CN105629460A - 一种电控可调光衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电控可调光衰减器，基于微流控技术，采用三明治结构，第一层为盖板(1)，留有一个电源线(9)的出口(10)，内凹槽(12)用于内嵌压电陶瓷(6)，且压电陶瓷(6)与盖板(1)粘接；第二层为方形透明介质层(2)，包括：其对角线上的微流道(3)、入射光纤准直器(4)、出射光纤准直器(5)、压电陶瓷(6)、与压电陶瓷粘接在一起的绝缘活塞薄片(7)、储液管(8)、电源线(9)，且微流道(3)上端用弹性薄膜在一端封有空气，另一端填充液体并与储液管8相通，液体折射率与方形透明介质(2)相同或相近；第三层为基底(11)。通过电压控制压电陶瓷伸缩，驱动微流道(3)中匹配液流动，并控制微流道(3)中匹配液的位置，从而调解两个光纤准直器间光强耦合效率，实现光的可控衰减调节。

Description

一种电控可调光衰减器

技术领域

本发明涉及一种基于微流控技术的电控可调光衰减器，属于光通信、光电子器件的技术领域。

背景技术

可调光衰减器(VariableOpticalAttenuator，简称VOA)是智能化光网络中的一种重要的光无源器件，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(简称WDM/DWDM)的信道增益平衡和器件保护。现有的可调光衰减器有机械型、波导型、液晶型、磁光型、微机械(简称MEMS)型等。其中，机械型可调光衰减器发展最成熟，但是，其体积大，结构复杂，难以集成。近年来利用微机械技术制造的MEMS式可调光衰减器具有体积小、重量轻、能耗小等优点，但其在抗击机械摩擦、磨损或震动等方面存在不足之处，响应速度也不快。而其它类型可调光衰减器普遍存在结构复杂、插入损耗大、响应速度慢的问题，而且技术尚不成熟，因此商用产品极少。

微流控光学(Optofluidics)是光学、光子学、光电子学、微流体技术相结合而形成的新兴学科，它利用微/纳升液体来创建可调的光学系统。微流控光器件具有体积小、易集成、灵活可调等特点，必将成为新型光通讯器件众多解决方案中有力的竞争者之一。

目前国内、外有关微流控可变光衰减器的研究报道很少。已报道的微流控可变光衰减器绝大多数基于介质上电润湿(EWOD)驱动技术，利用基于EWOD的变焦微透镜或微液滴实现光衰减调节目的。这些基于介质上电润湿(EWOD)的微流控光衰减器共同缺点是：结构复杂，电极引线多，所需电压高，响应时间慢。而且EWOD的变焦微透镜曲面事实上并非球面，微液滴在电润湿驱动下因为前后接触角不同而导致液滴形状不规则，这些都会影响器件光学性能的良好性与有效可控性。

本发明属于微流控光器件，能够很好地解决上面的问题，衰减范围、回波损耗等优于目前一般可变光衰减器，具有良好的操控性，衰减范围大(>50dB)、响应快、插入损耗小(0.55dB)、回波损耗大，且结构简单，体积小，易制作，可集成本，而且解决了通常微流控器件中响应速度慢、结构复杂、物理/化学性质不够稳定等问题。本发明为寻求体积小、性能高、易集成、灵活可调的新型光通讯器件提供了新的思路，具有重要的技术价值和应用前景。

发明内容

本发明旨在提出一种基于微流控技术的电控可调光衰减器，将微流控技术应用于现代光通信技术中，利用微量液体和可压缩空气来实现光衰减器的可变光衰减调节，要求体积小、响应速度快、光学性能高，且具有良好的操控性和适应性。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：采用三明治结构，第一层为盖板，留有一个电源线的出口，盖板内侧有一个圆形凹槽，内嵌一个压电陶瓷，且压电陶瓷与盖板粘接；第二层为方形透明介质层，其对角线上刻有一个微流道，左右两侧各有一个位于同一水平线上的V形槽，分别放置入射光纤准直器和出射光纤准直器，其中微流道上端用弹性薄膜在一端封有空气，另一端填充液体并与一个储液管相通，液体折射率与方形透明介质相同或相近，储液管液体上端有一个薄片形活塞，活塞上是一个压电陶瓷，且活塞与压电陶瓷粘接，压电陶瓷上下各有一根电源线；第三层为基底。盖板的下表面与方形透明介质的上表面，以及方形透明介质的下表面与平板基底的上表面通过等离子辅助键合方式连接。压电陶瓷、活塞、储液管、电源线构成流体驱动泵。利用压电陶瓷的逆压电效应，由电压控制压电陶瓷伸缩并带动活塞运动，再通过活塞驱动微流道中匹配液流动。压电陶瓷具有敏感性高、响应速度快、频率稳定性好、精度高、体积小、不吸潮、寿命长等特点。由入射光纤准直器出射的光束到达微流道时，入射在微流道固-液界面上的那部分光可以透过流道，进入后方出射光纤准直器，因为液体的折射率与方形介质的折射率相同或相近；而入射到固-气界面上的那部分光则发生全反射，不能透过微流道进入出射光纤准直器，因而光部分衰减。通过施加在压电陶瓷上的电压来控制微流道中匹配液的位置，从而调解两个光纤准直器间的光强耦合效率，实现光的可控衰减调节。

有益效果：

1、本发明将基于压电陶瓷的电控流体驱动技术与微流控光学技术应用于现代光通信技术中，为研制微流控光衰减器提供了一种新方法。

2、本发明设计的光衰减器具有结构简单、体积小、可集成、响应速度快、成本低、可操控性好、光衰减范围大、插入损耗小的优点，易转化为产品，具有重要的技术价值与较好的应用前景。

3、所设计的基于压电陶瓷的电控流体驱动技术，不仅可用于所发明的可变光衰减器，还可以用于其它微流控器件，有助于微流控技术的发展。

本发明创新之处包括：

1.将微流控技术应用于光通信领域，利用微量液体与可压缩空气调控光衰减量，开辟了微流控光衰减器研制的新方法。

2.针对目前微流控光衰减器中的结构复杂、响应速度慢、稳定性不够好的问题，提出基于压电陶瓷的电控微流控光衰减器，可以解决上述问题。

3.新颖而简单的结构设计，使得一些性能如：衰减范围、回波损耗等优于目前的一般可变光衰减器，具有良好的操控性，衰减范围大、响应快、插入损耗小、回波损耗大，且结构简单、体积小、易制作、可集成。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

标识说明：盖板-1；方形透明介质-2；微流道-3；入射光纤准直器-4；出射光纤准直器-5；压电陶瓷-6；活塞-7；储液管-8；电源线-9；电源线出口-10；基底-11。

图2为盖板示意图。

标识说明：电源线出口-10；内嵌压电陶瓷的凹槽-12。

图3、图4、图5为本发明的工作原理示意图。

其中，图3为光束全部反射，即衰减量最大状态；图4为光束部分反射、部分透射，即光功率部分衰减状态；图5为光束全透射，即衰减量最小状态。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于微流控技术的电控可调光衰减器。本可调光衰减器采用三明治结构，第一层为盖板1，留有一个电源线9的出口10，内凹槽12用于内嵌压电陶瓷6，且压电陶瓷6与盖板1粘接；第二层为方形透明介质层2，包括：其对角线上的微流道3、入射光纤准直器4、出射光纤准直器5、压电陶瓷6、与压电陶瓷粘接在一起的绝缘活塞薄片7、储液管8、电源线9，其中入射、出射光纤准直器位于同一水平线上的两个V形槽中，且微流道3上端用弹性薄膜在一端封有空气，另一端填充液体并与储液管8相通，液体折射率与方形透明介质2相同或相近；第三层为基底11。盖板1的下表面与方形透明介质2的上表面，以及方形透明介质2的下表面与平板基底11的上表面通过等离子辅助键合方式连接。

流体驱动泵为基于压电陶瓷的电控器件，由压电陶瓷6、与压电陶瓷粘接在一起的绝缘活塞薄片7、储液管8、电源线9构成。压电陶瓷具有很高的敏感性，响应速度快，且具有频率稳定性好、精度高、体积小、不吸潮、寿命长等特点。压电陶瓷6通过电源线9与外部电源连接。电源关闭时，微流道中液体端面如附图3所示位置，光束全部反射，即处于衰减最大状态。打开电源，利用逆压电效应，施加不同的电压控制压电陶瓷的伸缩长度，通过活塞驱动液体流动，从而使微流道中液体端面到达不同位置，如附图4、附图5。通过控制施加在压电陶瓷上的电压，调节微流道中匹配液的位置，来实现光的衰减可控调节。

本发明具体操作与工作原理为：初始时刻，微流道中液体端面(气液平衡时界面)位置如附图3，由入射光纤准直器4出射的光束到达微流道3时，光束将全部发生全反射而不能进入后方出射光纤准直器5，处于全衰减状态。接通电源，压电陶瓷6长度变长，通过活塞7下压储液罐8中的匹配液，由于储液罐横截面积比微流道横截面积大，所以储液罐中液体微量移动可以使微流道中液体移动较长的距离。若驱动液体移动到附图4位置，入射在微流道固-液界面上的那部分光可以透过流道，进入后方出射光纤准直器，因为液体的折射率与方形介质的折射率相同或相近；而入射到固-气界面上的那部分光则发生全反射，不能透过微流道进入出射光纤准直器，因而光部分衰减。改变压电陶瓷上施加的电压大小，即改变压电陶瓷的长度，微流道中匹配液位置将改变，从而改变透、反射光能量比，达到衰减量可控调节目的。若驱动液体移动到附图5位置，光束将全部透过微流道而进入后方出射光纤准直器，此时光衰减处于最小状态。总而言之，通过控制施加在压电陶瓷上的电压，调节微流道中匹配液的位置，来实现光的衰减可控调节。

以上所述仅为本发明的一个具体实施例，并不用以限制本发明，本实施例中所用的结构仅限于本实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电控可调光衰减器，其特征在于：所述衰减器采用三明治结构，第一层为盖板(1)，顶板上留有压电陶瓷电源线(9)的出口10，即(一个小孔)，盖板里侧的内凹槽(12)用于内嵌压电陶瓷(6)，且压电陶瓷(6)与盖板(1)粘接；第二层为方形透明介质层(2)，包括：其对角线上的微流道(3)、入射光纤准直器(4)、出射光纤准直器(5)、压电陶瓷(6)、与压电陶瓷粘接在一起的绝缘活塞薄片(7)、储液管(8)、电源线(9)，其中入射、出射光纤准直器位于同一水平线上的两个V形槽中，且微流道(3)上端用弹性薄膜在一端封有空气，另一端填充液体并与储液管(8)相通，液体折射率与方形透明介质(2)相同或相近；第三层为基底(11)。

2.根据权利要求1所述的一种电控可调光衰减器，其特征在于：所述衰减器包括流体驱动泵；所述流体驱动泵使用压电陶瓷(6)、绝缘活塞薄片(7)、储液罐(8)，利用逆压电效应驱动微流道(3)中液体，通过控制施加在压电陶瓷上的电压来驱动匹配液流道与控制光衰减量。

3.根据权利要求1所述的一种电控可调光衰减器，其特征在于：所述衰减器是基于微流控技术。