CN103885122A - Mems阵列电可调谐光衰减器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种MEMS阵列电可调谐光衰减器及其制备方法，所述衰减器包括：MEMS阵列光阻挡驱动器芯片、输入光纤阵列、输出光纤阵列；所述输入光纤阵列、输出光纤阵列进行直接光学对准耦合，MEMS阵列光阻挡驱动器芯片中的MEMS光阻挡器阵列设置于输入光纤阵列、输出光纤阵列的间隙中，实现N路通道的光信号功率的独立控制，其中，N≥2。本发明提出的阵列电可调谐光衰减器，具有小体积、低单通道成本、良好一致性、衰减范围大、驱动电压低等优点。

Description

MEMS阵列电可调谐光衰减器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术及光通信技术领域，涉及一种光衰减器，尤其涉及一种阵列电可调谐光衰减器；同时，本发明还涉及一种阵列电可调谐光衰减器的制备方法。

背景技术

随着光通信业务的迅猛增长，智能光网络进入高速发展的实用化阶段。智能光网络具有波长动态可配置能力，解决了目前DWDM系统组网灵活性较差、动态分配能力弱的问题。智能光网络由具有高度灵活性、可调谐的光通信设备构成，需要大量的智能化、动态可调谐的光器件与模块。动态可调谐的光器件与模块是智能光网络的核心与基础，是构建智能光网络的关键。微机电系统(MEMS)技术与微光学、光通信技术相结合而产生的微光机电系统(MOEMS)技术，被认为是智能化、可调谐光通信器件制造最为可行的技术，同时兼具小型化、阵列化、低成本化等优点。近年来，随着MOEMS工艺技术的发展，基于MOEMS技术的相关智能光器件也获得了长足的进步，已被广泛的应用于光通信网络。其中MOEMS可变光衰减器（VOA）成为目前智能光网络发展中大量使用的MOEMS光器件，业已成为电控可变光衰减器（EVOA）的主流制造技术。

光衰减器（OA）是光通信系统的需求量最大的器件之一，其输入、输出均为光纤，主要功能是用来平衡、控制光信号功率，保证光通信系统运行在最佳的信噪比(S/N)状态。光衰减器包括固定式和可调式光衰减器（Variable OpticalAttenuator）两大类。对于WDM光网络系统，多波长通道(channel)之间光信号功率可能存在差别，特别是智能光网络的波长路由动态变化导致多波长通道间光信号功率快速、大幅度的变化，波长通道间的光功率差别通过光纤放大器（EDFA）将被放大，同时EDFA的光增益谱存在静态和动态不平坦特性，需要对每个波长通道配备可变光衰减器用来缩小波长通道间的光功率差别和维持所有通道的信噪比(S/N)满足DWDM光通信系统要求。

目前固定式光衰减器价格较低，大量装设于光通信系统用以平衡、控制光信号功率，一旦安装就不可调节，因此其市场份额逐渐减小，被可调光衰减器逐渐替代。可调光衰减器（VOA）能主动精确、快速调节光信号功率，并朝向结合各种光模块、子系统如光发射模块、光接收模块、光纤放大器、波分复用器／解复用器、可重构光分插复用器（ROADM）的方向发展，构成增益平坦化、光信号功率可调控的光模块与子系统，满足智能光网络技术的发展，具有广阔的市场。可调光衰减器包括手动式和电控式两种控制方式。手动式VOA速度慢、体积大，主要用于实验室。电控式VOA（EVOA）的实现技术主要包括微步进电机、MEMS、波导、液晶、磁光、声光等技术。由于MEMS VOA具有优良的光学性能、低成本、低电压、低功耗、速度快、微型化，成为主要的EVOA制造技术。

MEMS VOA实现光衰减的机制有微挡光片、光束偏转、光束衍射、光反射率和光反射面积调控等几种：

1）微挡光片实现的MEMS VOA，采用MEMS微执行器控制微挡光片的平移运动，当微挡光片插入两根光纤间的光纤间隙时，微挡光片的运动控制光信号的耦合程度实现光的可变衰减。其一对单根光纤通常放置在硅芯片上制作的V型或U型槽内，仅适合进行单个VOA器件的封装。采用这种光学封装存在较大的技术困难，这些困难包括：单根光纤光学磨抛，特别是为了降低光回波的斜端面抛光存在很大的技术难度；单根光纤蒸镀光学增透薄膜加工；相互耦合的一对斜端面光纤的斜角不一致性，斜端面光纤的斜角差异将导致VOA器件插入损耗的增加；斜端面光纤的斜角对其相互光学耦合带来的技术困难。Lucent公司研制的微挡光片式MEMS光衰减器，动态范围可达50dB，插入损耗1dB。欧洲Sercalo微技术公司的通过微执行器调节挡光板的位置可在2ms内实现0-40dB的衰减量、典型插入损耗仅0.5dB的MEMS VOA。

2）光束偏转实现的MEMS VOA通过MEMS扭转微反射镜的转动改变双光纤准直器光路的耦合效率，只需要很小的角度变化（约0.3度）就可以实现30dB的光衰减。Dicon、Santec、JDSU、Neophotonics等公司采用该技术推出MEMSVOA产品，其中Dicon还推出了8、10通道MEMS VOA产品，但该多通道MEMSVOA主要采用将单只MEMS VOA进行简单的组合来实现。另一种方式是采用双光纤准直器阵列实现与MEMS扭转微反射镜阵列的光纤耦合，而双光纤准直器阵列技术难度大、成本高。因此，采用MEMS扭转微反射镜实现多通道MEMSVOA产品成本高，不具技术优势。

3）光束衍射实现的MEMS VOA通过MEMS光栅调制器调控光的衍射效率，控制光信号功率的大小，但其光衰减是波长相关的，即DWDM多波长信号的衰减量随波长变化，实用受到限制，同样也存在阵列化的技术困难。

4）光反射率调控实现的MEMS VOA采用MEMS减反射结构（MARS）调制光反射率，MARS结构包含硅晶片、沉积在牺牲层上的氮化硅薄膜，以多层电介质反射膜的方式工作，通过施加静电压吸引氮化硅薄膜向衬底移动，使气隙减小，改变MARS的光反射率。Bell实验室基于MARS-MEMS技术的MARS VCVAVOA可在3μs内实现20dB的衰减。Lightconnect公司基于MARS-MEMS技术研制出FVOA2000及FVOA4000两款单通道快速VOA，并推出了以FVOA4000为基本单元构成的4、8、10通道阵列VOA。该多通道阵列VOA仅是单个FVOA4000MEMS VOA的简单组合。基于MARS-MEMS技术的VOA的光衰减同样波长相关的，实用也受到限制。

5）光反射面积调控实现的MEMS VOA采用热驱动方式驱动MEMS微反射镜，平移运动行程可达60微米，与小光斑双光纤准直器耦合，通过光反射面积的变化改变反射光信号功率。该热驱动器驱动电压低，但功耗高。MEMSCAP提供这种MEMS VOA芯片，国内有多家公司采购该芯片进行器件封装。

由于DWDM通信系统的波长通道数N为4、8、16、32、40或96，每个波长通道配置一只MEMS VOA，虽然单只MEMS VOA的体积不大、成本也不高，但由单只MEMS VOA组合而成的N通道MEMS VOA的体积大、成本高、一致性差，因此利用MEMS技术的优势，发展体积小、单通道成本低，一致性好的多通道的阵列VOA器件满足DWDM通信系统的多通道VOA具有重要的实用价值和市场前景。

目前光通信器件领域实现阵列VOA的技术主要采用SOI硅平面光波导电路（PLC）方案，利用Si电流注入效应或Si热光效应制造阵列波导VOA，但SOI波导器件插入损耗大（约2dB）、驱动功耗高、价格昂贵，主要有Kutora公司提供该产品。另一种实现阵列VOA的技术是采用聚合物波导，利用聚合物材料的高的热光系数，可以制作热光效应的阵列波导VOA，但聚合物波导器件驱动功耗高、调节速度慢，特别是聚合物材料存在严重的可靠性问题，没有得到市场的广泛认可。

目前的MEMS VOA技术实现单通道VOA具有光学性能、低成本等优势，但实现阵列化存在技术困难，而MEMS多通道产品也是通过单只MEMS VOA简单组合而成，存在体积大、成本高，一致性差等问题，难以满足光通信设备减小体积、减低成本、降低控制复杂度的要求。针对这样的现状，本发明提供了一种基于MEMS技术的阵列电可调谐光衰减器（VOA），由单一MEMS驱动器芯片和一对光纤阵列直接制造出紧凑的N（如4、8、16、32、40或96）通道阵列VOA，满足DWDM通信系统的多通道VOA需求。

针对目前MEMS VOA技术实现阵列化存在技术困难，难以满足光通信设备小体积、低成本、低控制复杂度要求的现状，而波导阵列VOA成本高、插入损耗大、驱动功耗高的不足，如今迫切需要设计一种新的可调谐光衰减器（VOA），以便解决上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种阵列电可调谐光衰减器，具有小体积、低单通道成本、良好一致性、衰减范围大、驱动电压低等优点。

此外，本发明还提供一种阵列电可调谐光衰减器的制备方法，可制作体积小、单通道成本低、一致性良好、衰减范围大、驱动电压低的阵列电可调谐光衰减器。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种阵列电可调谐光衰减器，所述衰减器包括：MEMS阵列光阻挡驱动器芯片、输入光纤阵列、输出光纤阵列；

所述输入光纤阵列、输出光纤阵列进行直接光学对准耦合，MEMS阵列光阻挡驱动器芯片中的MEMS光阻挡器阵列设置于输入光纤阵列、输出光纤阵列的间隙中，实现N路通道的光信号功率控制，其中，N≥2。

作为本发明的一种优选方案，所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片包含M路独立的MEMS平动微位移驱动器，用以驱动MEMS光阻挡器阵列实现多路光信号功率的独立控制；其中，M≥N。

作为本发明的一种优选方案，所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片为静电梳齿驱动器，采用静电梳齿驱动方式，实现MEMS光阻挡器阵列几至几十微米的平移运动；

作为本发明的一种优选方案，所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片每路通道设计单一运动方向的静电梳齿驱动器驱动单个光阻挡器；也可以每路通道设计两个相向运动的静电梳齿驱动器驱动两个光阻挡器相对运动，用以降低MEMS阵列电可调谐光衰减器芯片的驱动电压，或提高光信号功率控制精度。

作为本发明的一种优选方案，所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片为差分梳齿驱动器，用以改善MEMS阵列电可调谐光衰减器的电压-衰减特性曲线。

作为本发明的一种优选方案，所述MEMS光阻挡器阵列采用遮挡光路或偏折光路或光波前相位调制的方式实现对光信号的衰减，对应地，MEMS光阻挡器的结构为挡光片或楔形光阻挡器或相位调制光阻挡器；

挡光片的光衰减通过光反射或吸收或光散射等方法将照射到挡光片上的光信号损耗掉，控制输出光纤的光功率；挡光片的刀口结为直线形或外弧形或内弧形或波浪形；

楔形光阻挡器通过将照射到楔形光阻挡器上的光信号偏折出光路，实现输出光信号的光功率调节；

相位调制光阻挡器包括相差π相位的两个区域，从这两个区域通过的光束在输出光纤中发生相消干涉实现输出光信号的光功率调节。

作为本发明的一种优选方案，在所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片上设计封装限位结构，保护MEMS芯片在输入光纤阵列、输出光纤阵列对之间几至数十微米间隙的光纤直接耦合过程中不被损坏。

作为本发明的一种优选方案，所述输入光纤阵列、输出光纤阵列之间进行直接光纤耦合，输入光纤阵列、输出光纤阵列的光纤根数不少于MEMS阵列光阻挡驱动器芯片中独立的驱动器数，无需光学微透镜阵列，输入光纤阵列、输出光纤阵列的间隙为几至数十微米；

MEMS阵列光阻挡器阵列位于输入光纤阵列、输出光纤阵列的间隙之间，通过电压控制MEMS阵列光阻挡驱动器实现对光信号功率的衰减。

作为本发明的一种优选方案，所述衰减器还包括封装外壳；

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片、输入光纤阵列、输出光纤阵列置于封装外壳中进行气密封装，封装外壳采用气密性材料，输入光纤阵列、输出光纤阵列的带状光纤为气密带状光纤，气密带状光纤与封装外壳进行气密性封装，气密封装腔体内充入惰性气体或干燥空气，并放入干燥剂。

作为本发明的一种优选方案，MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的结构可以为非对称结构或对称结构，当采用对称结构时，MEMS光阻挡器包含一个数十微米的通光孔；所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片采用静电梳齿驱动方式，控制驱动电压的大小来驱动MEMS光阻挡器平移运动几至几十微米的，实现对光纤光斑从临界不阻挡到完全阻挡的连续控制。

一种上述阵列电可调谐光衰减器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

（a）清洗SOI硅片，SOI硅片包括顶硅层、中间氧化层、衬底硅；

（b）在SOI硅片上涂胶、光刻，而后进行ICP刻蚀，并清除掩膜材料；

（c）以双抛单晶硅片为基片，将SOI硅片顶硅层与双抛单晶硅片I面进行硅-硅键合，得到硅-硅键合片；

（d）硅-硅键合片进行高温氧化，形成二氧化硅掩膜，单晶硅片II面涂胶、光刻，去除硅-硅键合片上外露的二氧化硅掩膜层，然后进行KOH湿法腐蚀去除SOI的衬底硅，同时单晶硅片完成穿透腐蚀；

（e）去除SOI硅片的中间氧化层，涂胶、光刻，ICP刻蚀制作凸台；

（f）涂胶、光刻，ICP刻蚀释放梳齿结构，制作MEMS阵列平面梳齿驱动器及微光阻挡器阵列，并在微光阻挡阵列的硅膜上采用硬掩膜技术蒸镀光反射膜或光吸收膜，降低光阻挡器的透射光；

（g）进行MEMS圆片的划片，得到物理上分离的MEMS阵列光阻挡驱动器芯片；

（h）MEMS阵列电可调谐光衰减器的光学封装步骤。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤h包括如下步骤：

（h1）采用光纤间距250μm或其它间距的光纤阵列作为输入光纤阵列、输出光纤阵列，光纤阵列FA的带状光纤为气密封装的带状光纤；

（h2）将输入FA与MEMS阵列光阻挡驱动器芯片对准，使每根输入光纤与MEMS阵列驱动器芯片中微挡光器的刀口的位置一致，并且光阻挡器的刀口与输入的光纤光斑处于临界的交叠位置，调节MEMS阵列光阻挡驱动器芯片与输入FA接触，并点胶固定。

（h3）将输出FA插入MEMS阵列光阻挡驱动器芯片背面腐蚀孔中，与输入FA进行直接光纤耦合，调节输出FA与输入FA的间距大于但接近于设计间隙，然后调节FA的上、下位置及角度，直至FA阵列光纤中两端的两根光纤耦合损耗同时最小，再通过光学调节架将输出FA平移至与MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的背后凸台接触，输入与输出FA的间距即为设计的间隙；

（h4）将输出FA从MEMS芯片的腐蚀通孔中点胶，将输出FA与芯片固定，构成耦合对准的FA-芯片-FA组合体，作为第一组合体；

（h5）将第一组合体用胶固定到PCB基板上，并采用引线键合技术将MEMS芯片的电极引出到PCB或其它封装基板上，形成第二组合体；

（h6）将第二组合体用胶固定到密封盒的底板上，该底板上已制作密封引线管脚，将PCB或其它封装基板的引线与密封盒底板上引线管脚进行引线键合；

（h7）将输入FA和输出FA的气密封装带状光纤从密封盒的两侧的预留开口中穿出，在密封盒内放入干燥的吸潮材料，将密封盒与底板进行气密焊接或封接；

（h8）将封装盒进行加热去除湿气，在干燥的氮气环境中将输入FA、输出FA的密封带状光纤与封装盒侧壁进行金属气密焊接，再进一步利用密封胶进行密封，确保MEMS阵列光阻挡驱动器芯片工作在气密环境中，免受外界空气湿度的影响。

本发明提出的阵列电可调谐光衰减器及其制备方法，其有益效果在于：

1）单一MEMS阵列驱动器芯片实现N通道（N=2至96或更大）的DWDM光信号功率控制，体积小，单通道平均成本低；

2）采用一对光纤阵列直接进行光学耦合，无需光学微透镜阵列，不仅降低了技术难度，而且大幅度降低了封装成本；

3）采用光纤阵列直接进行光学耦合，实现一次耦合对准可以完成多通道VOA的光学耦合；

4）MEMS阵列驱动器芯片采用静电平面梳齿驱动器，制造工艺简单、驱动功耗很低、一致性好，驱动电压可以降低至5V以内；

5）与SOI波导和聚合物波导阵列VOA相比，本发明的器件光插入损耗低（小于1dB，最小0.5dB）、光衰减范围大（可达60dB）、偏振相关性小、功耗低（微瓦量级）、可靠性高。

附图说明

图1为MEMS阵列电可调谐光衰减器的结构示意图。

图2为MEMS阵列电可调谐光衰减器的光路示意图。

图3为MEMS阵列电可调谐光衰减器的光功率控制原理图。

图4a为挡光片光阻挡器的结构示意图。

图4b为楔形光阻挡器的结构示意图。

图4c为相位调制光阻挡器的结构示意图。

图5a为外弧形挡光片的刀口结构的结构示意图。

图5b为内弧形挡光片的刀口结构的结构示意图。

图5c为波浪形挡光片的刀口结构的结构示意图。

图6a为对称结构的MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的结构示意图。

图6b为非对称结构的MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的结构示意图（挡光器处于临界不阻挡位置）。

图6c为非对称结构的MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的结构示意图（挡光器处于光纤光斑阻挡位置）。

图7a至图7f分别为本发明方法步骤a至步骤f的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本发明提供了一种基于MEMS技术的阵列电可调谐光衰减器（VOA），由单一MEMS驱动器芯片和一对光纤阵列直接制造出紧凑的N（如4、8、16、32、40、96或更大）通道阵列VOA，具有小体积、低单通道成本、良好一致性、衰减范围大、驱动电压低等优点，可以满足DWDM通信系统的多通道VOA需求。

本发明提供的MEMS阵列电可调谐光衰减器包含PCB板14、一块MEMS阵列光阻挡驱动器芯片11、一只输入FA（即输入光纤阵列）12、一只输出FA（即输出光纤阵列）13、气密封装结构（如固定胶水15）、管脚16，如图1所示。输入FA12、输出FA13直接光学对准耦合，MEMS阵列光阻挡驱动器芯片置于输入FA12、输出FA13的间隙中，并进行气密封装，实现N通道（N=2至96或更大）的光信号功率控制，可应用于DWDM光纤通信系统的多通道的光信号功率控制，其光路示意图如图2所示。

本发明中，MEMS阵列电可调谐光衰减器的光功率控制原理是基于MEMS光阻挡器18对输入、输出光纤的光斑的阻挡量控制，实现对光纤耦合效率的连续调节，如图3所示。MEMS光阻挡器18可以采用多种方式实现对光信号的衰减，包括遮挡光路、偏折光路、光波前相位调制，其光阻挡器的结构分别为挡光片、楔形光阻挡器和相位调制光阻挡器几种结构，如图4a至图4c所示。挡光片的光衰减通过光反射或吸收或光散射等方法将照射到挡光片上的光信号损耗掉，控制输出光纤的光功率。挡光片的刀口结构可以采取多种结构，如直线形、外弧形、内弧形、波浪形等，后三种刀口结构如图5a至图5c所示，可以改善在大衰减量时的VOA光学特性。楔形光阻挡器通过将照射到楔形光阻挡器上的光信号偏折出光路，实现输出光信号的光功率调节。相位调制光阻挡器包括相差π相位的两个区域，从这两个区域通过的光束在输出光纤中发生相消干涉实现输出光信号的光功率调节。

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片包含M路（M≥N）独立的MEMS静电平动微位移驱动器，驱动MEMS光阻挡器实现多路光信号功率的独立控制；MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的结构包括多种形式，如对称结构、非对称结构，如图6a至图6c所示，其中对称结构MEMS阵列驱动器芯片的光阻挡器18包含一个数十微米的通光孔63，光阻挡器18由对称分布的折叠弹性梁悬挂在支撑硅梁19，平面梳齿驱动器64位于光阻挡器18的两端，驱动光阻挡器18在平面内的平移运动，如图6a所示。通过控制驱动电压的大小来驱动MEMS光阻挡器18平移运动几至几十微米的，实现对光纤光斑17从临界不阻挡到完全阻挡的连续控制；如图6b和图6c分别表示非对称结构MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的光阻挡器与光纤光斑17的相当位置及其变化，图6b表示初始位置，光纤光斑17不被阻挡但非常接近被阻挡，即临界不阻挡，光信号直通耦合入输出光纤，此时对光信号衰减最小，即为VOA的插入损耗。图6c表示光纤光斑17部分被阻挡，此时对光信号进行衰减。

所述的MEMS阵列光阻挡驱动器芯片，其静电梳齿驱动器还可以采用差分梳齿驱动器，以改善器件的电压-衰减特性；其每个通道还可以设计为两个相向运动的静电梳齿驱动器驱动两个光阻挡器相对运动，以降低MEMS阵列电可调谐光衰减器的驱动电压，或提高光信号功率控制精度。

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片上设计封装保护结构，该封装保护结构是在MEMS驱动器的支撑边框上制作保护凸台，凸台高出可动结构平面数微米，输入FA可与芯片支撑边框直接接触，但不会碰触MEMS可动结构，可以实现几至数十微米间隙的光纤直接耦合过程中MEMS芯片不被损坏。在MEMS芯片背面的可动结构下面同样制作了作保护凸台，保证输出FA与输出FA靠近耦合时可与MEMS芯片背面直接接触，但不会碰触MEMS可动结构，从而保护MEMS芯片。

所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其输入、输出FA直接光纤耦合，FA对之间的间隙为几至数十微米，FA带状光纤的光纤数为P（不少于MEMS阵列驱动器芯片中独立的驱动器数M），无需光学微透镜阵列，FA对的光纤耦合插入损耗可以小于1dB，阵列MEMS光阻挡器位于FA对的间隙中，通过电压控制MEMS光阻挡器平移运动实现对光信号功率的衰减。

所述的FA的光纤间距d可采用标准的127μm或250μm，也可以定制的光纤间距d（125μm≤d≤2000μm），d与MEMS阵列光阻挡驱动器的间距保持一致。FA的材料采用硅，也可以采用石英，其斜端面抛光角度为3-10°，优选8°，并蒸镀光通信波段的光学增透薄膜。

所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器的输入、输出FA与MEMS阵列光阻挡驱动器平面接近垂直，FA斜抛光端面与MEMS阵列光阻挡驱动器平面平行，FA光纤排布方向与阵列光阻挡驱动器的排列方向一致，保证阵列VOA特性的一致性。输入、输出FA抛光端面的间隙为几至数十微米，该间隙必须大于MEMS光阻挡器的厚度约数微米。输入、输出FA抛光端面不能与MEMS微挡光片接触，其距离在亚微米至几微米之间，MEMS光阻挡器运动过程中也要保证不碰触FA，这可以通过MEMS芯片的保护凸台来实现。

所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，整个器件封装在金属或玻璃或陶瓷密封腔体中，实现气密封装，保证器件寿命期间的可靠性。

本发明的实施包括MEMS阵列光阻挡驱动器芯片制造和MEMS阵列电可调谐光衰减器（VOA）的光学封装两个部分，这里给出的实施例仅是一个可能的具体实施方案，不影响本发明的权力要求。

1）MEMS阵列光阻挡驱动器芯片制造实施例

本实施例以MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的制造工艺流程来进行说明，其工艺参数可以有多种取值，这里仅以通常的取值为例进行说明。MEMS阵列光阻挡驱动器芯片MEMS结构如图6a至图6c所示，主要工艺流程如图7所示。

MEMS阵列驱动器芯片的主要工艺为硅-硅键合和平动梳齿制造工艺，是MEMS体硅工艺中成熟的工艺技术。主要工艺流程如下：

（a）采用商用SOI硅片，顶硅层为重掺杂的低阻硅、厚度20μm，中间氧化层2μm，衬底硅450μm，完成SOI硅片清洗；

（b）SOI硅片的涂胶、光刻，ICP刻蚀，刻蚀深度约3μm，并清除掩膜材料；

（c）双抛单晶硅片为基片，厚度约450μm，将SOI硅片的顶硅层与双抛单晶硅片I面进行硅-硅键合，得到硅-硅键合片；

（d）硅-硅键合片进行高温氧化，形成二氧化硅掩膜，单晶硅片II面涂胶、光刻，去除硅-硅键合片上外露的二氧化硅掩膜层，然后进行KOH湿法腐蚀去除SOI的衬底硅，同时单晶硅片完成穿透腐蚀；

（e）去除SOI硅片的中间氧化层，涂胶、光刻，ICP刻蚀3μm制作凸台；

（f）涂胶、光刻，ICP刻蚀释放梳齿结构，制作MEMS阵列平面梳齿驱动器及微光阻挡器阵列，梳齿间隙2.5μm、梳齿宽度4μm、梳齿厚度14μm，并在微光阻挡阵列的硅膜上采用硬掩膜技术蒸镀Au或Ti反射膜，降低光阻挡器的透射光。

（g）最后进行MEMS圆片的划片，得到物理上分离的MEMS阵列光阻挡驱动器芯片。MEMS微光阻挡器阵列的通道间距为250μm。

（h）MEMS阵列电可调谐光衰减器（VOA）进行光学封装。在本实施例中，MEMS阵列电可调谐光衰减器（VOA）的光学封装采用气密封装结构，如图1所示，封装步骤包括：

（h1）采用光纤间距250μm的FA作为输入/输出光纤阵列，FA的带状光纤为气密封装的带状光纤；

（h2）将输入FA与MEMS阵列光阻挡驱动器芯片对准，使每根输入光纤与MEMS阵列驱动器芯片中微挡光器的刀口的位置一致，并且光阻挡器的刀口与输入的光纤光斑处于临界的交叠位置，调节MEMS阵列光阻挡驱动器芯片与输入FA接触，并点胶固定；

（h3）将输出FA插入MEMS阵列光阻挡驱动器芯片背面腐蚀孔中，与输入FA进行直接光纤耦合，调节输出FA与输入FA的间距约为25-30μm，然后调节FA的上、下位置及角度，直至FA阵列光纤中两端的两根光纤耦合损耗同时最小，再通过光学调节架将输出FA平移至与MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的背后凸台接触，输入与输出FA的间距即为设计的20μm间隙，与SOI材料的顶层硅厚度相同；

（h4）将输出FA从MEMS芯片的腐蚀通孔中点胶，将输出FA与芯片固定，构成耦合对准的FA-芯片-FA组合体，作为第一组合体；

（h5）将第一组合体用胶固定到PCB基板上，并采用引线键合技术将MEMS芯片的电极引出到PCB基板上，形成第二组合体；

（h6）将第二组合体用胶固定到密封金属盒的底板上，该底板上已制作密封引线管脚，将PCB基板的引线与密封金属盒底板上引线管脚进行引线键合；

（h7）将输入FA和输出FA的气密封装带状光纤从密封金属盒的两侧的预留开口中穿出，在金属盒内放入干燥的吸潮材料，将密封金属盒与底板进行平行封焊，实现气密焊接；

（h8）将封装金属盒进行加热去除湿气，在干燥的氮气环境中将输入/输出FA的密封带状光纤与封装金属盒侧壁进行金属气密焊接（如锡焊或激光焊接），再进一步利用密封胶进行密封，确保MEMS芯片工作在气密环境中，免受外界空气湿度的影响。

以上的封装推荐在洁净的封装环境中进行，以提高器件封装成品率。

综上所述，本发明提出的阵列电可调谐光衰减器，具有小体积、低单通道成本、良好一致性、衰减范围大、驱动电压低等优点。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (12)

1.一种MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于，所述衰减器包括：MEMS阵列光阻挡驱动器芯片、输入光纤阵列、输出光纤阵列； 

所述输入光纤阵列、输出光纤阵列进行直接光学对准耦合，MEMS阵列光阻挡驱动器芯片中的MEMS光阻挡器阵列设置于输入光纤阵列、输出光纤阵列的间隙中，实现N路通道的光信号功率控制，其中，N≥2。 

2.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片包含M路独立的MEMS平动微位移驱动器，用以驱动MEMS光阻挡器阵列实现多路光信号功率的独立控制；其中，M≥N。 

3.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片为静电梳齿驱动器，采用静电梳齿驱动方式，实现MEMS光阻挡器阵列几至几十微米的平移运动。 

4.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片每路通道设计单一运动方向的静电梳齿驱动器驱动单个光阻挡器；或者每路通道设计两个相向运动的静电梳齿驱动器驱动两个光阻挡器相对运动，用以降低MEMS阵列电可调谐光衰减器芯片的驱动电压，或提高光信号功率控制精度。 

5.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片采用差分梳齿驱动器，用以改善MEMS阵列电可调谐光衰减器的电压-衰减特性曲线。 

6.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述MEMS光阻挡器阵列采用遮挡光路或偏折光路或光波前相位调制的方式实现对光信号的衰减，对应地，MEMS光阻挡器的结构为挡光片或楔 形光阻挡器或相位调制光阻挡器； 

挡光片的光衰减通过光反射或吸收或光散射等方法将照射到挡光片上的光信号损耗掉，控制输出光纤的光功率；挡光片的刀口结为直线形或外弧形或内弧形或波浪形； 

楔形光阻挡器通过将照射到楔形光阻挡器上的光信号偏折出光路，实现输出光信号的光功率调节； 

相位调制光阻挡器包括相差π相位的两个区域，从这两个区域通过的光束在输出光纤中发生相消干涉实现输出光信号的光功率调节。 

7.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

在所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片上设计封装限位结构，保护MEMS芯片在输入光纤阵列、输出光纤阵列对之间几至数十微米间隙的光纤直接耦合过程中不被损坏。 

8.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述输入光纤阵列、输出光纤阵列之间进行直接光纤耦合，输入光纤阵列、输出光纤阵列的光纤根数P不少于MEMS阵列光阻挡驱动器芯片中独立的驱动器数M，无需光学微透镜阵列，输入光纤阵列、输出光纤阵列之间的间隙为几至数十微米； 

MEMS阵列光阻挡器阵列位于输入光纤阵列、输出光纤阵列的间隙之间，通过电压控制MEMS阵列光阻挡驱动器运动实现对光信号功率的衰减。 

9.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述衰减器还包括封装外壳； 

所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片、输入光纤阵列、输出光纤阵列置于封装外壳中进行气密封装，封装外壳采用气密性材料，输入光纤阵列、输出光纤阵列的带状光纤为气密带状光纤，气密带状光纤与封装外壳进行气密性封装，气密封装腔体内充入惰性气体或干燥空气，并放入干燥剂。 

10.根据权利要求1所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的结构可以为非对称结构或对称结构，当采用对称结构时，MEMS光阻挡器包含一个数十微米的通光孔；所述MEMS阵列光阻挡驱动器芯片采用静电梳齿驱动方式，控制驱动电压的大小来驱动MEMS光阻挡器平移运动几至几十微米的，实现对光纤光斑从临界不阻挡到完全阻挡的连续控制。 

11.一种权利要求1至10之一所述MEMS阵列电可调谐光衰减器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 

（a）清洗SOI硅片，SOI硅片包括顶硅层、中间氧化层、衬底硅； 

（b）在SOI硅片上涂胶、光刻，而后进行ICP刻蚀，并清除掩膜材料； 

（c）以双抛单晶硅片为基片，将SOI硅片顶硅层与双抛单晶硅片I面进行硅-硅键合，得到硅-硅键合片； 

（d）硅-硅键合片进行高温氧化，形成二氧化硅掩膜，单晶硅片II面涂胶、光刻，去除硅-硅键合片上外露的二氧化硅掩膜层，然后进行KOH湿法腐蚀去除SOI的衬底硅，同时单晶硅片完成穿透腐蚀； 

（e）去除SOI硅片的中间氧化层，涂胶、光刻，ICP刻蚀制作凸台； 

（f）涂胶、光刻，ICP刻蚀释放梳齿结构，制作MEMS阵列平面梳齿驱动器及微光阻挡器阵列，并在微光阻挡阵列的硅膜上采用硬掩膜技术蒸镀光反射膜或光吸收膜，降低光阻挡器的透射光； 

（g）进行MEMS圆片的划片，得到物理上分离的MEMS阵列光阻挡驱动器芯片； 

（h）MEMS阵列电可调谐光衰减器的光学封装步骤。 

12.根据权利要求11所述的MEMS阵列电可调谐光衰减器，其特征在于： 

所述步骤h包括如下步骤： 

（h1）采用光纤阵列FA作为输入光纤阵列、输出光纤阵列，光纤阵列 FA的带状光纤为气密封装的带状光纤； 

（h2）将输入FA与MEMS阵列光阻挡驱动器芯片对准，使每根输入光纤与MEMS阵列驱动器芯片中微挡光器的刀口的位置一致，并且光阻挡器的刀口与输入的光纤光斑处于临界的交叠位置，调节MEMS阵列光阻挡驱动器芯片与输入FA接触，并点胶固定； 

（h3）将输出FA插入MEMS阵列光阻挡驱动器芯片背面腐蚀孔中，与输入FA进行直接光纤耦合，调节输出FA与输入FA的间距大于但接近于设计间隙，然后调节FA的上、下位置及角度，直至FA阵列光纤中两端的两根光纤耦合损耗同时最小，再通过光学调节架将输出FA平移至与MEMS阵列光阻挡驱动器芯片的背后凸台接触，输入与输出FA的间距即为设计的间隙； 

（h4）将输出FA从MEMS芯片的腐蚀通孔中点胶，将输出FA与芯片固定，构成耦合对准的FA-芯片-FA组合体，作为第一组合体； 

（h5）将第一组合体用胶固定到PCB基板上，并采用引线键合技术将MEMS芯片的电极引出到PCB或其它封装基板上，形成第二组合体； 

（h6）将第二组合体用胶固定到密封盒的底板上，该底板上已制作密封引线管脚，将PCB或其它封装基板的引线与密封盒底板上引线管脚进行引线键合； 

（h7）将输入FA和输出FA的气密封装带状光纤从密封盒的两侧的预留开口中穿出，在密封盒内放入干燥的吸潮材料，将密封盒与底板进行气密焊接； 

（h8）将封装盒进行加热去除湿气，在干燥的氮气环境中将输入FA、输出FA的密封带状光纤与封装盒侧壁进行气密焊接或封接，再进一步利用密封胶进行密封，确保MEMS阵列光阻挡驱动器芯片工作在气密环境中，免受外界空气湿度的影响。 

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