CN104090447B - 无源光限幅器 - Google Patents

Abstract

一种无源光限幅器，包括：一基底，该基底上面开有一凹槽；一输入光路，其制作在基底上面的一侧，一端探入到凹槽上；一输出光路，其制作在基底上面的另一侧，一端探入到凹槽上，该输入光路和输出光路之间有一狭缝，形成镜面微腔；一光输入端，其与输入光路连接；一光输出端，其与输出光路连接。本发明提供的无源光限幅器，具有结构简单，成本低，反应速度快，性能稳定的优点。

Description

无源光限幅器

技术领域

本发明涉及光控制技术领域，尤其涉及一种光限幅技术领域，特别是指一种无源光限幅器。

背景技术

光限幅技术用于避免光学设备及人眼受到高功率光的损害，其在光路中的地位相当于“保险丝”在电路中地位。现阶段还没有成型的光限幅器件，还处于研究出好的光限幅材料的阶段。现阶段的光限幅都基于某些材料所具有的反饱和吸收特性或非线性特性，处于不断提高性能阶段，但是这些材料在高功率激光下只能降低激光功率，不存在最大透过功率，当入射功率非常大时，输出功率还是有可能损坏光学设备。

现阶段光衰减器被大量用来降低光功率，但在现实应用中我们需要不断的调整衰减片的衰减值来实现设备安全运行，这大大的降低了工作效率，同时也不能解决突发高光功率对设备造成不可恢复的破坏的问题。

光力被广泛用来操纵微小物体，例如“光镊子”可以操纵细胞、DNA分子或者细菌等。“光镊子”利用的是光场的梯度力，还有一种光力为散射力，其服从于动量定理，光子的动量变化给微小物体反作用力，这种力可以大到使被作用物体产生形变。我们发明的无源光限幅器就是基于这种散射力的，在高输入功率下微腔两镜面产生足够大的相对位移使光路被关断，其存在最大透过功率，我们可以根据需要设计相应的最大透过功率，可用于避免突发过高光功率对设备的损坏。同时我们设计的无源光限制器结构十分简单，成本非常低，但是反应速度快，性能稳定，在军事和高能研究领域以及将来的全光网络中市场需求量巨大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明设计了一种无源光限幅器，具有结构简单，成本低，反应速度快，性能稳定的优点。

本发明提供一种无源光限幅器，包括：

一基底，该基底上面开有一凹槽；

一输入光路，其制作在基底上面的一侧，一端探入到凹槽上；

一输出光路，其制作在基底上面的另一侧，一端探入到凹槽上，该输入光路和输出光路之间有一狭缝，形成镜面微腔；

一光输入端，其与输入光路连接；

一光输出端，其与输出光路连接。

本发明由于采用了上述的技术方案，实现了世界上第一个基于光致机械运动的无源光限幅器，并且结构简单，成本低，可靠性高。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明所述的无源光限幅器结构示意图；

图2为本发明所述的无源光限幅器工作原理图；

图3为本发明所述的无源光限幅器的测试结果图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种无源光限幅器，包括：

一基底1，该基底1上面开有一凹槽11；

一输入光路2，其制作在基底1上面的一侧，一端探入到凹槽11上；

一输出光路3，其制作在基底1上面的另一侧，一端探入到凹槽11上，该输入光路2和输出光路3之间有一狭缝，形成镜面微腔4，该狭缝形成的镜面微腔4是由光纤纤芯端面或波导端面形成，镜面微腔4的法线方向与光路的方向为0-60度；

其中输入光路2和输出光路3为光波导，该光波导为光纤或硅波导；

其中输入光路2和输出光路3是对准的；

其中当输入光路2和输出光路3为光纤时，凹槽11的横截面形状为V形；当输入光路2和输出光路3为硅波导时，凹槽11的横截面形状为矩形、梯形或V型；

一光输入端5，其与输入光路2连接；

一光输出端6，其与输出光路3连接；

其中光输入端5和光输出端6是光纤接口或是耦合光栅接口，对于光纤接口，输入光路5和输出光路6为光纤；对于耦合光栅接口，输入光路5和输出光路6为硅波导。

本无源光限幅器的核心结构是镜面微腔4，其由输入光路2末端面和输出光路3初始端面形成，光输入端5和光输出端6用于光的输入和输出，输入光路2和输出光路3分别和光输入端5和光输出端6相连。光输入端5可以是光纤接头，通过法兰盘和外部光纤连接，相应的输入光路2和输出光路3也由光纤构成，光输出端6也通过法兰盘将光耦合到外部光纤中；光输入端5也可以是耦合光栅，通过光纤将光耦合到光栅中，相应的输入光路2和输出光路4也由光波导构成，光输出端5将光耦合到外部光纤中。对于光纤结构，镜面微腔4直接由光纤端面构成，光纤端面可以打磨成不同角度；对于波导结构，镜面微腔4是在电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀中形成的波导端面，端面角度可以在加工过程中调节。这种镜面结构，在有光经过时，会由于光力作用而产生相对位移，当光功率小时，光力很小，相对位移很小，光能够顺利通过；当光功率很大时，这种相对位移可以达到使输入光路和输出光路错开，从而达到光限幅作用。

当光功率不大时为了减小光限幅器的插损，需要使输入光路2的末端和输出光路3的初始端对准。对于光纤结构，可以利用光刻工艺和定向腐蚀工艺在基底上制作V型槽，将输入光路光纤和输出光路光纤都放在V型槽中，通过旋转光纤实现两光纤端面的平行；也可以利用法兰盘将两根光纤纤芯对准，首先将光纤头的所有包层都去掉，露出一段长度的纤芯，再利用标准工艺将光纤插入光纤FC/APC接头，在打磨之前，将纤芯和套管中间的空隙用光刻胶填满，干燥固化再打磨，打磨后在用丙酮将光刻胶去掉，然后用法兰盘对接。对于波导结构，其端面在电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀等半导体工艺过程中是自对准的。

为了增加镜面微腔4产生的相对位移对光力的灵敏度，需要使其处于悬浮状态，同时输入光路2和输出光路3探入凹槽11的部分也处于悬浮状态。对于光纤结构光限幅器，将带涂覆层的光纤放在V型槽中，光纤前端的涂覆层被去掉，光纤前端由于没有涂覆层比有涂覆层的光纤细，由于涂覆层外表面和V型槽壁接触，光纤前端会自然悬浮；对于波导结构，可以利用光刻和湿法腐蚀工艺将镜面微腔下边的材料腐蚀掉，形成凹槽11。还可以调节输入光路2和输出光路3探入凹槽11的部分的长度来调节光限幅器灵敏度，来达到调节幅值的作用。悬浮长度越大，镜面微腔4的相对位移对光力变化越敏感，能够通过的最大光功率越小。也可以通过减小光路横向尺寸来实现，对于光纤结构，可以选择较细的光纤；低于波导结构可以制作较小的宽度和高度。

图2是本发明提供的无源光限幅器工作原理图，如图2所示，当入射光功率低时，光在镜面微腔4中产生的力很小，不能使两镜面错开，光能高效通过；当光功率很大时，光力的侧向分力使镜面微腔4两腔面产生很大的相对位移，使光不能顺利通过，达到限幅的作用。当光功率减小时，镜面微腔能够快速恢复最初高效通光状态，因此此种光限幅器能够长时间工作，不用像电“保险丝”那样只能用一次，这为科研和生产带来了很大的方便。

图3为本发明所述的无源光限幅器的一种实施例的测试结果图，如图3所示，为一种光纤结构的无源光限幅器的测试结果图，由于光纤端面离支点有一段距离，由于重力作用，端面不是相互平行的，有光经过时，能够在端面上产生竖直方向的分光力。当入射功率小于19dBm时，此光限幅器的插损只有3dB左右；当入射功率大于19dBm时，输出功率急剧下降，在入射功率为23dBm时，输出只有-27dBm。由此可知此结构能够通过的最大光功率为16dBm，从而达到光限幅的作用。图3中还给出了光纤光限幅器的不同工作状态示意图，当光功率小于19dBm时，其工作状态如左边图片所示，光纤在镜面微腔处是对齐的，其能使光高效通过；当光功率大于19dBm时，其工作状态如下边图片所示，光纤在镜面微腔处是错开的，使光不能通过。此光纤为单模光纤，通光纤芯只有9微米，因此光纤在端面处只要错开9微米，光就不能通过。图片光纤中的亮线就是光纤通光的纤芯，我们清楚的看到亮线在小入射光功率时使对准的，当光功率大于某一值时，亮线错开，光不能通过。我们可以通过改变光纤端面离支点的距离和改变端面法线方向来设置光限幅器的最大通过光功率。

本发明提供的无源光限幅器是基于光致机械运动这一效应的，其平行镜面微腔结构在受到光力时会产生行对位移，光力是和光功率正相关，当光功率不大时，光力不足以改变镜面微腔相对位置，光能够高效通过；当光功率很大时，光力大到可以使镜面微腔产生很大的相对位移，是光路断开，光不能有效通过。这种无源的光限幅器结构简单，性能稳定，实现对光学设备或人眼有效强光保护，具有巨大的市场应用前景。

由上面的分析可知，该器件可以完成光限幅功能，可以在需要强光保护的装置中获得广泛应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无源光限幅器，包括：一基底、一输入光路、一输出光路、一光输入端和一光输出端，其特征在于，

其中：

该基底上面开有一凹槽；

该输入光路制作在基底上面的一侧，一端探入到凹槽上；

该输出光路制作在基底上面的另一侧，一端探入到凹槽上，该输入光路和输出光路之间有一狭缝，形成镜面微腔；

该光输入端与输入光路连接；

该光输出端与输出光路连接。

2.根据权利要求1所述的无源光限幅器，其中输入光路和输出光路为光波导。

3.根据权利要求2所述的无源光限幅器，其中光波导为光纤或硅波导。

4.根据权利要求1所述的无源光限幅器，其中输入光路末端和输出光路初始端对准。

5.根据权利要求1所述的无源光限幅器，其中狭缝形成的镜面微腔由光纤纤芯端面或波导端面形成，镜面微腔的法线方向与光路的方向为0-60度。

6.根据权利要求1所述的无源光限幅器，其中光输入端和光输出端是光纤接口或是耦合光栅接口，对于光纤接口，输入光路和输出光路为光纤；对于耦合光栅接口，输入光路和输出光路为硅波导。

7.根据权利要求2所述的无源光限幅器，其中当输入光路和输出光路为光纤时，凹槽的横截面形状为V形；当输入光路和输出光路为硅波导时，凹槽的横截面形状为矩形、梯形或V型。