CN103885177B - 光纤放大器动态增益斜率均衡器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光纤放大器动态增益斜率均衡器及其制备工艺，所述均衡器包括通过光学封装的MEMS光学微镜驱动器芯片和双光纤准直器；MEMS光学微镜驱动器芯片包括第一光学微反射镜、第二光学微反射镜、微位移调节单元；微位移调节单元用以控制第一光学微反射镜或/和第二光学微反射镜的水平方向或/和垂直方向的微位移运动，实现MZI分束比和干涉臂相位调谐，动态控制输入WDM光信号的光谱斜率。本发明提出的动态增益斜率均衡器采用MEMS工艺制作，具有插入损耗低、均衡范围宽、体积小、调谐速度快、驱动功率微小等优点，可直接集成到EDFA中实现动态增益斜率均衡，还能应用于解决传输光纤、光纤色散补偿模块、光纤SRS效应等造成的DWDM通道间信号功率不均衡问题。

Description

光纤放大器动态增益斜率均衡器及其制备工艺

技术领域

本发明属于MEMS及光纤通信技术领域，涉及一种动态增益斜率均衡器，尤其涉及一种光纤放大器动态增益斜率均衡器；同时，本发明还涉及上述光纤放大器动态增益斜率均衡器的制备工艺。

背景技术

“宽带中国战略”与“宽带上网提速工程”的实施将大大加速我国宽带光网络建设，“光进铜退”成为宽带网络技术发展趋势，我国宽带光网络建设投资将超过千亿元规模。传统的点对点光传输网已无法适应光接入端口数和接入带宽的跨越式增长，基于自动交换光网络(ASON)技术的智能光网络是必然发展趋势。智能光网络不仅要解决大容量传输、宽带接入问题,更为关键的是光网络智能化的提升与跨越,实现波长自动配置和带宽动态分配,建立动态可重构、扩展灵活、运行高效、经济可靠的宽带光网络。

智能光网络是在密集波分复用(DWDM)技术基础上利用可重构光分插复用(ROADM)和光交叉连接(OXC)等节点设备构建的新型光网络，其单通道速率将提升到40-400Gb/s、单光纤波长通道数提升到40甚至160波、传输距离扩展至数千甚至1万公里，对DWDM多信道光信号的功率控制和光信噪比（OSNR）提出了更高的要求。掺铒光纤放大器（EDFA）是DWDM系统无电光中继传输关键技术，DWDM系统设计不仅要求EDFA高增益、低噪声，同时要求在多信道环境下提供平坦且与输入光功率无关的增益，来保证各个波长通道具有相同的OSNR。但是，EDFA的增益谱具有静态不平坦特性和随输入光功率参数的变化而发生变化的动态特性，因此实用化的EDFA需要进行静态增益平坦化和动态增益均衡。在智能光网络中，由于DWDM波长动态配置、波长路由引起EDFA输入光功率变化、波长通道数变化成为常态，且变化的速度达到毫秒级，因此对EDFA的增益谱动态不平坦的补偿提出了更高的技术要求，成为亟待解决的关键技术问题。

EDFA增益谱不平坦具有静态和动态两种特性，需要静态增益平坦化技术和动态增益均衡技术来进行均衡。DWDM系统中的EDFA都配置了增益平坦滤波器(GFF)，其波长-损耗曲线与待补偿的EDFA的静态增益谱刚好相反，可以实现EDFA静态不平坦特性的良好补偿。静态增益平坦化技术包括薄膜干涉滤光片、长周期光纤光栅、啁啾光栅、闪耀光纤光栅、级联光纤M-Z干涉仪、光子晶体等多种技术，其残余的增益不平坦度在±0.5dB以内、附加损耗<1dB，而且成本低、体积小。正是由于GFF性能好、价格低，因此每个EDFA都集成了GFF器件，解决了EDFA增益静态不平坦的补偿问题。但GFF的灵活性不足，无法补偿EDFA增益谱的动态变化。

在智能光网络中，波长动态配置导致EDFA波长通道增益差异、波长通道数动态变化，造成EDFA增益谱的动态不平坦，将严重恶化DWDM系统的OSNR，特别是多EDFA级联的多跨段长距离、超长距离光通信系统。与此同时，传输光纤和其它光器件（如色散补偿模块）的光信号衰减随信号波长变化、光纤受激拉曼散射（SRS）效应引起信号功率由短波长向长波长通道转移和EDFA老化等因素也会使DWDM系统各通道间信号功率不均衡。这些因素引起的光信号功率谱、增益谱变化，通常表现出光信号功率谱、增益谱随波长的线性变化，称为增益倾斜，如图1所示。当无电中继距离超过1000km、跨段在10段以上时,传输线路形成的光谱倾斜在12dB以上,信道的误码显著恶化。迫切需要一种能够动态适应光纤链路和增益变化的动态增益均衡(DGE)技术来补偿增益谱动态不平坦，这对超长距离、超大容量光传输以及光网络的动态配置至关重要。

目前国内外各大光器件厂家已实现DGE的商用，但存在诸多的不足，如成本高、体积大、插入损耗高，严重限制了DGE的广泛应用。在各种DGE器件技术中,性能价格比、应用的难易等成为决定其成败的关键因素。由于DGE价格居高不下，比EDFA价格高得多，一般仅在DWMD系统的中间点（mid-point）、ROADM节点才使用。因此，急需采用新技术降低DGE的成本、减小体积,使其能够同GFF一样集成到每一个EDFA中，更好地满足智能光网络建设的要求。

为了降低动态增益均衡的成本，目前EDFA的生产厂商（如JDS Uniphase、飞通、昂纳等）集成一个快速响应可变光衰减器（VOA）到EDFA内部以衰减输入光信号功率，该方案牺牲了3dB以上光功率，且噪声系数增加。另一种方案是调节泵浦功率来调节EDFA增益谱的倾斜，但该方案会导致增加泵浦光功率和噪声系数。由于EDFA的动态增益不平坦主要表现为增益倾斜，采用动态增益斜率均衡（Dynamic gain slope equalization，DGSE）是最为有效、最经济的补偿方式，因此低成本、高性能DGSE的研究及商业化对解决EDFA的动态增益均衡问题具有重要意义，也具有广阔的应用前景。

微机电系统（MEMS）微细加工技术，可以批量制造高速、精密、微型可动部件或敏感部件。MEMS技术与光学技术结合形成的微光机电系统（MOEMS）技术，已成为智能、可调谐光通信器件的主流技术。本专利基于MEMS技术发明了一种动态增益斜率均衡器，实现低成本、高性能的DGSE器件，具有重要实用价值和广阔市场前景。

DGE器件其本质上是一个具有波长选择特性的光可变衰减器（VOA）阵列，其实现技术主要分为串行工作和并行工作两类。串行工作的DGE采用多级滤波器的串行方式，可以实现中等光谱分辨率（几纳米）的增益均衡，包括串行谐波滤波器和串行特定波长段滤波器两种。串行谐波滤波器的采用6-8级光滤波器的串行方式，实现技术包括液晶谐波合成器、磁光谐波合成器、波导MZI谐波合成器和波导横向滤波器，其共同特点是将待补偿光谱曲线进行谐波分解，然后利用光谐波滤波器进行合成。器件插入损耗为3.4-4.5dB,均衡误差±0.5dB以内，其光谱均衡算法非常复杂，导致调整速度非常慢（约1秒），器件成本高。国内武汉邮科院开展了液晶谐波DGE的研发，浙江大学开展了补偿算法的研究工作。串行特定波长段滤波器的单级滤波器的衰减仅局限在特定波长段，通过多级串联的滤波器获得期望的滤波特性，其主要实现技术是全光纤声光可调谐滤波器（AOTF）、机械和热调谐光纤长周期光栅（LPG），其优势是全光纤器件、插入损耗较低，但其补偿算法复杂，且采用手工装配、工艺复杂、成本高，同时驱动功率较高，器件尺寸大，难以实用化。

并行工作的DGE采用光栅分光与光动态调制器相结合，直接在光谱域对光信号进行动态控制，补偿算法简单，其实现技术包括自由空间光学和平面波导光学两种技术方案。自由空间光学DGE采用体光栅和阵列VOA实现，阵列VOA采用液晶或MEMS驱动器件（DMD、光栅调制器，F-P调制器），补偿误差在±0.25dB以内，但插入损耗高达6-7dB。平面波导光学DGE采用阵列波导光栅（AWG）和波导热光衰减器阵列或波导热光相移器阵列实现，其体积小，但驱动功耗较高，同样其插入损耗大、成本高。最高谱分辨率的DGE可以独立调控每个通道的光功率，又称为通道光功率均衡器（DCE）或波长阻塞器（WB）。并行工作的DGE可实现高速、高光谱分辨率的动态补偿，但成本昂贵、插入损耗高，价格远高于EDFA，应用范围有限。

动态增益斜率均衡器（DGSE）提供光谱斜率可调的动态增益均衡，对EDFA输入光功率、泵浦功率变化导致的增益谱的倾斜可以实现直接、效果更佳的补偿，而且成本低、体积小，专用于光谱斜率补偿的DGE器件，是DGE器件的重要发展趋势。DGSE的主要实现技术包括磁光滤波器、波导M-Z滤波器（如图2）和MEMS减反射开关光调制器（MARS）。T.Naito提出的磁光DGSE采用双折射棱镜、双折射晶体板与Faraday旋转器构成，如图2(a)，插入损耗约为1.7dB，驱动功率200mW。N.Mitamura提出的磁光DGSE与T.Naito相似，不同的是采用偏振介质膜和双Faraday旋转器构成，如图2(b)，插入损耗为1.8dB，驱动功率为数十mW。K.Inoue等人提出的波导M-Z DGSE采用由可调波导耦合器构成的非对称M-Z干涉仪，采用热光相移器实现调谐，如图2(c)，最好情况的插入损耗为1.4dB。H.Hatayama等人提出了采用两级串接的非对称M-Z干涉仪实现波导M-Z DGSE的技术方案，也采用热光相移器实现调谐，如图2(d)，器件插入损耗5.4dB，功耗225mW。N.Azami采用热光调谐的光纤M-Z干涉仪实现了DGSE，如图2（e），器件插入损耗仅0.2dB、功耗250mW、响应时间210ms，但需要手工制作特殊波长特性的光纤耦合器，工艺控制很困难。K.W.Goossen等人采用MEMS MARS器件实现了DGSE，器件插入损耗>2.5dB、调节时间10微秒、驱动电压40V。国内还未见开展DGSE的相关研究工作。虽然DGSE是实现EDFA动态增益倾斜补偿的最佳选择，但目前未获得广泛的应用，其原因是器件成本较高、插入损耗较大、驱动功耗偏高，热驱动器件的响应速度慢。其技术发展趋势是发展出与GFF均衡性能、成本相当的高性能、低成本DGSE。

综上所述，目前DGE和DGSE器件技术存在成本高、插入损耗大、驱动电功耗高、体积大等不足，针对目前DGE和DGSE器件技术的不足和实用化的问题，本发明提出了新颖的基于MEMS技术的DGSE技术方案，采用MEMS两自由度微位移驱动器实现光分束比、光相位可独立调谐的自由空间光学M-Z干涉仪，可以实现低插入损耗（≤0.8dB）、斜率调谐范围±0.2dB/nm（@40nm）、调谐时间≤5ms、低驱动功耗、成本与GFF相当的低成本、高性能DGSE器件，能够与GFF一起直接集成到EDFA中，从而解决EDFA动态增益均衡问题，同时还可以应用于解决补偿色散补偿模块、SRS效应等造成的DWDM通道间信号功率不均衡。本发明将对光通信与光网络、EDFA动态增益均衡技术和MEMS技术发展都具有重要的科学意义和实用价值，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种光纤放大器动态增益斜率均衡器，可解决EDFA动态增益均衡问题，还可以应用于解决补偿色散补偿模块、SRS效应等造成的DWDM通道间信号功率不均衡。

此外，本发明还提供光纤放大器动态增益斜率均衡器的制备工艺，可解决EDFA动态增益均衡问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种光纤放大器动态增益斜率均衡器，所述均衡器包括MEMS光学微镜驱动器芯片和双光纤准直器；

所述MEMS光学微镜驱动器芯片和双光纤准直器通过光学封装，构成微型Mach-Zehnder干涉仪（MZI）；

所述MEMS光学微镜驱动器芯片包括第一光学微反射镜、第二光学微反射镜、微位移调节单元；

所述微位移调节单元用以控制第一光学微反射镜或/和第二光学微反射镜的水平方向或/和垂直方向的微位移运动，实现MZI分束比和干涉臂相位调谐，动态控制输入WDM光信号的光谱斜率；

所述微位移调节单元控制第一光学微反射镜水平方向及垂直方向的微位移运动，同时第二光学微反射镜静止；或者，所述微位移调节单元控制第一光学微反射镜水平方向或/和垂直方向的微位移运动，同时控制第二光学微反射镜水平方向或/和垂直方向的微位移运动。

作为本发明的一种优选方案，所述第二光学微反射镜固定在所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底上；

所述第一光学微反射镜为可动MEMS微镜，通过弹性梁支撑机构悬挂在所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底上；所述弹性梁支撑机构包括第一方向支撑梁、第二方向支撑梁，第一方向支撑梁沿第一方向设置，第二方向支撑梁沿第二方向设置；

所述微位移调节单元包括静电梳齿驱动器、静电平板驱动器；

所述静电梳齿驱动器位于硅框架的两侧，并通过一组硅弹性梁悬挂于所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底之上，并与所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底连接；所述静电梳齿驱动器用以控制第一光学微反射镜水平方向上的微位移运动，实现MZI分束比调谐；

所述静电平板驱动器包括第一电极板、第二电极板；第一电极板上设置第一光学微反射镜，第一电极板通过另一组硅弹性梁与硅框架相连，第二电极板为所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底，两电极板之间有一空气隙；所述静电平板驱动器用以控制第一光学微反射镜垂直方向上的微位移运动，实现MZI干涉臂相位调谐。

作为本发明的一种优选方案，所述第一电极板上镀制光学反射膜，形成所述第一光学微反射镜；所述第二电极板上镀制光学反射膜，形成所述第二光学微反射镜。

作为本发明的一种优选方案，所述弹性梁支撑机构对称分布，抑制第一光学微反射镜的扭转运动模态。

作为本发明的一种可选方案，所述第一光学微反射镜、第二光学微反射镜可以均为可动MEMS微镜，每块光学微反射镜沿水平方向或垂直方向单自由度平移运动，两块光学微反射镜的运动方向彼此垂直；

作为本发明的一种优选方案，所述微型Mach-Zehnder干涉仪的光信号的输入、输出均为光纤，可以是单模或多模光纤。

作为本发明的一种优选方案，所述微型Mach-Zehnder干涉仪MZI的两干涉臂不等长，构成非对称Mach-Zehnder干涉仪，两干涉臂的初始光程差根据EDFA增益斜率均衡器的光谱特性进行设定，通过控制MEMS可动光学微镜的垂直微位移运动对两干涉臂的光程差在0-2π进行动态调谐。

作为本发明的一种优选方案，所述微型Mach-Zehnder干涉仪MZI的两干涉臂的光分束比是动态调谐的，通过第一光学微反射镜或/和第二光学微反射镜的水平微位移运动，控制第一光学微反射镜或/和第二光学微反射镜对双光纤准直器光斑反射比例实现光分束比动态调谐。

一种上述光纤放大器动态增益斜率均衡器的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤a：进行绝缘体衬底硅SOI器件硅层的双掩膜光刻，利用第一层掩膜进行ICP刻蚀，刻蚀深度约数微米至十几微米，去除第一层掩膜材料；

步骤b：利用第二层掩膜进行ICP刻蚀，刻蚀深度约数微米至十几微米，再清除第二层掩膜材料；

步骤c：Pyrex玻璃采用光刻胶剥离工艺或刻蚀工艺制作图形化的光学反射薄膜，制备出第二光学微反射镜；

步骤d：将已加工的SOI与Pyrex玻璃进行硅-玻璃键合；

步骤e：去除SOI的衬底硅和中间氧化层，光刻、ICP刻蚀制作平面梳齿并释放结构，制备出微位移调节单元；

步骤f：在驱动器的硅膜上采用硬掩膜技术在反射镜区域蒸镀光学反射膜，制备出第一光学微反射镜；

步骤g：进行MEMS圆片的划片，得到物理上分离的单个MEMS光学微镜驱动器芯片；

步骤h：将MEMS光学微镜驱动器芯片与双光纤准直器进行光学封装。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤h中，双光纤准直器采用适当光斑的双光纤准直器，其准直透镜采用玻璃材料，采用光学微透镜加工工艺加工；

光纤采用单模光纤或多模光纤，双光纤准直器的双光纤头的光纤间距为0.125mm或其它特殊间距；

将MEMS光学微镜驱动器芯片通过胶粘结在TO管座上，并采用金属引线工艺将MEMS光学微镜驱动器芯片的电极与TO管座电极电连接；

合适尺寸的金属封装套管通过焊接技术与TO管座进行气密焊接，固定在TO管座上；

在光学微调架上调节双光纤准直器与MEMS光学微镜驱动器芯片的距离、绕光轴旋转准直器，并微调其光轴至耦合输出插入损耗最小；

将光纤准直器和封装金属套管之间进行焊接，推荐采用气密性焊接；利用密封胶将准直器与封装套管进一步密封，确保MEMS光学微镜驱动器芯片工作在气密环境中，免受外界空气湿度的影响。

本发明的有益效果在于：本发明提出的动态增益斜率均衡器采用MEMS工艺制作，工艺成熟、成品率高、低成本、可批量生产，具有插入损耗低、体积小、调谐速度快、光谱斜率均衡范围宽、驱动功率微小等优点，可以直接集成到EDFA中实现动态增益斜率均衡，同时还可以应用于解决传输光纤、光纤色散补偿模块、光纤SRS效应等造成的DWDM通道间信号功率不均衡问题，对智能光网络技术的发展具有重要实用价值，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为EDFA增益随波长的线性变化形成的增益倾斜示意图。

图2（a）至图2（e）为动态增益斜率均衡器的已有技术方案示意图。

图3为本发明MEMS动态增益斜率均衡器原理示意图。

图4（a）为本发明非对称MZI的光学原理图。

图4（b）为双光纤准直器出射高斯光斑与两微反射镜的空间位置关系图。

图4(c）为等效的变分束比、相位调谐的波导非对称MZI的示意图。

图5(a）至图5（c）为变分束比、相位调谐的非对称MZI的光谱滤波特性图。

图6(a）为本发明微位移MEMS驱动器芯片的结构示意图。

图6（b）为图6（a）的AA向剖视图。

图6（c）为图6（a）的BB向剖视图。

图7（a）至图7（f）为MEMS驱动器芯片主要工艺流程图。

图8为本发明动态增益斜率均衡器的光学封装结构示意图。

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。

实施例一

针对目前DGE和DGSE器件技术存在成本高、插入损耗大、驱动功耗高、体积大等不足，本发明提出了基于MEMS技术的动态增益斜率均衡器技术方案，采用MEMS两自由度微位移驱动器，实现光分束比、光相位可独立调谐的自由空间光学MZI，具有低插入损耗、大光谱斜率均衡范围、快速调谐、低驱动功耗、低成本、小体积的效果，能够与GFF一起直接集成到EDFA中，从而解决EDFA动态增益均衡问题。同时还可以应用于解决传输光纤、光纤色散补偿模块、光纤受激拉曼散射（SRS）效应等造成的DWDM通道间信号功率不均衡问题。

请参阅图3，本发明揭示的光纤放大器动态增益斜率均衡器包括MEMS光学微镜驱动器芯片10和双光纤准直器20。所述MEMS光学微镜驱动器芯片10和双光纤准直器20通过光学封装，构成微型MZI。所述微型MZI的输入光信号、输出光信号均为光纤，可以为单模或多模光纤。

所述MEMS光学微镜驱动器芯片10包括第一光学微反射镜12、第二光学微反射镜11、微位移调节单元；所述微位移调节单元用以控制第一光学微反射镜12或/和第二光学微反射镜11的水平方向或/和垂直方向的微位移运动，实现MZI分束比和干涉臂相位调谐，动态控制输入WDM光信号的光谱斜率。

具体地，所述微位移调节单元控制第一光学微反射镜12水平方向及垂直方向的微位移运动，同时第二光学微反射镜11静止；或者，所述微位移调节单元控制第一光学微反射镜12水平方向或/和垂直方向的微位移运动，同时控制第二光学微反射镜11水平方向或/和垂直方向的微位移运动。

本实施例中，如图3所示，MEMS光学微镜驱动器芯片包括一块动光学微镜（即第一光学微反射镜12）、一块静光学微镜（即第二光学微反射镜11），动、静光学微镜分别位于驱动器芯片的硅膜表面和衬底表面，形成自由空间光学结构、光路折叠的反射式微型MZI；MEMS可动微镜在电压驱动下可以实现水平和垂直方向两自由度微位移运动，与MEMS静止微镜相结合，实现MZI分束比调谐和干涉臂相位调谐。

所述第二光学微反射镜11固定在所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底上；所述第一光学微反射镜12为可动MEMS微镜，通过对称分布的弹性梁支撑机构悬挂在所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底上；所述弹性梁支撑机构包括第一方向支撑梁、第二方向支撑梁，第一方向支撑梁沿第一方向设置，第二方向支撑梁沿第二方向设置。

所述微位移调节单元包括静电梳齿驱动器、静电平板驱动器。所述静电梳齿驱动器位于硅框架的两侧，并通过一组硅弹性梁悬挂于所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底之上，并与所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底连接；所述静电梳齿驱动器用以控制第一光学微反射镜12水平方向上的微位移运动，实现MZI分束比调谐。所述静电平板驱动器包括第一电极板、第二电极板；第一电极板为低阻硅薄膜，其上镀制第一光学微反射镜12，第一电极板通过另一组硅弹性梁与硅框架相连，第二电极板为所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底上的金薄膜（同时作为第二光学微反射镜11的光反射膜），两电极板之间有一空气隙；所述静电平板驱动器用以控制第一光学微反射镜垂直方向上的微位移运动，实现MZI干涉臂相位调谐。本实施例中，所述第一电极板上镀制光学反射膜，形成所述第一光学微反射镜12。

所述微型Mach-Zehnder干涉仪MZI的两干涉臂的光分束比是动态调谐的，通过第一光学微反射镜12或/和第二光学微反射镜11的水平微位移运动，控制第一光学微反射镜12或/和第二光学微反射镜11对双光纤准直器光斑反射比例实现光分束比动态调谐。

所述微型MZI的两干涉臂不等长，构成非对称MZI，两干涉臂的初始光程差根据EDFA增益斜率均衡器的光谱特性（如工作增益光谱宽度）进行设定，通过控制MEMS可动光学微镜的垂直微位移运动对MZI两干涉臂的光程差在0-2π进行动态调谐。

变分束比、相位调谐非对称MZI实现光学原理如图4（a）至图4（c）所示，图4（a）是光学系统原理图，图4（b）表示双光纤准直器出射高斯光斑与MEMS驱动器芯片的第一光学微反射镜12、第二光学微反射镜11的空间位置关系；图4（c）是等效的变分束比、相位调谐的波导非对称MZI。其光谱滤波斜率调谐的光学原理是：输入的DWDM光信号经双光纤准直器准直扩束，其高斯光斑直径约150μm，高斯光斑照射到MEMS驱动器芯片的第一光学微反射镜12、第二光学微反射镜11上，第一光学微反射镜12为位于衬底上的固定微镜，第二光学微反射镜11是位于驱动器硅膜上的可移动微镜，第一光学微反射镜12、第二光学微反射镜11的高度位置相差h，约为几至几十μm。高斯光斑一部分（C₁）被第一光学微反射镜12反射，其余部分（C₂=1-C₁）被第二光学微反射镜11反射，两束反射光经准直透镜汇聚耦合到输出单模光纤产生光干涉，构成非对称MZI，其光程差约为2h。当第二光学微反射镜11在梳齿驱动器的驱动下水平运动（相对于MEMS芯片平面），改变非对称MZI的分束比C₁:C₂，第二光学微反射镜11在平板驱动器的垂直驱动（相对于MEMS芯片平面）下改变非对称MZI的光程差（即光相位）。因此，图4（a）的自由空间MZI光学上等效于图4（c）的波导MZI，通过分束比和相位的调谐，实现MZI光谱滤波斜率的调谐。

变分束比、非对称MZI的光谱滤波特性如图5所示，图5（a）表示初始光程差2h确定时在1530-1630nm范围的滤波曲线，其中1530-1570nm是EDFA的工作波长范围，改变分束比C₁:C₂时，滤波曲线的斜率发生相应的变化，图中1530-1570nm范围内光谱斜率为负值。图5（b）表示调节MZI两臂的相位差时，中心波长位置和滤波曲线发生移动，滤波曲线形状不变。图5（c）表示通过改变中心波长位置，将滤波曲线的上升沿移动到1530-1570nm范围，可以实现正光谱滤波斜率。从图中可以看出，当分束比接近0.5:0.5时，光谱滤波曲线弯曲较为严重，DGSE器件设计时需要优化光谱斜率可调范围、光谱滤波曲线的自由谱域（FSR）大小和中心波长位置等参数。

MEMS光学微镜驱动器芯片包含两块MEMS光学微反射镜，其中一块MEMS微镜固定在芯片衬底上，另一块微镜为可动MEMS微镜，通过对称分布弹性梁支撑结构，将可动MEMS微镜悬挂在芯片衬底上，一种实现双自由度MEMS光学微镜驱动器芯片结构如图6所示，采用其它的结构也可以实现该MEMS芯片的功能。在图6中，MEMS微镜的水平微位移运动采用静电梳齿驱动方式，实现MZI分束比调谐，梳齿驱动器位于硅框架的两侧，并通过一组对称分布的硅弹性梁悬挂于芯片衬底之上，并与芯片衬底连结。MEMS微镜的垂直微位移运动采用静电平板驱动方式，实现MZI干涉臂相位调谐，MEMS平行平板驱动器的一个电极板（其上镀制光学反射膜）通过另一组对称分布的弹性梁与硅框架相连，另一个电极板为芯片衬底，两电极板之间有一空气隙。

本发明还包括MEMS微镜驱动器芯片制造和动态增益斜率均衡器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范围。

本发明还揭示实施例一及实施例二所述光纤放大器动态增益斜率均衡器的制备工艺，包括MEMS微镜驱动器芯片制造步骤，以及动态增益斜率均衡器的光学封装步骤。具体步骤如下：

1）MEMS微镜驱动器芯片制造步骤

以单一MEMS微镜可动的MEMS微镜驱动器，即MEMS两自由度微位移驱动器芯片的实施过程来进行说明，其MEMS结构如图6所示，主要工艺流程如图7（a）至图7（f）所示。

MEMS微镜驱动器芯片的主要工艺为硅-玻璃键合和平动梳齿工艺，是MEMS体硅工艺中成熟的工艺技术。主要工艺流程如下：

（a）SOI器件硅层的双掩膜光刻，利用第一层掩膜进行ICP刻蚀，刻蚀深度约6μm；

（b）去除第一层掩膜材料，利用第二层掩膜进行ICP刻蚀，刻蚀深度约2.5μm，再清除第二层掩膜材料；

（c）Pyrex 7740玻璃采用光刻胶剥离工艺制作图形化的金反射薄膜；

（d）将已加工的SOI与7740玻璃进行硅-玻璃键合；

（e）去除SOI的衬底硅和中间氧化层，光刻、ICP刻蚀制作平面梳齿并释放结构；

（f）在驱动器的硅膜上采用硬掩膜技术在反射镜区域蒸镀Au反射膜。

（g）最后进行MEMS圆片的划片，得到物理上分离的单个MEMS微镜驱动器芯片。

2）动态增益斜率均衡器的光学封装步骤

动态增益斜率均衡器的光学封装的具体实施例采用标准TO封装结构，通过合适尺寸的金属封装套管801固定，如图8所示。

双光纤准直器采用定制的Ф150μm小光斑双光纤准直器，其准直透镜806采用折射率为1.7447的玻璃材料，焦距约为0.75mm，对应的C-Lens球面半径约为0.55mm，采用光学微透镜加工工艺加工。光纤采用标准单模光纤，双光纤头的间距为0.125mm。将MEMS微镜驱动器芯片（即MEMS芯片）10通过粘结胶802在TO管座805上，并采用金属引线工艺将MEMS芯片10的电极804与TO管座805电极电连接。合适尺寸的金属封装套管801通过平行缝焊技术与TO管座进行气密焊接，固定在TO管座805上。在光学微调架上调节双光纤准直器与MEMS芯片10的距离、绕光轴旋转准直器，并微调其光轴至耦合输出插入损耗最小。金属封装套管801的四周设计有焊接孔803，用于光纤准直器和封装套管之间金属焊接（如锡焊、激光焊接等），推荐采用气密性焊接。利用密封胶808将准直器807与封装套管进行密封，同时在焊接处也涂敷密封胶，确保MEMS芯片工作在气密环境中，免受外界空气湿度的影响。

实施例二

本实施例中，所述第一光学微反射镜、第二光学微反射镜均为可动MEMS微镜。

所述微位移调节单元包括静电梳齿驱动器、静电平板驱动器。

所述静电梳齿驱动器位于硅框架的两侧，并通过一组硅弹性梁悬挂于所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底之上，并与所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底连接；所述静电梳齿驱动器用以控制第一光学微反射镜水平方向上的微位移运动，实现MZI分束比调谐。

本实施例中，所述静电平板驱动器包括第一电极板、第二电极板；第一电极板位于第一光学微反射镜之下，其上镀制第二光学微反射镜，第一电极板通过另一组硅弹性梁与硅框架相连，第二电极板为所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底，两电极板之间有一空气隙；所述静电平板驱动器用以控制第二光学微反射镜垂直方向上的微位移运动，实现MZI干涉臂相位调谐。

本实施例的技术特点是：第一光学微反射镜、第二光学微反射镜均为单自由度运动，实现两光学微反射镜完全独立的运动控制，在MEMS芯片设计上工艺参数取值范围较宽，当然其芯片的结构、制造工艺流程也稍复杂些。

综上所述，本发明提出的动态增益斜率均衡器采用MEMS工艺制作，工艺成熟、成品率高、低成本、可批量生产，具有插入损耗低、光谱斜率均衡范围宽、体积小、调谐速度快、驱动功率微小等优点，可以直接集成到EDFA中实现动态增益斜率均衡，同时还可以应用于解决传输光纤、光纤色散补偿模块、光纤SRS效应等造成的DWDM通道间信号功率不均衡问题，对智能光网络技术的发展具有重要实用价值，具有广阔的市场前景。

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 (11)

1.一种光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于，所述均衡器包括MEMS光学微镜驱动器芯片和双光纤准直器；

所述MEMS光学微镜驱动器芯片和双光纤准直器通过光学封装，构成微型Mach-Zehnder干涉仪MZI；

所述MEMS光学微镜驱动器芯片包括第一光学微反射镜、第二光学微反射镜、微位移调节单元；

所述微位移调节单元用以控制第一光学微反射镜或/和第二光学微反射镜的水平方向或/和垂直方向的微位移运动，实现MZI分束比和干涉臂相位调谐，动态控制输入WDM光信号的光谱斜率；

所述微位移调节单元包括静电梳齿驱动器、静电平板驱动器；

所述静电梳齿驱动器位于硅框架的两侧，并通过一组硅弹性梁悬挂于所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底之上，并与所述MEMS光学微镜驱动器芯片衬底连接；所述静电梳齿驱动器用以控制第一光学微反射镜水平方向上的微位移运动，实现MZI分束比调谐；

所述静电平板驱动器包括第一电极板、第二电极板；第一电极板上设置第一光学微反射镜，第一电极板通过另一组硅弹性梁与硅框架相连，第二电极板为所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底，两电极板之间有一空气隙；所述静电平板驱动器用以控制第一光学微反射镜垂直方向上的微位移运动，实现MZI干涉臂相位调谐。

2.根据权利要求1所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述微位移调节单元控制第一光学微反射镜水平方向及垂直方向的微位移运动，同时第二光学微反射镜静止；或者，所述微位移调节单元控制第一光学微反射镜水平方向或/和垂直方向的微位移运动，同时控制第二光学微反射镜水平方向或/和垂直方向的微位移运动。

3.根据权利要求1所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述第二光学微反射镜固定在所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底上；

所述第一光学微反射镜为可动MEMS微镜，通过弹性梁支撑机构悬挂在所述MEMS光学微镜驱动器芯片的衬底上；所述弹性梁支撑机构包括第一方向支撑梁、第二方向支撑梁，第一方向支撑梁沿第一方向设置，第二方向支撑梁沿第二方向设置。

4.根据权利要求3所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述第一电极板上镀制光学反射膜，形成所述第一光学微反射镜；

所述第二电极板上镀制光学反射膜，形成所述第二光学微反射镜。

5.根据权利要求3所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述弹性梁支撑机构对称分布，抑制第一光学微反射镜的扭转运动模态。

6.根据权利要求3所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述第一光学微反射镜、第二光学微反射镜可以均为可动MEMS微镜，每块光学微反射镜沿水平方向或垂直方向单自由度平移运动，两块光学微反射镜的运动方向彼此垂直。

7.根据权利要求1所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述微型Mach-Zehnder干涉仪的光信号的输入、输出均为光纤，可以是单模或多模光纤。

8.根据权利要求1所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述微型Mach-Zehnder干涉仪的两干涉臂不等长，构成非对称Mach-Zehnder干涉仪，两干涉臂的初始光程差根据EDFA增益斜率均衡器的光谱特性进行设定，通过控制MEMS可动光学微镜的垂直微位移运动对两干涉臂的光程差在0-2π进行动态调谐。

9.根据权利要求1所述的光纤放大器动态增益斜率均衡器，其特征在于：

所述微型Mach-Zehnder干涉仪MZI的两干涉臂的光分束比是动态调谐的，通过第一光学微反射镜或/和第二光学微反射镜的水平微位移运动，控制第一光学微反射镜或/和第二光学微反射镜对双光纤准直器光斑反射比例实现光分束比动态调谐。

10.一种权利要求1至9之一所述光纤放大器动态增益斜率均衡器的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：

步骤a：进行绝缘体衬底硅SOI器件硅层的双掩膜光刻，利用第一层掩膜进行ICP刻蚀，刻蚀深度数微米至十几微米，去除第一层掩膜材料；

步骤b：利用第二层掩膜进行ICP刻蚀，刻蚀深度数微米至十几微米，再清除第二层掩膜材料；

步骤c：Pyrex玻璃采用光刻胶剥离工艺或刻蚀工艺制作图形化的光学反射薄膜，制备出第二光学微反射镜；

步骤d：将已加工的SOI与Pyrex玻璃进行硅-玻璃键合；

步骤e：去除SOI的衬底硅和中间氧化层，光刻、ICP刻蚀制作平面梳齿并释放结构，制备出微位移调节单元；

步骤f：在硅膜上采用硬掩膜技术在反射镜区域蒸镀光学反射膜，制备出第一光学微反射镜；

步骤g：进行MEMS圆片的划片，得到物理上分离的单个MEMS光学微镜驱动器芯片；

步骤h：将MEMS光学微镜驱动器芯片与双光纤准直器进行光学封装。

11.根据权利要求10所述的制备工艺，其特征在于：

所述步骤h中，双光纤准直器采用适当光斑的双光纤准直器，其准直透镜采用玻璃材料，采用光学微透镜加工工艺加工；

光纤采用单模光纤或多模光纤，双光纤准直器的双光纤头的光纤间距为0.125mm或大于0.125mm的设定间距；

将MEMS光学微镜驱动器芯片通过胶粘结在晶体管外形TO同轴管座上，并采用金属引线工艺将MEMS光学微镜驱动器芯片的电极与TO管座电极电连接；

合适尺寸的金属封装套管通过焊接技术与TO管座进行气密焊接，固定在TO管座上；

在光学微调架上调节双光纤准直器与MEMS光学微镜驱动器芯片的距离、绕光轴旋转准直器，并微调其光轴至耦合输出插入损耗最小；

将光纤准直器和封装金属套管之间进行焊接，推荐采用气密性焊接；

利用密封胶将准直器与封装套管进一步密封，确保MEMS光学微镜驱动器芯片工作在气密环境中，免受外界空气湿度的影响。