CN102135643A - 一种压控可调光衰减器 - Google Patents

Abstract

一种压控可调谐光衰减器以具有圆柱状或其他形状通孔的精密套管(1)为主体，套管位于左连接器管脚(2)和右连接器管脚(12)之间，形成具有“左匹配液体室+鼓状压控液体透镜+右匹配液体室”的结构。上述左右连接器管脚之间的空隙内设置柱状透镜腔(7)并在此腔横截面上设置透明弹性膜(4)以构成“鼓”状液体透镜腔，用于存储液体透镜材料；透镜腔通过压力控制孔(13)与外置液体主压力调节控制装置(5)相通，左、右匹配液体室也有开孔(15)与相应的储液容器(16)相通以便匹配液能自由流动，外置液体压力调节控制装置控制液体透镜的形状以实现透镜焦距的调节，从而控制从输入光纤(9)耦合到输出光纤(10)的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。

Description

一种压控可调光衰减器

技术领域

本发明发明涉及一种新颖的可调光衰减器结构及其工作原理，属于光通信、光电传感和光信息处理器件的技术领域。

背景技术

可调光衰减器是光通信系统中的重要无源器件之一，它广泛应用于密集波分复用(DWDM)各信道的光功率均衡和调整经光纤放大器放大后的光信号等。也可用于模拟光纤长距离传输、传输系统的动态检测等。近年来利用微机械技术制造的微光机电系统可调光衰减器具有体积小、重量轻、能耗小等优点，开辟了光衰减器设计及生产的新方法。一般的可调光衰减器不能实现衰减量精确调节并锁定在特定值，而且通常为衰减片与步进电机联合型，通过微型步进电机控制连续渐变衰减片旋转或平移来达到数字化可调光衰减量。但该类设计受限于步进电机成本高，体积较大，难以集成于日益缩小的光通讯模块中；而且其核心部件之一的连续渐变衰减片，镀膜工艺要求高，目前国内尚不能生产。

而变焦液体透镜可以改变光学系统的光通量和视场性能，具有良好的操控性和适应性，作为取代传统透镜可应用于光学开关和光互连、静态数码相机等系统。现有的研究和应用集中于透镜变焦成像技术，比较典型的如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜，这些透镜的变焦是利用电润湿效应通过改变液体的界面曲率进而调节焦距。这种技术采用了流动的液体作为变焦的透镜组件，相对目前的机械变焦方式将有很多的优势之处。但现有的研究和应用集中于透镜变焦成像技术，对于应用于光通信领域的连接器件涉及很少。但该技术需要较高的电压控制，而且电润湿效应装置需要复杂的镀膜工艺，国内很难加工成功。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种新颖的可调光衰减器结构，将液体变焦透镜技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的压控调的光衰减器件，由于未使用电机等复杂器件，不需要复杂的镀膜技术使得制作成本、生产工艺大大降低， 具有重要的技术价值和经济价值，将会在光通信和光信息处理领域得到广泛的应用。解决光衰减器的可控调问题。

技术方案：本发明的压控可调光衰减器以精密套管为主体，套管位于左连接器管脚和右连接器管脚之间，并分别与左连接器管脚和右连接器管脚连接，形成具有“左匹配液体室+鼓状压控液体透镜+右匹配液体室”的结构；输入光纤从外部穿过左连接器管脚与左匹配液体室连接，输出光纤从外部穿过右连接器管脚与右匹配液体室连接；在精密套管中的空腔内设置柱状透镜腔并在此空腔横截面上设置透明弹性膜以构成“鼓”状液体透镜腔，用于存储液体透镜材料；透镜腔通过压力控制孔与外置液体主压力调节控制装置相通，左、右匹配液体室也有开孔与相应的左、右储液容器相通以便匹配液能自由流动，外置液体压力调节控制装置控制液体透镜的形状以实现透镜焦距的调节，从而控制从输入光纤耦合到输出光纤的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。

在所述的左、右匹配液体室内填充折射率匹配液以减少光能的其他反射损耗。

所述的左、右匹配液体室内填充密度匹配液以抵消重力影响。

所述的左、右储液容器的压力可调，由此影响液体透镜左右曲面的曲率半径，可用来耦合不同的光纤类型或其他用途。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本专利将液体变焦透镜技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的可调谐的光衰减器件，具有重要的技术价值。本发明设计的光衰减器件具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点。

创新之处在于：

1)将液体变焦透镜应用于光连接器件之中，实现了光衰减器的可控调谐。这种新颖的光衰减器将会在光通信领域和光信息处理领域中得到广泛的应用。

附图说明

图1是可调谐光衰减器结构示意图。图中有：精密套管1、左连接器管脚2、液体透镜材料3、透明弹性膜4、压力调节控制装置5、紧固环6、柱状透镜腔7、吸收层8、输入光纤9、输出光纤10、粘胶11、右连接器管脚12、液体压力控制调节孔13、左、右匹配液体室14、匹配液室开孔15、匹配液储液容器16。

图2是可调谐光衰减器主体芯片结构示意图。图中有：定位栓17。

具体实施方式

本发明的基于液压效应的可调光衰减器以具有圆柱状通孔的精密套管为主体，套管位于左连接器管脚和右连接器管脚之间。左连接器管脚和右连接器管脚与圆柱状或其他形状通孔之间的空隙设置柱状透镜腔，并在此腔横截面上设置透明弹性膜以构成“鼓”状液体透镜腔用于存储液体透镜材料；透镜腔内放置易流动的透明液体；“鼓”状液体透镜腔与左/右连接器管脚之间的其余空隙内填充匹配液并有开孔与相应的储液容器相通以便左右匹配液室的液体能自由地增加或减少；透镜腔设有压力控制孔与外置液体压力调节控制装置相通，外置液体压力调节控制装置通过挤压或抽取动作控制液体透镜的形状以实现透镜焦距的调节，在左/右管脚上设有输入/输出光纤并以粘胶固定。所述的透明弹性膜设有增透膜以减少光强的其他损失。套管内侧设置有吸收层以吸收杂散光及其它未被耦合入输出光纤的光。

当外置液体压力调节控制装置通过压力控制孔往透镜腔内挤压增加液体时，液体透镜形成凸透镜形状以保证输入输出光强的良好耦合。通过抽取动作同时借助弹性膜弹力使该凸透镜形状变扁，焦距增大直至无穷，继续抽取液体可使透镜形状变为凹透镜，焦距变为负值，实现透镜焦距的调节，进而实现光纤耦合光强的调控，达到光的衰减控制目的。由于压控装置可以通过电控方式实现，此装置也可视为电控可调谐光衰减器。将左右匹配液室的储液容器设置为压力可调装置可调整液体透镜左右曲面的曲率半径。

如图1：该衰减器以精密套管1为主体，套管位于左连接器管脚2和右连接器管脚12之间，并分别与左连接器管脚2和右连接器管脚12连接，形成具有“左匹配液体室+鼓状压控液体透镜+右匹配液体室”的结构；输入光纤9从外部穿过左连接器管脚2与左匹配液体室连接，输出光纤10从外部穿过右连接器管脚12与右匹配液体室连接；在精密套管1中的空腔内设置柱状透镜腔7并在此空腔横截面上设置透明弹性膜4以构成“鼓”状液体透镜腔，用于存储液体透镜材料；透镜腔通过压力控制孔13与外置液体主压力调节控制装置5相通，左、右匹配液体室14也有开孔15与相应的左、右储液容器16相通以便匹配液能自由流动，外置液体压力调节控制装置控制液体透镜的形状以实现透镜焦距的调节，从而控制从输入光纤9耦合到输出光纤10的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。

在所述的左、右匹配液体室14内填充折射率匹配液以减少光能的其他反射损耗。所述的左、右匹配液体室内填充密度匹配液以抵消重力影响。所述的左、右储液容器的压力可调，由此影响液体透镜左右曲面的曲率半径，可用来耦合不同的光纤类型或其他用途。主压力调节控制装置5上设置刻度指示光的衰减量。

具体实施例1：

精密套管1制备采用硅橡胶。这是由于硅橡胶易于挤压成型，能通过模具注塑加工方法实现大规模生产，其硬度易于控制；套管的侧面中间位置预留一个注液小孔13同时充当液体压力控制调节孔。在上述小孔的两侧合适位置设置左右匹配液室开孔。主体芯片的形成：左、右连接器管脚采用塑料或橡胶精密铸造而成，中心预留圆柱状孔；孔的大小和输入光纤9、输出光纤10外径相匹配。透镜腔的形成：如图3所示，先用金属或其他硬质材料按液体透镜要求制作柱状透镜腔7，使用紧固环6在透镜腔柱7的侧面蒙上用PDMS材料制作的透镜弹性膜4，形成“鼓”状结构。为了消除重力影响，膜的厚度和硬度可恰当选择厚一些和硬一些，也可选择匹配液为密度与透镜介质一致的透明介质。透镜腔侧壁的恰当位置设有与注液小孔13相通的小孔，为使液体灌注/排出方便同时也可以在透镜腔侧壁的另一合适位置设置排气/液孔。左右匹配液室外置的储液容器可以使用自动活塞装置或软性材料制作使匹配液能良好地在匹配液室内外流动。液体透镜材料3在低温使用时可能会有冰冻问题。可以用高浓度的盐溶液来降低冰点。为了保持盐水的低密度和折射率，采用低原子量的盐氯化锂，高浓度的氯化锂导致冰点低于-40℃。也可使用透明油来充当液体透镜材料，因为油的折射率一般较高，例如苯基甲基硅氧烷，它具有高折射率和良好的透光率。为了减少不必要的光强损失，液体也可材料折射率匹配液体使其折射率与透光膜或光纤纤芯尽可能接近。

组装时，将“鼓”状透镜腔灌注满液体。将之放置于如图2所示的主体芯片内，通过定位栓17将液体透镜与主体芯片组合在一起。液体透镜通过压力调节孔与外置的压力调节控制装置5相通，压力调节控制装置5向“鼓”状液体透镜装置充/放液体来控制透镜的形状实现透镜焦距的控制。通过透镜的焦点在光纤端面前后移动来调节光纤的耦合光强从而实现光的衰减的控制。其控制液体体积与输出光强的关系由设计方案计算求得或通过实验测得，而后在外置的压力调节控制装置5上直接显示光功率的衰减比值。为实现液体透镜的左右曲面曲率半径灵活可调，可将储存匹配液的容器设置为压力可调装置。上述所有的压力可调装置均可通过电控实现，故本发明也可视为电控可调光衰减器。

具体实施例2：

精密套管制备采用金属铜铜柱精密机械加工成管套并抛光而成，铜套管壁预留三小孔供液体注入排出。连接器管脚采用硅橡胶铸模而成，中空为光纤预留位置，由于硅橡胶的柔韧性使得光纤的拆入与拔出更方便。为了便于“鼓”状透镜腔 的放入主体芯片内，加工时可将金属精密套管先从侧面剖开，最后再合拢用扎带固定。透镜液体材料可以采用室温离子液体，因为室温离子液体是一种重要的绿色新型“软”材料，具有许多优点，如非挥发性，高热稳定性，低熔点，良好的导电与导热性，良好的透光性与折射率等，而且品种非常多，可供选择的余地很大。当输入/输出光纤为不同类型和材料时，左/右匹配液选择为各自光纤折射率匹配，可实现不同种类的光纤之间耦合及可调衰减，当然也可通过调整左右匹配液压力来改变液体透镜左右曲面曲率半径来实现上述目标。

Claims (5)

1.一种压控可调光衰减器，其特征在于该衰减器以精密套管(1)为主体，套管位于左连接器管脚(2)和右连接器管脚(12)之间，并分别与左连接器管脚(2)和右连接器管脚(12)连接，形成具有“左匹配液体室+鼓状压控液体透镜+右匹配液体室”的结构；输入光纤(9)从外部穿过左连接器管脚(2)与左匹配液体室连接，输出光纤(10)从外部穿过右连接器管脚(12)与右匹配液体室连接；在精密套管(1)中的空腔内设置柱状透镜腔(7)并在此空腔横截面上设置透明弹性膜(4)以构成“鼓”状液体透镜腔，用于存储液体透镜材料；透镜腔通过压力控制孔(13)与外置液体主压力调节控制装置(5)相通，左、右匹配液体室(14)也有开孔(15)与相应的左、右储液容器(16)相通以便匹配液能自由流动，外置液体压力调节控制装置控制液体透镜的形状以实现透镜焦距的调节，从而控制从输入光纤(9)耦合到输出光纤(10)的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。

2.根据权利要求1所述的压控可调光衰减器，其特征在于在所述的左、右匹配液体室(14)内填充折射率匹配液以减少光能的其他反射损耗。

3.根据权利要求1所述的压控可调光衰减器，其特征在于所述的左、右匹配液体室内填充密度匹配液以抵消重力影响。

4.根据权利要求1所述的压控可调光衰减器，其特征在于所述的左、右储液容器的压力可调，由此影响液体透镜左右曲面的曲率半径，可用来耦合不同的光纤类型或其他用途。

5.根据权利要求1所述的压控可调光衰减器，其特征在于主压力调节控制装置(5)上设置刻度指示光的衰减量。

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