光学衰减元件及可变光学均衡器和光学放大器的制作方法

专利名称：光学衰减元件及可变光学均衡器和光学放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可变增益光学均衡器，其均衡不同波长的光学信号的光强，并涉及一种使用该均衡器的光学增益均衡器装置。
背景技术：
波分复用(WDM)光学传输是增加光学通讯设备的容量的关键技术。在这种传输构架下，多个不同波长的光学信号被复用并在单条光学传输线路中传输。另外，已经研发并投入实际应用的光学放大器的技术包括使用光学半导体的光学半导体放大器，以及其中放大介质由掺杂有例如铒的稀土材料构成的光纤放大器。由于这些光学放大器可同时放大在可获得正增益(positive gain)的波长范围内的光学信号，它们可应用于WDM光学传输设备以实现高容量长距离传输设备。
然而，光学放大器的光学增益特性是取决于波长的。这种波长依赖性使得每个光学信号的光强不均匀(下文中称为“波长不均衡”)。这种减小波长不均衡的一致努力不仅导致光学信号可被传输的波长范围更广，而且还导致传输容量的增加。因此可以说在光通讯领域内减小波长不均衡的装置是必需的。
迄今为止，已经通过在光纤传输线路中插入光纤均衡过滤器减小了波长不均衡。然而，在光学放大器的波长依赖性由于光学信号的强度或者光学放大器的增益的变化而改变的情况下，光学均衡过滤器不能动态追踪这些变化。
为了解决这个问题，已经在研发使用可变增益的光学均衡器。图11显示了可变增益光学均衡器的常规实例。在这种可变增益光学均衡器中，入射光被多路分配器(demultiplexer)分为各个波长为λ1到λn的光，并且每个波长的光由可变光学衰减器50逐个衰减并随后由复用器51′重组。在该图中，15是至少在光学信号的波长区域内波长依赖的光学耦合器，16和16′是光学放大器，14是波谱监测器，52是驱动可变光学衰减器50的电路。
日本专利申请Kokai公开No.2000-199880公开了一种技术，其中，多个过滤器模块串联，并且对每个过滤器模块的波长特性进行控制以便通过追踪波长特性来保持恒定的平坦波长特性(下文中该公开被称为“引文1”)。
下文中将陈述上述可变增益光学均衡器的一般的描述以及对它们的问题的描述。
可变增益光学均衡器可广义地分为下述类型(1)可变增益光学均衡器，其中光学信号由多路分配器分为不同波长，每个波长由其光强衰减因数对此波长可变的光学衰减元件并行处理，随后这些波长由复用器重组，以及(2)可变增益光学均衡器，其不使用多路分配器，但包括其光强衰减因数和波长特性都可变的多个级联衰减元件。
图11中所描绘的结构是类型(1)的可变增益光学均衡器的典型实例。这种类型也可通过使用光学循环器(optical circulator)和反射光学衰减元件由单个多路分配器/复用器来实现。任何一种方式下，由于这种类型需要可变光学衰减器的数量等于波长通道的数量，不可避免地由于元件数量增加而引起费用的增加。另一个问题是由于光学信号在被分开后需要进行复用处理而发生很大的插入损耗(insertion loss)。进而，为了保证波长增益均衡是被稳定地控制的，必须通过监视每个波长通道中的光强而控制每个光学衰减元件，导致产生随着复用度增加而控制系统复杂度增加的问题。
类型(2)的可变增益光学均衡器的基础技术是通过采用多个级联光学衰减元件而使得光学增益的波长特性平。然而，这些光学衰减元件已经包括诸如法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器的元件，其中其光强衰减因数和波长特性固定。引文1提出一种技术，使得可使得其适应光学放大器增益特性和输入光的波谱的波动。
而且，可用于以多个光学衰减元件改变衰减因数波长特性的方法包括使用相应于衰减因数波长的傅里叶级数分量(component)的光学衰减元件，或者非线性拟合应用技术。另外，代替法布里-珀罗谐振器，光学衰减元件可为马赫-曾德耳(Mach-Zehnder)过滤器或者光栅等。
但是不管使用傅里叶展开还是非线性拟合，为了构成作为可适应于输入光的波动的可变装置的增益均衡器，必须可变的控制级联光学衰减元件操作所用的衰减因数和波长特性这两个因数，并且因此已经提出可实现上述目的的特定装置采用活动(active)的配置，其中马赫-曾德耳过滤器、法布里-珀罗谐振器或者光栅与光学放大介质组合，并且所有这些例子配置有根据引文1的可变放大元件。然而，没有特别提到关于控制光学衰减元件的衰减因数的波长特性的方法，或者用于单独控制增益特性和相位(phase)特性的方法。另外，这些配置中的元件都是透射型的。

发明内容
代替使用多路分配器将光学信号分为不同波长，本发明使用其衰减因数和波长特性都可变的多个级联光学衰减元件。另外，反射光学衰减元件代替常规的透射元件使用，并且这些是通过将它们顺序连接到光学循环器而成列(column)连接的。在这些反射光学衰减元件中，通过沿着垂直于光轴的方向位移法布里-珀罗谐振器的镜使得反射面远离光点移动来控制衰减因数，并且通过在光轴方向位移镜以改变谐振频率来控制衰减因数的波长特性。因此可实现具有简单配置和低插入损耗的可变增益光学均衡器。
进而，由于反射元件配置为使得光传输部分(例如光纤)仅在相对于这些元件的一个方向连接，与光传输部分至少在元件的两个方向(例如在透射元件的情况下)连接的配置相比，当将在小移动范围内可移动的装置的板附接时，物理约束少。因而，光学衰减元件易于为使用微机械技术制造的MEMS(微电微机械系统)装置，其不仅允许尺寸减小、集成度增加，并且还允许生产率提高。


图1A显示了反射光学衰减元件的配置的示意说明。
图1B显示了包括可变增益光学放大器的光学放大设备的功能配置的实例。
图2显示了当通过反射光学衰减元件自由调节衰减因数和衰减波长时所获得的波长对光学衰减特性。
图3显示了当通过四个级联反射光学衰减元件自由调节其衰减因数和衰减波长时所获得的波长对光学衰减特性。
图4显示MEMS光学衰减装置的一实施例的平面图。
图5显示MEMS光学衰减装置的另一实施例的平面图。
图6A显示图4所示MEMS光学衰减装置的沿线VIA的截面图。
图6B显示图4所示MEMS光学衰减装置的沿线VIB的截面图。
图6C显示图4所示MEMS光学衰减装置的沿线VIC的截面图。
图7显示MEMS光学衰减装置配置其上的衬底的一实例的鸟瞰图。
图8显示四个MEMS光学衰减装置配置其上的衬底的一实例的鸟瞰图。
图9A显示MEMS光学衰减装置配置其上的衬底的另一实例的鸟瞰图。
图9B显示MEMS光学衰减装置配置其上的衬底的另一实例的平面图。
图10A显示制造MEMS装置中的一步骤的截面图，其中在由硅衬底层和硅有源层(active layer)之间夹着氧化硅绝缘层而构成的SOI晶片的硅有源层的上表面上形成氧化膜掩膜层。
图10B显示制造MEMS装置中的一步骤的截面图，其中通过在氧化膜掩膜层中光刻形成图案。
图10C显示制造MEMS装置中的一步骤的截面图，其中使用构图的氧化膜掩膜层作为掩膜通过干法蚀刻技术在垂直方向各向异性地腐蚀硅有源层。
图10D显示制造MEMS装置中的一步骤的截面图，其中通过腐蚀移去氧化硅绝缘层602以使得可移动电极体630自由悬置。
图11显示包括常规可变增益均衡器的光学放大设备的功能实施例。
具体实施例方式
下面将说明实现本发明的优选模式。
图1A显示光学衰减元件11的配置，该光学衰减元件11是可变增益光学均衡器10的重要构成元件。光学衰减元件11包括具有三个光学输入/输出口p1，p2和p3的光学循环器2；连接到光学循环器2的第二光学输入/输出口p2的光纤4；包括形成在光纤4的0°抛光端面(facet)上的介电多层膜的反射层3；以及面朝并与反射层3平行取向、中间间隙填充包括空气的介质的镜装置1。该镜装置1具有在光轴方向以及与光轴垂直的方向进行平移的可移动机构。
在图1B中点划线所围的部分指代对应于本发明的可变增益光学均衡器10的部分。可变增益光学均衡器10包括多个图1A所示的光学衰减元件11级联而形成的光学衰减元件阵列，以及由控制阵列的CPU13和光学衰减元件驱动电路12组成的处理单元。
首先说明可变增益均衡器10的作用。在图1A所示的光学衰减元件11中，由波长复用光组成的光学信号从光学循环器2的第一口p1输入并且通过光学循环器2的第二口p2导向光纤4。通过光纤4引导的光学信号被形成在光纤4的0°抛光端面上的反射层3所反射，通过光纤4和光学循环器2的第二口p2前移并且从光学循环器2的第三口p3出射。
镜装置1和形成在光纤4的0°抛光端面上的反射层3一起形成法布里-珀罗谐振器。如果光学信号的波长匹配该谐振器的谐振器波长和相位标准，即其波长必须是(0.5λ/n)的整数倍，其中是λ波长，n是介质的反射系数，则该光学信号只能通过反射层3。由于通过反射层3的波长成为被衰减的波长(下文称为“衰减波长”)，从口p1到口p3的衰减因数显示为图2的波形30所示形状。图2所示形状下文中称为“衰减波形”。
如果镜装置1在光轴方向从反射层3离开移动，法布里-珀罗谐振器的谐振器波长增大而衰减波长移动到更长的波长。相反，如果镜装置1在光轴方向朝向反射层3靠近移动，衰减波长移动到更短的波长。当镜装置1位于它可以与从光纤4的一端出射的尽可能多的衰逝光相互作用的位置时，法布里-珀罗谐振器的谐振效率被最大化，衰减光的衰减因数也被最大化。如果镜装置1随后在垂直于光轴的方向移动，使得它与少量衰逝光相互作用，谐振效率减小并且衰减因数也减小。图2中的衰减波形21显示了与衰减波形20所代表的状态相比，法布里-珀罗谐振器的谐振波长更长而谐振效率更低的状态。由此，通过控制由镜装置1和形成在光纤4的0°抛光端面上的反射层3形成的法布里-珀罗谐振器的谐振波长和谐振效率，可自由控制光学衰减元件11的衰减波长和衰减因数。
在图1B所示的可变增益光学均衡器中，多个光学衰减元件级联配置。元件数量根据所需的光学传输设备的规格而不同，当光学衰减元件11的数量增加，可获得更高精度的增益均衡。通过波谱监测器14测量由光学耦合器15分支的光学信号的波长谱，以获得从光学放大设备输出的强度的波长特性(下文称为“增益轮廓(gain profile)”)。
为了使得增益轮廓平坦，CPU13首先生成特性与增益轮廓特性互补的增益均衡轮廓。然后，根据非线性拟合，它将增益均衡轮廓分为数量等于光学衰减元件11的数量的衰减波形。由于各个衰减波形通过法布里-珀罗谐振器生成，它们可被假定为具有洛伦兹波形，其半宽度由镜装置1和反射层3的反射率所确定。CPU13也从衰减波形确定每个光学衰减元件的衰减波长和衰减因数，并且确定在光轴方向和垂直于光轴方向的镜装置1的位移。光学衰减元件驱动电路12根据这些位移控制每个光学衰减元件11。注意，傅立叶展开是可用于分开增益均衡轮廓的另一种方法。
下面，将参考图1B所示的具有两级配置的光学放大设备的实例说明可变增益光学放大器10的操作。在这个实例中，可变增益光学均衡器10从四个光学衰减元件11的级联配置。在图1B中，通过光学放大设备的光学信号的总光强的百分之一通过光学耦合器15朝向波谱监测器14分支。通过波谱监测器14测量光学信号的波长谱，以确定增益轮廓。CPU13生成特性与增益轮廓特性互补的增益均衡轮廓，并根据非线性拟合将增益均衡轮廓分为四个洛伦兹波形。每个洛伦兹波形的中间波长(衰减波长)和衰减因数分别转换为镜装置1在光轴方向和垂直于光轴方向的位移。光学衰减元件驱动电路12根据这些位移控制每个光学衰减元件11。
在图3中示出本发明的实验例。由各个光学衰减元件11产生的衰减波形由图3的波形30-33表示，并且这四个衰减波形的叠加得到增益均衡轮廓34。在这个例子中，在1525-1565nm的波带内的波长不均衡小于±0.25dB，并且可变增益均衡器的插入损耗只有4.5dB。虽然如上所述可通过增加光学衰减元件11的数量而改善增益均衡特性，每增加另一个衰减元件，插入损耗增加大约1dB。另一方面，虽然在图11所示的可变增益光学均衡器的常规实例具有小于±0.25dB的波长不均衡并且它的性能与本发明的可变增益光学均衡器的性能类似，它的插入损耗至少是10dB。
参考图4-6描述MEMS光学衰减装置。这种MEMS装置使用通过在由硅衬底层和有源层之间夹着绝缘层而形成的SOI衬底。图4显示了构成法布里-珀罗谐振器的全反射镜的MEMS装置的平面图，包括镜面。该图显示从形成在与设置于有源层中的可移动电极板的衬底板表面平行的表面中的镜的侧面看的形状，并描述了光纤芯的投影位置(projected position)。图6中的图是图4所示的MEMS光学装置的全截面图。
在图4中，60是硅衬底。在硅衬底60上，形成与中间氧化层相对配置的固定件(anchor)61。另外，在硅衬底60上形成相对配置形成的固定件61内的与中间氧化层相对配置的固定电极62。在相对的固定电极62上形成彼此面对的固定电极梳部621。63是具有板形主体630的可移动电极。通过两个铰合件64分别连接这个可移动电极主体630到两个固定件61而自由悬置这个可移动电极主体630。四个铰合件64作用同弹簧，由此可移动的电极主体630被保持在没有外力作用的初始位置，并根据所施加的外力从初始位置移开。另外，在可移动电极63的可移动电机主体630中形成面朝两个固定电极62的固定电极梳部621的可移动电极梳部631。设置在彼此面对的固定电极梳部621和可移动电极梳部631中的梳齿的数目或者相同或者不同，一个的梳齿位于另一个的梳齿之间而不与它们接触。这里，每个梳齿位于使得靠近另一个梳部的梳齿之一。
7代表单模光纤，71代表光纤7的投影的芯位置。光纤7的轴垂直于页面，光纤7的端面相对可移动的电极主体630固定。可移动镜17设置在可移动电极主体630上面朝光纤7的芯71的部分中。可移动镜17可通过例如以高反射率材料例如Au涂覆可移动电极主体630而形成。
例如，在没有外力作用在可移动电极主体630上的位置(初始位置)，可移动镜17设定以反射从光纤7的芯射出的最大量的光，而得到最大谐振效率和最大衰减因数。这里，如果在固定电极62和可移动电极63之间施加电压，在固定电极梳部621和可移动电极梳部631之间产生静电引力。由于在梳齿之间的更狭窄的间隙处静电引力的作用更强，可移动电极主体630在狭窄的间隙变得更狭窄的方向上位移。因而，根据电压，可移动镜17在页面向上或者向下位移。当可移动镜17在页面向上或者向下位移以产生可移动镜17相对光纤7的芯71的位置的偏移，根据位移量光学谐振效率改变并且光学衰减元件的衰减因数改变。
参考图5说明MEMS光学衰减装置的另一实例。在图5中，在图4中也出现的构成部件标示以相同的参考标号。
例如，在没有外力作用在可移动电极主体630上的位置(初始位置)，可移动镜17设定以反射从光纤7的芯射出的最小量的光(最小谐振效率和最小衰减因数)。如果在固定电极62和可移动电极63之间施加电压，在固定电极62的固定电极梳部621和可移动电极63的可移动电极梳部631在两个电极的梳部之间产生静电引力，使得可移动电极63在两个梳部之间增加接合的方向上位移。因而，根据电压，可移动镜17在页面向上或者向下位移。当可移动镜17在页面向上或者向下位移以产生可移动镜17相对光纤7的芯71的位置的偏移，根据位移量光学谐振效率改变并且光学衰减元件的衰减因数改变。
在图4和图5中，其上形成可移动镜17的可移动电极63是例如接地到GND。然后，通过向与固定电极62通过氧化层绝缘的下层硅衬底61上施加电压，可移动镜17可在垂直于硅衬底6的页面的方向位移，由此改变谐振长度-即衰减波长。
图7说明了通过将光纤7的端面指向图4和图5所示的MEMS装置构成法布里-珀罗谐振器的基衬底8的结构。这里，形成在基衬底8中的光纤安装槽81具有V形截面。例如，作为用于定位光纤轴向方向的简单方法，可采用图像识别(使用从上述获得的图像)以使得在光纤的端面形成的多层膜镜与在V形槽的端面处的阶梯部分的边缘相似。另外，作为用于在垂直方向定位光纤的轴的方法，MEMS装置可根据设置在衬底上预定位置处的标记物而定位并固定。实践中，由于这些MEMS装置和衬底通过SOI和硅晶片构成，它们易于通过形成并截断对本发明的可变增益光学均衡器数量足够的单列法布里-珀罗谐振器而阵列生产，这对于制造更紧凑的装置并增加它们的集成度是有利的。图8显示在阵列配置中使用的衬底的实例。
图9说明了衬底的配置的另一实例。基衬底8设置有具有矩形截面的槽81′，而不是具有V形截面的槽。这是通过例如深RIE(反应离子蚀刻)的各向异性蚀刻的处理而形成在SOI衬底上的。这种方法的优点在于它使得可同时形成光纤端面邻接部分83和保持光纤轴固定在横向取向的夹持弹簧82-邻接部分83特别有用，这是因为它不需要由上所述的图像识别处理用于在轴向方向定位光纤。
图10说明制造根据本发明的MEMS装置的生产中的各种步骤。
(步骤1)通过在硅衬底层601和硅有源层603之间夹着氧化硅绝缘层602制备SOI晶片60，并且在单晶硅层的上硅有源层603上形成氧化膜掩膜层604(图10A)。
(步骤2)使用光刻在氧化膜掩膜层604中形成图案(图10B)。
(步骤3)以带有构图的氧化膜掩膜层作为掩膜，使用例如深RIE的干法蚀刻技术在垂直方向上对硅有源层603进行各向异性蚀刻(图10C)。
(步骤4)通过蚀刻移去氧化硅绝缘层602，以使得可移动电极主体630处于自由悬置状态(图10D)。设定适当的蚀刻时间使得氧化硅绝缘层602从硅有源层603的狭窄部分下面移去，由此将它们从硅衬底层601分离。同时在硅有源层603的宽部下面的氧化硅绝缘层602在边缘部分移去，但是其他大部分完整以形成固定件61和固定电极62。注意，氧化膜掩膜层604也同时被蚀刻掉。
(步骤5)所得可移动电极主体630的表面覆盖由高反射率的金属(Au等)膜以同时形成可移动镜17和电极焊垫，由此完成MEMS装置的生产。
在图4和图5中，所述的可移动电极主体630具有多个方形孔，其目的是使得可移动电极主体630更轻并且使得可移动电极主体630由狭窄的线性部分构成使得可在步骤4中自由悬置。例如，在图4中，通过设定宽度α＝20-30μm并且β＞50μm，可使得一部分可移动而另一部分保持固定。
在图4和图5中，以非常细的线画出的铰合件生产为薄平弹簧形，其高度大于其宽度，使得在水平方向移动范围大而在垂直于表面的方向移动范围小。特别的，用于控制反射率的水平位移是根据光纤芯的直径确定的，并被设定位例如10μm或者更小。用于控制谐振器长度的垂直方向的位移是根据衰减波长的范围确定的并且被设定为10nm或者更小。
尽管上述说明在本实施例中使用SOI衬底，衬底必须满足两个要求。第一个要求是关于制备衬底的材料，其必须包括在导电衬底上的绝缘层，在顶部是柔性导电材料层。第二个要求是关于MEMS装置的制造，其中该材料必须适用于通过例如干法蚀刻的技术在垂直方向各向异性蚀刻。任何满足这些要求的材料可用于制备根据本发明的MEMS装置，不限于SOI衬底。
权利要求
1.一种反射光学衰减元件，包括法布里-珀罗谐振单元，其由在光纤的0°抛光端面上形成的介电多层膜和面朝该介电多层膜的镜组成，驱动单元，其在所述光轴方向并在垂直于所述光轴的方向位移所述镜。
2.如权利要求1所述的光学衰减元件，其中，所述光学衰减元件的驱动单元包括具有导电性的衬底；可移动电极板，其被自由保持以便在平行于所述衬底的表面的方向和垂直于该表面的方向上移动，并且在其表面内嵌入所述法布里-珀罗谐振单元的镜，该镜与所述衬底电绝缘，固定电极板，其形成在所述衬底上并与所述衬底电绝缘，垂直驱动装置，其形成在所述衬底和所述可移动电极板之间，并且其使用静电驱动以在所述垂直方向移动该可移动电极板，以及水平驱动装置，其形成在所述固定电极板和所述可移动电极板之间，并且其使用静电驱动以在所述平行方向移动该可移动电极板。
3.一种使用如权利要求1或2所述的光学衰减元件的可变增益光学均衡器，包括多个所述光学衰减元件，其通过光学循环器级联；以及控制装置，其独立控制所述多个光学衰减器的驱动单元。
4.如权利要求3所述的可变增益光学均衡器，包括第二衬底，其定位所述光学衰减元件的多个光纤以及驱动单元。
5.一种光学放大设备，包括如权利要求3所述的可变增益光学均衡器；光学放大器，其连接到所述可变增益光学均衡器的光学信号输入侧和/或输出侧；光学耦合器，当连接到所述可变增益光学均衡器和光学放大器之后并分支光学信号的部分；监视单元，其接收从所述光学耦合器分支出的光并测量多个波长的光强；以及处理单元，其接收所述监视单元的输出并确定和输出控制信号到所述可变增益光学均衡器的控制单元。
6.如权利要求5所述的光学放大设备，包括第二衬底，其定位所述光学衰减元件的多个光纤以及驱动单元。
7.阵列衬底，包括如权利要求1或2所述的多个光学衰减元件驱动单元；以及第二衬底，其包括定位所述光学衰减元件的多个光纤的多个通道。
全文摘要
本发明涉及一种反射光学衰减元件。代替使用多路分配器以将光学信号分为不同波长，本发明使用其衰减因数和波长特性都可变的多个级联光学衰减元件。另外，使用反射光学衰减元件代替常规的透射元件，并且这些元件通过顺序连接到光学循环器而成列连接。通过沿着垂直于光轴的方向位移法布里－珀罗谐振器的镜使得反射面远离光点移动来控制衰减因数，并且通过在光轴方向位移镜以改变谐振频率来控制衰减因数的波长特性。因此可实现具有简单配置和低插入损耗的可变增益光学均衡器。
文档编号H04B10/17GK1670568SQ20051005650
公开日2005年9月21日 申请日期2005年3月18日 优先权日2004年3月19日
发明者吉田惠 申请人:日本航空电子工业株式会社