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瞄准光监测的C-MEMS滤波器

上网日期: 2003年12月14日 ?? 作者: Mike Blake ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:Fabry-Perot? 滤波器? 光监测? 信噪比?

密集波分复用(DWDM)滤波器通过把通道间隔降低到50、25和12.5GHz,可以将频谱效率分别提高两倍、三倍甚至四倍。然而,迄今为止,这些性能方面的进步并没有使成本得到相应改善。

例如,一个25GHz收发器提供的通道数量是一个50GHz收发器的两倍,但它使每个通道的成本上升了10%到20%。通道平均费用的增加部分主要来自于需要测量更多、更密集通道的高级光监测技术。这类监测器必须具有比它们所测量的通道高得多的分辨率,而且随着起点分辨率从100GHz间隔通道的60皮米下降到12.5GHz间隔通道的10或15皮米,它们遇到的挑战越来越大。

光监测仪器的工作原理是先从光纤网络提取一定比例的信号功率,然后把它解复用成单独的波长,并测量每个通道的光功率、光谱精度和信噪比(SNR)。仪器的成本与其解复用器件的复杂度密切相关,这些解复用器件依赖于衍射光栅或者Fabry-Perot干涉仪。目前,大多数用于监测100GHz及更高频率通道的仪器混合采用了衍射光栅和光电探测器矩阵技术。但是随着通道数量的增加,这类设备就成了问题。它们很难解复用间隔更密的通道,因为大部分探测器矩阵的分辨率限制在512像素。此外,基于衍射光栅的设备对于每个被测通道都需要一个单独的光电探测器。这意味着需要数百个探测器。

有限的调整范围

另一种方法是采用Fabry-Perot干涉仪解复用信号,这只需要单个光电探测器就可以测量25GHz或更小间隔的多个通道,其分辨率带宽大约是2,500Hz。

不同的滤波器采用不同的调整方法。一种方法是采用在两个固定电极之间填充某种光电材料(如液晶)的谐振腔。向光电材料施加电压可以改变折射率,从而允许滤波器在一个波带内进行调整。不过,如果光电系数值较小,那么器件通常需要高电压,而且只能提供相对较小的调整范围。这还会导致设备体积庞大且笨重。一种更通用的方法是采用微机电系统(MEMS)技术来改变固定的与可移动的谐振镜之间的间距。谐振镜的间距决定了在给定波带内的一个峰值。向可移动谐振镜施加静电力可以改变间距,从而使滤波器能够在其自由的光谱范围内调整。例如,间距改变1微米就能够在100纳米或更大范围内调整出一个谐振峰值,这足以覆盖C和L波带中的信号。

谐振腔的结构和探测器的构造减少了Fabry-Perot滤波器的占位面积和成本,但这种简化方法面临与硅的高硬度有关的挑战。为了在适当电压下操作微镜,这种硬度要求弹簧铰链具有薄而轻巧的结构。这类设计使用一个共焦腔,其中一个镜是凹镜,目的是克服在保持各镜平行方面遇到的问题。然而,这样的设计将引起滤波器参数随波长而变的边缘模式,从而导致很难测量功率,尤其是在与信噪比一道测量时更加困难。图:C-MEMS型Fabry-Perot滤波器分为三芯片和四芯片结构。三芯片结构将两个芯片与一个基准镜片组合在一起构成一个基本的镜驱动单元,而图示的四芯片结构采用四个芯片产生了两个相同的镜驱动单元。

一种替代方法允许使用平面镜,它采用兼容的弹性材料以支持可移动镜,因此被命名为C-MEMS。这些材料的硬度比硅低六个数量级,所以能够沉积在更宽范围的层厚度中。与基于碳的弹性体不同,C-MEMS采用的材料主体是硅-氧-硅,因而具有极优的机械、化学和热稳定性。与硅基MEMS相比,基于弹性体的C-MEMS可以达到一定的机械弯曲度,其机械运动范围非常大。静电力足以驱动那些镜子,并使它们在设备的使用期限内保持平行,而不受环境振动、冲击或温度波动的影响。

平衡设计

C-MEMS型Fabry-Perot滤波器包含一颗微机电硅芯片组,它由三或四个独立的芯片组成。第一个芯片在其光活动区域的每一侧上都具有高反射率、抗反射的涂层。在光活动区域周围是一个大电极。弹性环是滤波器的一个柔性元件,它为静电力提供了无源平衡。第二个芯片集成了驱动电极,它们距离可移动镜片有几个微米。三芯片结构将这两个芯片与一个基准镜片组合在一起构成一个基本的镜驱动单元。另一种结构采用四个芯片以创建两个相同的镜驱动单元。

不论是哪种配置,C-MEMS需要一个低电压来驱使镜片沿着其法向光轴移动,并以至少10Hz的扫描率在C或 L波带内调整通道范围。更重要的是,它确保了高度的平行性和一致的滤波器形状,而且峰值波长的插入损耗低于2dB。

由于经过调节处理,C-MEMS型法布里-派洛可调滤波器的校准过程非常简单。它们只需要一个简单的曲线拟合模式,就可以达到皮米级的精度。在C波带调整范围内,这类滤波器的波长重合性证实是10皮米。

与由它们组成的光网络一样,光器件也面对各种不同的环境条件,而且必须在所有条件下提供一致和可预测的性能。最常见的环境因素是振动和温度变化。这些因素对安装在光路上的所有器件提出了重大的设计和封装挑战。

最普通的解决方案是无源隔离,但实践证明其不足以防止Fabry-Perot滤波器免受其它环境变化的干扰。一种更好的方法是为滤波器配置两个悬挂在相同驱动单元内的镜片。它利用共模相消原理使镜片对保持零相对差模运动,从而消除环境振动效应,使滤波器的峰值位置稳定在几个皮米之内。这种设计可以使C-MEMS型可调Fabry-Perot滤波器免受正常操作中遇到的振动影响。

C-MEMS型Fabry-Perot滤波器的一种高效设计可以使核心的可调整滤波器芯片组保持在恒温条件下。把器件加热到超过规定环境极限温度之上的某个温度就可以令滤波器芯片组的温度保持稳定。

封装的温度仍然会受环境变化的影响,如果没有适当隔离,机械热应力或拉伸力能导致波长漂移。解决方案是零应力或准零应力附属方法,它可以将扩散到光活动区域的热应力最小化。该方法使峰值波长对温度的敏感性降低到4皮米/摄氏度以下。

在温度变化率小于0.5摄氏度/分钟的情况下,如果将该器件设置成每隔30分钟重新优化一次,那么它将把波长漂移稳定在+/-30皮米以下。如果提高操作频率,重新优化有助于将波长漂移减小到不足10皮米。

作者:Mike Blake


总经理


Linda West


产品经理


NP Photonics公司






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