專利名稱：微機電系統可調式光衰減器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種可調式光衰減器(Variable Optical Attenuator；VOA)，尤其涉及一種具有低反射損失(Return Loss)的微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems；MEMS)可調式光衰減器。
背景技術：
光衰減器是一種對光功率進行衰減的裝置，主要用于光纖系統中的靈敏度量測及平衡光路功率傳輸等場合。一般的光衰減器具有重量輕、體積小、精度高、穩定性好、使用方便等特點。目前，隨著半導體制程技術的成熟及微機電技術的進步，一微機電系統可調式光衰減器已被發展出來，如美國專利第6275320 B1號揭示一種微機電系統的可調式光衰減器，其主要原理是利用可調式光衰減器芯片內的致動器(actuator)作動使一遮光器(shutter)移動或傾斜不同的角度，遮擋光路以改變輸出光的能量大小。
圖1為一現有微機電系統可調式光衰減器10的上視圖。如圖1所示，位于一可動遮光器13兩側的兩光纖11及12分別位于一光纖定位裝置14中定位且互相對準而成一直線。就此而言，可動遮光器13通常會被設計成具有斜面，其目的在于將經由光纖11的端面15所射出的光波(未顯示)的反射部分減少，以降低反射回光纖11內部的光波。因為反射的光波會破壞光波在激光共振腔體內的相位共振效應，會減低激光的輸出功率及增加噪聲，影響系統整體的功能。因此，在一微機電系統可調式光衰減器的設計規格上，光纖內部的反射損失最好小于負50分貝(dB)。然而，以上述互相對準而成一直線配置的兩光纖11及12來說，由于光波由光纖11射出到空氣介質會產生一部分的反射光，因此，光波會在光纖端面15處產生反射。故而，僅依賴可動遮光器13的斜面設計實無法有效地將反射損失降低至負50分貝，而此一未達規格需求的反射損失分貝值將會影響產品性能。
另一方面，光纖的基本原理是利用光在光纖中不斷地形成內部全反射而讓光波傳輸很長的距離，且光在彼端的傳輸損耗達到最小。圖2為一示意圖，用以說明一光線進入一光纖的行進路線。如圖2所示，光纖1基本上是由核心層1b(core)與披覆層(cladding)1a介電材質所組成，其中核心層1b的折射率n1要比披覆層1a的折射率n2稍高，使一光線3在核心層1b內造成全反射。假設光線3在光纖中傳輸并產生內部全反射的臨界角為θc，其基本原理如下式(1)～(3)所示n1×sinθc＝n2×sin 90°＝n2(1)sinθc＝n2/n1(2)θc＝sin-1(n2/n1) (3)另外，數值孔徑(Numerical Aperture；NA)表示當光耦合入光纖時，可以在光纖核心層內造成全反射的最大外入射角。如圖2所示，假設光線3耦合入光纖1時的最大外入射角為θA，在核心層1b內的光線3與光纖的中心軸線2夾角為θB，若空氣折射率n0＝1，則n0×sinθA＝n1×sinθB＝n1×cosθc(4)sinθA＝n1×cosθc(5)NA=sinθA=n12-n22---(6)]]>就一實際應用的光纖而言，其核心層折射率n1約為1.5，而披覆層折射率n2約為1.485，兩者差距不大。當n2/n1＝0.99時，臨界角θc約為82度，最大外入射角θA約為12度，NA＝0.21，換言之，光線3與光纖的中心軸線2夾角θB大約為8度。因此，當一光線耦合入光纖時，其入射角必須小于12度，而光線在光纖中傳輸時，光線與光纖中心軸夾角將被限制在8度以內，才能產生內部全反射，否則光線將無法在光纖的核心層內傳輸。
因此，本發明意欲解決上述反射損失過大的問題，且同時能夠避免一光線的反射部分在光纖的核心層內傳輸。

發明內容
針對上述問題，本發明的一個目的是提供一種能夠降低反射損失及插入損失(Insertion Loss)的微機電系統可調式光衰減器。
本發明的另一目的是提供一種微機電系統可調式光衰減器的制造方法，可有效降低反射損失及插入損失，從而使此一可調式光衰減器符合光纖系統應用上的規格。
本發明的微機電系統可調式光衰減器，包含一可動遮光元件，用以衰減進入該可調式光衰減器的一光信號的能量；一第一光纖，于該可動遮光元件的一側呈橫向配置，其面對該可動遮光元件的一端具有一第一斜面；以及一第二光纖，于該可動遮光元件的另一側呈橫向配置，其面對該可動遮光元件的一端具有一第二斜面，該第二光纖與該第一光纖位于同一平面上，該第一斜面與該第二斜面平行相對而相距一第一距離，且該第二光纖的中心軸線相對于該第一光纖的中心軸線偏移一第二距離。
一實施方案中，該第二斜面的傾斜角度系相同于該第一斜面的傾斜角度，只要能減少該光信號在該第一光纖內的反射并降低插入損失即可。一實施例中，該第一斜角較佳為8度，可有效減少反射光線。
另一實施方案中，該第一斜面與該第二斜面的傾斜角度的間存在一角度差，且該角度差落于一特定范圍內，以減少該光信號在該第一光纖內的反射并降低插入損失。
需注意的是，于上述各實施方案中，該第一斜面的傾斜角度的設計使該光信號在該第一光纖的該第一斜面處的反射部分無法在該第一光纖內部產生全反射，以及該第二距離系決定于該第一距離與該第一斜面的傾斜角度。
因此，本發明的微機電系統可調式光衰減器的優點在于可有效地將反射損失降低至-50分貝以下，進而提高產品的性能。


圖1為一現有微機電系統可調式光衰減器的上視圖；圖2為一示意圖，用以說明一光線進入一光纖的行進路線；圖3為本發明一實施方案的微機電系統可調式光衰減器的上視圖；圖4為一示意圖，用以說明圖3中一光線在光纖斜端面處反射后的行進路線；及圖5為一示意圖，用以說明圖3中一光信號通過光纖斜端面后的行進路線。
圖號說明1a、111a～光纖披覆 1b、111b～光纖核心2～光纖中心軸線3～光線10、100～可調式光衰減器1、11、12、111、112～光纖13、113～可動遮光器14、114～光纖定位裝置15、115a、115b～端面 116、117～光波具體實施方式
以下將參照相關附圖，說明本發明的微機電系統可調式光衰減器。
圖3為本發明的一個實施方案的微機電系統可調式光衰減器的上視圖。如圖3所示，本發明的微機電系統可調式光衰減器100由兩光纖111、112及一可動遮光器113所組成，其中，兩光纖111及112系分別被置于一光纖定位裝置114中而定位。本發明的光纖定位裝置114可為一V字型微溝槽、一平面定位溝槽、一平面定位凸塊或由其它可定位光纖的做法所形成的裝置。
需注意的是，第一、兩光纖定位裝置114被制作成在同一平面上平行相對，分別橫向地位于可動遮光器113的兩側而使兩光纖111、112的端面115a、115b中心相隔一間距L；第二、兩光纖定位裝置114的間有一偏移量S；及第三、兩光纖111及112的面對可動遮光器113的兩端面115a及115b均被切成具有一斜面且傾斜角度為θ，且端面115a及115b彼此平行；及第四、如圖4所示，在光纖的端面被切成一斜面的情況下，一光波116在光纖的斜端面115a處所產生的反射光波116a，并無法符合光纖的傳輸模態，反射光波116a將無法在光纖111內部全反射。也就是說，光波116a將無法在光纖的核心層111b內傳輸，因此可有效地降低反射損失。就此而言，上述偏移量S系因應斜角θ的存在而設計，以下將詳細說明本發明的一微機電系統可調式光衰減器中偏移量S、間距L及斜角θ三者的關系。
如圖5所示，根據光的折射原理，在光纖111的端面115a具有一斜角θ的情況下，當光纖111內的一光波117行進至端面115a處時會偏折一角度α，因此，必須使平行于光纖111的光纖112的端面115b具有相同的斜角θ以及相對于光纖111產生一偏移量S，才能讓自端面115a穿透的光波117為光纖112所接收，換言之，偏移量S可隨著光纖111及112的斜角θ的大小而變化。下式(7)及(8)所列為光纖111核心層的折射率n1、端面115a的斜角θ、光波117的折射角α、空氣折射率n0、間距L及偏移量S的關系式n1×sinθ＝n0×sin(θ+α)(7)S＝L×tanα(8)因此，從式(7)及(8)可知，在光纖111核心層的折射率n1及空氣折射率n0已知的情況下，偏移量S實由間距L及斜角θ所決定。亦即，吾人可依據間距L及斜角θ來調整偏移量S。
在本發明的一個實施例中，光纖111及112的端面115a及115b被切成8度傾斜角的斜面，因此，在光纖111及112的核心層(玻璃材質)折射率n1為1.5及空氣折射率n0為1的條件下，依據式(7)及(8)可計算出光波117的折射角α幾近為4度。值得注意的是，當光纖的端面被切成大約為6～12度的斜角時，反射光波將很快地發散掉而降低反射損失。此一斜端面設計除了讓本實施例的微機電系統的可調式光衰減器符合光通訊應用的規格外，不僅提高了光纖內部的反射損失，也降低了插入損失。
綜上，本發明的各實施例已被詳細描述。然而，本領域普通技術人員應當了解的是，各實施例的描述在此僅為例示之用，亦即，在不脫離本發明實質精神及范圍之內，本發明意欲涵蓋上面所述的各項元件的變化例及修正例。因此，本發明的保護范圍由所附的權利要求所加以界定。
權利要求
1.一種微機電系統可調式光衰減器，其特征在于，包含一可動遮光元件，用以衰減一光信號的耦合能量；一第一光纖，于該可動遮光元件的一側呈橫向配置，其面對該可動遮光元件的一端具有一第一斜面；以及一第二光纖，于該可動遮光元件的另一側呈橫向配置，其面對該可動遮光元件的一端具有一第二斜面；其中，該第二光纖與該第一光纖位于同一平面上，該第一斜面與該第二斜面平行相對而相距一第一距離，且該第二光纖的中心軸線相對于該第一光纖的中心軸線偏移一第二距離。
2.如權利要求1所述的微機電系統可調式光衰減器，其特征在于該第一斜面與該第二斜面的傾斜角度系為相同，以減少該光信號在該第一光纖內的反射并降低插入損失。
3.如權利要求1所述的微機電系統可調式光衰減器，其特征在于該第一斜面與該第二斜面的傾斜角度的間存在一角度差，且該角度差落在一特定范圍內，以減少該光信號在該第一光纖內的反射并降低插入損失。
4.如權利要求2或3所述的微機電系統可調式光衰減器，其特征在于該第一斜面的傾斜角度的設計使該光信號在該第一光纖的該第一斜面處的反射部分無法在該第一光纖內部產生全反射。
5.如權利要求2或3所述的微機電系統可調式光衰減器，其特征在于該第二距離決定于該第一距離與該第一斜面的傾斜角度。
6.如權利要求1所述的微機電系統可調式光衰減器，其特征在于該第一光纖及該第二光纖分別位于一光纖定位裝置中。
7.一種微機電系統可調式光衰減器的制造方法，其特征在于，包含下列步驟將一第一光纖的一端面切成一第一斜面；將一第二光纖的一端面切成一第二斜面；將該第一光纖橫向配置于一可動遮光元件的一側，使該第一光纖的該端面面對該可動遮光元件；及于該可動遮光元件的另一側，相距該第一光纖的該端面一第一距離處將該第二光纖橫向配置，以使該第一光纖與該第二光纖位于同一平面上且該第一斜面與該第二斜面平行相對。
8.如權利要求7所述的微機電系統可調式光衰減器的制造方法，其特征在于該第二光纖的中心軸線相對于該第一光纖的中心軸線偏移一第二距離，且該第二距離決定于該第一距離與該第一斜面的傾斜角度。
9.如權利要求7所述的微機電系統可調式光衰減器的制造方法，其特征在于該第一斜面的傾斜角度的設計使一光波在該第一光纖的該第一斜面處的反射部分無法在該第一光纖內部產生全反射。
全文摘要
本發明公開了一種微機電系統可調式光衰減器及其制造方法，該可調式光衰減器包含一可動遮光元件，用以衰減進入該可調式光衰減器的一光信號的能量；一第一光纖，于該可動遮光元件的一側呈橫向配置，其面對該可動遮光元件的一端具有一第一斜面；以及一第二光纖，于該可動遮光元件的另一側呈橫向配置，其面對該可動遮光元件的一端具有一第二斜面，該第二光纖與該第一光纖位于同一平面上，該第一斜面與該第二斜面平行相對而相距一第一距離，且該第二光纖的中心軸線相對于該第一光纖的中心軸線偏移一第二距離。
文檔編號G02B26/02GK1508589SQ02156668
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月17日 優先權日2002年12月17日
發明者陳育川, 張炫熙 申請人:臺達電子工業股份有限公司