CN1244003C - 可调式光衰减器 - Google Patents
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Abstract
一种可调式光衰减器，其特点是在一封闭壳体内密封有：输出光纤的端面位于第一光纤准直器的焦点中，该光纤准直器通过固定装置固定在固定底座上；输入光纤位于第二光纤准直器的焦点，该光纤准直器通过固定装置固定在微位移驱动装置上；该微位移驱动装置和固定底座固定在一起；为该微位移驱动装置设有位移监测传感器、精密驱动电源和电压调节器；还有一控制器在封闭壳体之外。本发明可调光衰减器具有操作简便，稳定性好，衰减精度高的优点。
Description
技术领域：
本发明与光通信技术有关，特别是一种可调式光衰减器，是一种横向位移型可调光衰减器。
背景技术：
光衰减器是随着光通信产业的发展而出现的一种重要的光无源器件，广泛应用于光通信网络中，是对光信号功率按要求进行衰减的光无源器件。它可依据用户的要求，衰减系统的光信号功率，可用于光通信线路和系统的评估、研究、调整及校正等方面。
依据光衰减器的工作原理，光衰减器可分为位移型光衰减器、直接镀膜型光衰减器、衰减片型光衰减器和液晶型光衰减器等几类。
当两段光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小的传输损耗传输过去；反过来，如果改变光纤的对中精度，就可以控制光信号的衰减量，位移型光衰减器就是根据这个原理，有意在光纤对接时，使其产生一定的错位，使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的。其中，横向位移型光衰减器采用两个对接光纤的横向错位来影响光纤对中精度，以达到控制衰减量的目的。
光衰减器还可分为固定式光衰减器和可调式光衰减器两类，通常，可调式光衰减器是使高功率的光信号通过部分透光的滤光片，或者采用衰减片来阻挡部分光信号，或改变输入光纤与输出光纤之间的相对位置，或通过部分光吸收装置，逐渐减弱光信号的强度，从而达到光信号衰减程度可控的目的。位移型光衰减器根据需要，也可制作成固定式和可调式光衰减器两类，其中，横向位移型是一种比较传统的光衰减器，具有较大的市场，它的优点在于回波损耗很高，通常大于60dB。但是其调整精度和性能尚不能满足日益发展的光纤通信的要求。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于进一步提高可调光纤衰减器的性能，提供一种调整精度高、性能稳定、结构简单、操作方便的横向位移型可调式光纤衰减器。
本发明的技术解决方案如下：
一种可调式光衰减器，其特征是在一封闭壳体内密封有：
输出光纤的端面位于第一光纤准直器的焦点，该光纤准直器通过固定装置固定在固定底座上；输入光纤位于第二光纤准直器的焦点，该光纤准直器通过固定装置固定在一微位移驱动装置上；该微位移驱动装置和固定底座固定在一起；
该微位移驱动装置设有位移监测传感器、精密驱动电源和电压调节器；
还有一控制器在封闭壳体之外。
该微位移驱动装置是一个由压电陶瓷直接驱动的柔性铰链机构，该微位移驱动装置由导轨、柔性框架、电致伸缩器和导轨构成，所述的柔性框架具有多个部分，每一部分设有一电致伸缩器。
该微位移驱动装置的柔性框架由A、B、C三部分构成，A、B、C三部分分别设有电致伸缩位移器。
所述的控制器由单片机、D/A、A/D变换器构成。该单片机通过D/A变换器、精密驱动电源、微位移驱动装置、位移监测传感器、电压调节器、A/D变换器回到MCS51单片机，构成微位移驱动装置的闭环控制。
通常情况下，由于横向位移型的参数数量级均在μm级(单模纤芯直径为9μm±0.5μm，多模为50μm±1μm)，即使经过光纤准直器扩束后，光束直径也只有1mm(单模光纤)左右，这就对横向位移型光衰减器的控制精度提出了很高的要求。因此，要实现对光信号功率衰减的高精度控制，同时还要满足工作行程要求，需要一种能够实现精确位移控制的微位移机构，采用压电陶瓷直接驱动的柔性铰链机构就是这样一种选择。
柔性铰链是一种弹性元件，它具有结构简单、紧凑、重量轻，无摩擦，无噪声，无空回，不需要润滑等特点，常把它作为传动、导向、定位元件来使用。
采用柔性支撑(压电陶瓷驱动微位移机构)的微位移机构是近年来发展起来的一种新型微位移机构，它的特点是结构紧凑，体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率。由于电致伸缩位移器具有体积小、分辨率高、控制简单、响应速度快，无发热等特点，使用电致伸缩位移器可以很容易实现亚微米级的精度。
本发明可调式光衰减器操作简便，稳定性好，衰减精度高，具有良好的应用前景。其突出特点是：由于微位移驱动装置7是以电致伸缩位移器作为驱动元件，采用柔性铰链机构传递运动，根据两者自身的特点，可以很容易获得高精度、高分辨率的衰减量控制，完全能够实现对光信号衰减的精确、稳定控制。
附图说明：
图1为本发明可调式光衰减器的结构示意图
图2为微位移驱动装置7的结构示意图
图3为闭环控制系统简图
具体实施方式
先请参阅图1，本发明可调式光衰减器，包括：输出光纤1固定在光纤准直器3中，光纤准直器3通过准直器固定装置2固定在固定底座13上，输入光纤4固定在光纤准直器5中，光纤准直器5通过准直器固定装置6固定在微位移驱动装置7上面，位移监测传感器8固定于导轨74上，用于监测柔性框架72的位移量，精密驱动电源9提供给电致伸缩器73的输入电压，改变电致伸缩器73的伸缩量，从而控制柔性框架72的平移步距大小；工作时，输出光纤1始终保持固定位置不变，输入光纤4随着微位移驱动装置7作横向平移，不断改变与输出光纤1的对中精度，影响输入、输出光纤之间的横向耦合效率，从而实现对光信号衰减程度的精确控制。
微位移驱动装置7实际上是一个由压电陶瓷直接驱动的柔性铰链机构，作为理想的微位移驱动装置，应该有较高的位移分辨率，以保证较高的定位精度，还应该具有较高的几何精度和良好的动态特性；同时还应满足工作行程(＞1mm)的要求，以此为前提，所选用的微位移驱动装置7的结构如图2所示，它包括：导轨71、由柔性铰链构成的柔性框架72、电致伸缩位移器73、导轨74；其中柔性框架72由A、B、C三部分构成，电致伸缩位移器73共有三个，分别驱动移动平台72的A、B、C三部分，使其沿着导轨平移。
微位移驱动装置7的工作过程为：假设铰链平移机构沿图示方向移动，工作前电致伸缩位移器731、732、733均未通电，开始工作时，电致伸缩位移器731先通电伸长，使柔性框架A部与矩形导轨71、74夹紧；接着电致伸缩位移器732通电伸长，因A部与导轨夹紧固定，C部自由，没有与导轨夹紧，所以电致伸缩位移器732驱动B部柔性铰链，并带动C部一起沿箭头方向移动；接着电致伸缩位移器733通电伸长，使C部与导轨夹紧；接着电致伸缩位移器731断电缩回，A部与导轨松开；接着电致伸缩位移器732断电缩回，因C部与导轨固定加紧，A部与导轨松开，B部柔性铰链靠弹性缩回，并带动A部一起沿箭头方向移动；接着电致伸缩位移器731通电伸长，A部与导轨夹紧；接着电致伸缩位移器733断电，C部与导轨松开。重复上述步骤，该驱动装置就像蚯蚓一样沿图示箭头方向移动，从而可实现大行程位移。按照上述步骤，改变3个电致伸缩位移器的通电、断电顺序，就可使驱动装置沿图示箭头方向反方向沿导轨移动。
本发明光衰减器开始工作时，首先由控制器12按顺序分别给电致伸缩位移器73通电、断电，从而控制微位移驱动装置7，使其相对于固定底座13作横向平移，带动输入光纤4与光纤准直器5平移，使两束光纤之间产生横向位移错位，从而影响输出光纤1与输入光纤4之间的耦合效率，最终实现对光信号功率衰减量的精确控制。
微位移驱动装置7的驱动力由电致伸缩位移器73的负载(承受的压力)所决定，电致伸缩位移器的负载越大，驱动装置的驱动力就越大，其最大步距(一次最大位移量)和最小步距(一次最小位移量)，分别由电致伸缩位移器的最大位移和分辨率决定，其最大行走速度由电致伸缩位移器的最大通电响应速度决定，而且驱动装置的平移速度在一定范围内可以由控制程序来调节。
电致伸缩位移器731、732、733虽然具有许多优点，但是也存在一些缺点，如存在蠕变和滞后，以及非线性问题，因此，在实际工作过程中，为了提高控制精度，可以采用闭环控制方式，具体的控制系统框图如图3所示，系统主要由微机控制驱动电源、微位移驱动机构和微位移反馈环节构成，其中控制器12由MCS51单片机、D/A、A/D转换装置构成。
控制系统的工作原理是：预先将位移给定值输入到单片机中，单片机每隔若干毫秒，便通过A/D转换接口采集位移监测传感器8所测得的实际位移输出值，并与给定值比较判断；然后通过D/A转换器提供给精密驱动电源0-5V的输入电压，因为精密驱动电源的放大倍数是一定的，故输入电压值的不同将引起精密驱动电源电压的变化，从而控制电致伸缩位移器的伸缩量，直到机构位移的输出值与给定值相等为止，从而使精度不受蠕变、滞后、非线性的影响，而只受检测精度和A/D转化量化误差以及控制精度的影响，提高了系统的稳定性和控制精度。
Claims (4)
1、一种可调式光衰减器，其特征是在一封闭壳体(11)内密封有：
输出光纤(1)的端面位于第一光纤准直器(3)的焦点中，该光纤准直器(3)通过固定装置(2)固定在固定底座(13)上；
输入光纤(4)位于第二光纤准直器(5)的焦点，该光纤准直器(5)通过固定装置(6)固定在微位移驱动装置(7)上；
该微位移驱动装置(7)和固定底座(13)固定在一起；
该微位移驱动装置(7)设有位移监测传感器(8)、精密驱动电源(9)和电压调节器(10)；
还有一控制器(12)在封闭壳体(11)之外。
2、根据权利要求1所述的可调式光衰减器，其特征在于该微位移驱动装置(7)是一个由压电陶瓷直接驱动的柔性铰链机构，该微位移驱动装置(7)由导轨(71)、柔性框架(72)、电致伸缩器(73)和导轨(74)构成，所述的柔性框架(72)具有多个部分，每一部分设有一电致伸缩器(73)。
3、根据权利要求2所述的可调式光衰减器，其特征在于该微位移驱动装置(7)的柔性框架(72)由A、B、C三部分构成，A、B、C三部分分别设有电致伸缩位移器(731、732、733)。
4、根据权利要求3所述的可调式光衰减器，其特征在于所述的控制器(12)由单片机、D/A、A/D变换器构成。
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