CN1288493C - 微型机电系统（mems）可变光衰减器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种MEMS(微型机电系统)可变光衰减器。MEMS可变光衰减器包括具有上平面的衬底；静电衰减器，布置在衬底的上表面上；发射和接收端，布置在衬底上以便这些端的光轴彼此重合；以及光束闸，由激励器移向发射和接收端间的指定位置；其中光束闸具有第一涂层和第二涂层，该第一涂层由具有超过90%的反射率制成并形成在光束闸的表面上，该第二涂层由具有低于80%的反射率的材料制成，以便由第二涂层透射部分光并具有由第二涂层的厚度确定的透射光的光分解率。该MEMS可变光衰减器最小化由反射生成的光的散射部分的总量并挡住透射光以便不到达接收端，从而降低波长相关损耗(WDL)和极化相关损耗(PDL)，并提高挡住效率。

Description

微型机电系统(MEMS)可变光衰减器
技术领域
本发明涉及MEMS(微型机电系统)可变光衰减器，更具体地说涉及具有用于控制在发射和接收光波导间传播的光信号量的改进的细光束闸的MEMS可变光衰减器。
背景技术
用在光通信系统中的光衰减器表示光学部件，其包括一对发射和接收端，并且由于光损耗，用来衰减经接收端输入的光，然后将衰减光经发射端输出。
个别地，根据系统的结构改变光接收和发射级。例如，根据由于光纤的传输距离的长度、光纤的连接部分的数量、光学部件的数量和性能诸如用在传输线中的光分支的传输损耗的差值确定光接收和传输级。因此，当光接收器接收具有过量的光时，需要光衰减器。另外，光衰减器广泛地用在通信装置和光学测量装置的评估、调节和较正中。
将光衰减器分成固定光衰减器以及可变光衰减器(VOA)，在固定光衰减器中，光的衰减量是固定的，而在可变光衰减器中，光的衰减量是可变的。需要一种在缩减成本的情况下具有良好的可靠性和小的尺寸的光衰减器。
为满足上述要求，已经使用薄膜技术开发出光衰减器以致具有MEMS结构。在MEMS可变光衰减器中，使用薄膜技术在由硅等制成的衬底上形成具有精细结构的激励器。通常，使用热膨胀力或静电力驱动激励器，从而产生光束闸的电势差。由此，控制从发射端(也称为“输出端”发射到接收端(也称为“输入端”)的光量。
图1是使用静电激励器的传统MEMS可变光衰减器的示意性透视图。图1的传统MEMS可变光衰减器包括具有发射端20和接收端30的衬底11、包括驱动电极12a和12b、接地电极14、弹簧15以及可移动主体部分16，以及连接到静电激励器的可移动主体部分16的光束闸。在衬底11上由氧化层19(也称为“锚”)支撑驱动电极12a和12b以及接地电极14。将可移动主体部分16通过弹簧15连接到接地电极14，并具有悬浮于衬底11的梳型结构。从驱动电极12a和12b延长的部分13a和13b具有与可移动主体部分16的梳型结构互相交叉的梳型结构。
在图1中，将驱动信号提供给光衰减器，以便在驱动电极12a和12b与接地电极14之间产生电势差。然后，在可移动主体部分16与延长部分13a和13b间的互相交叉梳型结构处产生静电力，并且通过静电力，将可移动主体部分16移动到延长部分13a和13b。当可移动主体部分16移动时，将光束闸插入发射端20和接收端30之间，从而部分挡住入射在接收端30上的光。
上述MEMS可变光衰减器在任何可用波长时都需要统一的光衰减量以及最小由于诸如时间、波长、极化和振动的变化的干扰的光衰减变化。
然而，该传统的可变光衰减器具有诸如很大的波长相关损耗((WDL)以及很大的极化相关损耗(PDL)的问题。
图2a和2b是示例说明受传统的可变光衰减器的平面光束闸影响的光衰减的示意图。
参考图2a，通过平面光束闸27部分挡住从发射端20输出并输入到接收端30的光。在这里，光束闸27由硅制成，与传统的激励器相同。
相当大量的光由光束闸27反射并防止入射在接收端30上。然而，由于光束闸27由具有良好光传输性的硅制成，另外的部分光(T)入射在接收端30上。散射另外的部分光(S1)，然后入射在接收端30上，以及反向反射另外的部分光(S2)并再次入射在发射端20上。为提高由硅制成的平面光束闸27的光挡住效果，如图2b所示，将光束闸37涂以具有高反射率(不低于约90％)的金属诸如Au、Ni、Cu、Al和Pt。
图2b表示涂有Au作为反射金属的光束闸37。具有Au涂层38的光束闸37反射相当大量的部分光(R)，并防止入射在接收端30上，与图2a相同。
然而，具有Au涂层38的光束闸反射部分光，从而产生散射的部分光(S1和S2)。散射的部分光(S1)入射在接收端30上，以及散射的部分光(S2)入射在发射端20上。例如，当使用具有Au涂层的光束闸来挡住从发射端20输出以输入到接收端30的总光量的50％时，光的挡住部分(R)的总量约为光总量的49％，以及光的散射部分(S1+S2)的总量约为光总量的1％。
尽管散射部分光的总量很小，由于散射部分的光，使反向反射部分光的总量增加，并且根据波长和极化的变化灵敏地改变。因此，当散射部分的光入射在接收端上时，增加了可变光衰减器的WDL和PDL。
如上所述，在传统的MEMS可变光衰减器中，由于光束闸的不良挡住影响，增加了反向反射部分光的总量，并增加WDL和PDL，从而降低衰减器的可靠性。
因此，需要一种MEMS可变光衰减器，其能最小化到达接收端的反向反射和散射部分的光的总量，并挡住发射和散射部分的光以致不能到达接收端。
发明内容
因此，鉴于上述问题，做出了本发明，而且本发明的目的是提供一种MEMS可变光衰减器，其能由于光束闸的反射最小化反向散射部分光的总量，并挡住发射和散射部分光以致不能达到接收端，从而降低波长相关损耗(WDL)和极化相关损耗(PDL)。
根据本发明，可通过提供MEMS可变光衰减器来实现上述和其他目的，该MEMS可变光衰减器包括：衬底，具有上平面；放置在衬底的上表面上的静电衰减器；放置在衬底上的发射和接收端以便这些端子的光轴彼此相符；以及光束闸，通过激励器移动到发射和接收端间的指定位置，其中光束闸具有由用超过90％的反射率的材料制成并形成在光束闸的表面上的第一涂层；以及用具有低于80％的反射率的材料制成的第二涂层以便由第二涂层发射部分光，并具有由第二涂层的厚度确定的透射光的光分解率。
优选地，第一涂层可由从由Au、Ni、Cu、Al和Pt组成的组中选择的一种材料制成，以及第二涂层可由从由Ti、TiO2、Cr、CrO2、W、Te和Be组成的组中选择的一种材料制成。另外，优选地，第二涂层可包括：由从Ti、Cr、W、Te和Be组成的组选择的一种材料制成的第一层；以及由从TiO2和CrO2组成的组选择的一种材料制成的第二层。
此外，优选地，光束闸可具有向发射和接收端的光轴倾斜的平面结构。另外，光束闸可包括垂直于接收端的光轴的一个平面以及以低于90°的指定角度，即，锐角倾斜于接收端20的光轴的另一平面。在这种情况下，光束闸可具有半楔形结构。
优选地，激励器可以包括：电极区，具有固定到衬底的接地电极和驱动电极；位于衬底上的弹簧，以便将弹簧的一端连接到接地电极；以及可移动主体部分，位于衬底上并连接到弹簧的另一端以便将可移动主体部分移动到驱动电极。
在这种情况下，第一涂层可由从Au、Ni、Cu、Al和Pt组成的组选择的一种材料制成，以及电极区可涂以与第一涂层牟材料相同的电极材料以便获得期望的导电率。另外，第二涂层可由从Ti、Cr、W、Te和Be组成的组选择的一种材料制成，以及电极区可涂以与第二涂层的材料相同的电极材料。
该MEMS可变光衰减器的特征在于包括具有第一涂层的光束闸，第一涂层由高于90％的反射率的材料制成并形成在光束闸的表面，以及由低于80％反射率的材料制成的第二涂层，以便由第二涂层发射部分光，并且具有由第二涂层的厚度确定的透射光的光分解率。
当由MEMS可变光衰减器挡住部分光时，光束闸的第二涂层降低由反射产生的散射光量并分散部分透射光，以及具有高反射率的第一涂层挡住由第二涂层发射并散射到接收端的光量。因此，该MEMS可变光衰减器降低了反射损耗、WDL以及PDL。
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。
图1是传统的MEMS可变光衰减器的示意性透视图；
图2a和2b是传统的MEMS可变光衰减器的示意图，由平面光束闸挡住部分光；
图3是根据本发明的实施例的MEMS可变光衰减器的示意图，由光束闸挡住部分光；
图4是根据本发明的另一实施例的MEMS可变光衰减器的示意图，由光束闸挡住部分光；
图5是根据本发明的MEMS可变光衰减器的示意性透视图；
图6a和6b是表示在传统的MEMS可变光衰减器和本发明的MEMS可变光衰减器中波长相关损耗(WDL)和极化相关损耗(PDL)的图。
具体实施方式
现在，参考附图来详细地描述本发明的优选实施例。
图3是包括具有双涂层的平面光束闸的MEMS可变光衰减器的示意图。
参考图3，由平面光束闸47部分挡住从发射端20输出以输入到接收端30的光。平面光束闸47包括第一涂层48和第二涂层49。第一涂层48由具有不低于90％的反射率的材料制成并形成在光束闸47的表面上。第二涂层49由不高于80％的反射率的材料制成，以便由第二涂层49发射部分光，并具有由材料的厚度而定的透射光部分的光分解率。
光束闸的第一涂层48由从Au、Ni、Cu、Al和Pt组成的组选择的一种材料制成，以及第二涂层49由从Ti、TiO2、Cr、CrO2、W、Te和Be组成的组中选择的一种材料制成。
在该实施例中，第一涂层48由Au(具有约98％的反射率)制成，以及第二涂层49由具有约60％的反射率以及约光总量的40％的透射率的Ti制成。即，由Ti制成的第二涂层49具有小于形成光束闸47的主体的硅(Si)的透射率。与硅不同，形成第二涂层49的Ti具有分散部分透射光的光分解属性。
如图3中所示，当光束闸部分地挡住从发射端20输出以输入到接收端30的光时，由光束闸27反射大量的挡住光部分(R)，以及能在第二涂层49内部分地分散由光束闸47的第二涂层49发射的另外的部分光。由第二涂层49的厚度确定该光分解率。为完全地分散透射光，增加第二涂层49的厚度。然而，，很难用较大的厚度形成第二涂层49以致完全地分散透射光。
因此，用具有高反射率的的Au制成的第一涂层48形成在第二涂层49和光束闸47的表面之间，从而挡住由第二涂层49发射的光并防止透射光输入到接收端30。
由Ti制成的上述第二涂层49具有不超过用Au制成的传统涂层的反射率，从而用来降低到达发射端30的散射部分的光量。用Au制成的第一涂层48用来挡住由第二涂层49发射的光和散射光，并防止它们进入接收端。因此，根据本发明的可变光衰减器相当大地降低由散射光引起的波长相关损耗(WDL)和极化相关损耗(PDL)。
例如，当从发射端20输出的光总量为100％以及将光束闸47移动到发射和接收端20和30间的指定位置以便挡住50％的光量时，由光束闸47反射的光部分为光总量的30％，以及分散剩余部分光(例如，剩余20％的约15％)同时由第二涂层49发射该部分。由第一涂层分散剩余部分光(例如，约5％)，以及经光束闸将上述反射光再次入射在第二涂层49上但不进入接收端30，从而完全分散。
即，与具有由Au制成的单一涂层的传统光束闸相比，传统光束闸反射约49％的挡住光部分，而挡住光部分为光总量的50％，由Ti制成的第二涂层反射约20％的挡住光部分，从而将由反射生成的散射光部分的总量降低到由具有Au单一涂层的传统光束闸降低的1/3的水平。另外，在传输期间，部分地分散由第二涂层49发射的光，然后通过再次反射到第二涂层49上完全地分散。因此，通过该光束闸，从发射端20输出的光不能到达接收端30。
如上所述，在本发明的该实施例中，第二涂层49降低了由于反向反射的散射光量以及反射光，从而降低反射损耗。第一涂层48最小化进入接收端的散射光。因此，有可以相当大地降低由于散射光生成的WDL和PDL。
为提高光束闸47的挡住效果，第一涂层48适当地由具有不低于约90％的高反射率的材料制成，以便在经第二涂层49传输期间没有分散以及当光束闸挡住散射光以便不到达接收端。第一涂层48的材料是从由Au、Ni、Cu、Al和Pt组成的组中选择的一种。
除Ti外，第二涂层49由诸如Cr、W、Te或Be的一种金属制成。此外，第二涂层49可由具有所需的光传输属性和光分解属性的TiO2和CrO2制成。在第二涂层49由诸如Ti、Cr、W、Te或Be的一种金属制成时，可将由诸如TiO2和CrO2的金属氧化物制成的另一涂层形成在金属层上。
在下文中，参考下表1，将详细地描述光束闸的涂层材料的优选实例。如表1中所示，Ti、Cr、W和Te分别具有不超过约80％的反射率以便发射剩余部分光，以及基于它们的厚度的光分解率。即，通过降低金属的反射率以及分散由金属本身中的金属发射的光，金属具有良好的光挡住属性以及对散射光具有最小影响。在表1中，这些值均是基于用于光传输的光的波长，即，1.5。
[表1]
  材料   实数折射率   虚数折射率   反射率   光分解率(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   0.017
除上述金属外，由于具有自然氧化表面的其他金属及这些金属的氧化物具有与上述金属相似的光特性，它们可用作本发明的光束闸的涂层材料。因此，可使用金属氧化物诸如TiO2和CrO2独立地或结合从上述金属选择的一种制成的金属层形成第二涂层。
可对本发明的光束闸的结构进行修改，其中折射光束闸的透射光或散射光以便不到达接收端。修改的光束闸的一个例子如图4所示。
图4是MEMS可变光衰减器的示意图，包括具有根据本发明的另一实施例的双涂层的半楔形光束闸。在该实施例中，光束闸57包括双涂层并具有修改的结构。
如图4所示，在发射和接收端20和30之间形成半楔形光束闸57以便光束闸57的一个平面垂直于接收端30的光轴(X1)以及光束闸57的另一平面倾斜于接收端20的光轴(X2)。指定光束闸57的倾斜面的角度在小于90°的范围内以便折射由光闸57透射的光以致不到达接收端30的中心。上述光束闸57可是半楔形的。半楔形光束闸57用来反射透射光以及改变入射路径，以致不到达接收端30的中心。
使用上述结构的光束闸57，当部分挡住从发射端20输出以便输入到接收端30的光时，折射大量挡住光部分(R)以致不到达接收端30，与图3的实施例类似。另外，在传输期间，分散由光束闸57的Ti第二涂层59透射的包括散射光的部分光，由第一Au涂层58反射剩余的透射光部分。因此，从发射端20输出的光几乎不到达接收端30。
尽管从发射端20输出的少量光以及散射光进入接收端30，由光束闸57的半楔形结构反射进入光并且不到达接收端30。即，进入光束闸的光首先由倾斜面以与倾斜面上光的入射角相同的角度反射，其次由垂直于接收端30的光轴的相对面折射，从而允许其传播方向偏离接收端30的中心。
在该实施例中，光束闸57的半楔形结构以及第一涂层58使用不同的机制，用于防止不需要的光和散射光到达接收端30。即，半楔形光束闸57用于反射透射光以及散射光以致不到达接收端30，以及第一涂层58通过其高反射率，用于挡住透射光和散射光。本实施例的光束闸57有效地防止入射光和散射光到达接收端30，并降低由于通过第二涂层59的反射生成的散射光量。
因此，可降低由散射光引起的WDL和PDL，从而提高可变光衰减器的可靠性。
图5是包括根据本发明的光束闸的MEMS可变光衰减器的示意性透视图。
本发明的MEMS可变光衰减器包括具有发射和接收端20和30的衬底71、静电激励器，包括驱动电极72a、b，接地电极74，弹簧75以及可移动主体部分76、以及连接到静电静电激励器的可移动主体部分的光束闸77。由氧化层将驱动电极72a及72b和接地电极74支撑在衬底71上。将可移动主体部分76通过弹簧75连接到接地电极74，以便将可移动主体部分76挂在衬底71上。弹簧75是由与激励器相同的材料制成的弹性结构。尽管图5中的弹簧75是无规律弯曲，弹簧75不限于此，而是可形成为各种形状。如图5中所示，从驱动电极72a和72b延长的部分73a和73b具有与可移动主体部分76的梳齿型结构相互交叉的梳齿型结构。
在这里，上述MEMS可变光衰减器的光束闸77具有含倾向发射端20的倾斜面的半楔形结构。如图4所示，在光闸77的表面上顺序形成由诸如Au的材料形成的第一涂层以及由诸如Ti的材料形成的第二涂层。
如上所述，在通过将光束闸77的表面涂以诸如Au的金属材料形成第一涂层，然后通过将第一涂层涂以诸如Ti的金属材料形成第二涂层的情况下，可将包括驱动电极72a和72b以及接收电极74的电极区涂以与第一或第二涂层相同的材料。
根据本发明的MEMS可变光衰减器的光束闸最小化对波长和极化敏感的散射光的总量，从而降低WDL和PDL。该结果如图6a和6b所示。
图6a和6b是分别表示根据光衰减量，即0dB、10dB和20dB，涂以Au的传统平面光束闸与具有本发明的双涂层的半楔形光束闸的频率相关损耗和极化相关损耗的图。在这里，在本发明的光束闸上形成的双涂层包括在光束闸的表面上由Au形成的第一涂层，以及在第一涂层上由Ti制成的第二涂层。在每一个图中，垂直轴表示变化，以及框表示根据变化的分布状态。
如图6a所示，在光衰减量为0dB的情况下，根据本发明，具有双涂层的半楔形光束闸具有很小的WDL。另一方面，涂以Au的传统平面光束闸具有在鸡0.1至0.3dB的范围内的WDL。该损耗由涂在光束闸和传统的可变光衰减器的激励器上的Au层生成的干扰引起。
在光衰减量为10dB的情况下，涂以Au的传统平面光束闸的WDL在约0.2至0.4dB的范围内。另一方面，本发明的半楔形光束闸的WDL相当低，即，在约0.05至0.1dB的范围内。在光衰减量为20dB的情况下，进一步扩大传统平面光束闸与本发明的半楔形光束闸间的WDLs的差值。即，涂以Au的传统平面光束闸的WDL在约0.4至1dB的范围内。另一方面，本发明的半楔形光束闸的WDL在约0.3至0.36dB的范围内。
另外，本发明的光束闸具有降低的PDL。参考图6b，在光衰减量为0dB的情况下，本发明的光束闸与涂以Au的传统平面光束闸的PDL的变化均非常小。在光衰减量为10dB的情况下，涂以Au的传统平面光束闸的PDL在约0.3至1dB的范围内。另一方面，本发明的光束闸的PDL在约0.2至0.24dB的范围内。在光衰减量为20dB的情况下，涂以Au的传统平面光束闸的PDL在约0.7至1.6dB的范围内。另一方面，本发明的光束闸的PDL相当低，即，在约0.2至0.24dB的范围内。
因此，具有本发明的光束闸的可变光衰减器由于反射抑制生成散射光，从而根据波长和极化的变化，最小化了光量的变化。
从上述描述可以看出，本发明提供包括具有第一涂层和第二涂层的光束闸的MEMS可变光衰减器，第一涂层由具有超过90％的反射率的材料制成，以及第二涂层由具有低于80％的反射率和指定传输的材料制成，以便透射光进入第二涂层，从而容许第二涂层降低由反射生成的反向反射光量以及第一涂层挡住由第二涂层透过并散射到接收端的光量。因此，可降低WDL和PDL。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域中的普通技术人员将可以理解，在不脱离由附加的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，可做出各种修改、添加和取代。

Claims (10)

1.一种微型机电系统可变光衰减器，包括：
具有上平面的衬底；
静电激励器，布置在衬底的上表面上；
发射和接收端，布置在衬底上，以便这些端的光轴彼此重合；以及
光束闸，由激励器移向发射和接收端间的指定位置；
其中，光束闸具有第一涂层和第二涂层，该第一涂层由具有超过90％的反射率的材料制成，并形成在光束闸的表面上，该第二涂层由具有低于80％的反射率的材料制成，以便由第二涂层透射部分光，并具有由第二涂层的厚度确定的透射光的光分解率。
2.如权利要求1所述的微型机电系统可变光衰减器，其中，第一涂层用由Au、Ni、Cu、Al和Pt组成的组中选择的一种材料制成。
3.如权利要求1所述的微型机电系统可变光衰减器，其中，第二涂层用由Ti、TiO2、Cr、CrO2、W、Te和Be组成的组中选择的一种材料制成。
4.如权利要求1所述的微型机电系统可变光衰减器，其中，第二涂层包括：
第一层，用由Ti、Cr、W、Te和Be组成的组中选择的一种材料制成；以及
第二层，用由TiO2和CrO2组成的组中选择的一种材料制成。
5.如权利要求1所述的微型机电系统可变光衰减器，其中，光束闸具有倾斜于发射和接收端的光轴的平面结构。
6.如权利要求1所述的微型机电系统可变光衰减器，其中，光束闸包括垂直于接收端的光轴的一个平面，以及以低于90°的指定角度，即锐角倾斜于发射端的光轴的另一平面。
7.如权利要求6所述的微型机电系统可变光衰减器，其中，光束闸具有半楔形结构。
8.如权利要求1所述的微型机电系统可变光衰减器，其中，激励器包括：
电极区，具有固定在衬底上的接地电极和驱动电极；
弹簧，放置在衬底上，以便将弹簧的一端连接到接地电极；以及
可移动主体部分，放置在衬底上，并连接到弹簧的另一端，以便将可移动主体部分移向驱动电极。
9.如权利要求8所述的微型机电系统可变光衰减器，其中：
第一涂层，用由Au、Ni、Cu、Al和Pt组成的组中选择的一种材料制成；以及
电极区，涂以与第一涂层的材料相同的电极材料。
10.如权利要求8所述的微型机电系统可变光衰减器，其中：
第二涂层，用由Ti、Cr、W、Te和Be组成的组中选择的一种材料制成；以及
电极区，涂以与第二涂层的材料相同的电极材料。
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