CN102608756A - 基于微流控光学技术的压控可调光衰减器 - Google Patents

Abstract

基于微流控光学技术的压控可调光衰减器，采用二层结构，第一层为顶板（8），其上留有外置液体气压驱动装置接入小孔（9），对应储液管（3）出口位置；第二层为基底-波导层，包含有出射光纤准直器（6），方形波导（1），接收光纤准直器（5）；方形波导（1）上有沿其对角线方向的细长气液槽（2），气液槽上方密封，一端与储液管（3）密封连接，内储存一段折射率与方形波导相同或接近的液体，另一端形成封闭气室，封有一段空气；方形波导（1）一侧涂覆黑色吸光材料（7），以吸收因发生全反射而射到此面的光；顶板下表面与基底上表面通过等离子辅助键合方式连接；通过控制气液槽（2）中匹配液的位置来实现光的衰减可控调节。

Description

基于微流控光学技术的压控可调光衰减器

技术领域

本发明专利涉及一种新颖的可变光衰减器结构及工作原理，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（Variable Optical Attenuator，简称VOA）是智能化光网络中的一种重要的光纤无源器件，是组成光放大器的关键部件，在光纤通信系统中起到功率平衡的作用，并广泛应用于波分复用系统（WDM/DWDM）的信道增益平衡和器件保护。可调光衰减器的制作方法包括机械型、波导型、液晶型、微机械（MEMS）型等。其中，波导形和液晶型可调光衰减器技术尚不成熟，商用产品极少。机械式可调光衰减器发展最成熟，然而其体积大，结构复杂。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，但其在抗击机械摩擦、磨损或震动等方面存在不足之处。一般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，通过微型步进机控制连续渐变衰减片旋转或平移进行可调衰减，此类衰减器受步进电机限制因而成本高，体积较大，难以集成于日益缩小的光通信模块中，且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。

微流控光学（Optofluidics）是一项具有重要意义的新技术，是系统集成领域中的发展前沿，代表着光学元件走向微型化、集成化的发展方向。它以微机电加工技术为基础，以微流体管道为结构特征，已应用于众多领域，并取得了显著成果，显示出广阔的应用前景，也可应用于光通信器件中，因而研制基于微流控光学技术的可调光衰减器具有重要的技术价值和应用前景。

本发明基于微流控光学技术（Optofluidics）的可调光衰减器可以改变光学系统的光通量，具有良好的操控性和适应性。采用可流动的液体，通过液体气压驱动装置可以连续改变气液槽中液体的位置（如附图2），从而可连续调控光纤准直器间的光强耦合效率，实现光衰减的可控调节，且可调节范围大。

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，将微流控光学技术（Optofluidics）应用于现代光通信技术中，设计了一种新颖的压控可调光衰减器，由于未使用机械移动等复杂器件，不需要复杂的工艺使得制作成本、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领域得到广泛的应用，解决光衰减器的可调控问题。

技术方案：本发明的基于微流控光学技术的压控可调光衰减器采用两层的结构，第一层为顶板，顶板上留有可与外置液体气压驱动装置连接的小孔，小孔与储液管连通；第二层为基底-波导层，基底中嵌有中心在同一水平线上的出射光纤准直器，方形波导，接收光纤准直器；方形波导上沿其对角线有一个细长气液槽，气液槽的上方密封，一端为圆柱形，并与储液管密封连接，储存有一段液体，另一端形成封闭气室，封有一段空气；储液管及气液槽中的液体是与方形波导折射率相同或相近的匹配液；方形波导远离储液管的一侧侧面涂覆黑色吸光材料，以吸收因发生全反射而射到此面的光；储液管通过小孔与外置液体气压驱动装置相连，由外置气压驱动装置驱动气液槽中折射率匹配液移动并控制其稳定位置，使部分光全反射部分光透射，控制出射、接收光纤准直器间的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节；顶板的下表面与基底的上表面通过等离子辅助键合方式连接，实现密封及固定的效果。 

所述方形波导对角线上的封闭的细长气液槽，采用在聚合物波导块上刻蚀或热压、或一次注塑成型的方法实现，达到可调光衰减控制目的。

顶板上开一小孔，既可连接外置液体气压驱动装置，也可通过此孔向储液管中注液。由外置液体气压驱动装置驱动和控制气液槽中折射率匹配液的移动。

装置封装后，所述的气液槽中的匹配液在初始平衡状态下停留在槽中的固定位置，且在此位置由出射光纤准直器出射的光束在细长气液槽界面上恰好处于全部全反射状态。

本基于微流控光学技术的压控可调光衰减器工作原理如下：初始时刻，如附图2.1，当由出射光纤准直器出射的光束在方形波导内到达气液槽界面时，光从波导层进入空气层（即从光密介质进入光疏介质），光束全部发生全反射，然后由方形波导侧面的吸光材料吸收，不能进入接收光纤准直器，光全衰减；通过外置液体气压驱动装置加大储液管上方气压，驱动匹配液流动到达气液槽中能够全部覆盖出射光场的位置，如附图2.2，由于匹配液的折射率与方形波导的折射率相同或相近，因此光束能全部透过气液槽，进入接收光纤准直器，此时光衰减处于最小状态；适当调节储液管上方气压，当气液槽中的匹配液处于前述两种状态之间位置时，如附图2.3，位于一侧固-液界面的那部分光可以透过气液槽，进入接收光纤准直器，另一侧到达固-气界面上的光发生全反射，不能透过气液槽进入接收光纤准直器，而被方形波导一侧的光吸收材料吸收，于是光部分衰减。因此，通过调节气液槽中匹配液的位置，可以控制出射、接收光纤准直器间的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明将微流控光学技术应用于现代光通信技术中，设计了一种新颖的压控可调光衰减器件，本专利设计的光衰减器具有结构简单、工艺简单、成本低，光衰减的调节范围大等优点，具有重要的技术价值与应用价值。

创新之处在于：

1. 无机械移动装置，将微流控光学技术应用于光衰减器之中，通过外置液体气压驱动装置控制折射率匹配液体在气液槽中的位置来实现光衰减器衰减量的可控调节；

2. 直接在方形波导对角线上开一细长气液槽，实现大幅度光衰减可控调节，结构简单，易制作，成本低；

3. 部件少，结构和工艺简单，且基底4可使用一次成型磨具，批量生产各种微型结构，从而大幅度降低生产成本，提高成品率；

4．性能上，光的可衰减调节范围大。

附图说明

图1是基于微流控光学技术的压控可调光衰减器的结构示意图，

图2是基于微流控光学技术的压控可调光衰减器的工作原理示意图，图2.1是光束全部发生全反射，不能透过气液槽进入接收光纤准直器，即衰减量最大状态；图2.2为光全部透过气液槽进入接收光纤准直器，即衰减量最小状态；图2.3为部分光全反射和部分光透射，即部分光衰减状态。

图3是基底示意图。

以上图中有：方形波导1、细长气液槽2、储液管3、基底4、接收光纤准直器5、出射光纤准直器6、吸光材料层7、顶板8、小孔9、腔10、第一凹槽11、第二凹槽12。

具体实施方式

本发明基于微流控光学技术的压控可调光衰减器采用两层的结构，第一层为顶板8，其上留有外置液体气压驱动装置的接入小孔9，小孔9相应于储液管3的出口位置；第二层为基底-波导层，基底4中嵌有中心在同一水平线上的出射光纤准直器6，方形波导1，接收光纤准直器5；方形波导1上沿其对角线有一个细长气液槽2，气液槽2的上方密封，一端为圆柱形，并与储液管3密封连接，内储存有一段液体，另一端形成封闭气室，封有一段空气；储液管3及气液槽2中的液体是与方形波导1折射率相同或相近的匹配液；方形波导1远离储液管3的一侧侧面涂覆黑色吸光材料7，以吸收因发生全反射而射到此面的光；储液管3通过小孔9与外置液体气压驱动装置相连，由外置气压驱动装置控制储液管3上方的气压，驱动气液槽2中折射率匹配液的移动并控制其稳定位置；顶板8的下表面与基底4的上表面通过等离子辅助键合方式连接，实现密封及固定的效果。

顶板8上小孔9是作为外置液体气压驱动装置的接入孔，同时也可通过此孔向储液管3中注液。

装置封装后，所述的气液槽中的匹配液在初始平衡状态下停留在槽中的固定位置，且在此位置由出射光纤准直器出射的光束在细长气液槽界面上恰好处于全部全反射状态。

方形波导中的细长气液槽可用刻蚀方法或利用热压、注塑法一次成形得到，槽中匹配液选用折射率与方形波导材料相同或相近且疏水性好、黏度小的液体。

具体实施例1:

方形波导1采用有机聚合物材料，如采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又便宜的品种，透光率达到90%—92%，折射率为1.49，韧性好，对酸、碱、盐有较好的抗腐蚀性能，且具有质轻、价廉、易于成型等优点，方形波导1和气液槽2利用热压或注塑法一次成形得到。

基底4基材采用单晶硅材料，利用微细电火花加工（EDM）技术来加工硅基板上的微结构，EDM技术是一项非常成熟的金属加工技术，可应用于任何导电材料的加工，包括钢铁、石墨、硅和磁性材料，EDM技术使用一次成型磨具，可批量生产各种微型结构，从而大幅度降低生产成本，提高成品率；顶板8采用与基底4同样的单晶硅材料。

气液槽2上端的密封采用双向拉伸聚丙烯薄膜（简称BOPP薄膜），通过高强度的粘胶与气液槽密封，BOPP模无色、无嗅、无味、无毒，并具有高拉伸强度、冲击强度、刚性、强韧性和良好的透明性。

装置封合：衰减器两层之间的缝合，即顶板8与基底4的封合，采用等离子辅助键合工艺。

具体实施例2:

    方形波导、基底、顶板均采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基材，PDMS具有独特的弹性，良好的透光性，无毒，容易加工等特性，匹配液选取硅油；方形波导的细长气液槽及基底形状用刻蚀的方法制作；顶板小孔用钻孔机加工即可；其它同实施例1。

Claims (3)

1.基于微流控光学技术的压控可调光衰减器，其特征在于该装置采用两层的结构，第一层为顶板（8），顶板上留有可与外置液体气压驱动装置连接的小孔（9），小孔与储液管（3）连通；第二层为基底-波导层，基底（4）中嵌有中心在同一水平线上的出射光纤准直器（6），方形波导（1），接收光纤准直器（5）；方形波导（1）上沿其对角线有一个细长气液槽（2），气液槽的上方密封，一端为圆柱形，并与储液管（3）密封连接，储存有一段液体，另一端形成封闭气室，封有一段空气；储液管（3）及气液槽（2）中的液体是与方形波导（1）折射率相同或相近的匹配液；方形波导（1）远离储液管（3）的一侧侧面涂覆黑色吸光材料（7），以吸收因发生全反射而射到此面的光；储液管（3）通过小孔（9）与外置液体气压驱动装置相连，由外置气压驱动装置驱动气液槽（2）中折射率匹配液移动并控制其稳定位置，使部分光全反射部分光透射，控制出射、接收光纤准直器间的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节；顶板（8）的下表面与基底（4）的上表面通过等离子辅助键合方式连接，实现密封及固定的效果。

2.根据权利要求1所述的基于微流控光学技术的压控可调光衰减器，其特征在于所述方形波导（1）对角线上的封闭的细长气液槽（2），采用在聚合物波导块上刻蚀或热压、或一次注塑成型的方法实现，达到可调光衰减控制目的。

3.根据权利要求一所述的基于微流控光学技术的压控可调光衰减器，其特征在于顶板（8）上开一小孔（9），既可连接外置液体气压驱动装置，也可通过此孔向储液管（3）中注液。

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