CN1250997C - 微机电系统可调式光衰减器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机电系统可调式光衰减器及其制造方法，该可调式光衰减器包含一可动遮光元件，用以衰减进入该可调式光衰减器的一光信号的能量；一第一光纤，于该可动遮光元件的一侧呈横向配置，其面对该可动遮光元件的一端具有一第一斜面；以及一第二光纤，于该可动遮光元件的另一侧呈横向配置，其面对该可动遮光元件的一端具有一第二斜面，该第二光纤与该第一光纤位于同一平面上，该第一斜面与该第二斜面平行相对而相距一第一距离，且该第二光纤的中心轴线相对于该第一光纤的中心轴线偏移一第二距离。

Description

微机电系统可调式光衰减器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种可调式光衰减器(Variable Optical Attenuator；VOA)，尤其涉及一种具有低反射损失(Return Loss)的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems；MEMS)可调式光衰减器。

背景技术

光衰减器是一种对光功率进行衰减的装置，主要用于光纤系统中的灵敏度量测及平衡光路功率传输等场合。一般的光衰减器具有重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便等特点。目前，随着半导体制程技术的成熟及微机电技术的进步，一微机电系统可调式光衰减器已被发展出来，如美国专利第6275320B1号揭示一种微机电系统的可调式光衰减器，其主要原理是利用可调式光衰减器芯片内的致动器(actuator)作动使一遮光器(shutter)移动或倾斜不同的角度，遮挡光路以改变输出光的能量大小。

图1为一现有微机电系统可调式光衰减器10的上视图。如图1所示，位于一可动遮光器13两侧的两光纤11及12分别位于一光纤定位装置14中定位且互相对准而成一直线。就此而言，可动遮光器13通常会被设计成具有斜面，其目的在于将经由光纤11的端面15所射出的光波(未显示)的反射部分减少，以降低反射回光纤11内部的光波。因为反射的光波会破坏光波在激光共振腔体内的相位共振效应，会减低激光的输出功率及增加噪声，影响系统整体的功能。因此，在一微机电系统可调式光衰减器的设计规格上，光纤内部的反射损失最好小于负50分贝(dB)。然而，以上述互相对准而成一直线配置的两光纤11及12来说，由于光波由光纤11射出到空气介质会产生一部分的反射光，因此，光波会在光纤端面15处产生反射。故而，仅依赖可动遮光器13的斜面设计实无法有效地将反射损失降低至负50分贝，而此一未达规格需求的反射损失分贝值将会影响产品性能。

另一方面，光纤的基本原理是利用光在光纤中不断地形成内部全反射而让光波传输很长的距离，且光在彼端的传输损耗达到最小。图2为一示意图，用以说明一光线进入一光纤的行进路线。如图2所示，光纤1基本上是由核心层1b(core)与披覆层(cladding)1a介电材质所组成，其中核心层1b的折射率n₁要比披覆层1a的折射率n₂稍高，使一光线3在核心层1b内造成全反射。假设光线3在光纤中传输并产生内部全反射的临界角为θ_c，其基本原理如下式(1)～(3)所示：

n₁×sinθ_c＝n₂×sin 90°＝n₂          (1)

sinθ_c＝n₂/n₁                          (2)

θ_c＝sin^-1(n₂/n₁)                     (3)

另外，数值孔径(Numerical Aperture；NA)表示当光耦合入光纤时，可以在光纤核心层内造成全反射的最大外入射角。如图2所示，假设光线3耦合入光纤1时的最大外入射角为θ_A，在核心层1b内的光线3与光纤的中心轴线2夹角为θ_B，若空气折射率n₀＝1，则

n₀×sinθ_A＝n₁×sinθ_B＝n₁×cosθ_c (4)

sinθ_A＝n₁×cosθ_c                     (5)

$\mathrm{NA}=\sin {\mathrm{\θ}}_A=\sqrt{n_1^2-n_2^2}---\left(6\right)$

就一实际应用的光纤而言，其核心层折射率n₁约为1.5，而披覆层折射率n₂约为1.485，两者差距不大。当n₂/n₁＝0.99时，临界角θ_c约为82度，最大外入射角θ_A约为12度，NA＝0.21，换言之，光线3与光纤的中心轴线2夹角θ_B大约为8度。因此，当一光线耦合入光纤时，其入射角必须小于12度，而光线在光纤中传输时，光线与光纤中心轴夹角将被限制在8度以内，才能产生内部全反射，否则光线将无法在光纤的核心层内传输。

因此，本发明意欲解决上述反射损失过大的问题，且同时能够避免一光线的反射部分在光纤的核心层内传输。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种能够降低反射损失及插入损失(Insertion Loss)的微机电系统可调式光衰减器。

本发明的另一目的是提供一种微机电系统可调式光衰减器的制造方法，可有效降低反射损失及插入损失，从而使此一可调式光衰减器符合光纤系统应用上的规格。

本发明的微机电系统可调式光衰减器，包含：一可动遮光元件，用以衰减进入该可调式光衰减器的一光信号的能量；一第一光纤，于该可动遮光元件的一侧呈横向配置，其面对该可动遮光元件的一端具有一第一斜面；以及一第二光纤，于该可动遮光元件的另一侧呈横向配置，其面对该可动遮光元件的一端具有一第二斜面，该第二光纤与该第一光纤位于同一平面上，该第一斜面与该第二斜面平行相对而相距一第一距离，且该第二光纤的中心轴线相对于该第一光纤的中心轴线偏移一第二距离。

一实施方案中，该第二斜面的倾斜角度系相同于该第一斜面的倾斜角度，只要能减少该光信号在该第一光纤内的反射并降低插入损失即可。一实施例中，该第一斜角较佳为8度，可有效减少反射光线。

另一实施方案中，该第一斜面与该第二斜面的倾斜角度的间存在一角度差，且该角度差落于一特定范围内，以减少该光信号在该第一光纤内的反射并降低插入损失。

需注意的是，于上述各实施方案中，该第一斜面的倾斜角度的设计使该光信号在该第一光纤的该第一斜面处的反射部分无法在该第一光纤内部产生全反射，以及该第二距离系决定于该第一距离与该第一斜面的倾斜角度。

因此，本发明的微机电系统可调式光衰减器的优点在于可有效地将反射损失降低至-50分贝以下，进而提高产品的性能。

附图说明

图1为一现有微机电系统可调式光衰减器的上视图；

图2为一示意图，用以说明一光线进入一光纤的行进路线；

图3为本发明一实施方案的微机电系统可调式光衰减器的上视图；

图4为一示意图，用以说明图3中一光线在光纤斜端面处反射后的行进路线；及

图5为一示意图，用以说明图3中一光信号通过光纤斜端面后的行进路线。

【图号说明】

1a、111a～光纤披覆         1b、111b～光纤核心

2～光纤中心轴线            3～光线

10、100～可调式光衰减器    1、11、12、111、112～光纤

13、113～可动遮光器        14、114～光纤定位装置

15、115a、115b～端面       116、117～光波

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明本发明的微机电系统可调式光衰减器。

图3为本发明的一个实施方案的微机电系统可调式光衰减器的上视图。如图3所示，本发明的微机电系统可调式光衰减器100由两光纤111、112及一可动遮光器113所组成，其中，两光纤111及112系分别被置于一光纤定位装置114中而定位。本发明的光纤定位装置114可为一V字型微沟槽、一平面定位沟槽、一平面定位凸块或由其它可定位光纤的做法所形成的装置。

需注意的是，第一、两光纤定位装置114被制作成在同一平面上平行相对，分别横向地位于可动遮光器113的两侧而使两光纤111、112的端面115a、115b中心相隔一间距L；第二、两光纤定位装置114的间有一偏移量S；及第三、两光纤111及112的面对可动遮光器113的两端面115a及115b均被切成具有一斜面且倾斜角度为θ，且端面115a及115b彼此平行；及第四、如图4所示，在光纤的端面被切成一斜面的情况下，一光波116在光纤的斜端面115a处所产生的反射光波116a，并无法符合光纤的传输模态，反射光波116a将无法在光纤111内部全反射。也就是说，光波116a将无法在光纤的核心层111b内传输，因此可有效地降低反射损失。就此而言，上述偏移量S系因应斜角θ的存在而设计，以下将详细说明本发明的一微机电系统可调式光衰减器中偏移量S、间距L及斜角θ三者的关系。

如图5所示，根据光的折射原理，在光纤111的端面115a具有一斜角θ的情况下，当光纤111内的一光波117行进至端面115a处时会偏折一角度α，因此，必须使平行于光纤111的光纤112的端面115b具有相同的斜角θ以及相对于光纤111产生一偏移量S，才能让自端面115a穿透的光波117为光纤112所接收，换言之，偏移量S可随着光纤111及112的斜角θ的大小而变化。下式(7)及(8)所列为光纤111核心层的折射率n₁、端面115a的斜角θ、光波117的折射角α、空气折射率n₀、间距L及偏移量S的关系式：

n₁×sinθ＝n₀×sin(θ+α)             (7)

S＝L×tanα                           (8)

因此，从式(7)及(8)可知，在光纤111核心层的折射率n₁及空气折射率n₀已知的情况下，偏移量S实由间距L及斜角θ所决定。亦即，吾人可依据间距L及斜角θ来调整偏移量S。

在本发明的一个实施例中，光纤111及112的端面115a及115b被切成8度倾斜角的斜面，因此，在光纤111及112的核心层(玻璃材质)折射率n₁为1.5及空气折射率n₀为1的条件下，依据式(7)及(8)可计算出光波117的折射角α几近为4度。值得注意的是，当光纤的端面被切成大约为6～12度的斜角时，反射光波将很快地发散掉而降低反射损失。此一斜端面设计除了让本实施例的微机电系统的可调式光衰减器符合光通讯应用的规格外，不仅提高了光纤内部的反射损失，也降低了插入损失。

综上，本发明的各实施例已被详细描述。然而，本领域普通技术人员应当了解的是，各实施例的描述在此仅为例示之用，亦即，在不脱离本发明实质精神及范围之内，本发明意欲涵盖上面所述的各项元件的变化例及修正例。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求所加以界定。

Claims (8)

1.一种微机电系统可调式光衰减器，其特征在于，包含：

一可动遮光元件，用以衰减一光信号的耦合能量；

一第一光纤，于该可动遮光元件的一侧呈横向配置，其面对该可动遮光元件的一端具有一第一斜面；以及

一第二光纤，于该可动遮光元件的另一侧呈横向配置，其面对该可动遮光元件的一端具有一第二斜面；

其中，该第二光纤与该第一光纤位于同一平面上，该第一斜面与该第二斜面平行而相距一第一距离L，该第一距离L是两斜面中心在光纤的中心轴线上的投影的距离，且该第二光纤的中心轴线相对于该第一光纤的中心轴线偏移一第二距离S；所述微机电系统可调式光衰减器满足下列公式：

n₁×sinθ＝n₀×sin(θ+α)

S＝L×tanα

式中，n₁是光纤核心层的折射率、θ是端面的斜角、n₀是空气折射率、α是光波的折射角。

2.如权利要求1所述的微机电系统可调式光衰减器，其特征在于：该第一斜面与该第二斜面的倾斜角度是相同的，以减少该光信号在该第一光纤内的反射并降低插入损失。

3.如权利要求2所述的微机电系统可调式光衰减器，其特征在于：该第一斜面的倾斜角度的设计使该光信号在该第一光纤的该第一斜面处的反射部分无法在该第一光纤内部产生全反射。

4.如权利要求2所述的微机电系统可调式光衰减器，其特征在于：该第二距离决定于该第一距离与该第一斜面的倾斜角度。

5.如权利要求1所述的微机电系统可调式光衰减器，其特征在于：该第一光纤及该第二光纤分别位于一光纤定位装置中。

6.一种微机电系统可调式光衰减器的制造方法，其特征在于，包含下列步骤：

将一第一光纤的一端面切成一第一斜面；

将一第二光纤的一端面切成一第二斜面；

将该第一光纤横向配置于一可动遮光元件的一侧，使该第一光纤的该端面面对该可动遮光元件；及

于该可动遮光元件的另一侧，相距该第一光纤的该端面一第一距离L处将该第二光纤横向配置，以使该第一光纤与该第二光纤位于同一平面上且该第一斜面与该第二斜面平行相对，其中该第一距离L是两斜面中心在光纤的中心轴线上的投影的距离；且该第二光纤的中心轴线相对于该第一光纤的中心轴线偏移一第二距离S；所述微机电系统可调式光衰减器满足下列公式：

n₁×sinθ＝n₀×sin(θ+α)

S＝L×tanα

式中，n₁是光纤核心层的折射率、θ是斜面的斜角、n₀是空气折射率、α是光波的折射角。

7.如权利要求6所述的微机电系统可调式光衰减器的制造方法，其特征在于：该第二距离决定于该第一距离与该第一斜面的倾斜角度。

8.如权利要求6所述的微机电系统可调式光衰减器的制造方法，其特征在于：该第一斜面的倾斜角度的设计使一光波在该第一光纤的该第一斜面处的反射部分无法在该第一光纤内部产生全反射。

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