專利名稱：一種可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電驅(qū)動可變光衰減器，具體來說，涉及一種可自動穩(wěn)定擋板位 置的靜電驅(qū)動可變光衰減器。
背景技術(shù)：
可調(diào)變光衰減器(VOA)是光網(wǎng)絡(luò)中的一種重要的光纖無源器件，是組成光放大器 的關(guān)鍵部件，在光纖通信系統(tǒng)中起到功率平衡的關(guān)鍵作用。可調(diào)變光衰減器類型包括機(jī)械 型，波導(dǎo)型，液晶型，和微機(jī)械(MEMS)型等。其中波導(dǎo)型與液晶型可調(diào)變光衰減器尚不 成熟，機(jī)械式可調(diào)變光衰減器應(yīng)用最廣，但體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。MEMS型可調(diào)變光衰減器 性能可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，造價低廉，易于批量生產(chǎn)，具有廣泛的發(fā)展前景。目前的MEMS型 可調(diào)變光衰減器主要有擋板結(jié)構(gòu)和微鏡結(jié)構(gòu)。前者工藝設(shè)計較復(fù)雜，而后者則難在封裝。 通常的擋板型結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)材料本身選擇及加工過程等可能帶來機(jī)械結(jié)構(gòu)在恒定驅(qū)動力 下的位置漂移問題，從而造成輸出波動。因此MEMS可調(diào)變光衰減器仍是目前的研究熱點(diǎn)之O發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電 驅(qū)動可變光衰減器，該靜電驅(qū)動可變光衰減器可動態(tài)調(diào)節(jié)活動梳齒的驅(qū)動電壓，從而穩(wěn)定 擋板的輸出位置。
技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，該靜電驅(qū)動可變光衰減器包 括擋板、活動梳齒、兩側(cè)沿縱向彎折的彈簧、兩個第一錨區(qū)、固定梳齒電極、兩個活動梳齒電 極、光纖槽固定框、固定梳齒、兩個應(yīng)變電阻、兩個應(yīng)變電極、襯底和第二錨區(qū)；光纖槽固定 框、第一錨區(qū)、第二錨區(qū)和應(yīng)變電阻分別固定連接在襯底上，且應(yīng)變電阻和第一錨區(qū)之間設(shè) 有絕緣層；光纖槽固定框圍成光纖槽，擋板嵌在光纖槽中，擋板的一端固定連接在活動梳齒 的一側(cè)；每個第一錨區(qū)的頂面設(shè)有一個活動梳齒電極，每個應(yīng)變電阻的頂面設(shè)有一個應(yīng)變 電極；彈簧的兩側(cè)分別與一個應(yīng)變電阻連接，且彈簧的中部與活動梳齒固定連接；第二錨 區(qū)的一側(cè)設(shè)有固定梳齒，固定梳齒和活動梳齒交替布置，第二錨區(qū)的頂面設(shè)有一個固定梳 齒電極。
進(jìn)一步，所述的可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，還包括反饋驅(qū)動 電路，該反饋驅(qū)動電路包括電流源、電位器、第一電阻、第二電阻、輸出電阻、應(yīng)變電阻、放大 器和三極管，電流源和應(yīng)變電阻構(gòu)成電橋的一個邊，電位器和第一電阻構(gòu)成電橋的另一邊， 該電橋兩邊的輸出端接放大器，放大器輸出控制三極管導(dǎo)通狀態(tài)，三極管的基極與放大器 輸出端之間連接第二電阻，三極管的發(fā)射極接地，三極管的集電極和電源之間接輸出電阻， 輸出電阻的兩端接活動梳齒電極和固定梳齒電極。
有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(I)可動態(tài)調(diào)節(jié)活動梳齒的驅(qū)動電壓，從而穩(wěn)定擋板的輸出位置。本發(fā)明的靜電驅(qū) 動可變光衰減器中，設(shè)有應(yīng)變電阻、應(yīng)變電極和反饋驅(qū)動電路。反饋驅(qū)動電路可以將應(yīng)變電 阻的信號和驅(qū)動電壓聯(lián)系起來，構(gòu)成負(fù)反饋。如果驅(qū)動電壓發(fā)生變化時，將引起擋板位置的 變化，從而影響接受光信號強(qiáng)度。擋板位置發(fā)生變化，應(yīng)變電阻隨之發(fā)生變化。應(yīng)變電阻發(fā) 生變化，導(dǎo)致該電橋臂上的電壓相對另一邊發(fā)生變化，放大器根據(jù)輸入電壓的變化調(diào)節(jié)三 極管的導(dǎo)通狀態(tài)，改變驅(qū)動電壓，使擋板位置回復(fù)設(shè)定位置。即實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。應(yīng)變電阻通過 放大器調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，使驅(qū)動電壓保持穩(wěn)定。因此，調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓可以調(diào)節(jié)擋板位置，進(jìn)而 可調(diào)節(jié)接收光纖中的光強(qiáng)，達(dá)到可調(diào)節(jié)光衰減的目的，避免了溫度和電壓波動等因素對驅(qū) 動電壓的影響。
(2)可隨時輸出不同的光強(qiáng)度。在本發(fā)明中，如果需要輸出不同的光強(qiáng)度，可調(diào)節(jié) 反饋驅(qū)動電路中的電位器來實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)電位器，可以改變反饋驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動電壓。由 于驅(qū)動電壓的輸出端分別與固定梳齒電極和活動梳齒電極連接，所以可以改變加載在固定 梳齒和活動梳齒上的電壓，影響活動梳齒的移動幅度，進(jìn)而改變擋板的位置，實(shí)現(xiàn)不同光強(qiáng) 度的輸出。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的剖視圖。
圖3是本發(fā)明中反饋驅(qū)動電路的原理圖。
圖中有擋板1、活動梳齒2、彈簧3、第一錨區(qū)4、固定梳齒電極5、活動梳齒電極6、 光纖槽固定框7、固定梳齒8、應(yīng)變電阻9、應(yīng)變電極10、襯底11、第二錨區(qū)12、光纖槽13、電 流源Cl、電位器W、第一電阻R1、放大器A、第二電阻R2、三極管Q、輸出電阻Re。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
如圖1所示，本發(fā)明的一種可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，包括 擋板1、活動梳齒2、兩側(cè)沿縱向彎折的彈簧3、兩個第一錨區(qū)4、固定梳齒電極5、兩個活動梳 齒電極6、光纖槽固定框7、固定梳齒8、兩個應(yīng)變電阻9、兩個應(yīng)變電極10、襯底11和第二 錨區(qū)12。光纖槽固定框7、第一錨區(qū)4、第二錨區(qū)12和應(yīng)變電阻9分別固定連接在襯底11 上，且應(yīng)變電阻9和第一錨區(qū)4之間設(shè)有絕緣層。光纖槽固定框7圍成光纖槽13。擋板I 嵌在光纖槽13中。擋板I的一端固定連接在活動梳齒2的一側(cè)。每個第一錨區(qū)4的頂面 設(shè)有一個活動梳齒電極6。每個應(yīng)變電阻9的頂面設(shè)有一個應(yīng)變電極10。彈簧3的兩側(cè)分 別與一個應(yīng)變電阻9連接，且彈簧3的中部與活動梳齒2固定連接。第二錨區(qū)12的一側(cè)設(shè) 有固定梳齒8。固定梳齒8和活動梳齒2交替布置，第二錨區(qū)12的頂面設(shè)有一個固定梳齒 電極5。
進(jìn)一步，上述可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，還包括反饋驅(qū)動電 路，該反饋驅(qū)動電路包括電流源Cl、電位器W、第一電阻R1、第二電阻R2、輸出電阻Re、應(yīng)變 電阻9、放大器A和三極管Q,電流源Cl和應(yīng)變電阻9構(gòu)成電橋的一個邊，電位器W和第一 電阻Rl構(gòu)成電橋的另一邊，該電橋兩邊的輸出端接放大器A,放大器A輸出控制三極管Q導(dǎo)通狀態(tài)，三極管Q的基極與放大器A輸出端之間連接第二電阻R2，三極管Q的發(fā)射極接地， 三極管Q的集電極和電源之間接輸出電阻Re，輸出電阻Re的兩端接活動梳齒電極6和固 定梳齒電極5。輸出電阻Re用于提供靜電電壓。三極管Q采用NPN型三極管。應(yīng)變電阻9 可采用多晶硅材料制成。
進(jìn)一步，所述的擋板1、活動梳齒2、彈簧3、第一錨區(qū)4、光纖槽固定框7和第二錨 區(qū)12為同一種導(dǎo)電材料制成。這些部件由同一種導(dǎo)電材料制成，有利于簡化制作工藝，同 時保證各個部件的對準(zhǔn)精度。
進(jìn)一步，所述的固定梳齒電極5、活動梳齒電極6和應(yīng)變電極10為同一種金屬材料 制成。這些部件由同一種金屬材料制成有利于簡化制作工藝。
進(jìn)一步，所述的襯底11上設(shè)有凹槽，凹槽位于光纖槽13、擋板1、活動梳齒2和彈 簧3的下方。設(shè)置凹槽，是為了保證擋板I和活動梳齒2有移動空間，避免擋板I和活動梳 齒2直接與襯底11摩擦。
上述可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器在工作時，先將光纖安裝在光 纖槽13中，當(dāng)一根光纖發(fā)射光束時將受到放置在兩個光纖中間的擋板I的阻擋，另一根光 纖不能收到光信號。控制電路施加在靜電執(zhí)行器上的驅(qū)動電壓，則執(zhí)行器移動擋板1，使光 纖傳輸通道露出一定的空隙，一根光纖發(fā)出的光將有一部分照射到擋板上，另一部分穿過 擋板I移動留下的空隙傳輸?shù)搅硪桓饫w中。在固定梳齒電極5和活動梳齒電極6之間施 加驅(qū)動電壓，將移動擋板I位置，調(diào)節(jié)光線接受信號的強(qiáng)度。應(yīng)變電阻9的大小與擋板I的 位置有關(guān)，通過圖3的反饋驅(qū)動電路，可以將應(yīng)變電阻的信號和驅(qū)動電壓聯(lián)系起來，構(gòu)成負(fù) 反饋。如果驅(qū)動電壓由于某種原因發(fā)生變化時，將引起擋板I位置的變化，從而影響接受光 信號強(qiáng)度。擋板I位置發(fā)生變化，活動梳齒2和彈簧3也隨之反生變化，進(jìn)而與彈簧3連接 的應(yīng)變電阻9將跟著發(fā)生變化。應(yīng)變電阻9發(fā)生變化，導(dǎo)致該電橋臂上的電壓相對另一邊 發(fā)生變化，放大器A根據(jù)輸入電壓的變化調(diào)節(jié)三極管Q的導(dǎo)通狀態(tài)，改變驅(qū)動電壓Vo，使擋 板I位置回復(fù)設(shè)定位置。即實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。如需要輸出不同光強(qiáng)度，可調(diào)節(jié)電位器W來實(shí)現(xiàn)。 也就是說，應(yīng)變電阻9通過誤差放大電路A調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓No’使驅(qū)動電壓保持穩(wěn)定。因此， 調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓可以調(diào)節(jié)擋板I位置，進(jìn)而可調(diào)節(jié)接收光纖中的光強(qiáng)，達(dá)到可調(diào)節(jié)光衰減的 目的。靜電驅(qū)動器上集成的應(yīng)變計(應(yīng)變計是指應(yīng)變電阻和應(yīng)變電極)可檢測擋板I移動的 位置大小，該信號反饋到反饋驅(qū)動電路中，可動態(tài)調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，從而穩(wěn)定擋板I的輸出位 置。
上述可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器可采用半導(dǎo)體工藝結(jié)合鍵合 和深硅刻蝕加工實(shí)現(xiàn)，工藝可靠性高。該靜電驅(qū)動可變光衰減器制作過程包括
(I)選取(100)晶向高摻雜磷的單晶硅襯底和普通摻雜(100)晶向的氧化硅片；
(2)在氧化硅片上利用HF (氫氟酸)溶液和TMAH (四甲基氫氧化胺)溶液分別腐 蝕氧化硅和硅加工形成凹槽結(jié)構(gòu)；
(3)將腐蝕有凹槽的氧化硅片和高摻雜硅在鍵合機(jī)器中進(jìn)行熱鍵合，形成一體結(jié) 構(gòu)，然后采用化學(xué)機(jī)械拋光將高摻雜硅片減薄拋光至IOOum左右的厚度；
(4)熱氧化硅片保護(hù)高摻雜硅片表面，然后再低壓化學(xué)氣相淀積多晶硅薄膜，并采 用離子注入對多晶硅進(jìn)行摻雜以形成應(yīng)變電阻材料；
(5)光刻多晶娃以形成應(yīng)變電阻9 ；
(6)進(jìn)行金屬濺射和光刻以形成應(yīng)變電極10、固定梳齒電極5和活動梳齒電極6 ；
(7)進(jìn)行光刻和感應(yīng)耦合等離子刻蝕硅，深度IOOu μ m左右，以釋放活動梳齒2。該次加工完成后一次性將光纖槽固定框7、活動梳齒2、擋板1、固定梳齒8全部完成。
本發(fā)明中預(yù)先設(shè)置的光纖槽簡化了安裝過程。靜電驅(qū)動可變光衰減器帶有應(yīng)變電阻和應(yīng)變電極的靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可實(shí)時輸出擋板I位置信息，方便反饋驅(qū)動電路穩(wěn)定擋板的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)(即擋板)位置的自穩(wěn)定，避免了溫度和電壓波動等因素對驅(qū)動電壓的影響。整個靜電驅(qū)動可變光衰減器可批量制造，降低成本。
權(quán)利要求
1.一種可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，其特征在于，該靜電驅(qū)動可變光衰減器包括擋板(I)、活動梳齒(2)、兩側(cè)沿縱向彎折的彈簧(3)、兩個第一錨區(qū)(4)、固定梳齒電極(5 )、兩個活動梳齒電極(6 )、光纖槽固定框(7 )、固定梳齒(8 )、兩個應(yīng)變電阻(9 )、 兩個應(yīng)變電極(10)、襯底(11)和第二錨區(qū)(12)；光纖槽固定框(7)、第一錨區(qū)(4)、第二錨區(qū)(12)和應(yīng)變電阻(9)分別固定連接在襯底(11)上，且應(yīng)變電阻(9)和第一錨區(qū)(4)之間設(shè)有絕緣層；光纖槽固定框(7)圍成光纖槽 (13),擋板(I)嵌在光纖槽(13)中,擋板(I)的一端固定連接在活動梳齒(2)的一側(cè)；每個第一錨區(qū)(4)的頂面設(shè)有一個活動梳齒電極(6)，每個應(yīng)變電阻(9)的頂面設(shè)有一個應(yīng)變電極(10);彈簧(3)的兩側(cè)分別與一個應(yīng)變電阻(9)連接，且彈簧(3)的中部與活動梳齒(2) 固定連接；第二錨區(qū)(12 )的一側(cè)設(shè)有固定梳齒(8 )，固定梳齒(8 )和活動梳齒(2 )交替布置， 第二錨區(qū)(12)的頂面設(shè)有一個固定梳齒電極(5)。
2.按照權(quán)利要求1所述的可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，其特征在于，還包括反饋驅(qū)動電路，該反饋驅(qū)動電路包括電流源(Cl)、電位器(W)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、輸出電阻(Re)、應(yīng)變電阻(9)、放大器(A)和三極管(Q)，電流源(Cl)和應(yīng)變電阻(9)構(gòu)成電橋的一個邊，電位器(W)和第一電阻(Rl)構(gòu)成電橋的另一邊,該電橋兩邊的輸出端接放大器(A)，放大器(A)輸出控制三極管(Q)導(dǎo)通狀態(tài)，三極管(Q)的基極與放大器 (A)輸出端之間連接第二電阻(R2)，三極管(Q)的發(fā)射極接地，三極管(Q)的集電極和電源之間接輸出電阻(Re )，輸出電阻(Re )的兩端接活動梳齒電極(6 )和固定梳齒電極(5 )。
3.按照權(quán)利要求1所述的可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，其特征在于，所述的擋板(I)、活動梳齒(2)、彈簧(3)、第一錨區(qū)(4)、光纖槽固定框(7)和第二錨區(qū)(12)為同一種導(dǎo)電材料制成。
4.按照權(quán)利要求1所述的可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，其特征在于，所述的固定梳齒電極(5 )、活動梳齒電極(6 )和應(yīng)變電極(10 )為同一種金屬材料制成。
5.按照權(quán)利要求1所述的可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，其特征在于，所述的襯底(11)上設(shè)有凹槽，凹槽位于光纖槽(13)、擋板(I)、活動梳齒(2)和彈簧(3) 的下方。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可自動穩(wěn)定擋板位置的靜電驅(qū)動可變光衰減器，包括擋板、活動梳齒、彈簧、第一錨區(qū)、固定梳齒電極、活動梳齒電極、光纖槽固定框、固定梳齒、應(yīng)變電阻、應(yīng)變電極、襯底和第二錨區(qū)；光纖槽固定框圍成光纖槽，擋板嵌在光纖槽中，擋板的一端固定連接在活動梳齒的一側(cè)；每個第一錨區(qū)的頂面設(shè)有一個活動梳齒電極，每個應(yīng)變電阻的頂面設(shè)有一個應(yīng)變電極；彈簧的兩側(cè)分別與一個應(yīng)變電阻連接，且彈簧的中部與活動梳齒固定連接；第二錨區(qū)的一側(cè)設(shè)有固定梳齒，固定梳齒和活動梳齒交替布置，第二錨區(qū)的頂面設(shè)有一個固定梳齒電極。該靜電驅(qū)動可變光衰減器可動態(tài)調(diào)節(jié)活動梳齒的驅(qū)動電壓，從而穩(wěn)定擋板的輸出位置。
文檔編號G02B26/08GK102998745SQ201210508549
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者秦明, 匡蕾, 陳升齊 申請人:東南大學(xué)