DE19811660C1

DE19811660C1 - Fiber optical modulator

Info

Publication number: DE19811660C1
Application number: DE1998111660
Authority: DE
Inventors: Helene Dr Debeda; Peter Krippner; Juergen Dr Mohr; Ulrike Dr Wallrabe; Joerg Dr Wengelink
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2018-03-19

Abstract

the modulator has a substrate (1) of a piezoceramic, magnetostrictive, electrostrictive or shape-memory alloy which can contract on the application or removal of an electric voltage or electric or magnetic field or for a temp. change between the upper and lower sides. Light conductors (2,3) and a flexural beam (9) on blocks (7,8) are applied to the substrate. A stop (10) on the beam lies at least partially in the gap between the light conductors in the contracted state

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Modulator gemäß dem ersten Patentanspruch.The invention relates to a fiber optic modulator according to the first claim.

Eine Reihe von faseroptischen Modulatoren werden kommerziell an geboten. Beispiele sind faseroptische Modulatoren mit festem Ab schwächungsgrad (Prospekte der Firmen FOCI und Melles Griot) faseroptische Modulatoren mit motorisch angetriebenen Blenden (Prospekte der Firmen Profile Optische Systeme GmbH und LASER 2000) und konventionell aufgebaute optische Abschwächer (Prospekt von Hewlett Packard). Bei Modulatoren mit festem Ab schwächungsgrad kann der Abschwächungsgrad nicht verändert wer den; zudem ist der nutzbare Wellenlängenbereich eingeschränkt. Bei den übrigen Modulatoren handelt es sich um aufwendige Kon struktionen, die sich nicht miniaturisieren lassen.A number of fiber optic modulators are commercially available commanded. Examples are fiber optic modulators with a fixed Ab degree of weakening (brochures of the companies FOCI and Melles Griot) fiber optic modulators with motorized shutters (Brochures from Profile Optische Systeme GmbH and LASER 2000) and conventionally designed optical attenuators (Hewlett Packard brochure). For modulators with a fixed Ab degree of weakening, the degree of weakening cannot be changed the; the usable wavelength range is also restricted. The other modulators are complex cones structures that cannot be miniaturized.

Aus der DE 295 20 885 U ist ein mikromechanischer Aktor bekannt, bei dem auf einem Substrat aus einer Piezokeramik, einem elek tro- oder einem magnetostriktiven Material zwei Blöcke fest auf gebracht sind, die durch ein über dem Substrat frei bewegliches Biegeelement verbunden sind, wobei das Biegeelement sich bei ei ner Kontraktion des Substrats z. B. in paralleler Richtung zum Substrat aufwölbt.A micromechanical actuator is known from DE 295 20 885 U, in which on a substrate made of a piezoceramic, an elec tro- or a magnetostrictive material two blocks firmly brought by a freely movable over the substrate Bending element are connected, the bending element at ei ner contraction of the substrate z. B. in parallel to Bulges substrate.

Eine besondere Ausführungsform dieses mikromechanischen Aktors ist aus der DE 195 49 353 C2 bekannt. Bei diesem Aktor ist der Biegebalken zusätzlich mit einem Betätigungshebel versehen. Der Betätigungshebel vollzieht jedoch bei der Kontraktion des Substrats eine Bewegung parallel zur Kontraktionsrichtung.A special embodiment of this micromechanical actuator is known from DE 195 49 353 C2. With this actuator is the Bending beam additionally provided with an operating lever. Of the However, actuation levers take place when the contraction of the Substrate a movement parallel to the contraction direction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Modulator vorzuschlagen, der mit den Methoden der Mikrostruktur technik herstellbar ist und bei dem durch Kontraktion des Substrats eine Blende senkrecht zur Kontraktionsrichtung beweg bar ist. Der Abschwächungsgrad soll stufenlos einstellbar sein, wobei die Abschwächung bei Bedarf auch fernbedient erfolgen kann.The invention has for its object a fiber optic Propose modulator using the methods of microstructure technology can be produced and by contraction of the Moving a diaphragm perpendicular to the direction of contraction is cash. The degree of weakening should be infinitely adjustable, the attenuation can also be done remotely if necessary can.

Die Aufgabe wird durch den im ersten Patentanspruch beschriebe nen faseroptischen Modulator gelöst. In den abhängigen Ansprü chen sind bevorzugte Ausgestaltungen des faseroptischen Modula tors angegeben.The task is described in the first claim fiber optic modulator solved. In the dependent claims Chen are preferred embodiments of the fiber optic module tors specified.

Der erfindungsgemäße faseroptische Modulator ist auf einem Substrat aus einer Piezokeramik oder einem magneto- oder elek trostriktiven Material oder einer Formgedächtnislegierung aufge baut. Als Piezokeramik, magneto- oder elektrostriktives Material können die in den beiden zuletzt angegebenen Druckschriften genannten Materialen Verwendung finden. Wird eine Piezokeramik eingesetzt, ist das Substrat vorzugsweise sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite jeweils mit einer elektrisch leiten den Schicht versehen, die als Elektroden dienen und an die eine Spannung angelegt werden kann. Es sind solche Piezokeramiken einsetzbar, bei denen die Kontraktion entweder beim Anlegen der Spannung oder beim Reduzieren bzw. Abschalten der Spannung ein tritt. Entsprechend können magneto- oder elektrostriktive Mate rialen als Substrat verwendet werden, die entweder beim Erzeugen oder beim Abschalten eines magnetischen oder elektrischen Feldes in einen kontrahierten Zustand übergehen. Besteht das Substrat aus einer Formgedächtnislegierung, kann der kontrahierte Zustand durch eine Temperatur erreicht werden. Die Kontraktion erfolgt sowohl bei Piezokeramiken als auch bei magneto- oder elek trostrikiven Substraten oder den Substraten aus einer Formge dächtnislegierung entlang einer Vorzugsrichtung x.The fiber optic modulator according to the invention is on one Substrate made of a piezoceramic or a magneto- or elec trostrictive material or a shape memory alloy builds. As piezoceramic, magneto- or electrostrictive material can the in the last two publications mentioned materials are used. Becomes a piezoceramic used, the substrate is preferably both on the top as well as on the underside with an electric wire the layer that serve as electrodes and to the one Voltage can be applied. These are piezoceramics can be used in which the contraction either when creating the Voltage or when reducing or switching off the voltage occurs. Accordingly, magneto or electrostrictive mate rials can be used as a substrate, either when generating or when switching off a magnetic or electrical field go into a contracted state. Exists the substrate from a shape memory alloy, the contracted state can be achieved by a temperature. The contraction takes place both for piezoceramics and magneto or elec trostrictive substrates or the substrates from a molding memory alloy along a preferred direction x.

Auf dem Substrat sind parallel zu der Richtung x zwei Lichtlei ter aufgesetzt, die auf einer gemeinsamen Achse liegen und deren Stirnflächen in einem Abstand zueinander stehen. Der Abstand kann beispielsweise 10 bis 200 µm betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich auf dem Substrat zwei Führungen, die zusätzlich Endanschläge aufweisen können, so daß sich die Lichtleiter einfach und in ihrer Lage reproduzierbar in die Führungen einschieben lassen. Damit wird eine einfache Be stückung ohne aktive Kontrolle der Einfügeverluste bei der Mon tage ermöglicht.There are two light lines parallel to the direction x on the substrate ter placed on a common axis and their End faces are at a distance from each other. The distance can be, for example, 10 to 200 microns. In a preferred one Embodiment, there are two guides on the substrate, which can also have end stops, so that the Simple and reproducible in their position in the light guide Let the guides slide in. So that a simple loading without active control of the insertion losses in the mon days allowed.

Auf einer Linie parallel zu den Lichtleitern sind auf dem Substrat zwei Blöcke fest angebracht, die ebenfalls in einem Ab stand zueinander stehen. Der Abstand der Blöcke soll wesentlich größer sein als der Abstand zwischen den beiden Lichtleitern; er kann beispielsweise zwischen 2 und 20 mm betragen. Vorzugsweise sind die Abstände zwischen den Lichtleitern und den Blöcken zu einander zentriert angeordnet.On a line parallel to the light guides are on the Substrate two blocks firmly attached, which are also in an Ab stood facing each other. The spacing of the blocks should be significant be greater than the distance between the two light guides; he can be, for example, between 2 and 20 mm. Preferably are the distances between the light guides and the blocks too centered on each other.

Die beiden Blöcke sind mit einem Biegebalken miteinander ver bunden. Der Biegebalken ist auf dem Substrat frei beweglich. Dies wird dadurch erreicht, daß der Biegebalken nicht direkt auf dem Substrat aufliegt, sondern in einem Abstand zum Substrat steht. Der Biegebalken ist in der Weise geformt, daß er sich bei einer Kontraktion des Substrats in Richtung auf den Abstand zwi schen den beiden Lichtleitern aufwölbt.The two blocks are joined together with a bending beam bound. The bending beam can move freely on the substrate. This is achieved in that the bending beam is not directly on rests on the substrate, but at a distance from the substrate stands. The bending beam is shaped in such a way that it a contraction of the substrate in the direction of the distance between bulging the two light guides.

Auf dem Biegebalken ist eine Blende angebracht. Vorzugsweise wird die Blende senkrecht zum Biegebalken und in seiner Mitte angeordnet. Die Dimensionen der Blende sind so bemessen, daß sich bei einer Kontraktion des Substrats und bei aufgewölbtem Biegebalken die Blende zumindest teilweise in den Abstandsbe reich zwischen den beiden Lichtleitern bewegt. Wird die Blende bei der Kontraktion des Substrats teilweise in den Abstandsbe reich zwischen den Lichtleitern bewegt, erhält man einen faser optischen Modulator, bei dem das in den Lichtleitern geführte Licht nur teilweise abgeschwächt wird. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der durch vollständige Kontraktion des Substrats das in den Lichtleitern geführte Licht vollständig ausgeblendet wird. Da das Maß der Kontraktion durch Variation der Spannung, des magnetischen oder des elektrischen Feldes be einflußbar ist, kann das in den Lichtleitern geführte Licht bei dieser Ausführungsform sowohl teilweise als auch vollständig ab geschwächt werden. A cover is attached to the bending beam. Preferably the diaphragm becomes perpendicular to the bending beam and in the middle arranged. The dimensions of the panel are such that contraction of the substrate and bulging Bending beams at least partially in the spacer moved richly between the two light guides. Will the aperture in the contraction of the substrate partially in the distance Moved richly between the light guides, you get a fiber optical modulator, in which the guided in the light guides Light is only partially diminished. However, preference is given an embodiment in which by complete contraction of the Substrate completely the light guided in the light guides is hidden. Because the degree of contraction by variation voltage, magnetic or electric field can be influenced, the light guided in the light guides this embodiment both partially and completely be weakened.

Die Erfindung hat in der bevorzugten Ausführungsform den Vor teil, daß die Intensität des in den Lichtleitern geführten Lichts stufenlos bis zur völligen Abschwächung variiert werden kann, wobei keine Einschränkung hinsichtlich der Wellenlänge des verwendeten Lichts besteht. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Spannung zwischen der Ober- und der Unterseite des Substrats variiert wird. Die Modulation ist damit auch fern bedient möglich. Außer den genannten Komponenten sind keine wei teren Bauteile erforderlich, so daß eine Miniaturisierung leicht möglich ist. Der faseroptische Manipulator kann für alle Lichtwellenlängen vom UV- bis zum NIR-Bereich eingesetzt werden. Er kann zusammen mit gegebenenfalls vorgesehenen Licht leiterführungen bis auf das Einsetzen der Lichtleiter vollstän dig mit den Methoden der Mikrostrukturtechnik hergestellt wer den, so daß keine weiteren Bearbeitungs- und Justierungsschritte erforderlich sind.The invention has in the preferred embodiment the front part that the intensity of the guided in the light guides Light can be varied steplessly until complete attenuation can, with no restriction on the wavelength of the light used. This is done in a simple way achieved the tension between the top and bottom of the substrate is varied. The modulation is also far away served possible. Apart from the components mentioned, no white tere components required, so that miniaturization easily is possible. The fiber optic manipulator can be used by everyone Light wavelengths from the UV to the NIR range can be used. It can be used together with any light provided complete guide runs except for the insertion of the light guide dig using the methods of microstructure technology the so that no further processing and adjustment steps required are.

Die Herstellung des faseroptischen Modulators kann in der im folgenden beschriebenen Weise erfolgen.The manufacture of the fiber optic modulator can in the the following manner.

Auf ein Substrat aus einer Piezokeramik, einem magneto- oder ei nem elektrostriktiven Material oder einer Formgedächtnislegie rung, das auf seiner Unterseite bereits mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, wird eine Titanschicht aufge sputtert, die als Haft- und Elektrodenschicht dient. Auf die Titanschicht wird eine Kupferschicht galvanisiert, die als Op ferschicht dient. Anschließend wird Polymethylmethacrylat (PMMA) aufgetragen und mit Hilfe der Röntgenlithographie über eine Maske strukturiert. Die bestrahlten Bereiche werden in üblicher Weise herausgelöst und galvanisch durch Nickel ersetzt. Anschließend wird die Opferschicht selektiv herausgelöst, so daß der Biegebalken und die Blende frei beweglich sind.On a substrate made of a piezoceramic, a magneto or egg an electrostrictive material or shape memory alloy on the underside with an electric conductive layer is provided, a titanium layer is applied sputter, which serves as an adhesive and electrode layer. On the Titanium layer is galvanized a copper layer, which is called Op layer serves. Then polymethyl methacrylate (PMMA) applied and with the help of X-ray lithography over a Structured mask. The irradiated areas become more common Detached way and galvanically replaced by nickel. The sacrificial layer is then selectively removed so that the bending beam and the panel can move freely.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher erläu tert. The invention is explained in more detail below with reference to a figure tert.

Die Figur zeigt eine Ausführungsform des faseroptischen Modula tors.The figure shows an embodiment of the fiber optic module tors.

Auf einem ca. 0,5 mm dicken Substrat 1 aus PZT-Keramik (PI151 von PI Ceramic) sind zwei Lichtleiter 2, 3 aufgesetzt. Die Lichtleiter sind durch Führungen 4, 5 fixiert. Sie stehen in ei nem Abstand 6 von ca. 200 µm zueinander. Parallel zu den Licht leitern sind auf dem Substrat zwei Blöcke 7, 8 fest angebracht, die in einem Abstand von 10 mm zueinander stehen. Die Blöcke sind mit einem Biegebalken 9 miteinander verbunden, der die Form eines Bandes mit dem Querschnitt von 20×150 µm² aufweist. Der Biegebalken ist in seiner nicht kontrahierten Form bereits vorgewölbt; damit ist gewährleistet, daß er sich bei der Kon traktion des Substrats nur in Richtung der Lichtleiter aufwölben kann. In der Mitte des Biegebalkens 9 ist eine Blende 10 vor handen, die bei einer Kontraktion in den Abstand 6 zwischen den Lichtleitern 2, 3 bewegt wird. Die Blende ist ca. 200 µm lang und 20 µm dick. Auf der Ober- und der Unterseite des Substrats befindet sich jeweils eine Metallschicht (nicht dargestellt); die beiden Schichten dienen als Elektroden. Sie bestehen aus Titan (Oberseite des Substrats) bzw. aus Silber (Unterseite des Substrats). Bei einer zwischen den Elektroden angelegten Span nung von 1000 V kontrahiert das Substrat um 4 µm, wodurch die Blende um 120 µm ausgelenkt wird.Two light guides 2 , 3 are placed on an approximately 0.5 mm thick substrate 1 made of PZT ceramic (PI151 from PI Ceramic). The light guides are fixed by guides 4 , 5 . They are at a distance 6 of approx. 200 µm from each other. Parallel to the light conductors, two blocks 7 , 8 are firmly attached to the substrate, which are at a distance of 10 mm from one another. The blocks are connected to each other by a bending beam 9 , which has the shape of a band with a cross section of 20 × 150 μm ² . The bending beam is already bulged in its non-contracted form; this ensures that he can bulge only in the direction of the light guide when con traction of the substrate. In the middle of the bending beam 9 there is an aperture 10 which is moved during a contraction in the distance 6 between the light guides 2 , 3 . The aperture is approx. 200 µm long and 20 µm thick. There is a metal layer (not shown) on the top and bottom of the substrate; the two layers serve as electrodes. They consist of titanium (top of the substrate) or silver (bottom of the substrate). With a voltage of 1000 V applied between the electrodes, the substrate contracts by 4 µm, whereby the aperture is deflected by 120 µm.

Claims

1. Fiber optic modulator consisting of:

- A substrate made of a piezoceramic, a magneto- or an electrostrictive material or a shape memory alloy with a top and a bottom, which is either
- i) when applying an electrical voltage or when generating a magnetic or an electric field between the top and bottom or when a temperature increase or
- ii) when switching off an electrical voltage applied between the upper and the lower side or a magnetic or electrical field or in the event of a temperature drop into a state contracted in one direction x,
- two light guides on the top of the substrate, which are arranged parallel to the direction x and whose faces are at a distance from one another,
two blocks firmly attached to the substrate, which are arranged on a parallel to the light guides and are at a distance from one another,
a bending beam which is attached to the two blocks, connects the two blocks to one another, is movable over the substrate and, in the contracted state of the substrate, approaches the distance between the two light guides,
- A diaphragm, which is fixedly attached to the bending beam and designed so that it is at least partially in the contracted state of the substrate in the distance between the light guides.

2. Fiber optic modulator according to claim 1, wherein the Substrate is provided with guides for the light guide.

3. Fiber optic modulator according to claim 2, wherein the guide are provided with end stops for the light guides.

4. Fiber-optic modulator according to one of claims 1 to 3, where single-mode fibers are used as light guides.

5. Fiber optic modulator according to one of claims 1 to 3, where multi-mode fibers are used as light guides.

6. Fiber-optic modulator according to one of claims 1 to 5, in which the input-side fiber end face by one or several optical elements on the fiber end on the output side area is mapped.