CN1472584A - 数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，包括经耦合光路对准的两个输入输出光纤准直器固定于基板上，其中间设置与弹性片连接的挡光片，其尾端与偏心轮成点接触，挡光片所在平面穿过转轴的轴心，齿轮和偏心轮同轴安装绕转轴转动，与齿轮相啮合的齿条装在横向弹性片上，横向弹性片连接有纵向弹性片，横向弹性片和纵向弹性片分别与装在基板上各自的位移驱动器连接。本发明用位移驱动器驱动齿轮/齿条啮合机构，带动偏心轮，从而移动挡光片调节光衰减量，使其光衰减系数实现了数字化电控调节。本发明的各个部件加工方便，便于实现低成本的大批量的自动化生产。

Description

数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器

                          技术领域

本发明涉及可调光衰减器，尤其是一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器。

                          背景技术

光衰减器(Optical Attenuator)是现代光传输网络中重要的光无源器件之一，其主要功能是衰减通过器件的光信号功率，获得用户指定的光功率输出。在光传输过程中，传输的光功率由于光纤的传输距离、光纤连接次数、所用的光学部件的数量以及性能的不同而各不相同。对于各种不同的光传输系统，当它们之间发生光交换时因为各自特性不同输入和输出的光功率要求也各不相同。因此当传输系统光接收/输出的光功率过量时，则需要光衰减器来调节。随着光传输技术的发展，尤其是波分复用(Wave DiVision Multiplexing)光网络的发展，光衰减器具有广泛的应用性。这些应用包括光传输线路、系统的评估、研究及调整、校正等方面，例如：EDFA控制、DWDM系统发送器或接收器信号水准调制、OADM水准调制或通道阻断。

光衰减器可根据其功能分为固定光衰减器(Fixed Optical Attenuator)和]调光衰减器(Variable Optical Attenuator)。其中，可调光衰减器(VOA)又可以分为，手动可调光衰减器和电控可调光衰减器两类。其中，手动可调光衰减器虽然具有容易实现并且成本较低的优点，但是操作困难，而且不易达到高衰减精度。与之相反，电控可调光衰减器精度较高，操作方便，并且可作为相对独立功能模块嵌入到设备当中使用，适合光传输设备的测试和维护，从而受到市场的广泛欢迎，具有很大的发展前景。

一种现有电控可调光衰减器采用电磁线圈和弹簧来造成两光纤的横向位错(参考图11(b))，调节光信号衰减。但是由于光纤直径一般约为125μm，在通常情况下横向位移参数的数量级均在微米级，光纤的移动将难以精确控制，两段光纤较难对准，给操作带来很大的不便；光纤纤芯容易受到污染，造成衰减精度降低；用这种方法移动光纤无法实现器件稳定在不同的衰减量处的功能；用这种方法移动光纤，器件的光衰减量和光纤之间位错量二者存在一个非线性的关系(参考图10)，并且在该设计中这种非线性关系无法进行线性的校正。

另一种现有的电控可调光衰减器采用步进电机带动“蜗杆—齿轮—螺杆”结构(参考图11(a))，来调节两个光纤准直器之间的横向位错，实现对光信号的衰减。在这种结构中，两个光纤准直器产生位错的步长由丝杆的螺距来决定。这种结构也存在缺点，首先是其衰减变化的步长(分辨率)受到丝杆的限制，无法得到较高的衰减精度。其次是用这种方法移动光纤，依然无法校正光衰减量与位错量之间的非线性关系。同时由于使用了步进电机，使得结构庞大，造价较高。

总的来说，这两种光纤(光纤准直器)位错型的光衰减器，都存在光衰减精度不高，同时光衰减量的非线性效应无法校正的缺点。

又一种现有电控可调光衰减器如图11(c)所示，该设计采用两个平行放置的光纤准直器31、32，两个准直器的前端各放一片与准直器光轴成45°角的小镜子30、33，用步进电机和丝杆装置29驱动一个渐变光吸收密度滤光片34在两个小镜子之间光路的垂直方向上移动，改变系统的光衰减量。虽然使用了渐变光吸收密度滤光片，有助于校正滤光片位移与光衰减量之间的非线性关系。然而，一般的渐变光吸收密度滤光片大多是镀膜型的，其良好的性能对镀膜技术的要求较高，目前国内尚无法做到。又由于渐变光吸收密度滤光片对光信号的依赖性，使得衰减器工作波段窄、偏振模式色散大，并且采用该结构的滤光片可能造成较大的回波损耗。该设计的驱动结构采用了步进电机，不但使得整个装置结构庞大，而且造价较高。

                          发明内容

本发明的目的在于提供一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，能够对挡光片行程与光衰减量的非线性进行线性校正，能够对光衰减量进行数字化调节，实现批量生产的电磁驱动微机械式可变光衰减器。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：包括经耦合光路对准的两个输入输出光纤准直器固定于基板上，两个输入输出光纤准直器中间设置与弹性片连接的挡光片，挡光片尾端的弹性片与装在转轴上的偏心轮成点接触，并且挡光片所在平面穿过转轴的轴心，齿轮和偏心轮同轴安装并固定在一起，绕垂直固定在基板上的转轴转动，与齿轮相啮合的齿条装在横向弹性片上，横向弹性片连接有纵向弹性片，横向弹性片和纵向弹性片分别与装在基板上各自的位移驱动器连接。

所说的位移驱动器：包括与横向弹性片和纵向弹性片连接的第一、第二铁镍薄片分别由第一、第二弯曲弹性体连接到各自的U型铁芯的一端，U型铁芯的另一端上绕有线圈，铁镍薄片分别与U型铁芯两端保持有一个微小间隙构成磁回路。

所说的位移驱动器：包括分别与横向弹性片和纵向弹性片连接的数片机械上串联、电路上并联的压电陶瓷片粘迭起来的压电陶瓷迭堆。

所说的位移驱动器：包括分别与横向弹性片和纵向弹性片连接的左右两端分别有两排交错排列的梳持平板结构，通过弹性片作悬臂梁，使整个活动梳齿平板悬空于基板上的静电梳。

所说的位移驱动器：包括分别与横向弹性片和纵向弹性片连接的是利用两种热膨胀系数相差悬殊的金属或合金构成的复合材料制成的热双金属片。

所说的偏心轮：是偏心凸轮或采用多项式拟合曲线形状的偏心轮。

两个光纤准直器之间设置了一个挡光片刀口形状采用方形或圆形或梯形或三角形或采用多项式拟合曲线的形状，该挡光片切入光路的角度α在0°～90°之间。

本发明与背景技术相比，具有以下优点：

1、它可以通过改变偏心轮的形状，使得挡光片行程与光衰减量的之间的存在的非线性关系得到线性的校正；

2、在光衰减量连续可调的基础上还实现了数字化控制，根据输入脉冲的个数，可以精确调节光衰减量；

3、线圈电磁驱动光衰减器不仅驱动电压低，而且驱动采用电脉冲驱动，无须稳恒电压维持其工作状态，由此可降低器件功率，避免因功率过高产生热量在器件内部积蓄，提高工作稳定性；

4、具有自锁功能，只需利用电脉冲既可实现工作状态的转换，无须稳恒电压维持其工作状态，由此可降低器件功率，提高工作稳定性；

5、挡光片由电脉冲驱动，步进速度快，响应时间小于0.8毫秒，插入损耗低于0.5分贝，回波损耗高于50分贝，波长相关性损耗小于0.1分贝，偏振相关性损耗小于0.1分贝，动态范围为50分贝，工作电压小于12伏；

6、它所采用的结构可复制性好，并可精确定位，与在先技术的光衰减器相比，利用机械微加工技术，可实现齿轮、齿条、转轴和基板一体化加工，工艺简单，有利于大批量生产。

                          附图说明

图1是本发明的数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器结构示意图。

图2是挡光片行程放大结构图。

图3是所述光衰减器的光路示意图。

图4是数字化微进驱动机构一个运动周期的4个实施状态。

图5是压电陶瓷位移驱动器的示意图。

图6是静电梳位移驱动器的示意图。

图7是热双金属片位移驱动器的示意图。

图8是偏心轮形状示意图。

图9是几种关系曲线图。

图10是线性校正前的光衰减量曲线图。

图11是三种现有电控可调光衰减器示意图。

                       具体实施方式

如图1所示，经耦合光路对准的两个输入输出光纤准直器2、3固定于基板1上，两个输入输出光纤准直器2、3中间设置与弹性片4连接的挡光片19，挡光片19尾端在弹性片4作用下，与装在转轴7上的偏心轮5成点接触，并且挡光片19所在平面穿过偏心轮5转轴7的轴心，齿轮6和偏心轮5同轴安装并固定在一起，绕垂直固定在基板上的转轴7转动，与齿轮6相啮合的齿条13，通过横向和纵向弹性片12、18分别与第一、第二铁镍薄片11、17连接，第一、第二铁镍薄片11、17分别由第一、第二弯曲弹性体10、16连接到各自的U型铁芯(9、15)的一端，U型铁芯(9、15)的另一端上绕有线圈(8、14)，铁镍薄片与U型铁芯两端保持有一个微小间隙(即为齿条的一个齿距)构成磁回路。

本发明的工作原理为：当线圈8两端输入一高电平电压时，线圈内铁芯9被磁化，将铁镍薄片11吸附到U形铁芯9的两端，由此，连接在铁镍薄片11上的细长弹性片12带动齿条13作横向运动(设为正x方向)，运动距离为齿条的一个齿距；当高电平转为低电平，吸力消失，铁镍薄片11在弯曲弹性体10回复力作用下回到原位置，这时，齿条13作反向运动(负x方向)，运动距离也为一个齿距。同理，齿条13的纵向通过细长弹性片18与铁镍薄片17相连，当线圈14接通一个电脉冲，在高电平持续时间内，铁镍薄片17吸附到U形铁芯15的两端，连接在铁镍薄片17上的细长弹性片18带动齿条13纵向运动(设为负y方向)，脱离与齿轮6的啮合；当高电平转为低电平，齿条13又回到啮合状态，实现自锁。

如图4所示，利用脉冲控制的两个电磁驱动线圈带动齿条分别作纵向、横向运动，来带动齿轮转动。一个运动周期分4个实施状态：图4a为第一实施状态，电磁线圈14处于脉冲低电平，齿条13纵向不受力的作用，所以齿条13与齿轮6处于啮合状态，电磁线圈8达到脉冲高电平并保持一段时间，带动齿条13横向运动(正x方向)一个齿距，相应地与齿条13啮合的齿轮6顺时针方向转过一个齿；图4b为第二实施状态，电磁线圈8继续保持高电平，同时，向电磁线圈14输入一脉冲高电平并保持一段时间，带动齿条13作纵向运动(负y方向)，使齿条13脱离齿轮6的啮合；图4c为第三实施状态，电磁线圈14继续保持高电平，即齿条13与齿轮6维持脱离状态，电磁线圈8达到脉冲低电平，使得齿条13在与齿轮6维持脱离状态中负x方向横向运动一个齿距，齿轮6位置不受影响；图4d为第四实施状态，电磁线圈8保持低电平，电磁线圈14达到脉冲低电平并维持一段时间，使齿条13纵向(正y方向)运动，回到与齿轮6啮合状态，实现自锁。一个运动周期中，齿轮转过一个齿。当下一个周期的两路驱动脉冲到达时，线圈8、14、齿条13等在电脉冲的驱动下能够重复上面动作。采用多个电脉冲连续输入，就可以实现齿轮6顺时针方向转动。

如图2所示为挡光片行程放大结构图，齿轮6的转动将带动与之固定在一起的偏心轮5转动。由于挡光片19末端是在弹性片4作用下与偏心轮5保持点接触的，偏心轮5转动，推动挡光片19作水平推进或后退。在连续电脉冲的作用下，齿轮逐齿转动从而步进旋转偏心轮，使挡光片在输入输出光纤准直器之间的耦合光路中移动，剪切光径，实现对输入光功率的数字化衰减。

本发明中，除了应用电磁线圈作为齿条的位移驱动器20、21来实现上面所说的驱动逻辑以外，又以压电陶瓷22、23、静电梳结构24、25、热双金属片26、27组作为位移驱动器。

压电陶瓷位移驱动器22、23是将许多压电陶瓷片粘迭起来使用的压电陶瓷迭堆，如图5所示，压电陶瓷片之间在机械上串联，电路上并联。压电陶瓷作为微位移器件，具有结构简单、体积小、分辨率小、频响快、没有发热问题等优点，是理想的微位移器件，尤其适合亚微米以至纳米级微定位机构。因此以压电陶瓷位移驱动器，是实现数字化可调光衰减器小范围内可调，精度微定位的有效途径。压电陶瓷位移的响应速度为微秒级。

静电梳结构的位移驱动器24、25同样可与压电陶瓷位移驱动器相比。如图6所示，它左右两端分别有两排交错排列的梳持平板结构，通过弹性片作悬臂梁，使整个活动梳齿平板悬空于基板上，在驱动电压的作用下，活动梳齿受到一个水平方向的静电力，使整个结构产生平行与基板底面横向运动。但静电梳一般所需驱动电压较高，典型工作电压在100V到200V之间。调节距离在微米级，响应时间在毫秒级。

如图7所不，热双金属片位移驱动器26、27是利用两种热膨胀系数相差悬殊的金属或合金构成的复合材料制成。当它受热时具有较高热膨胀系数的金属层(称为主动层)向低膨胀系数的金属层(称为被动层)弯曲，于是将温度变化量转变为机械位移量。一般通过下列3种方式来获得热双金属片的弯曲位移。1)从接触热源或受热辐射获得热量升温引起使热双金属片弯曲；2)将一个电热元件设置在热双金属片周围，电热元件产生的热量使其升温弯曲；3)让工作电流全部或部分通过热双金属片，利用热双金属片本身的电阻发热而升温弯曲。双金属片动作时的作用力很小，通常需要采用多层复合来获得较大的作用力。参考图7，它是一种栅形双金属片的组合形式，有多组双金属片，每组采用多层复合。当双金属片受热时，将产生弹性热变形，带动弹簧片产生近似的直线运动。双金属片响应速度为毫秒级。

本发明的目的是为了最终得到输入驱动脉冲个数N与光衰减量Y之间的线性关系。当挡光片挡光刀口为直刀口，挡光片行程S与光衰减量Y之间具有非线性关系，如图9(c)所示曲线，在高衰减量时曲线斜率逐渐增大。因此需要调节输入驱动脉冲个数N与档光片行程S之间的关系，来补偿挡光片行程S与光衰减量之间的非线性。为了达到这个目的，如图8(b)所示，偏心轮28外形可以制成多项式拟合曲线的形状，输入驱动脉冲N与挡光片行程S之间关系符合如图9(b)所示的补偿曲线时，就可以得到输入驱动脉冲N和光衰减量Y之间的线性依赖关系，如图9(a)，从而校正挡光片行程与光衰减量的非线性。图8(a)为一般的偏心轮，没有进行线性校正，则输入驱动脉冲N与光衰减量Y之间的依赖关系如图10所示。它显然是非线性的。

为了达到输入驱动脉冲个数N与光衰减量Y之间的线性关系，还可以通过改变挡光片19挡光刀口的形状，调节挡光片行程S与光衰减量Y之间具有非线性关系，最终得到驱动脉冲个数N与光衰减量Y之间的线性关系。

如图2所示为所述光衰减器的光路示意图。输入光信号由输入光纤准直器2进入，经耦合光路与输出光纤准直器3对准，耦合光路中插入挡光片19，根据挡光片19的挡光行程，调节输入光功率的衰减量。

Claims (7)

1.一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，其特征在于：经耦合光路对准的两个输入输出光纤准直器(2、3)固定于基板(1)上，两个输入输出光纤准直器(2、3)中间设置与弹性片(4)连接的挡光片(19)，挡光片(19)尾端的弹性片(4)与装在转轴(7)上的偏心轮(5)成点接触，并且挡光片(19)所在平面穿过转轴(7)的轴心，齿轮(6)和偏心轮(5)同轴安装并固定在一起，能绕垂直固定在基板上的转轴(7)转动，与齿轮(6)相啮合的齿条(13)装在横向弹性片(12)上，横向弹性片(12)连接有纵向弹性片(18)，横向弹性片(12)和纵向弹性片(18)分别与装在基板(1)上各自的位移驱动器(20、21)连接。

2.根据权利要求1所述的一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，其特征在于：所说的位移驱动器(20、21)包括与横向弹性片(12)和纵向弹性片(18)连接的第一、第二铁镍薄片(11、17)分别由第一、第二弯曲弹性体(10、16)连接到各自的U型铁芯(9、15)的一端，U型铁芯(9、15)的另一端上绕有线圈(8、14)，铁镍薄片(11、17)分别与U型铁芯(9、15)两端保持有一个微小间隙构成磁回路。

3.根据权利要求1所述的一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，其特征在于：所说的位移驱动(20、21)包括分别与横向弹性片(12)和纵向弹性片(18)连接的数片机械上串联、电路上并联的压电陶瓷片粘迭起来的压电陶瓷迭堆(22、23)。

4.根据权利要求1所述的一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，其特征在于：所说的位移驱动器(20、21)包括分别与横向弹性片(12)和纵向弹性片(18)连接的左右两端分别有两排交错排列的梳持平板结构，通过弹性片作悬臂梁，使整个活动梳齿平板悬空于基板上的静电梳(24、25)。

5.根据权利要求1所述的一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，其特征在于：所说的位移驱动器(20、21)包括分别与横向弹性片(12)和纵向弹性片(18)连接的是利用两种热膨胀系数相差悬殊的金属或合金构成的复合材料制成的热双金属片(26、27)。

6.根据权利要求1所述的一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，其特征在于：所说的偏心轮(5)是偏心凸轮或采用多项式拟合曲线形状的偏心轮。

7.根据权利要求1所述的一种数字化电磁驱动挡光式可调光衰减器，其特征在于：两个光纤准直器(2、3)之间设置了一个挡光片(19)刀口形状采用方形或圆形或梯形或三角形或采用多项式拟合曲线的形状；该挡光片(19)切入光路的角度α在0°～90°之间。

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