一种数字化控制的mems可调光衰减器及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光纤通信、光纤传感及MEMS光通信器件领域，特别是涉及一种数 字化控制的MEMS可调光衰减器及控制方法。
【背景技术】
[0002] 可调光衰减器是光纤通信系统的应用最广泛的光器件之一，其主要功能是对光信 号功率的动态控制，其具体应用包括光通信线路的光信号功率动态调控、光通信线路性能 测试和光器件测试等，而且对光衰减量的控制精度要求越来越高。特别是在光通信线路性 能测试和光器件测试中，需要准确控制光衰减量。
[0003] 目前，在商用MEMS可调光衰减器中，主流产品是基于微镜偏转的MEMS可调光衰减 器，其采用静电驱动方式，驱动功耗很低，体积小、封装简易、成本低，近几年得到了大量的 应用。但是，MEMS微镜的转角与驱动电压平方成正比，同时高斯光束的耦合损耗与镜面转角 之间为指数函数的平方关系，因此MEMS可调光衰减器的电压-衰减曲线的斜率会随衰减量 的增加而急剧增大。随着MEMS可调光衰减器的驱动电压降低到5V以下，电压-衰减曲线 斜率在15dB时已达到20dB/V，如果期望5V时有更大的衰减范围，则电压-衰减曲线斜率就 会更大。图1为5V驱动电压VOA的典型电压-衰减曲线，由图可见，衰减器的输出损耗值对 于驱动电源电压非常敏感，当需要对损耗精确调节时，对电压控制精度提出了很高的要求， 同时也易受电磁干扰的影响。
[0004] 对于静电驱动的MEMS光衰减器，通常难以避免静电"慢漂移"的影响，这主要是因 为静电荷在绝缘部位的积累，其静电场将引起光衰减量的缓慢变化，这一效应需要长时间 的精密测试才能发现。MEMS光衰减器的电压-衰减曲线也会随着器件的老化、应力的释放 等原因而出现"慢漂移"。因此，在不采用反馈控制的情况，现有静电驱动的MEMS光衰减器 的衰减量会出现不同程度的"漂移"，导致其衰减量控制的长期精度不高。在要求较高衰减 量控制精度时，采用开环控制难以达到要求，需要引入衰减量的反馈控制，大大增加了器件 成本、功耗和体积。
【发明内容】
[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数字化控制的MEMS 可调光衰减器及控制方法，用于解决现有技术中MEMS可调光衰减器的衰减量开环控制精 度不高的问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种数字化控制的MEMS可调光衰 减器，所述的MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜阵列，每面扭转微镜只有 两个扭转角度状态，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控 制，其中，9彡N彡50。
[0007] 作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，所述扭转微镜 的两个扭转角度状态分别为0°及最大扭转角度Θ，分别对应输入至扭转微镜的光束OdB 衰减及最大衰减两种状态，在最大扭转角度Θ下，所述转转微镜可实现输入光束不小于 60dB的衰减。
[0008] 作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，所述扭转微镜 的驱动电压只有两种状态，分别为0和V，其中，V多V 0，V0为刚好达到最大扭转角度Θ对 应的驱动电压。
[0009] 作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，各面可独立驱 动的扭转微镜为悬臂梁支撑的长条状单晶硅膜，各长条状单晶硅膜表面镀制光学高反射 膜，每面扭转微镜的宽度根据该面扭转微镜的设计衰减量来确定。
[0010] 优选地，各可独立驱动的扭转微镜采用静电平板的驱动方式，所述静电平板与各 扭转微镜之间设置有限位凸台，以防止扭转微镜与静电平板永久吸合，所述限位凸台决定 所述扭转微镜的最大扭转角度θ。
[0011] 优选地，各面可独立驱动的扭转微镜采用压电的驱动方式，所述悬臂梁由单晶硅 和压电材料双层薄膜制成。
[0012] 作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的一种优选方案，所述N面可独立 驱动的扭转微镜阵列具有不小于95%的填充因子。
[0013] 本发明还提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法，其中，所述MEMS 可调光衰减器由N比特二进制小数0. S1S^ Sn来控制衰减量，小数点后第1位S i、第2位S2 到第N位Sn，分别对应着对输入光信号S1 · 2' S2 · 2<到S N · 24的衰减，N比特共同实现将 输入光功率为1的光信号衰减为光功率为S1 · 24+S2 · 2<+~+SN · 24的光信号，其中S i = 0对应第i面扭转微镜的扭转角度为最大扭转角度Θ，Si= 1对应第i面扭转微镜的扭转 角度为〇°
[0014] 作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法的一种优选方案，所 述MEMS可调光衰减器的控制数字0. S1S2…确定算法为根据设计的最大衰减量A dB、衰 减步长δ dB，结合采用的总衰减量控制方式或衰减量控制方式，分别计算每个衰减dB值对 应的S1 · 2<+S2 · 2_2+~+SN · 2_N衰减值，所得到对应的二进制小数0. S iS2~SN，构成对应的 表格，存储在控制器中，根据每次设定的衰减值，查表得到控制数字〇. S1S2…SN。
[0015] 作为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的控制方法的一种优选方案，所 述MEMS可调光衰减器存在一个不能控制的插入损耗值IL dB，其衰减量控制有两种控制方 式，一种是总衰减量控制方式，即从IL dB至A+IL dB以步长SdB进行衰减，另一种是衰减 量控制方式，即实际总衰减量扣除IL dB外，从0 dB至A dB以步长δ dB进行衰减。
[0016] 如上所述，本发明提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器，所述的MEMS可调光 衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜阵列，每面扭转微镜只有两个扭转角度状态，通过 控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其中，9 < N < 50。本 发明具有以下有益效果：1)采用数字化二进制电压控制，实现了 MEMS光衰减器高精度的衰 减量控制；2)无需采用反馈控制，可以有效抑制静电驱动MEMS光衰减器的"慢漂移"，大幅 度降高精度光衰减器的成本和体积；3)可以有效抑制MEMS光衰减器的温度相关插入损耗， 大幅度降低器件的温度影响；4)数字化控制的高精度MEMS光衰减器将大幅降低可调光衰 减器仪表的成本和体积。
【附图说明】
[0017] 图1显示为5V驱动电压VOA的典型电压-衰减曲线。
[0018] 图2显示为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的俯视结构示意图。
[0019] 图3显示为本发明的数字化控制的MEMS可调光衰减器的截面结构示意图。
[0020] 元件标号说明
[0021] 10 扭转微镜
[0022] 101长条状单晶硅膜
[0023] 102悬臂梁
[0024] 103光学高反射膜
[0025] 104限位凸台
[0026] 20 共用焊盘
[0027] 30 图形化的SOI衬底
[0028] 40 下电极引线焊盘
[0029] 50 驱动下电极
【具体实施方式】
[0030] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0031] 请参阅图2~图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明 本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其 组件布局型态也可能更为复杂。
[0032] 如图2~图3所示，本实施例提供一种数字化控制的MEMS可调光衰减器，所述的 MEMS可调光衰减器包括N面可独立驱动的扭转微镜10阵列，每面扭转微镜10只有两个扭 转角度状态，通过控制每面微镜的扭转角度状态实现输入光信号衰减量的数字化控制，其 中，9 < N < 50,例如，如图2所示为N = 9,即所述MEMS可调光衰减器由9面可独立驱动的 扭转微镜10阵列组成。
[0033] 在本实施例中，所述扭转微镜10的两个扭转角度状态分别为0°及最大扭转角度 Θ，分别对应输入至扭转微镜10的光束OdB衰减及最大衰减两种状态，在最大扭转角度Θ 下，所述转转微镜可实现输入光束不小于60dB的衰减。所述扭转微镜10的驱动电压只有 两种状态，分别为〇和V，其中，V多V 0，V0为刚好达到最大扭转角度Θ对应的驱动电压。
[0034] 在本实施例中，所述MEMS可调光衰减器结构如图2~图3所示，其包括：图形化的 SOI衬底30、悬臂梁102、长条状单晶硅膜101、限位凸台104、光学高反射膜103、共用焊盘 20、驱动下电极50、以及下电极引线焊盘40。
[0035] 其中，各面可独立驱动的扭转微镜10为悬臂梁102支撑的长条状单晶硅膜101， 悬臂梁102的长度、宽度与厚度等参数根据根据MEMS可调光衰减器设计的驱动电压、抗震 要求等因素综合确定，保证各面扭转微镜10在相同的驱动电压下吸合，以简化驱动。各长 条状单晶硅膜101表面镀制有光学高反射膜103,每面扭转微镜10的宽度根据该面扭转微 镜10的设计衰减量来确定，该宽度独立于悬臂梁102的宽度。考虑输入光束为高斯光斑照 射到扭转微镜10阵列上，高斯光斑具有高斯分布特性，其中心区域最强、向边缘区域逐步 减弱，衰减权重最大的Ml的位置位于高斯光斑的最中央区域，其余扭转微镜10向两侧依次 排列，并且，各扭转微镜10的宽度根据其相对光斑的位置以及对于衰减量的贡献权重来设 计。
[0036] 在本实施例中，各可独立