專利名稱：可變光衰減器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可控地衰減光信號的可變光衰減器。本發(fā)明具體涉及緩變孔濾波器形式的可變光衰減器，它基本上是波長無關(guān)和偏振無關(guān)的。
本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員知道多種形式的光衰減器。理想地，光衰減器提供一種控制光束強(qiáng)度而不明顯地影響光束其它性質(zhì)的裝置。
傳統(tǒng)上，利用可變孔徑或光闌調(diào)節(jié)光束的橫截面，因此，調(diào)節(jié)光束的總能量。然而，大多數(shù)阻擋部分光信號的單孔徑衰減器是波長有關(guān)和偏振有關(guān)的，因此，限制了這些器件在許多應(yīng)用中的使用。
我們還知道線柵型光衰減器，例如，在Arthur Ashkin的美國專利No.3,620,599中有描述，把它合并在此供參考。這些類型的光衰減器是在衍射原理下工作的。線柵型光衰減器包括多個均勻間隔的平行反射線，其中這些線直徑和它們之間的間隔是這樣選取的，大于被衰減的光波長約1至3個數(shù)量級?？勺兯p是通過圍繞平行于所述線的軸旋轉(zhuǎn)線柵完成的。雖然這些光衰減器在高功率條件下工作得很好，因散射和/或背反射而引起許多問題，這些問題使透射質(zhì)量下降并導(dǎo)致反饋噪聲。當(dāng)這些衰減器接近激光器時，這種反射光還造成激光器性能的下降。
更普遍地，可變光衰減器是連續(xù)可變的中性密度濾波器，其中光密度是濾波器區(qū)域上位置的變化函數(shù)。這些濾波器一般是由帶金屬涂層的光玻璃襯底制成的，其密度隨濾波器表面的距離而增大。當(dāng)濾波器相對于光束運動時，通過光信號的吸收和反射實現(xiàn)衰減。一般地說，這種濾波器的運動是圍繞被衰減光束軸的旋轉(zhuǎn)。
在Tamulevich的美國專利No.4,904,044中公開一種連續(xù)可變光纖衰減器，其中密度梯度的變化是沿著它的長度方向，把它合并在此供參考。該衰減器利用可變光密度的靈活濾波器，它朝向兩條光纖之間的光耦合區(qū)。按照這樣的方式放置衰減器，改變光耦合區(qū)中的衰減器密度，從而改變該器件的衰減度。耦合到衰減器的電阻器提供一種衰減器定標(biāo)的手段，給出高精度和可重現(xiàn)的衰減度。
雖然連續(xù)可變的中性密度濾波器工作得令人滿意，它們的制造成本很高，且在光譜的吸收，反射和折射特性方面存在一些缺點。
特別是，由于中性密度特征具有高的吸收特性，金屬涂層的溫度可以到達(dá)很高的量級，因而誘發(fā)某些隨時間發(fā)生的疲勞現(xiàn)象(例如，分層，氧化，退火，等等)。所以，該濾波器的本征特性受到影響，例如，密度。此外，由于濾波器表面上不規(guī)則性導(dǎo)致反射光干涉造成的干擾是另一種限制，特別是在濾波器的溫度增高時，例如在高的光強(qiáng)度應(yīng)用中所發(fā)現(xiàn)的。
此外，金屬涂層的應(yīng)用要求很高的精度，且經(jīng)常隨不同的分批而變化。而且，制造這樣的中性密度濾波器是極其困難的，其中金屬層的沉積是按照這樣一種方式，濾波器的衰減度與位置之間的關(guān)系大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。
本發(fā)明的一個目的是，提供一種排除大部分或全部上述缺點的光衰減器，而且，它的制造工藝不太復(fù)雜且成本較低。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種基本上波長無關(guān)和偏振無關(guān)的光衰減器，而且，它可在高功率應(yīng)用中使用。
本發(fā)明提供一種可變光衰減器，它基本上是波長無關(guān)和偏振無關(guān)的。類似于線柵型光衰減器，本發(fā)明的緩變孔濾波器是在衍射原理下工作的。具體地說，通過濾波器透射的零級衍射光提供與波長無關(guān)的衰減輻射。
按照本發(fā)明提供一種可變光衰減器，用于衰減包含光信號的光束，光束直徑約小于1mm，包括濾波器，包括有多個離散孔徑的薄片，用于提供沿確定薄片梯度軸路徑的透射梯度，多個孔徑有預(yù)定的形狀，尺寸和分布，且其長度和它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束直徑；輸入端口，使光束以預(yù)定的夾角射向濾波器；
輸出端口，接收來自濾波器的基本會聚的光；和運動裝置，提供光束與濾波器之間的相對運動，實現(xiàn)光束的可變衰減度，取決于所述濾波器相對于所述光束的位置。
按照本發(fā)明提供另一種可變光衰減器，用于衰減包含光信號的光束，光束直徑約小于1mm，包括濾波器，包括有多個基本不透明區(qū)域和多個基本透明區(qū)域的薄片，這些區(qū)域是這樣離散地分布的，每單位面積透明區(qū)域的百分比隨濾波器的尺度而增大，單位面積的直徑等同于光束直徑，多個基本透明區(qū)域有預(yù)定的形狀，尺寸和分布，且至少部分的基本透明區(qū)域的長度和它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束直徑；輸入端口，使光束以預(yù)定的夾角射向濾波器；輸出端口，接收來自濾波器的基本會聚的光；和運動裝置，提供光束與濾波器之間的相對運動，實現(xiàn)光束的可變衰減度，取決于所述濾波器相對于所述光束的位置。
按照本發(fā)明提供一種可變衰減光束的方法，該光束包含光信號，光束直徑約小于1mm，包括以下的步驟(a)照射濾波器，該濾波器包括有多個基本不透明區(qū)域和多個基本透明區(qū)域的薄片，這些區(qū)域是這樣離散地分布的，每單位面積透明區(qū)域的百分比隨濾波器的尺度而增大，單位面積的直徑等同于光束直徑，多個基本透明區(qū)域有預(yù)定的形狀，尺寸和分布，且至少部分的基本透明區(qū)域的長度和它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束直徑；(b)相對地運動濾波器和光束，實現(xiàn)光束的可變衰減度，取決于所要求的衰減度。
現(xiàn)在結(jié)合附圖描述本發(fā)明幾個典型的實施例，其中

圖1是按照本發(fā)明一個實施例的緩變孔濾波器的正視圖；圖2是緩變孔濾波器的側(cè)剖面圖；圖3是放置在兩個光波導(dǎo)之間緩變孔濾波器的側(cè)剖面圖；圖4a是有六個近鄰的中央孔徑示意圖4b是有四個近鄰的中央孔徑示意圖；圖5a是在10dB下衰減度與波長關(guān)系的曲線圖；圖5b是在20dB下衰減度與波長關(guān)系的曲線圖；圖6是偏振依賴損耗與衰減度關(guān)系的曲線圖；和圖7是衰減度與濾波器位置關(guān)系的曲線圖。
參照圖1，它表示按照本發(fā)明一個實施例用于可變光衰減器的濾波器。濾波器10包括有多個“孔徑”的薄片單元40。這些孔徑是沒有衰減材料的透明‘孔’或‘窗口’，孔徑的尺寸沿濾波器10的長度方向變化。在濾波器的高衰減端20，這些孔很小且是孤立的。在濾波器的低衰減端30，較大的孔互相重疊，以獲得最大的透明度。其結(jié)果是一種緩變孔濾波器，其中緩變孔提供沿一條路徑的透射梯度，該路徑確定濾波器的梯度軸，例如，圖1所示濾波器的縱軸。
此處所用到的術(shù)語‘透射梯度’是指，沿預(yù)定尺度每單位面積的百分比透射梯度或步長，例如，確定梯度軸的尺度。在這個典型的實施例中，單位面積定義為一個圓，其直徑等同于被衰減的光束直徑。
理想地，薄片單元是盡可能地薄以避免與光傳播通過窄‘管子’相關(guān)的現(xiàn)象。因此，最好是這樣的薄片單元40，它是被支持在襯底50(例如，玻璃)上的薄膜。對于所關(guān)心的波長區(qū)，形成薄膜40和襯底50的材料分別是不透明和透明的。在理想的情況下，不透明部分不透射光，而透明部分不影響透射光的相位。
例如，透明部分的透射光相位是受有恒定厚度襯底50的影響，這些厚度在光束的截面上是均勻的，對波長沒有影響。若光能夠傳播通過不透明部分，則光波開始出現(xiàn)不同的相位，不透明部分和透明部分透射的光波出現(xiàn)與波長有關(guān)的相對相差。因此，重要的是減少不透明部分的透射光量和保持不透明部分的厚度均勻，特別是在孔徑的邊緣部分。
最好是，薄膜40是高反射的，雖然吸收材料可能適合于某些應(yīng)用。薄膜是采用合適的材料制成的。尤其是，在應(yīng)用于非常薄層的情況下，金是特別適合的，因為它具有高的反射率，耐用性，和容易加工。
根據(jù)應(yīng)用的目的預(yù)先確定孔的形狀，尺寸和分布。一般地說，各個孔形狀的設(shè)計是考慮減小偏振問題，而各個孔之間間隔的設(shè)計是為了控制衍射光和/或反射光。關(guān)于前一個問題，如同長的狹縫一樣，對稱的周期性形狀一般不會產(chǎn)生相同的偏振問題。關(guān)于后一個問題，這些孔通常是密集在一起，通過擴(kuò)展反射的衍射圖案以控制背反射。然而，減小背反射是一個非常復(fù)雜的問題。應(yīng)當(dāng)根據(jù)濾波器的夾角(圖2)，選擇孔的尺寸和孔的間隔以控制背反射。
按照圖1，這些孔是圓形且有均勻的分布。分布圖案設(shè)計成使相鄰孔徑之間的間隔最小。具體地說，每個孔徑設(shè)計成有六個近鄰，即，每個中央孔徑周圍有六個相鄰孔徑，這些相鄰孔徑與所述中央孔徑之間有相同的中心至中心距離離。例如，圖4a與4b進(jìn)行比較，這兩個圖分別表示有六個近鄰和四個近鄰。一般地說，兩個孔之間的間隔約在1μm至100μm。對于約40μm的間隔，可能是這種情況，至少一些孔的面積至少約為500μm2。
當(dāng)然，其他的形狀和/或圖案也是可能的。例如，圓形，橢圓形，三角形，正方形，菱形，六邊形，和/或其他的多邊形也是合適的，例如，蜂巢圖案(圖4a)，棋盤形(圖4b)，或其他的布置?；蛘撸植即笾率菬o規(guī)的，而在沿梯度軸方向仍然有平坦的透射梯度。
這些孔的尺寸和間隔對于本發(fā)明是至關(guān)重要的。在形成薄膜40時要求有某種程度的高質(zhì)量。最好是，圖案內(nèi)的缺陷小于被衰減光的波長，為的是不影響該光。實際上存在這樣的可能性，很小孔的缺陷相對于它們的尺寸是很大的。若薄膜40有很大的厚度，則最好是，該薄膜制作成有直的邊緣。
在此處描述的每個實施例中，最好是，孔的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被衰減光的波長，孔的分布是這樣的，給定光束的橫截面上有許多孔，且光束被衰減的程度取決于其中濾波器的位置。最好是，衰減度與濾波器位置之間是線性關(guān)系。值得注意的是，孔徑上沒有影響透射光的任何材料或鍍層。
雖然上述的濾波器10描述成其中包括有多個孔或孔徑的薄膜，應(yīng)當(dāng)注意，同樣可以描述成其表面上包括有離散的多個基本不透明區(qū)域和基本透明區(qū)域的透明襯底。后一種描述說明這樣一個事實，在濾波器的低衰減端30，‘孔’在視覺上是不可見的；并支持本發(fā)明的一個實施例，其中薄膜加到透明襯底的表面上。例如，薄膜是以預(yù)定的圖案‘涂抹’或‘濺射’在透明襯底的表面。多個透明區(qū)域相當(dāng)于沒有衰減材料的多個光透射窗口。按照后一種描述，多個基本不透明區(qū)域和基本透明區(qū)域是這樣分布的，每單位面積的透明區(qū)域百分比是沿濾波器的距離而增大的，其中選取單位面積的尺寸足夠地大，它至少包括最大的透明區(qū)域，且其中至少部分的基本透明區(qū)域的長度和它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被衰減的光束直徑。
光衰減器還包括運動裝置110，用于在光束的范圍內(nèi)運動濾波器10。例如，可以制造這樣的自動反饋系統(tǒng)，它使濾波器的位置與合適的衰減度相關(guān)。或者，提供一個傳動裝置110，使濾波器的位置相應(yīng)地逐步前進(jìn)。
在操作時，濾波器10是沿著光路徑放置的，它有一個仔細(xì)設(shè)計的夾角θ，如圖2中的虛線所示。夾角θ的變化范圍是從-80°至80°，根據(jù)應(yīng)用的情況進(jìn)行選擇。例如，在多數(shù)的情況下，該夾角小于幾度，但在應(yīng)用中可以增大到45°，要求把反射的光完全偏離開光源。
濾波器10是這樣放置的，其前反射面朝向射來的光束。具體地說，濾波器10是這樣放置的，光束的橫截面至少重疊到部分的濾波器上。最好是，光束是準(zhǔn)直的，然而，這不是必要的。
當(dāng)光束射到孔徑上時，更一般地說，當(dāng)光束射到有多個孔徑的薄膜40時，部分的光束透射，其余部分的光束被反射。根據(jù)熟知的光學(xué)原理，透射光發(fā)生衍射。透射光的衍射圖案包括明亮的‘零級’光斑，其周圍是多個高級光斑。衍射圖案的角寬度與孔徑的直徑成反比?；旧吓c波長無關(guān)的零級透射光束對應(yīng)于所要求的衰減輻射。
當(dāng)濾波器沿平行于梯度軸方向或垂直于光路徑運動時，透射光的百分比從低衰減端30處的100％變化到高衰減端20處的0.1％，取決于孔的尺寸和分布圖案。具體地說，衰減度取決于光束路徑中孔的圖案。例如，為了得到30dB的衰減，該區(qū)域上的孔必須覆蓋面積的3.1％，或者比它們之間距離小5.6倍。
上述的緩變孔適合于許多的應(yīng)用。特別是，它非常適合于光纖領(lǐng)域，其中濾波器的耐久性，高功率能力，和與波長無關(guān)的性質(zhì)是非常有利的。
給出一個典型的例子，考慮圖3所示的緩變孔濾波器。第一個輸入光波導(dǎo)70給準(zhǔn)直透鏡80提供輸入信號(例如，電信信號)，準(zhǔn)直透鏡80接著提供準(zhǔn)直光束給濾波器10。透射通過濾波器10的零級光被會聚透鏡90會聚到第二個輸出光波導(dǎo)100的一端。在光束的范圍內(nèi)運動濾波器10的裝置110控制所要求的衰減度。一般地說，準(zhǔn)直光束的直徑約小于1mm。
利用安裝在JDSU HA9型衰減器(JDS Uniphase of NepeanOntario制造)上的各種緩變孔濾波器，選取的原型測量結(jié)果給出在圖5-7中，其中圖5a和圖5b表示衰減度與波長之間的關(guān)系，圖6表示偏振依賴損耗與衰減度之間的關(guān)系，而圖7表示衰減度與濾波器位置之間的關(guān)系。
觀察到相對于波長關(guān)系和偏振依賴損耗的線性度，每種線性度給出緩變孔濾波器特有的性能。
在本發(fā)明的另一個實施例中，薄膜上覆蓋著另一個玻璃襯底或薄膜沉積在厚玻璃片內(nèi)。這個實施例有附加的優(yōu)點，它能去除衰減器對灰塵或其他障礙物的靈敏性。具體地說，外層玻璃防止灰塵直接堆積在薄膜的表面。外層玻璃上的灰塵堆積產(chǎn)生一個陰影，它被衍射成覆蓋許多孔。此外，在這個實施例中，孔徑中充滿透明膠或其他的透明物質(zhì)，例如，另一個保護(hù)層。
在另一個實施例中，濾波器制作成各種形狀。例如，濾波器制作長圓形，緩變孔形成環(huán)形梯度。衰減度是通過旋轉(zhuǎn)濾波器而變化的。
在本發(fā)明的另一個實施例中，孔的尺寸不變化。因為分布圖案是這樣的，每單位面積的孔數(shù)目是沿濾波器的距離而變化，就產(chǎn)生可變的衰減度。
在另一個實施例中，多個緩變孔濾波器放置在光束的路徑上以增大衰減度?；蛘?，光學(xué)裝置允許光束多次傳播通過濾波器以增大衰減度。
總之，緩變孔濾波器有許多優(yōu)點。該濾波器是高度耐用的，且在高功率應(yīng)用中工作得很好。在上述的一個實施例中，其中濾波器的非透射區(qū)域是高反射的，該濾波器容許高功率光入射在其上面，基本上避免吸收這個光。此外，濾波器因溫度升高發(fā)生的很小變化不會嚴(yán)重改變該濾波器的性能。
在制造時，成本是合理的，且重復(fù)性很高。此外，濾波器在很寬的頻譜范圍內(nèi)工作得很出色。
此外，本發(fā)明提供一種適合于高功率應(yīng)用的簡單濾波器，與波長的關(guān)系基本上是不靈敏的。具體地說，恰當(dāng)?shù)丶庸こ叽纾螤?，和孔的間隔以及薄膜的厚度制作成這樣一個濾波器，其衰減度基本上與入射光的波長和/或偏振無關(guān)。
當(dāng)然，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的條件下，可以想象出許多其他的實施例。例如，孔徑有各種尺寸，形狀，間隔和/或分布的任意組合的濾波器也是可能的。
權(quán)利要求
1．一種可變光衰減器，用于衰減包含光信號的光束，該光束具有的直徑約小于1mm，包括濾波器，包括有多個離散孔徑的薄片，用于提供沿確定薄片梯度軸的路徑的透射梯度，該多個孔徑有預(yù)定的形狀，尺寸和分布，且其長度和它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束直徑；輸入端口，使光束以預(yù)定的夾角射向濾波器；輸出端口，接收來自濾波器的基本會聚的光；和控制器，提供光束與濾波器之間的相對運動，實現(xiàn)光束的可變衰減，取決于所述濾波器相對于所述光束的位置。
2．按照權(quán)利要求1的可變光衰減器，其中該薄片包括低衰減端和高衰減端，低衰減端和高衰減端分布在梯度軸的相對兩端。
3．按照權(quán)利要求2的可變光衰減器，其中這些孔徑是沒有衰減材料的開孔。
4．按照權(quán)利要求3的可變光衰減器，其中至少一個孔徑的面積約大于500μm2。
5．按照權(quán)利要求3的可變光衰減器，其中這些孔徑有大致均勻的分布。
6．按照權(quán)利要求5的可變光衰減器，其中每個孔徑有大致相同的形狀。
7．按照權(quán)利要求6的可變光衰減器，其中大致相同的形狀是圓形。
8．按照權(quán)利要求7的可變光衰減器，其中這些孔徑尺寸是從高衰減端向著低衰減端的方向增大。
9．按照權(quán)利要求8的可變光衰減器，其中每個孔徑有六個相鄰的孔徑，每個相鄰孔徑有相同的中心至中心距離。
10．按照權(quán)利要求9的可變光衰減器，其中該薄片是金屬膜。
11．按照權(quán)利要求10的可變光衰減器，其中濾波器包括支持金屬膜的透明襯底。
12．按照權(quán)利要求11的可變光衰減器，其中金屬膜是高反射的。
13．按照權(quán)利要求12的可變光衰減器，其中金屬膜是金膜，并沉積在透明襯底上，按照不連續(xù)和預(yù)定的安排大致在低衰減端。
14．按照權(quán)利要求13的可變光衰減器，其中透射梯度是從高衰減端的0.1％透射率延伸到低衰減端的100％透射率。
15．按照權(quán)利要求14的可變光衰減器，包括光耦合到輸入端口的準(zhǔn)直透鏡和光耦合到準(zhǔn)直透鏡的會聚透鏡，準(zhǔn)直透鏡用于準(zhǔn)直到達(dá)濾波器之前的光束，而會聚透鏡用于會聚從濾波器到輸出端口的零級衍射光。
16．一種可變光衰減器，用于衰減包含光信號的光束，該光束具有的直徑約小于1mm，包括濾波器，包括具有多個基本不透明區(qū)域和多個基本透明區(qū)域的薄片，這些區(qū)域是這樣離散地分布的，每單位面積透明區(qū)域的百分比隨濾波器的尺度而增大，該單位面積的直徑等同于光束直徑，該多個基本透明區(qū)域有預(yù)定的形狀，尺寸和分布，且至少部分的基本透明區(qū)域的長度和它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束直徑；輸入端口，使光束以預(yù)定的夾角射向濾波器；輸出端口，接收來自濾波器的基本會聚的光；和控制器，提供光束與濾波器之間的相對運動，實現(xiàn)光束的可變衰減度，取決于所述濾波器相對于所述光束的位置。
17．按照權(quán)利要求16的可變光衰減器，其中薄片是透明襯底，而基本透明區(qū)域是透明襯底表面上沒有材料的孔徑。
18．按照權(quán)利要求17的可變光衰減器，其中多個基本不透明區(qū)域是沉積在透明襯底表面上孔徑附近的薄膜，且其中光信號是通信信號。
19．一種可變衰減光束的方法，該光束包含光信號，其直徑約小于1mm，包括以下步驟(a)照射濾波器，該濾波器包括有多個基本不透明區(qū)域和多個基本透明區(qū)域的薄片，這些區(qū)域是這樣離散地分布的，每單位面積透明區(qū)域的百分比隨濾波器的尺度而增大，該單位面積的直徑等同于光束直徑，多個基本透明區(qū)域有預(yù)定的形狀，尺寸和分布，且至少部分的基本透明區(qū)域的長度和它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束直徑；(b)相對地運動濾波器和光束，實現(xiàn)光束的可變衰減度，取決于所要求的衰減度。
全文摘要
公開一種多孔徑型的可變光衰減器。該衰減器包括其中有多個孔徑的薄膜單元。多個孔徑是這樣分布的,大多數(shù)孔徑的尺寸是沿薄膜單元的距離而增大。特別是,多個孔徑的分布是按照仔細(xì)設(shè)計的圖案,其中透射光的百分比是從圖案的一端變化到圖案的另一端。該可變光衰減器基本上是與波長和偏振無關(guān)的。
文檔編號G02B6/00GK1325033SQ0111777
公開日2001年12月5日 申請日期2001年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月22日
發(fā)明者戴維·格蘭斯登, 菲利普·郎永 申請人:Jds尤尼費斯公司