专利名称：串联结构波长信道选择器的制作方法
技术领域：
本发明属于光通讯器件技术领域，涉及一种对波长信道选择器结 构的设计的改进，具体地说是一种串联结构波长信道选择器。
背景技术：
波分复用技术已经在光通信领域得到了广泛的应用，光交叉连接(0XC)技术和可动态配置的光分插复用(R0ADM)技术都是在波分复用 基础上发展起来的关键技术。波长信道选择器作为应用上述关键技术 的主要基本器件，具有对不同波长信道进行转换的功能，获得了广泛 的关注。随着制作工艺的进一步成熟，微光机电系统逐渐开始应用在光通 信系统中，很多微光机电器件已经应用在光通信网络中。微机械光开 关是实现波长选择的关键器件，与传统的波导调制型同类器件相比， 微机械光开关具有耦合损耗小、串音干扰低、与工作的波长和偏振态 无关，以及不受通讯中所采用的数据格式的限制等优点。目前，常见的微机械波长信道选择器的结构采用并联方式完成不 同波长信道的选择，无论是否需要提取该波长的信道，这种工作方式 同时增加了所有信道的损耗，并且可扩展性差。本发明内容为解决传统并联结构波长信道选择器一次操作增加所有信道损 耗以及不利于扩展的问题，本发明设计出一种基于微机械系统的串联 结构波长信道选择器，目的是提供一种能够减小非使用信道损耗并根 据所应用系统方便进行信道縮减与扩展的串联结构波长信道选择器。 这种器件制作简单，可以广泛用于集成化波分复用系统中。本发明串联结构波长信道选择器如图3所示，由N个信道串联 构成，N大于2的自然数，图3只绘出4信道。本发明主要由三个基本的部分组成信号选择部分、结构支撑部分和外围接收部分。其 中，信号选择部分如图4所示，由可动悬臂阵列l，永磁体2，双面 反射棱镜3，窄带滤光片4组成；结构支撑部分由窄带滤光片定位模 块5，基片6， V型槽7，和阵列V型槽8组成；外围接收部分由入射 光纤准直器9，出射光纤准直器IO,信道光纤准直器ll组成。在器 件制作过程中，需要用到光纤准直器定位模块12，它的结构如图1 所示，截面可以是圆孔，也可以是正方形孔，最终制成的器件中并不 包含这部分，它只是在制作过程中起到辅助作用。信号选择部分中的双面反射棱镜3固定在可动悬臂阵列1可活动 的一端，永磁体2位于可动悬臂阵列1可活动的一端的下方，与双面 反射棱镜3相对。窄带滤光片4正对双面反射棱镜3两反射面，使从 双面反射棱镜3的一个反射面反射出的光通过窄带滤光片4，经过窄 带滤光片4的光在双面反射棱镜3的另一个反射面射出。可动悬臂阵 列l、双面反射棱镜3和窄带滤光片4数目相同，分别有N个，排 成相同的阵列，与信道光纤准直器11形成N个串联信道。支撑部分的窄带滤光片定位模块5、 V型槽7和阵列V型槽8固 定在基片6上，其中阵列V型槽8在基片6的一端，窄带滤光片定位 模块5位于V型槽7和阵列V型槽8两者之间。V型槽7位于基片6 上，两侧的V型槽7分别用V型槽7-l、 V型槽7-2在附图中标出。外围接收部分的入射光纤准直器9安装在支撑部分的V型槽7-1 的槽内，出射光纤准直器IO安装在V型槽7-2的槽内。N个信道光 纤准直器11分别安装在阵列V型槽8的N个槽内。信号选择部分的可动悬臂阵列1固定在支撑部分的基片6上，与 阵列V型槽8相对的一端，永磁体2置于基片6上表面的凹坑里，窄 带滤光片4位于窄带滤光片定位模块5的通光孔处。本发明串联结构波长信道选择器的每个信道工作方式完全相同，在这里我们用器件最左侧的第一信道为例说明。它的信号选择部分由可动悬臂阵列1中位于最左侧的第一个可动悬臂、双面反射棱镜3-1 和窄带滤光片4组成，结构如图4所示，其中光信号13不属于器件 的一部分。可动悬臂有"闭合"和"断开"两种工作状态，它的可动 端的内部有微结构的铜线圈。当铜线圈中通过某一特定方向的电流 时，电流产生的电磁场与永磁体2的电磁场相互吸引，可动悬臂自由 端即可动端紧贴基片表面，处于"闭合"状态，双面反射棱镜3-1处 于光路中，实现信号选择功能；当铜线圈中通过相反方向的电流时， 电流产生的电磁场与永磁体2的电磁场相互排斥，可动悬臂自由端与 基片6表面分离，处于"断开"状态，双面反射棱镜3-1在光路以外， 所有光信号不经过任何处理继续向下一个信道传输。图4a中的可动 悬臂处于"闭合"状态，从左侧入射的光信号13传输到双面反射棱 镜3-l的第一个反射面，被反射到对应的窄带滤光片4上，某一特定 波长光信号13通过窄带滤光片4，其它波长光信号13被窄带滤光片 4反射回到双面反射棱镜3-1的第二个反射面，经过反射之后继续传 向后续的信道。图4b可动悬臂处于"断开"状态光信号13不被双 面反射棱镜3-1反射，直接传向后续的信道。当光信号13到达下一 个信道时，工作方式与上述过程完全一致。本发明的波长信道选择器制作步骤如下(A) 基片处理对基片进行清洁处理，在基片上表面刻蚀出其 它器件结构摆放位置的标记，并在永磁体2摆放的位置制 作凹坑。(B) 制作光纤准直器定位模块在两块完全相同的长方体上制 作半圆形槽，或截面为二分之一正方形的槽，图la以半圆 形槽为例显示，然后把两个槽对扣，形成一个圆形或正方 形通光孔。精确调整位置之后，把它们粘合在一起如图lb 所示。(C) 制作窄带滤光片定位模块5:在一块长方体上按照设计的信道间距尺寸等间隔地打N个孔，如图2所示。(D) 固定基片左右两侧光纤准直器把光纤准直器定位模块按 照基片上表面刻蚀好的位置标记临时固定，把入射和出射 光纤准直器分别放置在V型槽7-1、 V型槽7-2里，然后分 别置于光纤准直器定位模块两侧的通光孔处，调整它们的 位置，当出射光纤准直器接收的信号达到最大值时，把V 型槽7-1和V型槽7-2分别固定在基片上表面。然后去掉 光纤准直器定位模块。(E) 固定永磁体分别把N个永磁体固定在基片上表面的凹坑 内。(F) 固定可动悬臂阵列把可动悬臂阵列按照基片上表面刻蚀 好的位置标记固定在基片上，使它们自由端内部的铜线圈 置于永磁体的正上方，固定端与基片粘接在一起。(G) 固定窄带滤光片定位模块把窄带滤光片定位模块置于基片上表面，按照基片上刻蚀的摆放标记对准，调整好位置 后与基片固定。(H) 固定双面反射棱镜把边长分别与窄带滤光片定位模块两长边相同的长方形铝膜反射镜放在窄带滤光片定位模块 处，铝反射面面向可动悬臂阵列，并位于窄带滤光片定位 模块的远离可动悬臂阵列一面与窄带滤光片定位模块的通 光孔紧密接触并临时固定。将一个双面反射棱镜置于可动 悬臂阵列左侧第一个可动悬臂自由端上表面，具体位置如图3所示。精确调节双面反射棱镜位置，使经过它和铝膜反射镜反射之后的光信号能够被右侧的出射光纤准直器最 大限度的接收。当信号接收效果调整到最佳时，把双面反 射棱镜固定在可动悬臂的自由端上表面。其它双面反射棱 镜的固定方法完全相同，固定顺序按照从两边到中间的顺 序。(I) 固定窄带滤光片当所有双面反射棱镜都固定好之后，去 掉铝膜反射镜，把窄带滤光片分别置于窄带滤光片定位模块的通光孔处，精确调整他们的位置，由入射和出射光纤 准直器分别发出和接收光信号，当出射光纤准直器接收的 信号达到最大值时，固定窄带滤光片。(J)固定V型槽阵列和信道光纤准直器把V型槽阵列按照基 片上表面刻蚀的标记放置，具体位置如图3所示。将光纤准直器分别放置在各个v型槽中，使他们分别对准相应的窄带滤光片。分别精确调整他们的位置，当接收的信号达到最佳时，固定v型槽阵列和光纤准直器。
图1是光纤准直器定位模块12的结构示意图，它由两个半圆形 槽对扣在一起组成，其中图la为分解图，图lb为整体图。图2是窄带滤光片定位模块5的结构示意图，它的任意两个相邻 平面严格垂直。图中，14为通光孔。图3是本发明的结构示意图，其中图3a为自然状态下结构，图 3b为分解图。图中，l为可动悬臂阵列，2为永磁体，3双面反射棱 镜，其中3-l、 3-2、 3-3和3-4为线性排列的四个相同的双面反射棱 镜，4为窄带滤光片，5为窄带滤光片定位模块，6为基片，7-1、 7-2 为V型槽，8为阵列V型槽，9为入射光纤准直器，IO为出射光纤准 直器，ll信道光纤准直器，其中11-1、 l卜2、 U-3禾卩ll-4为顺序 排列的四个相同信道光纤准直器。图4为本发明单独一个信道的工作过程图。图4a表示该信道处 于"闭合"状态，图4b表示该信道处于"断开"状态。图中13为器 件中传输的光信号，不属于本发明器件的一部分。
具体实施方式
本发明的信号选择部分和外围接收部分都固定在结构支撑部分 上，具体位置如下永磁体2位于基片6上表面的凹坑里；可动悬臂 阵列l、窄带滤光片定位模块5、 V型槽7-1、 7-2和阵列V型槽8都 固定在基片6上表面；窄带滤光片4位于窄带滤光片定位模块5的通 光孔处;N个双面反射棱镜3分别位于可动悬臂阵列1自由端上表面，并与之固定；入射光纤准直器9和出射光纤准直器10分别固定在V 型槽7-1和7-2中，N个信道光纤准直器11分别固定在阵列V型槽8 的各个槽中。图3给出了本发明的一个具体实施例，由四个信道构成的串联结 构波长信道选择器。如图3所示，它由可动悬臂阵列l，永磁体2， 双面反射棱镜3-1、 3-2、 3-3和3-4，窄带滤光片4，窄带滤光片定 位模块5，基片6， V型槽7-l和7-2，阵列V型槽8，入射光纤准直 器9，出射光纤准直器10和信道光纤准直器11-1、 11-2、 11-3和11-4 组成。永磁体2位于基片6上表面的凹坑里，位于可动悬臂阵列1自 由端的正下方；可动悬臂阵列l，窄带滤光片定位模块5， V型槽7-l 和7-2以及阵列V型槽8都固定在基片1上表面，它们的下表面与基 片上表面相接触并粘合；窄带滤光片4固定在窄带滤光片定位模块5 的各个通光孔处；双面反射棱镜3-l、 3-2、 3-3和3-4分别位于可动 悬臂阵列l自由端上表面，并与之粘合；入射光纤准直器9和出射光 纤准直器10分别固定在V型槽7-1和7-2中，信号光纤准直器11-1、 11-2、 11-3和11-4固定在阵列V型槽8中。在自然状态时，基片6 上表面与可动悬臂阵列l自由端的下表面严密接触。以下详细说明本发明的制作过程。(A) 清洗和光刻蚀基片本发明所用的基片6采用单面抛光的 单晶硅片，上表面为抛光面，清洁处理的步骤为1)以甲 苯、丙酮、乙醇等去除油污等有机物；2)用王水煮沸去除 金属离子；3)用去离子水超声清洗，无水乙醇脱水后烘干。 溅射500nm 二氧化硅薄膜，光刻并腐蚀二氧化硅，在基片 上表面刻蚀出其它元件摆放位置，为下面步骤中光路的对 准提供参考。使用机械加工的方法在基片上表面做好的标 记位置制作等间距的凹坑，这些凹坑用来摆放永磁体。(B) 制作光纤准直器定位模块采用两块完全相同的长方体， 可以是硅晶体、玻璃或者金属，通过对表面的打磨使任意 相邻表面严格垂直。用干法刻蚀或者机械加工方法分别在 它们的相同平面上制作一条平行于该面长边的截面为半圆形或二分之一正方形的槽。然后把两个槽紧密对扣，形成 一个圆柱型或长方体型通光孔。精确调整位置之后，把它 们粘合在一起。该模块的长度由本发明信道的个数来确定， 通光孔的截面尺寸由光路中光信号的光斑大小决定。(C) 制作窄带滤光片定位模块选择一块任意相邻表面垂直的 长方体，可以是硅晶体、玻璃或者金属。在两个长边所形 成的两个表面中的一个涂覆光刻胶，防止该面反光。用机 械加工或者干法刻蚀方法垂直于该表面等间隔打孔。打孔 之后重新打磨含有小孔的两个表面。孔的数量、位置和具 体间隔根据光路的位置和光斑的直径来确定。(D) 固定基片左右两端光纤准直器把光纤准直器定位模块按 照已经在基片上表面做出的位置标记临时固定，把两个光 纤准直器分别固定在两个V型槽里，然后分别置于光纤准直器定位模块两侧的通光孔处，使光纤准直器对准通光孔， 光信号从左侧的光纤准直器入射，穿过通光孔被右侧的光 纤准直器接收。使用五维调节架精确调整它们的位置，当 两个光纤准直器之间的信号插损达到最小值时，把两个v 型槽分别粘合在基片上表面。然后去掉光纤准直器定位模 块。两个光纤准直器端面之间的距离有信道数量决定。(E) 固定永磁体把永磁体分别放置在对应的凹坑中并粘合固 定。永磁体的上表面要略低于基片上表面。(F) 固定可动悬臂阵列把可动悬臂阵列平行放置在基片上表 面，使他们自由端内部的铜线圈置于永磁体的正上方，悬 臂方向与两个光纤准直器间的光路方向垂直，具体位置如 图3所示。当调整好位置之后，把可动悬臂阵列的固定端 下表面与基片上表面粘合。当处在自然状态时，整个可动 悬臂阵列下表面与基片上表面接触。(G) 固定窄带滤光片定位模块把窄带滤光片定位模块置于基 片上表面，每个通光孔的中心线都对准一个可动悬臂的中间线，并且平行于基片上表面。按照基片上表面刻蚀的摆 放标记对准，在显微镜下调整好位置后与基片粘合。通光 孔距离基片上表面的高度与光路距离基片上表面的高度相 同(H) 固定双面反射棱镜把一个铝膜平面反射镜放在窄带滤光 片定位模块处，铝反射面与窄带滤光片定位模块的通光孔 所在的面紧密接触并临时固定，该面为远离双面反射棱镜 的面。铝膜反射镜的面积能够完全覆盖所有通光孔。将一 个双面反射棱镜置于可动悬臂阵列左侧第一个可动悬臂自 由端上表面，具体位置如图3所示。使用五维调节架精确 调节双面反射棱镜位置，使光信号首先到达双面反射棱镜 的第一个反射面，然后反射光信号穿过通光孔到达铝膜反 射镜，再次反射之后到达双面反射棱镜的第二个反射面， 最后反射光线被右侧光纤准直器最大限度的接收。当信号 接收效果调整到最佳时，把双面反射棱镜下表面粘合在可 动悬臂的自由端上表面。其它双面反射棱镜的固定方法完 全相同，按照从两边到中间的顺序进行。(I) 固定窄带滤光片当所有双面反射棱镜都固定好之后，去 掉铝膜反射镜，把窄带滤光片分别置于窄带滤光片定位模 块的通光孔处，使它们的反射面与上一个步骤铝膜反射镜 的反射面所在的平面重合。使用五维调节架精确调整他们 的位置，当两个光纤准直器之间的插损最小时，把窄带滤 光片的侧壁与通光孔所在的平面粘合。(J)固定V型槽阵列和其余的光纤准直器按照步骤(A)中做 好的标记，把V型槽阵列固定基片上表面，具体位置如图 3所示。将光纤准直器分别放置在各个V型槽中，使它们 分别对准一个窄带滤光片，并接收通过窄带滤光片的光信 号。使用五位调节架精确调节光纤准直器的位置，当接收的信号达到最佳效果时，把光纤准直器粘合在v型槽中。1权利要求
1. 一种串联结构波长信道选择器，其特征是由N个信道串联构成，N大于2的自然数，包括信号选择部分、结构支撑部分和外围接收部分；信号选择部分由可动悬臂阵列(1)，永磁体(2)，N个双面反射棱镜(3)，N片窄带滤光片(4)组成；结构支撑部分由窄带滤光片定位模块(5)，基片(6)，V型槽(7)，和具有N个阵列V型槽(8)组成；外围接收部分由入射光纤准直器(9)，出射光纤准直器(10)，N个信道光纤准直器(11)组成。
2、 根据权利要求l所述的串联结构波长信道选择器，其特征是 所述的信号选择部分中的双面反射棱镜(3)固定在可动悬臂阵列(1)可活动的一端，永磁体(2)位于可动悬臂阵列(1)可活动 的一端的下方，与双面反射棱镜(3)相对；窄带滤光片(4)正对双 面反射棱镜(3)两反射面，使从双面反射棱镜(3)的一个反射面反 射出的光通过窄带滤光片(4)，同时经过窄带滤光片(4)的光在双 面反射棱镜(3)的另一个反射面射出；可动悬臂阵列(1)、双面反 射棱镜(3)和光通过窄带滤光片(4)数目相同，排成相同的阵列， 与信道光纤准直器(11)形成N个串联信道；所述的支撑部分的窄带滤光片定位模块(5)、 V型槽(7)和阵 列V型槽(8)固定在基片(6)上，其中阵列V型槽(8)在基片(6) 的一端，窄带滤光片定位模块(5)位于V型槽(7)和阵列V型槽(8) 两者之间；两个V型槽(7-1)和V型槽(7-1)分别位于基片(6) 的两侧；所述的外围接收部分的入射光纤准直器(9)安装在支撑部分的 V型槽(7-1)的槽内，出射光纤准直器(10)安装在V型槽(7-2) 的槽内；N个信道光纤准直器(11)分别安装在阵列V型槽(8)的 N个槽内；
3、 根据权利要求2所述的串联结构波长信道选择器，其特征是 信号选择部分的可动悬臂阵列(1)固定在支撑部分的基片(6)上， 与阵列V型槽(8)相对的一端，永磁体(2)置于基片(6)上表面 的凹坑里，窄带滤光片(4)位于窄带滤光片定位模块(5)的通光孔 处。
4、 根据权利要求3所述的串联结构波长信道选择器，其特征是 可动悬臂有"闭合"和"断开"两种工作状态，可动端的内部有微结 构的铜线圈；当铜线圈中通过某一特定方向的电流时，电流产生的电 磁场与永磁体(2)的电磁场相互吸引，可动悬臂自由即可动端紧贴 基片(6)表面，处于"闭合"状态，双面反射棱镜(3)处于光路中， 实现信号选择功能；当铜线圈中通过相反方向的电流时，电流产生的 电磁场与永磁体(2)的电磁场相互排斥，可动悬臂自由端与基片(6) 表面分离，处于"断开"状态，双面反射棱镜(3)在光路以外，所 有光信号不经过任何处理继续向下一个信道传输。
5、 根据权利要求4所述的串联结构波长信道选择器，其特征是 可动悬臂处于"闭合"状态，从左侧入射的光信号(13)传输到双面 反射棱镜(3)的第一个反射面，被反射到对应的窄带滤光片(4)上， 某一特定波长光信号(13)通过窄带滤光片4，其它波长光信号(13) 被窄带滤光片(4)反射回到双面反射棱镜(3)的第二个反射面，经 过反射之后继续传向后续的信道；可动悬臂处于"断开"状态光信 号(13)不被双面反射棱镜(3)反射，直接传向后续的信道。
6、 根据权利要求5所述的串联结构波长信道选择器，其特征是 可动悬臂阵列(1)有四个可动悬臂，四个双面反射棱镜(3)，窄带 滤光片(4)有四块滤光片，四个信道光纤准直器，阵列V型槽(8) 上有四个V型槽。
全文摘要
本发明属于光通讯器件技术领域，是一种串联结构波长信道选择器。由N个信道串联构成，N是大于2的自然数。本发明主要由三个基本的部分组成信号选择部分、结构支撑部分和外围接收部分。其中，信号选择部分由可动悬臂阵列1，永磁体2，双面反射棱镜3，窄带滤光片4组成；结构支撑部分由窄带滤光片定位模块5，基片6，V型槽7，和阵列V型槽8组成；外围接收部分由入射光纤准直器9，出射光纤准直器10，信道光纤准直器11组成。本发明制作简单，可以广泛用于集成化波分复用系统中。
文档编号G02B6/293GK101261343SQ20071019351
公开日2008年9月10日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者孙德贵, 李小奇, 梁中翥, 梁静秋, 马文生 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所