紧凑的热驱动可变光衰减器的制作方法

专利名称：紧凑的热驱动可变光衰减器的制作方法
紧凑的热驱动可变光衰减器
背景技术：
可变光衰减器(VOA)是一种电光器件，能基于使用者的需要应用电控信号通过衰减的变化量来衰减光强。可变光衰减器被广泛地用于控制或调节光通信系统中的光强度。 例如，在光通信网激光源中需要可变光衰减器来调节输出光强。在另一个实施例中，当收到一个超强度光信号，即，大于预定光强度时，在激光检测器中需要可变光衰减器。在另一个实施例中，在EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier，译为“掺铒光纤放大器”)模块中需要可变光衰减器来平衡多个通道中的光强度。可变光衰减器由各种方法生产，包括偏振旋转，波导指数变化，重工机械和微机械光束阻挡或偏转。在微型机电系统(MEMQ的可变光衰减器中，基于静电的装置是最常见的方法。然而，它们需要一强电场来产生足够的驱动力，以致需要高昂的密封包装费用。在可变光衰减器中也使用电热驱动。然而，这些装置尺寸很大，热结构的响应时间相对比较缓慢，并且该装置的热控制对包装设计来说是一个巨大的挑战。使用电磁力的先前设计排除了高昂的密封包装的需要，但是它们需要外部磁铁。并且，由这些设计制造的可变光衰减器遭受时间和环境温度依赖性的漂移，阻碍了它们在一般应用中的使用。由于光信号的衰减对光束阻挡或偏转机构的位置很敏感，该装置时间和环境温度的参数的任何变化，例如，各层之间材料杨氏模量aoung’ s modulus)，阻抗，热膨胀不匹配，将导致衰减信号的漂移。另外，传统的微型机电系统可变光衰减器具有信号漂移和不理想的大尺寸的实质性缺陷。因此，市场需要一种改进的微型机电系统可变光衰减器设计，它是小尺寸的，低漂移的，并且容易制造。

发明内容
本发明通过提供一种使用一微型机电系统(MEMQ装置单元的光衰减器克服了上述问题，更具体的是，一种MEMS可变光衰减器(VOA)芯片，具有一改进的光闸，用于调节部分截取入射光束获得的光信号的光强。一具体实施例将一 MEMS可变光衰减器与一补偿的光闸结构合并，该补偿光闸结构具有自我补偿特性，由此避免了该光闸位置，这样衰减强度，去随着时间和环境变化而改变。在这些发明的一实施例中，可变光衰减器制造成本低，具有高可靠性，环境导致的漂移少，并且尺寸小。在一实施例中，本发明进一步提供一种设有一光间的微型机电系统可变光衰减器，该光间具有一种能逐渐阻挡光束而无需偏振依赖的形状。另外，本发明提供微小尺寸的MEMS可变光衰减器，使它能被集成在光纤端上。根据本发明的一个实施例，上述和其他的装置通过MEMS可变光衰减器实现，该 MEMS可变光衰减器包括一框架，该框架具有一平面，一微电子驱动器，该驱动器驱动一光闸移动以部分或全部阻挡从电磁辐射源例如，但不限于，光纤传输过来的光束。该光闸可以具有，但不限于，一平板形状，并且，在一个实施例中，被设计成相对传输和/或接收光纤端口，例如，但不限于，光尾纤的传输光纤末端和/或接收光纤末端偏斜。该驱动器包括固定在基座上的至少两个电极，一组与这些电极固定连接的可移动的导体组(在下文中提到的导线)，以及与该可移动的导线连接的光闸。因此，当激励电流通过可移动的导线时，该光闸将逐渐遮盖光路。该可移动的导线可以具有，但不限于，相同的尺寸，阻抗，和初始角。该基座也可以由与导线相同的材料制成，并且固定在具有输入/输出光端口(例如，光纤尾纤表面)的表面上。在一个实施例中，当导线由于激励电流而变热，导线和该基座之间的温度差异产生一个应力，导致导线的一部分沿着一个确定的方向移动。该优化的小的尺寸和光聚集有利于芯片在短时间内建立一个温度梯度。环境温度的改变增加了对导线和该基座相同的影响， 使得大体上不存在温度差异。结果，该结构在所有尺寸规格中实现补偿，有效导致闸的位置不改变。在一个实施例中，导线的角高度(the angle height)大体上与导线的宽度相等， 已被发现在驱动中效率最高。在另一个实施例中，该导线在末端和导线中央具有一个较为狭小的宽度，用来在减少导线有效宽度的同时增加导线的硬度。在一进一步的实施例中，该光闸具有一个或更多的三角形形状的边沿以实现渐进的光阻挡(light blocking)，从而导致最小的偏振依赖。在一个实施例中，MEMS制造步骤的简化仅通过使用一些步骤，以最小数量的使用绝缘体上硅(SOI)晶片的掩膜。为获得对本启示更好的理解，以及由此其他的和进一步的需要，结合附图和详细的描述作参考，并且其范围将在附加权利要求中指出。


图Ia显示本发明的一种MEMS VOA芯片的一个实施例；图Ib显示图Ia的实施例的另一视图；图Ic显示图Ia实施例的另一情况的视图，其中光发射/接收表面是倾斜一角度；
图2a，2b详细说明了图Ia的MEMS VOA的具体实施例；图2c图表说明了本发明的光闸的一个实施例的位置变化；图3说明了一光闸，具有三角形形状的边沿，邻近被阻挡的光束；图4图表说明了本发明的VOA的一个实施例随着时间的漂移性能；图5图表说明了本发明的VOA的一个实施例的温度依赖；图6图表说明了对电信号的VOA响应；以及图7a_7e流程图是制造本发明装置的方法的一个实施例的图示说明。
具体实施例方式根据本发明的各种实施例的一 MEMS可变光衰减器(VOA)的详细描述将在下面结合附图给出。图Ia显示MEMS可变光衰减器10实施例的示意图，其中光闸12根据本发明的一个实施例被使用。更具体地，该MEMS可变光衰减器(VOA)或VOA芯片10包括一个基座14 (在实施例中，其中VOA芯片从基座上抬起，也包括在这些技术启示的范围内)，该基座具有一平面框架16 ；—设置在该基座14的平面16上的微电子驱动器18，并且当被设置靠在该平面16 时，相互光学对齐；一光间12，它通过微电子驱动器18可移动至一个预定的位置在接收光端口 20或传输光端口 21上方(在一个实例中，如图Ib所示，光端口 20，21连接光纤22)， 由此衰减部分地传输传出/传入来自/到达光端口 20，21的光束。应当注意的是，图Ia中显示的导线34由导线部分34a，34b(为第一导线)，34c，34d(为第二导线)构成。连接体 (导线)部分3 和34b (为第一连接体)在一末端(处于一位置)34e处被连接；相似地， 连接体部分;Mc和34d(为第二连接体)也同样在一末端连接。光间12在第一和第二连接体部分被搭接的位置处有效地与第一和第二连接体部分连接；类似的，该光间在第二连接体的连接部分被搭接的位置处有效地与第二连接体的连接体部分连接。该光闸12可以具有，但不限于，一个平板形状，并且被设置成相对传输端口 21和 /或接收端口 20末端不透明。驱动器18包括固定到基座14上的至少两个电极32a，32b，以及与电极32a，32b固定的一组可移动导线34，并且光闸12与可移动导线34连接。应该注意的是，第一导线部分34a的一第一末端与第一电极32a固定连接，并且第二导线部分34b的一第一末端与第二电极32b固定连接。该第一导线部分3 和第二导线部分34b设置为偏离连接第一电极 32a和第二电极32b的线成一角度，如图加中所示。该第一导线部分3 和第二导线部分 34b是一三角形的两边。第一导线部分34a的一第二末端与第二导线部分34b的一第二末端连接。除了在电极的连接点处外，第一和第二导线部分是可移动的。第三和第四导线部分 34c, 34d以相同的方式设置，并且设置成大体上与第一和第二导线部分34a，34b平行。(由于导线部分设置的角度是非常小，该角度在图Ia中不可见。然而，在图2a，2b中显示的不按比例的视图中，该角度明确地被显示。)因此，当激励电流经过可移动导线34时，该光闸 12将逐渐遮盖光路。在一个实施例中，可移动导线34a，34b(和/或34c，34d)具有，但不限于，相同的尺寸，阻抗，和初始角度。基座14也可以由与导线34相同的材料制造，并且被固定在具有输入/输出光端口 20，21的表面上(见图lb)。在一个实例中，不限于这些启示，该输入/ 输出光端口包括，例如，一个光纤尾纤表面。由此，当导线34a，34b，34c，34d由于激励电流而变热，导线34和基座34之间的温度差异产生一个应力，导致导线34沿着一个确定的方向移动，如图2c中所示。优化的小的尺寸和热容量能使衰减器在短时间内建立一个温度梯度。环境温度的改变增加了对导线34和基座14的相同影响，使得基本上不存在温度差异。 因此，该结构在所有尺寸中进行补偿，有效导致闸12的位置不改变。如图Ia中所示，可移动的导线组具有多条半导体导线34。在一个实施例中，所有的导线34具有大体上相同的横截面和长度。(在一个实例中，如图7a_7e中所示，导体和平面从平坦的基座上被蚀刻，使得导线和平面的热膨胀大体上相同。)导线34是导电的，使它们一旦施加一电流会变热。在一个实例中，通过使用具有一个初始角度的蚀刻的导线来实现由电热膨胀引起的移动放大。在一个实施例中，一层反射或折射材料沉积在光闸12的一个或更多的表面上。在一个实例中，该反射或折射材料包括一种或者多种材料，例如Ti，Cr, Au, Pt，或者玻璃。
在一个实例中，光闸12设置在光接收端口和光发射(传输)端口。在此实例中的一个实施例中，该反射或折射材料沉积在面对光接收端口的光间表面和面对光发射端口的表面这两者之上。在一个实施例中，导线34由一种材料形成，例如掺杂的硅，被选用以大体上优化所需要的VOA的驱动电压(通过电极3 和32b的电压)。在一个实例中，如图Ic中所示，设有接收/发射光端口的该光学系统具有一倾斜的小面的端部38。在图Ic中所示的实施例中，光闸12设置成大体上与成角度的小面的端部38平行，并且相对于从发射/接收光端口处发射/接收的静电辐射的光路轴位置偏斜 (成一角度)。为获得这样的初始成角度的导线34，如图加中所示，小变形条件下的位移如下被给出
权利要求
1.一种可变光衰减器，包括 一光闸；一包围一区域的框架，在所述区域中设置所述光间；所述框架包括一第一电极和一第二电极；一第一导体，具有与所述第一电极固定连接的一第一末端；所述第一导体被设置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一角度；一第二导体，具有与所述第二电极固定连接的一第一末端；所述第二导体被设置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一个角度；所述第一导体和所述第二导体是一个三角形的两边；所述第一导体的一第二末端与所述第二导体的一第二末端连接； 所述光间与所述第一导体的所述第二末端和所述第二导体的所述第二末端连接； 第一导体的所述第二末端和第二导体的所述第二末端的移动引起所述光间的移动； 所述光间被放置在输入/输出光端口上方。
2.权利要求1的可变光衰减器，其特征在于进一步包括一第三导体，具有与所述第一电极固定连接的第一末端；所述第三导体被设置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一角度；一第四导体，具有与所述第二电极固定连接的第一末端；所述第四导体被放置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一个角度；所述第三导体和所述第四导体是一三角形的两边；所述第三导体的一第二末端与所述第四导体的一第二末端连接；所述第三导体和所述第四导体与所述第一导体和所述第二导体大体上平行；所述光间与所述第三导体的所述第二末端和所述第四导体的所述第二末端连接；所述第三导体的所述第二末端和所述第四导体的所述第二末端是可移动的。
3.权利要求1的可变光衰减器，其特征在于，放置在输入/输出光端口上方的所述光闸的一表面具有设置在其上的反射层。
4.权利要求3的可变光衰减器，其特征在于，所述反射层包括选自Ti，Cr，Au，Pt，或玻璃的至少一种材料。
5.权利要求3的可变光衰减器，其特征在于，所述光间设置在光接收端口和光发射端口之间；并且其中所述反射层设置在面向光接收端口的所述光闸的一表面上以及面向光发射端口的所述光闸的表面上。
6.权利要求1的可变光衰减器，其特征在于，放置在输入/输出光端口上方的所述光闸的一表面具有设置在其上的折射层。
7.权利要求6的可变光衰减器，其特征在于，其中所述折射层包括选自选自Ti，Cr,Au, Pt，或玻璃的至少一种材料。
8.权利要求6的可变光衰减器，其特征在于，所述光间设置在光接收端口和光发射端口之间；并且其中所述折射层设置在面向光接收端口的所述光间的一表面上以及面向光发射端口的所述光闸的表面上。
9.权利要求1的可变光衰减器，其特征在于，所述第一和第二导体由一种材料构成，该材料被选择成大体上优化所述第一和第二电极之间的电压以满足光间位移的需要。
10.权利要求9的可变光衰减器，其特征在于，所述材料是掺杂的硅。
11.权利要求1的可变光衰减器，其特征在于，所述光间的至少一个边沿具有大体上三角形的波浪形。
12.一种提供一束或更多光束的可变光衰减器的方法，所述方法包括的步骤提供一种可变光衰减器，它包括一光间；一包围一区域的框架，在所述区域中设置所述光间；所述框架包括一第一电极和一第二电极；一第一导体，具有与所述第一电极固定连接的一第一末端；所述第一导体被设置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一角度；一第二导体，具有与所述第二电极固定连接的一第一末端；所述第二导体被设置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一角度；所述第一导体和所述第二导体是一个三角形的两边；所述第一导体的一第二末端与第二导体的一第二末端连接；所述光间与所述第一导体的所述第二末端和所述第二导体的所述第二末端连接；第一导体的所述第二末端和第二导体的所述第二末端的移动引起所述光间的移动；所述光间放置在输入/输出光端口上方，在第一电极和第一电极之间施加一电压；其中，施加所述电压引起所述光间的位移，所述位移导致一束或更多来自输入/输出光端口的光束的衰减。
13.权利要求12的一种方法进一步包括在光闸的至少一个表面上沉积反射层的步骤。
14.权利要求12的一种方法进一步包括在光间的至少一个表面上沉积折射层的步骤。
15.一种制造可变光衰减器的方法，所述方法包括的步骤成型绝缘体上硅(SOI)晶片的前侧和后侧；所述前侧被成型以形成一种可变光衰减器结构，所述结构包括一光间；一包围一区域的框架，在所述区域中设置所述光间；所述框架包括一第一电极和一第二电极；一第一导体，具有与所述第一电极固定连接的一第一末端；所述第一导体被设置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一角度；一第二导体，具有与所述第二电极固定连接的一第一末端；所述第二导体被设置为偏离连接所述第一电极和所述第二电极的线成一角度；所述第一导体和所述第二导体是一个三角形的两边；所述第一导体的一第二末端与第二导体的一第二末端连接；所述光间与所述第一导体的所述第二末端和所述第二导体的所述第二末端连接；深度反应式离子蚀刻(DRIE)SOI晶片的前侧；深度反应式离子蚀刻(DRIE)SOI晶片的后侧；释放SOI晶片的埋入式氧化物层(box)的氧化物；所述释放导致一种可变光衰减器结构；并且在可变光衰减器结构的预定部分上沉积材料。
全文摘要
一种MEMS可变光衰减器(VOA)芯片包括一具有一平面的框架，一微电子驱动器，该驱动器设有一设置在相关的该框架平面上的可移动光闸，在那里该VOA通过热膨胀驱动。该微电子驱动器包括在施加一电流时，通过热膨胀可以被移动的半导体导体(“导线”)。在一个实施例中，该MEMS VOA芯片配置多路导线布置以限制该闸在平面内的移动。
文档编号G02B26/08GK102193188SQ201010501260
公开日2011年9月21日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年3月2日
发明者何毅, 殷露中, 赵京, 钟桂雄, 颜军 申请人:安捷讯公司