专利名称：大动态微机械可变光衰减器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光电子技术领域中的一种大动态微机械可变光衰减器器件，特别适用于高速大规模的全光光纤通信网络中作可变光衰减器器件装置。
背景技术：
光衰减器在光纤通信系统中发挥着重要的作用，它是波分复用(WDM)光纤网络中关键的光无源器件。光衰减器的主要功能是用来减小或控制光讯号，广泛应用于波分复用系统中，实现对各信道的光功率电平进行适时控制和模拟光信号传输中的衰减，并且在光纤传感、光纤测量等科研和工程领域有着重要应用。光衰减器具有固定式光衰减器和可变光衰减器(VOA)两种。固定式光衰减器主要装设于通讯系统，用以平衡光能量，但是应用弹性较低；而VOA在应用发展上具优势，能主动精确平衡光的讯号，并朝向结合各式模块、次系统(如复用/解复用器、光上下路)发展，近年来其发展受到了广泛的关注。
现代光纤通信正在向高速大容量的全光通信方向发展，特别是随着波分复用(WDM)技术的应用，对可变光衰减器的需求越来越大、要求越来越高。理想的VOA能精确控制光讯号的损失，一般特性要求包括大动态衰减范围、低插入损耗、低波长相关损耗、低偏振模态色散、低偏振相关损耗、以及相应时间快、功耗低、体积小、可阵列化集成等。传统的机械式VOA，可以实现较小的插入损耗、和大动态衰减范围，但其响应时间慢、体积大、成本高，限制了其在WDM和光上下路系统中的应用，而基于波导式的电光、热光、磁光型的VOA一般不能实现较大的动态衰减范围，且波长相关、偏振相关。
微电子机械系统(MEMS)加工技术和微电子工艺技术相兼容，其产品具有成本低、体积小、重量轻、易集成的特点。近年来，采用微电子机械加工技术制作可变光衰减器已成为目前国内外研制高性能可变光衰减器的关键技术。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种采用与微电子工艺技术相兼容的MEMS加工技术生产的大动态微机械可变光衰减器，并且本实用新型还具有大动态衰减范围、低插入损耗、低波长相关损耗、低偏振模态色散、低偏振相关损耗、以及相应时间快、功耗低、结构简单、体积小、重量轻、易阵列化集成、成本低等特点。
本实用新型所要解决的技术问题由以下技术方案实现的它由N型单晶硅衬底1，固定梳齿驱动电极2、固定梳齿3、可动梳齿4、可动梳齿驱动电极5、弹性折叠悬梁6、可动部件支撑连接梁7、金属层8、硅微型挡板9、光纤10、光纤端面定位结构11、垂直槽12、V形槽13、浓硼层14、光刻胶层15构成。其中N型单晶硅衬底1上扩散一层浓硼层14结构，浓硼层14上涂一层光刻胶层15，光刻胶层15上光刻固定梳齿驱动电极2、固定梳齿3、可动梳齿4、可动梳齿驱动电极5、弹性折叠悬梁6、可动部件支撑连接梁7、硅挡板9、光纤端面定位结构11、垂直槽12结构，固定梳齿驱动电极2和可动梳齿驱动电极5底部与浓硼层14连接，N型单晶硅衬底1的浓硼层14上腐蚀加工悬浮的固定梳齿3、可动梳齿4、弹性折叠悬梁6、可动部件支撑连接梁7、硅微型挡板9、光纤端面定位结构11，N型单晶硅衬底1的四周浓硼层14上腐蚀加工垂直槽12结构，固定梳齿3的各个梳齿一端与固定梳齿驱动电极2连接、可动梳齿4的各个梳齿一端通过可动部件支撑连接梁7与弹性折叠悬梁6连接，可动部件支撑连接梁7穿接弹性折叠悬梁6后与硅挡板9连接，弹性折叠悬梁6与可动梳齿驱动电极5连接，垂直槽12底部腐蚀加工V形槽13，光纤10放置在垂直槽12和V形槽13内，光纤10端面侧壁与光纤端面定位结构11侧壁接触连接，光纤端面定位结构11侧壁与N型单晶硅衬底1成垂直结构，硅挡板9插装在两根光纤10相对端面间隙之间，固定梳齿驱动电极2和可动梳齿驱动电极5上溅射加工金属层8结构，金属层8与光电管壳管脚连接。
本实用新型相比背景技术具有如下优点1.本实用新型采用体硅微机械加工技术在硅基片上制作可动硅挡板9实现光纤中10光传输能量衰减控制，因此具有工艺简单成熟、制造成本低的优点。
2.本实用新型的可变光衰减器器件采用在可动硅挡板9部分阻断光纤10中传输光信号的通过，从而实现对传输光的能量衰减控制，具有大动态衰减范围、低插入损耗、低波长相关损耗、低偏振模态色散、低偏振相关损耗、以及相应时间快、功耗低、体积小、重量轻等特点，是光纤通信应用的理想可变光衰减器装置。
3.本实用新型采用体硅微机械加工技术制造，具有大批量生产、成本低的优点，并且能够方便制作成阵列化集成的多路可变光衰减器阵列，如两路输入输出(2×2)、四路输入输出(4×4)……N×N等多种规格产品，满足用户需求。
图1是本实用新型结构示意图。
图2是本实用新型图1沿A-A方向剖视结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2，本实用新型由N型单晶硅衬底1，固定梳齿驱动电极2、固定梳齿3、可动梳齿4、可动梳齿驱动电极5、弹性折叠悬梁6、可动部件支撑连接梁7、金属层8、硅挡板9、光纤10、光纤端面定位结构11、垂直槽12、V形槽13、浓硼层14、光刻胶层15构成。本实用新型整个制作都在市售的N型单晶硅片上完成。实施例在N型单晶硅衬底1上采用市售通用的扩散炉对N型单晶硅衬底1扩散浓硼形成浓硼层14，浓硼层14作为硅各相异性腐蚀液进行湿法腐蚀的自停止层，浓硼层14与N型单晶硅衬底1之间形成P++N结，作为固定梳齿驱动电极2和可动梳齿驱动电极5电隔离PN结。在浓硼层14上涂一层光刻胶层15，实施例采用市售通用光刻机，用结构掩模版对光刻胶层15进行光刻，刻出固定梳齿驱动电极2、固定梳齿3、可动梳齿4、可动梳齿驱动电极5、弹性折叠悬梁6、可动部件支撑连接梁7、硅挡板9、光纤端面定位结构11、垂直槽12结构，实施例采用微机械加工专用的深槽刻蚀设备进行感应耦合等离子体(ICP)深槽刻蚀出固定梳齿驱动电极2、固定梳齿3、可动梳齿4、可动梳齿驱动电极5、弹性折叠悬梁6、可动部件支撑连接梁7、硅挡板9、光纤端面定位结构11、垂直槽12结构，刻蚀深度大于浓硼层14的厚度，露出底部的N型单晶硅衬底1，再用加热硫酸去除浓硼层14上的光刻胶层15。采用市售通用的硅片划片机沿划片槽进行划片。将N型单晶硅衬底1放入硅各向异性腐蚀液进行湿法腐蚀释放结构，由于硅各相异性腐蚀液对搀杂浓度的选择性而只腐蚀露出的N型单晶硅衬底1，腐蚀至固定梳齿3、可动梳齿4、弹性折叠悬梁6、可动部件支撑连接梁7、硅挡板9的各浓硼层14与N型单晶硅衬底1完全脱离形成悬浮结构，同时在垂直槽12底部的N型单晶硅衬底1腐蚀形成V形槽13结构。然后用溅射工艺采用通用的磁控溅射台在浓硼层14上覆盖金属层8，实施例一般覆盖金属采用多层复合金属材料。其中固定梳齿3的各个梳齿一端与固定梳齿驱动电极2连接，可动梳齿4的各个梳齿一端通过可动部件支撑连接梁7与弹性折叠悬梁6连接，固定梳齿3和可动梳齿4的各个梳齿加工成相互交叉结构，使固定梳齿驱动电极2和可动梳齿驱动电极5加电压后，可动梳齿4的各个梳齿能在固定梳齿3的各个梳齿间移动。
本实用新型可动梳齿4的各个梳齿一端通过可动部件支撑连接梁7与弹性折叠悬梁6连接，可动部件支撑连接梁7穿接弹性折叠悬梁6并与硅挡板9连接，弹性折叠悬梁6与可动梳齿驱动电极5连接，形成本实用新型的可动部件。
本实用新型光纤10放置在垂直槽12和V形槽13内，光纤10端面侧壁与光纤端面定位结构11侧壁接触连接，光纤端面定位结构11侧壁与N型单晶硅衬底1成垂直结构，硅挡板9插装在两根光纤10相对端面间隙之间，形成本实用新型的光耦合部件。实施例光纤10采用两根市售通用光纤制作，硅挡板9的插装形式可以采用水平移动或垂直移动等方式进行光纤10传输光路的部分阻断功能。将制作的各个管芯用通用的绝缘胶粘结在光电管壳上，用通用超声键合台采用金丝将固定梳齿驱动电极2、可动梳齿驱动电极5上的金属层8与光电管壳管脚连接，封帽，制作成本实用新型可变光衰减器器件。
本实用新型简要工作原理如下在固定梳齿驱动电极2、可动梳齿驱动电极5之间施加直流电压，此时分别与固定梳齿驱动电极2和可动梳齿驱动电极5相连的固定梳齿3、可动梳齿4之间产生静电力，在静电力的作用下弹性折叠悬梁6发生弯曲，带动硅挡板9在平行于N型单晶硅衬底1的方向上运动，改变施加直流电压大小，硅挡板9随电压变化产生不同位移，输入输出光纤光路的耦合面积不同，从而实现传输光能量的可变衰减功能，本实用新型是一种具有大动态衰减范围、低插入损耗、低波长相关损耗、低偏振模态色散、低偏振相关损耗、以及相应时间快、功耗低、体积小、重量轻等特点的可变光衰减器，特别适用于高速大规模的全光光纤通信网络中作可变光衰减器器件装置。
权利要求1.一种大动态微机械可变光衰减器，它包括N型单晶硅衬底(1)、光纤(10)、浓硼层(14)、光刻胶层(15)，其特征在于它还包括固定梳齿驱动电极(2)、固定梳齿(3)、可动梳齿(4)、可动梳齿驱动电极(5)、弹性折叠悬梁(6)、可动部件支撑连接梁(7)、金属层(8)、硅挡板(9)、光纤端面定位结构(11)、垂直槽(12)、V形槽(13)，其中N型单晶硅衬底(1)上扩散一层浓硼层(14)结构，浓硼层(14)上涂一层光刻胶层(15)，光刻胶层(15)上光刻固定梳齿驱动电极(2)、固定梳齿(3)、可动梳齿(4)、可动梳齿驱动电极(5)、弹性折叠悬梁(6)、可动部件支撑连接梁(7)、硅挡板(9)、光纤端面定位结构(11)、垂直槽(12)结构，固定梳齿驱动电极(2)和可动梳齿驱动电极(5)底部与浓硼层(14)连接，N型单晶硅衬底(1)的浓硼层(14)上腐蚀加工悬浮的固定梳齿(3)、可动梳齿(4)、弹性折叠悬梁(6)、可动部件支撑连接梁(7)、硅微型挡板(9)、光纤端面定位结构(11)，N型单晶硅衬底(1)的四周浓硼层(14)上腐蚀加工垂直槽(12)结构，固定梳齿(3)的各个梳齿一端与固定梳齿驱动电极(2)连接、可动梳齿(4)的各个梳齿一端通过可动部件支撑连接梁(7)与弹性折叠悬梁(6)连接，可动部件支撑连接梁(7)穿接弹性折叠悬梁(6)后与硅挡板(9)连接，弹性折叠悬梁(6)与可动梳齿驱动电极(5)连接，垂直槽(12)底部腐蚀加工V形槽(13)，光纤(10)放置在垂直槽(12)和V形槽(13)内，光纤(10)端面侧壁与光纤端面定位结构(11)侧壁接触连接，光纤端面定位结构(11)侧壁与N型单晶硅衬底(1)成垂直结构，硅挡板(9)插装在两根光纤(10)相对端面间隙之间，固定梳齿驱动电极(2)和可动梳齿驱动电极(5)上溅射加工金属层(8)结构，金属层(8)与光电管壳管脚连接。
专利摘要本实用新型公开了一种大动态微机械可变光衰减器，它涉及光电子领域中的可变光衰减器器件。它由N型单晶硅衬底、可动梳齿、固定梳齿、可动梳齿驱动电极、固定梳齿驱动电极、弹性折叠悬梁、可动部件支撑连接梁、光纤、硅挡板、V形槽等部件组成。它采用在静电力的作用下，使硅挡板在光纤间移动，达到硅挡板部分阻断光纤传输光信号的通过，从而达到对传输光的能量衰减控制作用。本实用新型具有大动态衰减范围、低插入损耗、低偏振相关损耗、低波长相关损耗、相应时间快、功耗低以及体积小、成本低、易集成和批量化等特点，可以制成系列的可变光衰减器，特别适用于高速大规模的全光光纤通信网络中作可变光衰减器器件装置。
文档编号H04B10/02GK2852155SQ20052013548
公开日2006年12月27日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者李海军, 杨拥军, 徐永青, 郑七龙 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所