维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第１期 光通信研究 ２００７ （总第１３９期） ＳＴＵＤＹ ＯＮ Ｏｐ－ＴＩＣＡＬ Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ （Ｓｕｍ．Ｎｏ．．１３９） 一种新型ＭＥＭＳ滤波器在ＥＤＦＡ中的应用 余春平 。，王英 （１．华中科技大学光电子工程系，湖北武汉４３００７４；２．武汉光迅科技股份有限公司，湖北武汉４３００７４） 摘要：文章提出了一种基于微电子机械系统（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－・Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）的新型可调谐光滤波器（ＯＴＦ），分析 了其基本原理和结构，研究了其光学特性，并制作出了ＯＴＦ成品。得到的ＯＴＦ成品体积只有５１ ｍｍ×１６ ｍｍ×１０ ｍｍ，３ ｄＢ 带宽约为０．３ ｎｍ，具有体积小、控制简单和光学性能优良等特点。最后，研究了这种ＭＥＭＳ ＯＴＦ用于ＥＤＦＡ前置放大器时 的特性。 关键词：微电子机械系统；可调谐光滤波器；掺铒光纤放大器 中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—８７８８（２００７）０１—００６４—０３ Ａ ｎｏｖｅｌ ＭＥＭＳ ＯＴＦ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ＥＤＦＡ Ｙｕ Ｃｈｕｎｐｉｎｇ ￣ ，Ｗａｎｇ Ｙｉｎｇ （１．Ｄｅｐｔ．ｏｆ ０ｐｔｏｅ１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇ．，ＨＵＳＴ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ａｃｃｅｌｉｎｋ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．．Ｗｕｈａｎ ４３００７４．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ａ ｎｏｖｅｌ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＮＳ）——ｂａｓｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ（ＯＴＦ）ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｔｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｎｄ ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ＯＴＦ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｃｏｍｐａｃｔ ｓｉｚｅ（５ １ ｍｍ×１ ６ ｍｍ Ｘ １０ ｒａｍ），ｅａｓｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ（３ ｄＢ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ａｐｐｒｏｘｉ— ｍａｔｅｌｙ ０．３ ｎｍ）．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ＥＤＦＡ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ：ＯＴＦ；ＥＤＦＡ １ 概 述 器件的微型化和大批量生产的要求，使光通信进人 了一个新的发展时代。以ＭＥＭＳ为基础制造出来 可调谐光滤波器（ＯＴＦ）是一种波长（或频率） 的光器件和系统，与光信号的格式、波长、协议、调制 选择器件，它的功能是从许多不同频率的输人光信 方式、偏振作用和传输方向等无关，在进行光处理过 号中选择出一个特定频率的光信号＿１］。目前应用比 程中不需要经过光／电或电／光转换，因此，ＭＥＭＳ 较多的可调谐滤波器主要有声光可调谐滤波器 特别适合在光通信中应用，是未来实现全光网络的 （ＡＴＯＦ）、光纤布喇格光栅（ＦＢＧ）、法布里一珀罗 关键技术之一＿３］。 （Ｆ—Ｐ）腔干涉仪和阵列波导光栅（ＡＷＧ）等。它们主 要的波长调谐手段是改变光栅通道长度、机械应力、 ２ ＭＥＭＳ ＯＴＦ原理与光学特性 声光效应、电光效应、热光效应和电压控制等 ］。随 ２．１ ＭＥＭＳ ＯＴＦ原理 着微电子机械系统（ＭＥＭＳ）技术的成熟和发展，近 基于ＭＥＭＳ的Ｆ－一Ｐ腔标准具基本结构如图１ 几年出现了一种新型的基于ＭＥＭＳ的光可调滤波 所示＿４］。作为垂直腔结构，它的上反射镜是；Ｖ４光 器。 学厚度的可移动弹性膜，既作为可移动反射镜，又作 ＭＥＭＳ是随着半导体集成电路微细加工技术 为弹性层，它采用氮化硅、二氧化硅和多晶硅等材料 和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，通过 制成。下反射镜镀有多层增反膜。上反射镜的金属 将元器件微型化、集成化来探索具有新功能的元件 膜电极采用延展性和导电性较好的金材料。下电极 和系统。ＭＥＭＳ的主要特点是：微型化；以硅为主 采用掺杂硅基底从而省略了电极的镀制。这样选择 要材料，机械电器性能优良；批量生产，更经济；集成 既保证了稳定的机械性能，又具有良好的光学特性。 化，可靠性、稳定性高和方便扩展等。 弹性膜四角各有一个悬臂梁与基底相连，４个悬臂 近些年，ＭＥＭＳ与光器件融合为一体的新型光 梁把弹性膜悬吊在基底上方，形成Ｆ－Ｐ腔。通过调 器件已开始在光通信系统中得到应用，这些新型 节上下电极的驱动电压，可以拉动支臂从而改变上 ＭＥＭＳ光器件的出现正好满足了光通信系统对光 反射镜与下反射镜的距离，即改变Ｆ－一Ｐ腔的长度。 收稿日期：２００６—０９—０４ 作者简介：余春平（１９７８一），男，湖北安陆人，学士，研究方向为ＥＤＦＡ和光通信系统。 ６４ 维普资讯 http://www.cqvip.com 余春平等： 一种新型ＭＥＭＳ滤波器在ＥＤＦＡ中的应用 …弹性膜一 Ｌ ＿— ！ —— ＿ ！ 下电 Ｆ－Ｐ腔 （ａ）俯视图 （ｂ）侧视图 图１ ＭＥＭＳ Ｆ—Ｐ腔标准具基本结构 一束光进入ＭＥＭＳ Ｆ—Ｐ腔标准具后，将进行多 次反射和折射。根据对各光束的振幅和相位差的分 析，将各反射和透射光束的复振幅叠加求和，可求出 反射光和透射光的光强比［５］。ＭＥＭＳ Ｆ—Ｐ腔标准 具透射光强比公式如下： 丁㈤＝ ｏｌｇ［ ］， （１） 式中，Ｔ为光的透过率（波长为 ），Ｒ为反射率， 为 相位角。对于某一特定波长光和特定Ｆ—Ｐ腔，Ｒ为定 值，则透过率丁由 决定： ＝——— ——一，２ｎｎｄ （Ｖ）一——一， （２）‘Ｚ） 式（２）中，ｎ为折射率；ｄ为Ｆ－Ｐ腔的腔长，它与电压 Ｖ相关。因此，我们只需要通过控制加在ＭＥＭＳ上 的电压来调节Ｆ—Ｐ腔的腔长，就可以选择Ｆ－Ｐ腔的 透射波长，从而改变滤波器的滤波特性。 ２．２ ＭＥＭＳ ＯＴＦ基本特性 ＭＥＭＳ ＯＴＦ光路结构如图２所示，它由 ＭＥＭＳ Ｆ－Ｐ腔标准具及光学准直器件组成。 ＭＥＭＳ Ｆ．Ｐ腔 图２ ＭＥＭＳ ＯＴＦ光路结构图 使用图３所示的测试系统，我们测量了ＭＥＭＳ ＯＴＦ的关键光学特性。 图３ ＭＥＭＳ ＯＴＦ测试框图 实验所得光谱图如图４所示，测试数据如表１ 所示。 表１ ＭＥＭＳ ＯＴＦ光学特性 图４ ＭＥＭＳ ＯＴＦ光谱图 ３ ＭＥＭＳ ＯＴＦ在ＥＤＦＡ中的应用 掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）的使用，可以大幅度 提高无中继光通信系统的传输距离。但随着光通信 线路距离的增加，光纤的损耗也会累加。当光纤损 耗增加到一定程度时，会使误码率增加，影响通信质 量。使用ＥＤＦＡ前置放大器可以提高接收机灵敏 度，保证通信质量，而不必对光纤通信线路作其他改 动。ＥＤＦＡ前置放大器应该具有低的噪声指数 （ＮＦ），一定的增益（Ｇａｉｎ）及合适的滤波器带宽，以 提高接收机的灵敏度。 前置光放大器的结构如图５所示，它包括光放 大模块（ＯＡ）、０ＴＦ、信号波长锁定电路和输出信号 光功率自动控制电路。ＯＡ提供一定的信号增益， 一般应对噪声指数进行优化。ＯＴＦ抑制信号带外 ＡＳＥ功率进入接收机，以提高信噪比。信号波长锁 定电路将滤波器中心波长锁定在信号峰上。输出信 号光功率自动控制电路的功能是调节放大器的增 益，使得进入接收机的光功率维持在一定的范围 内，防止光功率过大而造成接收机光电探测器损坏。 ｌ瞢自 动羹控 制茎电奏卜路Ｉ ———一 信号波长锁定电路 ——一 图５ 前置光放大器结构框图 整个设计将控制部分划分为ＯＴＦ控制和ＥＤ— ＦＡ控制两部分（如图５虚线框所示）。其中，ＯＴＦ 控制部分通过对ＥＤＦＡ输出光谱波长的扫描及筛 选，实现对信号波长的锁定；ＥＤＦＡ控制部分通过调 节泵浦功率大小实现对前置放大器输出功率的控 ６５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 光通信研究 ２００７年第１期总第１３９期 制。理论上，ＯＴＦ控制单元和ＥＤＦＡ控制单元都 时的特性进行对比，前置放大器的噪声指数等指标并未达到 可以工作，但在实际设计中，这两个控制部分一 最优化，因此测得的灵敏度指标并非最终指标。（２）灵敏度 般需要通过数据总线进行部分关键数据的交互，以 数值为误码仪无误码时图６中Ａ点最小光功率值。 便于工作的协调和稳定。 误 —目前比较成熟的商用ＯＴＦ多为基于步进电机 区 蔓 ｊ 码 光 的机械式ＯＴＦ。这种基于步进电机的ＯＴＦ具有带 仪 放 宽较窄（３ ｄＢ带宽＞Ｏ．３５ ｎｍ）、稳定状态下功耗小 区 卜 套 …ＯＴＦ一； 等优点，但是也存在一些明显的不足： 图６ 灵敏度测试流程图 （１）步进电机的响应速度相对较慢，因此ＯＴＦ 扫描较宽波长范围时耗时也较长； ４ 结束语 （２）可调谐带宽较窄（一般为２０￣３０ ｎｍ）； 从实验结果可以看出，ＭＥＭＳ ＯＴＦ的光学性 （３）控制电路比较复杂，且由于步进电机的启 能良好，配合ＥＤＦＡ前置放大器使用可显著提高系 动瞬时电流较大，对电路要求较高； 统灵敏度。而与传统的基于步进电机的ＯＴＦ相 （４）基于步进电机的ＯＴＦ一般体积较大 比，ＭＥＭＳ ＯＴＦ的光学特性更加优良，而且扫描带 （８０ ｍｍＸ４６ ｍｍＸ２４ ｒａｍ），不利于系统集成。 宽可达４４ ｎｍ以上，同时在控制方法和体积上也具 如果使用基于ＭＥＭＳ的ＯＴＦ，则可以克服这 有优势，因此，在对系统集成度要求越来越高的光通 些不足。我们制作的基于ＭＥＭＳ的ＯＴＦ产品体 信系统中，ＭＥＭＳ ＯＴＦ必将具有良好的应用前景。 积只有５１ ｍｍＸ１６ ｍｍＸ１０ ｍｍ左右，通过电压控 制进行滤波器的波长调节，控制电路也很简单。 参考文献： 实验中，我们对比了不使用ＯＴＦ和分别使用 ［１］ 张明．肖石林．可调谐技术：智能光网络技术的关键 基于步进电机的ＯＴＦ和使用ＭＥＭＳ ＯＴＦ时，ＥＤ— ［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／ｗｗｗ．ｏｅｅ．ｎｅｔ．ｃｎ／ｖｉｅｗＮｅｗｓ．ａｓｐ？ ＦＡ前置放大器的灵敏度。测试流程见图６，测试结 ｉｄ＝１４４８，２００６—０３—２０． 果如表２所示。 ［２］李琦，刘兰香．一种新型ＲＯＡＤＭ设备的光转发器设 表２灵敏度的测试结果 计与实现［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／３３ｔｔ．ｃｏｍ／ａｒｔｉｃｌｅ／２００５— １１／７５８．ｈｔｍ，２００５－１１－１６． ［３］ 胡军武．微电子机械系统（ＭＥＭＳ）在光通信中的应用 及其研究动态［Ｊ］．电信科学，１９９９，（１０）：３６—３８． ［４］欧毅，孙雨南，崔芳，等．硅微机械Ｆ－Ｐ腔可变衰减 器光学特性分析［Ｊ］．光学技术，２００２，２８（３）：２１０－ ２１３． 使用ＭＥＭｓ的０ＴＦ —３４．５ ［５］原荣．光通信技术讲座一（四）光滤波器和波分解复用器 —２９．５ 注：（１）本实验的目的是为了对不同ＯＴＦ用于ＥＤＦＡ ［Ｊ］．光通信技术，２００３，２７（４）：５０—５４． （上接第４５页） ４ 结束语 管理和维护。 实验证明：采用本文所设计的光路和电路结构， 参考文献： 实现了ＰＯＮ系统中光功率的测试要求，即实现了３ ［１］Ｇｅｒｄ Ｋｅｉｓｅｒ（著），李玉权（译）．光纤通信［Ｍ］．北京 种波长光功率同时测试、在线测试和１ ３１０ ｎｍ上行 电子工业出版社，２００２．１０２—１０８． 信号突发光功率的正确测试，能制作出性能优良的 ［２］原荣．宽带光接人［Ｍ］．北京；电子工业出版社，２００３ ＰＯＮ系统测试用光功率计，方便ＰＯＮ系统的安装、 １２Ｏ一１３ｌＩ ６６
