CN102749704A

CN102749704A - 一种基于电磁控制的可调光衰减器

Info

Publication number: CN102749704A
Application number: CN2012102482141A
Authority: CN
Inventors: 郭安金; 万静; 梁忠诚; 韦云亮; 张帅
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明涉及光通信领域内的一种可调光衰减器（VOA），采用三层的结构，第一层为盖板（8），盖板上留有与气液腔（2）的小孔（3）对应的注液孔（9）；第二层为波导层（4），包含有出射光纤准直器（6），方形波导（1），电磁驱动装置（11），接收光纤准直器（5），接线孔（12）；第三层为平板基底（20）；方形波导（1）上有沿其对角线方向的窄气液腔（2），气液腔上端密封，留有小孔（3），下端通过管子（10）与电磁驱动装置（11）密封连接，方形波导（1）一侧涂覆黑色吸光材料（7）；盖板、波导层和基底通过等离子辅助键合方式连接；通过调节气液腔（2）中折射率匹配液高度来控制光纤准直器间光强耦合效率，实现光的可控衰减调节。

Description

一种基于电磁控制的可调光衰减器

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。机械形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，但其在抗击械摩擦、磨损或震动等方面存在不足之处，所以研制非机械式电磁控制可调光衰减器具有重要的技术价值和应用前景。

经对现有技术的文献检索发现，专利公开号为CN1402052的上海交通大学专利《电磁驱动位错型微机械可变光衰减器》提出一种利用电磁驱动力和弹性体控制光纤错位位移，从而实现可控光衰减量的方法。基于这种装置结构需要可动平台、定位槽和弹性体等机械部件，所以结构复杂，且弹性体容易产生机械疲劳，影响装置性能，缩短器件寿命。

而本发明是一种基于电磁控制的可调光衰减器，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，通过电磁驱动装置可以连续改变气液腔中液体的位置，从而调控光纤准直器间的光强耦合效率，且光衰减的可调节量大。

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，将电磁控制应用于现代光通信技术中，设计了一种新颖的电磁驱动可调光衰减器件，解决光衰减器的可调控问题。

技术方案：本发明的基于电磁控制的可调光衰减器采用三层的结构，第一层为盖板，盖板上留有与气液腔上的小孔对应的注液孔；第二层为波导层，包含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、电磁驱动装置和接线孔；第三层为平板基底；方形波导上有沿其对角线方向的窄气液腔，气液腔上端密封，留有小孔，下端通过管子与电磁驱动装置密封连接，方形波导一侧涂覆黑色吸光材料，以吸收发生全反射时反射到该面的光；盖板、波导层和基底通过等离子辅助键合方式连接；通过调节气液腔中折射率匹配液高度来控制光纤准直器间光强耦合效率，实现光的可控衰减调节。

电磁驱动装置由留有小孔的盖板、储液腔、位于储液腔下部的永磁铁片、位于永磁铁片下部的电磁铁芯、电源线构成；其中，电源线两接线头通过孔引出，与外电源相接，储液腔内部有一层透明弹性薄膜将液体包裹，并在储液槽顶端边缘与盖子固定密封；永磁铁圆片面积较储液腔略小，边缘涂有润滑材料，以减小在与储液腔接触时产生的摩擦力；电磁线圈的缠绕方式要求在通电时会使电磁铁产生与永磁铁圆片相反的磁力，永磁铁圆片会推动储液槽中的匹配液进入液腔槽；由加载电磁铁上的电压大小来控制液腔中的匹配液高度，实现光纤准直器之间光强调控，达到光衰减的目的。

装置封装后，储液槽中的匹配液恰好未进入气液腔，未发生光束的全透射现象。电磁驱动装置采用电磁铁和永磁铁圆片的结构，由于通电时磁性相反，断电时相吸，以此推动液体上升下降，控制气液腔中液体高度。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明将电磁驱动技术与微流控光学技术应用于现代光通信技术中，设计了一种新颖的可调光衰减器件，本专利设计的光衰减器具有容易制作、成本较低，光衰减可调节范围大的优点，具有重要的技术价值。

创新之处在于：

1.将微流控光学技术应用于光衰减器之中，通过折射率匹配液体在气液腔中的高度控制来实现光衰减器件衰减量的可控调节。

2.通过电磁驱动装置来控制折射率适配液体在气液腔中的高度，电磁驱动装置采用了电磁铁和永磁铁圆片的结构。

3．性能上，光的可衰减调节范围大。

附图说明

图1是一种基于电磁控制的可调光衰减器结构示意图。图中有方形波导1、窄气液腔2、小孔3、波导层4、接收光纤准直器5、出射光纤准直器6、吸光材料层7、盖板8、注液孔9、管子10、电磁铁11、接线孔12、平板基底20

图2是电磁驱动装置结构示意图。图中有电磁铁13、永磁铁圆片14、盖子15、透明弹性薄膜16、储液腔17、电磁线圈18、电源线19

图3图4是用微细电火花技术（EDM）制作的波导固定框架示意图。图3是俯视图，图中腔21嵌入的是方形波导1，V形槽22和V形槽23分别固定的是出射光纤准直器6和接收光纤准直器5；图4是仰视图，图中腔24嵌入的是电磁驱动装置11。

图5是盖板的仰视示意图。图中腔25和腔27嵌入的分别是出射光纤准直器6与接收光纤准直器5相对于波导层4平面的凸起部分；腔26嵌入的是方形波导1相对于波导层4平面的凸起部分。

图6图7图8是基于电磁控制的可调光衰减器工作原理示意图。图6是出射光束发生全反射，即衰减量最大状态；图7为出射光发生全透射，即衰减量最小状态；图8为部分出射光全反射和部分全透射，即衰减量一般状态。

具体实施方式

本发明一种基于电磁控制的可调光衰减器，其特征在于该装置采用三层结构，第一层为盖板8，顶板上留有与小孔3相连接的注液孔（9）；第二层为基底波导层4，上有中心在同一水平线上的出射光纤准直器6，方形波导1，电磁驱动装置11，接收光纤准直器5，且在一侧留有接线孔12；第三层为平板基底20；方形波导1上有沿其对角线方向的窄气液腔2，气液腔的上端密封，并留有小孔3，下端通过管子10与电磁驱动装置11密封连接。电磁驱动装置由留有小孔的盖子15，储液腔17，永磁铁片14、电磁铁13、电源线19构成。其中，电源线19的两接线头通过接线孔12引出，与外电源相接，储液腔内部有一层透明弹性薄膜16将液体包裹，并在储液槽顶端边缘与盖子15固定密封；永磁铁圆片14面积较储液腔17略小，边缘涂有润滑材料，以减小在与储液腔接触时产生的摩擦力；储液腔17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反射光到达的侧面涂覆黑色吸光材料7，以吸收发生全反射的光束；电磁线圈18的缠绕方式要求在通电时会使电磁铁13产生与永磁铁圆片14相反的磁力；盖板8的下表面与波导层4的上表面，波导层的下表面与平板基底20的上表面通过等离子辅助键和合方式连接，实现密封及固定的效果。

未给电磁铁通电时，由于重力和磁场引力，永磁铁圆片14紧贴在储液腔17底部和电磁铁13上表面，储液腔17中的匹配液未进入气液腔2中，当光束从方形波导1进入气液腔2时，光从光密介质进入光疏介质，入射角满足全反射条件，光束能全部发生全反射，并被吸光材料7吸收，此时光衰减最大；当施加外加电压时，由于电磁线圈18的特定缠绕方式，会使电磁铁13产生与永磁铁圆片14相反的磁力，永磁铁圆片向上运动推动储液槽17中的匹配液进入气液腔2到适当高度，使部分光透过气液腔进入接收光纤准直器，部分光在气液腔界面处全反射，全反射光不能进入接收光纤准直器而被吸光材料吸收，由加载电磁铁上的电压大小来控制气液腔中的匹配液高度，调控光纤准直器之间光强耦合效率，实现光衰减的可控调节。

盖板8上的注液孔，可以通过此孔向储液槽17注液，注液完毕后要用塞子将此孔封闭。

在所述的电磁驱动装置中，采用电磁铁和永磁铁圆片的结构，如附图2所示，由于通电时磁性相反，电磁铁和永磁铁圆片互相排斥，永磁铁圆片向上运动推动储液腔中的匹配液进入窄气液腔到适当高度，由于匹配液的折射率与方形波导的折射率相同或相近，由出射光纤准直器出射的光到达气液腔时，位于下部固液界面的那部分光可以透过气液腔进入接收光纤准直器，如附图6图7图8所示，位于上部固气界面的光发生全反射不能透过气液腔进入接收光纤准直器，而被方形波导侧面的吸光材料吸收，使光部分衰减。断电时电磁铁和永磁铁圆片相吸，加上重力因素，气液腔中的匹配液能迅速回落到储液腔中。装置的响应速度较快，响应时间较短。

永磁铁圆片会推动储液腔中的匹配液进入气液腔，此时经过气液腔中匹配液的光束会发生全透射，另一部分光束会发生全反射。因此，通过控制加在电磁铁上的电压，就可以调节气液腔中的匹配液高度，进而实现光纤准直器之间的光强耦合调控，达到可控光衰减目的。

Claims

1. 一种基于电磁控制的可调光衰减器，其特征在于该衰减器采用三层的结构，第一层为盖板（8），盖板上留有与气液腔（2）上的小孔（3）对应的注液孔（9）；第二层为波导层（4），包含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）、电磁驱动装置（11）和接线孔（12）；第三层为平板基底（20）；方形波导（1）上有沿其对角线方向的窄气液腔（2），气液腔上端密封，留有小孔（3），下端通过管子（10）与电磁驱动装置（11）密封连接，方形波导（1）一侧涂覆黑色吸光材料（7），以吸收发生全反射时反射到该面的光；盖板、波导层和基底通过等离子辅助键合方式连接；通过调节气液腔（2）中折射率匹配液高度来控制光纤准直器间光强耦合效率，实现光的可控衰减调节。

2. 根据权利要求1所述的一种基于电磁控制的可调光衰减器，其特征在于电磁驱动装置（11）由留有小孔的盖板（15）、储液腔（17）、位于储液腔（17）下部的永磁铁片（14）、位于永磁铁片（14）下部的电磁铁芯（13）、电源线（19）构成；其中，电源线（19）两接线头通过孔（12）引出，与外电源相接，储液腔（17）内部有一层透明弹性薄膜（16）将液体包裹，并在储液槽顶端边缘与盖子（15）固定密封；永磁铁圆片（14）面积较储液腔（17）略小，边缘涂有润滑材料，以减小在与储液腔接触时产生的摩擦力；电磁线圈（18）的缠绕方式要求在通电时会使电磁铁（13）产生与永磁铁圆片（14）相反的磁力，永磁铁圆片会推动储液槽（17）中的匹配液进入液腔槽（2）；由加载电磁铁上的电压大小来控制液腔中的匹配液高度，实现光纤准直器之间光强调控，达到光衰减的目的。