利要求的边界和范围或者这样的边界和范围的等同的所有的变化和修改，均应被包含在权利要求中。

Claims (18)

1、一种用于光通信的可变光衰减器，包括：

多个定位凹槽被模制在上面的一个衬底；

一个输入光纤，定位在定位凹槽之一中并且接收光信号；

一个反光镜，形成在衬底上，从而移动以改变已经通过输入光纤的光信号的路径；

一个输出光纤，定位在定位凹槽之一中并且输出路径已经被改变的光信号；

一个第一透镜，定位在输入/输出光纤和反射镜之间的定位凹槽之一中，以便在垂直于衬底的方向上校准光信号；和

一个第二透镜，与定位凹槽同时模制在输入/输出光纤和反射镜之间的衬底上，以便在与衬底水平的方向上校准光信号。

2、按照权利要求1的衰减器，其中，第一透镜定位垂直于输入/输出光纤的定位方向。

3、按照权利要求1的衰减器，其中，在垂直于衬底的方向，第一透镜具有一定的曲率半径。

4、按照权利要求3的衰减器，其中，第一透镜被形成为圆柱形。

5、按照权利要求1的衰减器，其中，第一透镜是光纤。

6、按照权利要求1的衰减器，其中，输入光纤和输出光纤被定位成相互平行。

7、按照权利要求1的衰减器，其中，第二透镜被分成用于校准已经通过输入光纤的光信号的透镜和用于校准路径已经被反射镜改变的光信号的透镜。

8、按照权利要求7的衰减器，其中，在与衬底水平的方向，每一个透镜具有一定的曲率半径。

9、按照权利要求1的衰减器，其中，第二透镜由聚合物制成。

10、按照权利要求1的衰减器，其中，通过光刻技术模制形成在衬底上的厚的光刻胶，制成第二透镜和定位凹槽。

11、按照权利要求1的衰减器，其中，通过光刻技术模制形成在衬底上的光敏聚合物薄膜，制成第二透镜和定位凹槽。

12、按照权利要求1的衰减器，其中，反射镜在衬底上沿垂直于入射在反光镜上的光信号的方向移动，从而反射入射的光信号，使得光信号平行于被入射在反射镜上的光信号前进。

13、按照权利要求12的衰减器，其中，输出光纤被定位成平行于输入光纤，这样，从反射镜反射的光信号入射到输出光纤上。

14、按照权利要求12的衰减器，其中，反射镜具有两个具有预定的夹角的反射表面，以改变入射在反射镜上的光信号的路径。

15、按照权利要求14的衰减器，其中，反射镜的反射表面被整体形成。

16、按照权利要求14的衰减器，其中，反射镜的反射表面独立地移动。

17、按照权利要求14的衰减器，其中，在反射表面之间的夹角是直角。

18、按照权利要求1的衰减器，其中，衬底由硅材料制成。

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