CN108519689A - 一种基于plzt电控光散射效应的可调光衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，包括：第一光纤准直器、含有平行电极的PLZT透明陶瓷、第一凸透镜、光阑、第二凸透镜、第二光纤准直器，所述第一光纤准直器，当用于光纤光路中时，所述第一光纤准直器与所述第二光纤准直器是光输入/输出光路，所述第一光纤准直器、所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷、所述第一凸透镜、所述光阑、所述第二凸透镜、所述第二光纤准直器依次同轴设置。本发明结构紧凑、光路设计简单易实现、成本低、制备调节简单，不仅可对光功率衰减比进行精确控制，控制方式灵活，还可实现光束变换，有利于适应不同的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及电光材料与器件技术领域，具体是一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器。
背景技术
可调光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)是对光功率进行可控衰减的器件。在光通信中，VOA不仅可实现光信号功率调整和通道均衡，还可直接用于光接收机的过载保护、模拟检测光纤传输系统的动态范围与距离、评估调整光通信线路系统等。同时，VOA通过衰减光功率来实现对光的实时控制，在激光加工、光学仪表的计量和定标等方面也有着广泛的应用，所以VOA是激光与光通信应用中关键的无源光学器件。
目前，基于机械、磁光效应、热光效应、声光效应、电光效应的自由空间型和波导型VOA，在不同领域都有一定的应用，但基于材料电光效应的VOA在实现高速、高集成度和降低成本方面有不可取代的优势，是目前开发研究的热点。能对光信号的相位、幅度等物理参量进行电学调控的材料都属于电光材料范畴，其一是电控双折射效应：对具有电控双折射效应的材料施加电场时,外电场使材料的光率体发生变化,从而改变材料的折射率。其二是电控光散射效应：对具有电控光散射效应的材料施加电场时,在外电场作用下材料内部形成折射率不连续的大量局域排列有序畴壁,使入射光通过时产生折射、反射而成散射的出射光,使在入射光传播方向上的光强被大幅度散射衰减。
PLZT(锆钛酸铅镧)是一种钙钛矿结构的电光材料，当组成材料各成分比例不同时，可表现出电控双折射效应或电控光散射效应。利用该材料的电控双折射效应，在电场下对光相位进行调控，可实现电光调制器、电光开关、光衰减器等器件，如发明专利《PLZT电光可控相位延迟器》(CN102722041A)是利用PLZT电控双折射效应对光相位进行调控的器件；发明专利《基于PLZT的电光调Q开关》(CN102723662A)也是利用PLZT电控双折射效应控制光相位变化实现激光器Q开关的器件；发明专利《一种基于电光效应的绝缘子污闪检测方法》(CN104991169A)利用电光陶瓷折射率随电场变化的特点，将锆钛酸铅镧(PLZT)电光陶瓷薄膜层覆盖于绝缘子表面，以电光陶瓷的折射率作为特征参数，反映绝缘子表面局部电场的畸变，对绝缘子污闪进行有效的预警，该器件实质上也是利用PLZT的电控双折射效应；发明专利《光偏转元件及其制造方法》(CN1688926)同样利用了PLZT的电控双折射效应形成由光电效应而改变折射率的折射率变化区域，实现在与折射率变化区域的交界处，入射到核心层的光偏转向核心层的面内方向；发明专利《电光可变光衰减器》(CN102096206A)公开了一种电光可变光衰减器，包括1/2波片或1/4波片、电光晶体、偏振分束器、复合器以及光纤准直器等，显然这种器件同样利用的是PLZT单晶的电控双折射效应实现VOA的；发明专利《一种高速可调的电光衰减器》(CN101539672)主要将PLZT的电控双折射效应与双折射晶体配合实现高速VOA；发明专利《一种具有反馈监控结构的2x2高速光纤开关》(CN101216615)与《具有反馈监控结构的1x2高速光纤开关》(CN101158754)都是利用PLZT电控双折射效应实现电光开关的。然而这类基于电控双折射效应的电光器件在实际应用中，只能用于偏振光光源,即器件是偏振相关的,对非偏振光需要增加格外的光路进行调整，这在一定程度上增加了光学系统的设计难度和成本，极大地的限制了其应用范围。因此，开发利用偏振无关型电光材料，获得对光源无任何限制、结构简单、简化光学系统光路设计、降低系统成本的器件，将具有极大应用前景。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器。
本发明采用的技术方案为：一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，包括：第一光纤准直器、含有平行电极的PLZT透明陶瓷、第一凸透镜、光阑、第二凸透镜、第二光纤准直器，所述第一光纤准直器，当用于光纤光路中时，所述第一光纤准直器与所述第二光纤准直器是光输入/输出光路，所述第一光纤准直器、所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷、所述第一凸透镜、所述光阑、所述第二凸透镜、所述第二光纤准直器依次同轴设置，所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷是采用具有电控光散射效应的电光材料制成，当通光方向与电极方向垂直时，应用的是横向电控光散射效应。当通光方向与电极方向平行时，应用的是纵向电控光散射效应。无论是横向还是纵向电控光散射效应，应用方式完全相同，不改变光路与器件构成，区别仅在于样品电极制备和通光面积大小，纵向模式比横向模式相比，在较低的控制电压下，可制备出通光面积更大的器件。
本发明的效果是：本发明结构紧凑、光路设计简单易实现、成本低、制备调节简单，不仅可对光功率衰减比进行精确控制，控制方式灵活，还可实现光束变换，有利于适应不同的应用需求。
附图说明
图1所示为本发明提供的一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器的结构示意图；
图2所示为含有自适应衰减比控制的可调光衰减器的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图介绍本发明的基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器。
如图1、图2所示，为本发明提供的一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，其包括：第一光纤准直器1、含有平行电极的PLZT透明陶瓷2、第一凸透镜3、光阑4、第二凸透镜5、第二光纤准直器6、第一光束取样镜7、第二光束取样镜8、控制电路9、第一光电探测器10及第二光电探测器11。所述第一光纤准直器1，代表入射光方向，根据器件实际需要，当器件用于自由空间光衰减时，这部分与第二光纤准直器6是不需要的。当用于光纤光路中时，第一光纤准直器1与第二光纤准直器6构成光输入/输出光路。
所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷采用传统热压烧结法制备，烧结制备成透明陶瓷后，根据实际使用中通光面积和控制电压大小，将PLZT透明陶瓷制备成相应尺寸的样品，并进行光学抛光。当通光方向与电极方向垂直时，应用的是横向电控光散射效应，在样品两边制备Ag电极，用Ag胶引出器件电极引线。当通光方向与电极方向平行时，应用的是纵向电控光散射效应，需要在通光的两面上用溅射法制备ITO透明导电薄膜电极，溅射参数为：功率80W、时间40min、工作气体O2:Ar＝1:40、气压0.5Pa、样品温度50℃。再在透明电极的边缘制备0.5-1mm宽的粘附层和Au膜，器件电极引线从所述Au膜上引出。最后根据工作的光波波长，在制备有电极的PLZT透明陶瓷样品表面，用真空蒸镀法蒸镀减反膜。
选用各部分元件主要参数为：第一光纤准直器1与第二光纤准直器6工作距离为50mm，第一凸透镜3与第二凸透镜5为焦距10mm的K9玻璃平凸透镜，光阑4通光孔直径0.5mm。
本实施例的安装固定支架根据各部分元件尺寸设计，用3D打印机打印。打印好支架后，将第一光纤准直器1、含有平行电极的PLZT透明陶瓷2、第一凸透镜3、光阑4、第二凸透镜5、第二光纤准直器6、第一光束取样镜7、第二光束取样镜8、控制电路9、第一光电探测器10及第二光电探测器11依次安装到支架相应位置上，通光调试。正常情况下只要按设计尺寸3D打印支架，各部分元件不需要调节；在不加电场时，第二光纤准直器6耦合第一光纤准直器1输入的光强最大，整个器件插损最小。若第二光纤准直器6不能耦合输入的光，或需要调节光路中的元件后才能耦合输出最大光功率，说明设计的3D打印支架尺寸需要调整，根据调节的实验参数，重新设计3D打印支架的尺寸，直到光路输出与输入耦合匹配最好，输出的光功率达到最大为止。
控制电路与器件衰减比的自适应控制调节
本实施例控制电路9以单片机为核心构成，将所述两支光电探测器10安装到对应光束取样镜7和8的取样光束输出处，对入射和出射光进行取样，第一光束取样镜7与第二光束取样镜8可选Thorlabs熔融石英光束取样镜BSF05-B，取样比100:1，光电探测器型号可用Thorlabs硅光电二极管FDS100。光电探测器将取样光束转换为电压信号，光电探测器输出的电压信号与光功率成正比，所以其电压信号比就等于所述衰减器的衰减比。光电探测器输出的电压信号经运算放大器放大后由单片机自带的A/D转换电路采样转换成数字信号，单片机根据输入输出取样光束的数据，计算出衰减比，再与设定衰减比数据比较，得出控制输出电压数据。控制输出电压数据经D/A转换后，经高压放大器放大后，加载到PLZT透明陶瓷2上，实现器件衰减比的控制。
本发明所述的一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，构成器件的各部分无晶体材料，是偏振无关型器件，制备调节简单；本发明不仅可对光功率衰减比进行精确控制，控制方式灵活，而且可实现光束变换，有利于适应不同的应用需求；本发明的器件结构紧凑、光路设计简单易实现、成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (4)
1.一种基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，其特征在于，包括：第一光纤准直器、含有平行电极的PLZT透明陶瓷、第一凸透镜、光阑、第二凸透镜、第二光纤准直器，所述第一光纤准直器，当用于光纤光路中时，所述第一光纤准直器与所述第二光纤准直器是光输入/输出光路，所述第一光纤准直器、所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷、所述第一凸透镜、所述光阑、所述第二凸透镜、所述第二光纤准直器依次同轴设置，所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷是采用具有电控光散射效应的电光材料制成，当通光方向与电极方向垂直时，应用的是横向电控光散射效应。当通光方向与电极方向平行时，应用的是纵向电控光散射效应。无论是横向还是纵向电控光散射效应，应用方式完全相同，不改变光路与器件构成，区别仅在于样品电极制备和通光面积大小，纵向模式比横向模式相比，在较低的控制电压下，可制备出通光面积更大的器件。
2.如权利要求1所述的基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，其特征在于，所述第一凸透镜与第二凸透镜的焦点重合，所述光阑位于该重合的焦点上，当要求出射光束小于入射光束时，选择第一凸透镜焦距大于第二凸透镜的焦距；当要求出射光束大于入射光束时，选择第一凸透镜焦距小于第二凸透镜的焦距；当要求光束直径不变时，选择两透镜的焦距相等，其主要功能是将通过所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷的出射平行光刚好聚焦并通过所述光阑，而被散射的光不能被聚焦在所述光阑处，被所述光阑遮挡而不能通过，所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷散射越强时，被遮挡的光越多，通过的光越少，相对于入射光，出射光就被衰减了。
3.如权利要求1所述的基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，其特征在于，还包括第一光束取样镜、第二光束取样镜、控制电路、第一光电探测器及第二光电探测器，所述第一光纤准直器、第一光束取样镜、所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷、所述第一凸透镜、所述光阑、所述第二凸透镜、所述第二光纤准直器及第二光束取样镜形成第一光路，所述第一光束取样镜与所述第一光电探测器形成第二光路，所述第二光束取样镜与所述第二光电探测器形成第三光路，所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷、所述第一光电探测器及所述第二光电探测器与所述控制电路连接，所述第一光束取样镜、所述第二光束取样镜采取输入输出的光束取样，所述第一光电探测器及所述第二光电探测器将光束取样转化成电信号发送给所述控制电路，再由所述控制电路改变加载在所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷上电场强度的大小，实现器件的衰减比控制。
4.如权利要求3所述的基于PLZT电控光散射效应的可调光衰减器，其特征在于，所述第一光纤准直器、所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷、所述第一凸透镜、所述光阑、所述第二凸透镜、所述第二光纤准直器、所述第一光束取样镜、所述第二光束取样镜、所述控制电路、所述第一光电探测器及所述第二光电探测器对光源性质没有要求且没有晶体元件，不需要调节晶体光轴取向，制备所述可调光衰减器时，调节所述第一光纤准直器、所述含有平行电极的PLZT透明陶瓷、所述第一凸透镜、所述光阑、所述第二凸透镜、所述第二光纤准直器的中心对准，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜焦点重合，所以基于PLZT透明陶瓷电控光散射效应的VOA器件是偏振无关型器件。
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