專利名稱：基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種新穎的可變光衰減器結(jié)構(gòu)及工作原理，屬于光通信、光電傳感和光信息處理器件的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可調(diào)光衰減器(Variable Optical Attenuator,簡稱V0A)是智能化光網(wǎng)絡(luò)中的一種重要的光纖無源器件，是組成光放大器的關(guān)鍵部件，在光纖通信系統(tǒng)中起到功率平衡的作用，并廣泛應(yīng)用于波分復(fù)用系統(tǒng)(WDM/DWDM)的信道增益平衡和器件保護(hù)?？烧{(diào)光衰減器的制作方法包括機(jī)械型、波導(dǎo)型、液晶型、微機(jī)械(MEMS )型等。其中，波導(dǎo)形和液晶型可調(diào)光衰減器技術(shù)尚不成熟，商用產(chǎn)品極少。機(jī)械式可調(diào)光衰減器發(fā)展最成熟，然而其體積大， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。近年來利用微機(jī)械技術(shù)制造的微光機(jī)電系統(tǒng)可調(diào)光衰減器具有體積小、重量輕、 能耗小等優(yōu)點(diǎn)，開辟了光衰減器設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的新方法，但其在抗擊機(jī)械摩擦、磨損或震動(dòng)等方面存在不足之處。一般可調(diào)光衰減器不能實(shí)現(xiàn)衰減量精確調(diào)節(jié)并鎖定在特定值，而且通常為衰減片與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)合型，通過微型步進(jìn)機(jī)控制連續(xù)漸變衰減片旋轉(zhuǎn)或平移進(jìn)行可調(diào)衰減，此類衰減器受步進(jìn)電機(jī)限制因而成本高，體積較大，難以集成于日益縮小的光通信模塊中，且核心部件之一的連續(xù)漸變衰減片鍍膜工藝要求高，目前國內(nèi)尚不能生產(chǎn)。微流控光學(xué)(Optofluidics)是一項(xiàng)具有重要意義的新技術(shù)，是系統(tǒng)集成領(lǐng)域中的發(fā)展前沿，代表著光學(xué)元件走向微型化、集成化的發(fā)展方向。它以微機(jī)電加工技術(shù)為基礎(chǔ)， 以微流體管道為結(jié)構(gòu)特征，已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，并取得了顯著成果，顯示出廣闊的應(yīng)用前景，也可應(yīng)用于光通信器件中，因而研制基于微流控光學(xué)技術(shù)的可調(diào)光衰減器具有重要的技術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。本發(fā)明基于微流控光學(xué)技術(shù)(Optofluidics)的可調(diào)光衰減器可以改變光學(xué)系統(tǒng)的光通量，具有良好的操控性和適應(yīng)性。采用可流動(dòng)的液體，通過液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置可以連續(xù)改變氣液槽中液體的位置(如附圖2)，從而可連續(xù)調(diào)控光纖準(zhǔn)直器間的光強(qiáng)耦合效率，實(shí)現(xiàn)光衰減的可控調(diào)節(jié)，且可調(diào)節(jié)范圍大。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種新穎的可調(diào)光衰減器結(jié)構(gòu)，將微流控光學(xué)技術(shù)(Optofluidics)應(yīng)用于現(xiàn)代光通信技術(shù)中，設(shè)計(jì)了一種新穎的壓控可調(diào)光衰減器，由于未使用機(jī)械移動(dòng)等復(fù)雜器件，不需要復(fù)雜的工藝使得制作成本、生產(chǎn)工藝大大降低，具有重要的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，將會(huì)在光通信和光信息領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，解決光衰減器的可調(diào)控問題。技術(shù)方案本發(fā)明的基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器采用兩層的結(jié)構(gòu)， 第一層為頂板，頂板上留有可與外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置連接的小孔，小孔與儲(chǔ)液管連通；第二層為基底-波導(dǎo)層，基底中嵌有中心在同一水平線上的出射光纖準(zhǔn)直器，方形波導(dǎo)，接收光纖準(zhǔn)直器；方形波導(dǎo)上沿其對(duì)角線有一個(gè)細(xì)長氣液槽，氣液槽的上方密封，一端為圓柱形，并與儲(chǔ)液管密封連接，儲(chǔ)存有一段液體，另一端形成封閉氣室，封有一段空氣；儲(chǔ)液管及氣液槽中的液體是與方形波導(dǎo)折射率相同或相近的匹配液；方形波導(dǎo)遠(yuǎn)離儲(chǔ)液管的一側(cè)側(cè)面涂覆黑色吸光材料，以吸收因發(fā)生全反射而射到此面的光；儲(chǔ)液管通過小孔與外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置相連，由外置氣壓驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)氣液槽中折射率匹配液移動(dòng)并控制其穩(wěn)定位置，使部分光全反射部分光透射，控制出射、接收光纖準(zhǔn)直器間的光強(qiáng)耦合效率以實(shí)現(xiàn)光的衰減可控調(diào)節(jié)；頂板的下表面與基底的上表面通過等離子輔助鍵合方式連接，實(shí)現(xiàn)密封及固定的效果。所述方形波導(dǎo)對(duì)角線上的封閉的細(xì)長氣液槽，采用在聚合物波導(dǎo)塊上刻蝕或熱壓、或一次注塑成型的方法實(shí)現(xiàn)，達(dá)到可調(diào)光衰減控制目的。頂板上開一小孔，既可連接外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置，也可通過此孔向儲(chǔ)液管中注液。由外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)和控制氣液槽中折射率匹配液的移動(dòng)。裝置封裝后，所述的氣液槽中的匹配液在初始平衡狀態(tài)下停留在槽中的固定位置，且在此位置由出射光纖準(zhǔn)直器出射的光束在細(xì)長氣液槽界面上恰好處于全部全反射狀態(tài)。本基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器工作原理如下初始時(shí)刻，如附圖
2.1，當(dāng)由出射光纖準(zhǔn)直器出射的光束在方形波導(dǎo)內(nèi)到達(dá)氣液槽界面時(shí)，光從波導(dǎo)層進(jìn)入空氣層(即從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì))，光束全部發(fā)生全反射，然后由方形波導(dǎo)側(cè)面的吸光材料吸收，不能進(jìn)入接收光纖準(zhǔn)直器，光全衰減；通過外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置加大儲(chǔ)液管上方氣壓，驅(qū)動(dòng)匹配液流動(dòng)到達(dá)氣液槽中能夠全部覆蓋出射光場的位置，如附圖2. 2，由于匹配液的折射率與方形波導(dǎo)的折射率相同或相近，因此光束能全部透過氣液槽，進(jìn)入接收光纖準(zhǔn)直器，此時(shí)光衰減處于最小狀態(tài)；適當(dāng)調(diào)節(jié)儲(chǔ)液管上方氣壓，當(dāng)氣液槽中的匹配液處于前述兩種狀態(tài)之間位置時(shí)，如附圖2. 3，位于一側(cè)固-液界面的那部分光可以透過氣液槽，進(jìn)入接收光纖準(zhǔn)直器，另一側(cè)到達(dá)固-氣界面上的光發(fā)生全反射，不能透過氣液槽進(jìn)入接收光纖準(zhǔn)直器，而被方形波導(dǎo)一側(cè)的光吸收材料吸收，于是光部分衰減。因此，通過調(diào)節(jié)氣液槽中匹配液的位置，可以控制出射、接收光纖準(zhǔn)直器間的光強(qiáng)耦合效率以實(shí)現(xiàn)光的衰減可控調(diào)節(jié)。有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)
本發(fā)明將微流控光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代光通信技術(shù)中，設(shè)計(jì)了一種新穎的壓控可調(diào)光衰減器件，本專利設(shè)計(jì)的光衰減器具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡單、成本低，光衰減的調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的技術(shù)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。創(chuàng)新之處在于
1.無機(jī)械移動(dòng)裝置，將微流控光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于光衰減器之中，通過外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置控制折射率匹配液體在氣液槽中的位置來實(shí)現(xiàn)光衰減器衰減量的可控調(diào)節(jié)；
2.直接在方形波導(dǎo)對(duì)角線上開一細(xì)長氣液槽，實(shí)現(xiàn)大幅度光衰減可控調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，易制作，成本低；
3.部件少，結(jié)構(gòu)和工藝簡單，且基底4可使用一次成型磨具，批量生產(chǎn)各種微型結(jié)構(gòu)， 從而大幅度降低生廣成本，提聞成品率；
4.性能上，光的可衰減調(diào)節(jié)范圍大。


圖I是基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器的工作原理示意圖，圖2. I是光束全部發(fā)生全反射，不能透過氣液槽進(jìn)入接收光纖準(zhǔn)直器，即衰減量最大狀態(tài)；圖2. 2為光全部透過氣液槽進(jìn)入接收光纖準(zhǔn)直器，即衰減量最小狀態(tài)；圖2. 3為部分光全反射和部分光透射，即部分光衰減狀態(tài)。圖3是基底不意圖。以上圖中有方形波導(dǎo)I、細(xì)長氣液槽2、儲(chǔ)液管3、基底4、接收光纖準(zhǔn)直器5、出射光纖準(zhǔn)直器6、吸光材料層7、頂板8、小孔9、腔10、第一凹槽11、第二凹槽12。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器采用兩層的結(jié)構(gòu)，第一層為頂板 8，其上留有外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置的接入小孔9，小孔9相應(yīng)于儲(chǔ)液管3的出口位置；第二層為基底-波導(dǎo)層，基底4中嵌有中心在同一水平線上的出射光纖準(zhǔn)直器6,方形波導(dǎo)I,接收光纖準(zhǔn)直器5 ;方形波導(dǎo)I上沿其對(duì)角線有一個(gè)細(xì)長氣液槽2，氣液槽2的上方密封，一端為圓柱形，并與儲(chǔ)液管3密封連接，內(nèi)儲(chǔ)存有一段液體，另一端形成封閉氣室，封有一段空氣；儲(chǔ)液管3及氣液槽2中的液體是與方形波導(dǎo)I折射率相同或相近的匹配液；方形波導(dǎo)I 遠(yuǎn)離儲(chǔ)液管3的一側(cè)側(cè)面涂覆黑色吸光材料7，以吸收因發(fā)生全反射而射到此面的光；儲(chǔ)液管3通過小孔9與外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置相連，由外置氣壓驅(qū)動(dòng)裝置控制儲(chǔ)液管3上方的氣壓，驅(qū)動(dòng)氣液槽2中折射率匹配液的移動(dòng)并控制其穩(wěn)定位置；頂板8的下表面與基底4的上表面通過等離子輔助鍵合方式連接，實(shí)現(xiàn)密封及固定的效果。頂板8上小孔9是作為外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置的接入孔，同時(shí)也可通過此孔向儲(chǔ)液管3中注液。裝置封裝后，所述的氣液槽中的匹配液在初始平衡狀態(tài)下停留在槽中的固定位置，且在此位置由出射光纖準(zhǔn)直器出射的光束在細(xì)長氣液槽界面上恰好處于全部全反射狀態(tài)。方形波導(dǎo)中的細(xì)長氣液槽可用刻蝕方法或利用熱壓、注塑法一次成形得到，槽中匹配液選用折射率與方形波導(dǎo)材料相同或相近且疏水性好、黏度小的液體。具體實(shí)施例I:
方形波導(dǎo)I采用有機(jī)聚合物材料，如采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱有機(jī)玻璃，是迄今為止合成透明材料中質(zhì)地最優(yōu)異，價(jià)格又便宜的品種，透光率達(dá)到90% — 92%，折射率為I. 49，韌性好，對(duì)酸、堿、鹽有較好的抗腐蝕性能，且具有質(zhì)輕、 價(jià)廉、易于成型等優(yōu)點(diǎn)，方形波導(dǎo)I和氣液槽2利用熱壓或注塑法一次成形得到?；?基材采用單晶硅材料，利用微細(xì)電火花加工(EDM)技術(shù)來加工硅基板上的微結(jié)構(gòu)，EDM技術(shù)是一項(xiàng)非常成熟的金屬加工技術(shù)，可應(yīng)用于任何導(dǎo)電材料的加工，包括鋼鐵、石墨、硅和磁性材料，EDM技術(shù)使用一次成型磨具，可批量生產(chǎn)各種微型結(jié)構(gòu)，從而大幅度降低生產(chǎn)成本，提高成品率；頂板8采用與基底4同樣的單晶硅材料。氣液槽2上端的密封采用雙向拉伸聚丙烯薄膜(簡稱BOPP薄膜)，通過高強(qiáng)度的粘膠與氣液槽密封，BOPP模無色、無嗅、無味、無毒，并具有高拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、剛性、強(qiáng)韌性和良好的透明性。裝置封合衰減器兩層之間的縫合，即頂板8與基底4的封合，采用等離子輔助鍵合工藝。具體實(shí)施例2:
方形波導(dǎo)、基底、頂板均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為基材，PDMS具有獨(dú)特的彈性， 良好的透光性，無毒，容易加工等特性，匹配液選取硅油；方形波導(dǎo)的細(xì)長氣液槽及基底形狀用刻蝕的方法制作；頂板小孔用鉆孔機(jī)加工即可；其它同實(shí)施例I。
權(quán)利要求
1.基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器，其特征在于該裝置采用兩層的結(jié)構(gòu)， 第一層為頂板(8)，頂板上留有可與外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置連接的小孔(9)，小孔與儲(chǔ)液管(3)連通；第二層為基底-波導(dǎo)層，基底(4)中嵌有中心在同一水平線上的出射光纖準(zhǔn)直器(6)，方形波導(dǎo)(1)，接收光纖準(zhǔn)直器(5);方形波導(dǎo)(I)上沿其對(duì)角線有一個(gè)細(xì)長氣液槽(2)，氣液槽的上方密封，一端為圓柱形，并與儲(chǔ)液管(3)密封連接，儲(chǔ)存有一段液體，另一端形成封閉氣室，封有一段空氣；儲(chǔ)液管(3)及氣液槽(2)中的液體是與方形波導(dǎo)(I)折射率相同或相近的匹配液；方形波導(dǎo)(I)遠(yuǎn)離儲(chǔ)液管(3)的一側(cè)側(cè)面涂覆黑色吸光材料(7)，以吸收因發(fā)生全反射而射到此面的光；儲(chǔ)液管(3)通過小孔(9)與外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置相連，由外置氣壓驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)氣液槽(2)中折射率匹配液移動(dòng)并控制其穩(wěn)定位置，使部分光全反射部分光透射，控制出射、接收光纖準(zhǔn)直器間的光強(qiáng)耦合效率以實(shí)現(xiàn)光的衰減可控調(diào)節(jié)；頂板(8)的下表面與基底(4)的上表面通過等離子輔助鍵合方式連接，實(shí)現(xiàn)密封及固定的效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器，其特征在于所述方形波導(dǎo)(I)對(duì)角線上的封閉的細(xì)長氣液槽(2)，采用在聚合物波導(dǎo)塊上刻蝕或熱壓、或一次注塑成型的方法實(shí)現(xiàn)，達(dá)到可調(diào)光衰減控制目的。
3.根據(jù)權(quán)利要求一所述的基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器，其特征在于頂板(8)上開一小孔(9)，既可連接外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置，也可通過此孔向儲(chǔ)液管(3)中注液。
全文摘要
基于微流控光學(xué)技術(shù)的壓控可調(diào)光衰減器，采用二層結(jié)構(gòu)，第一層為頂板(8)，其上留有外置液體氣壓驅(qū)動(dòng)裝置接入小孔(9)，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)液管(3)出口位置；第二層為基底-波導(dǎo)層，包含有出射光纖準(zhǔn)直器(6)，方形波導(dǎo)(1)，接收光纖準(zhǔn)直器(5)；方形波導(dǎo)(1)上有沿其對(duì)角線方向的細(xì)長氣液槽(2)，氣液槽上方密封，一端與儲(chǔ)液管(3)密封連接，內(nèi)儲(chǔ)存一段折射率與方形波導(dǎo)相同或接近的液體，另一端形成封閉氣室，封有一段空氣；方形波導(dǎo)(1)一側(cè)涂覆黑色吸光材料(7)，以吸收因發(fā)生全反射而射到此面的光；頂板下表面與基底上表面通過等離子輔助鍵合方式連接；通過控制氣液槽(2)中匹配液的位置來實(shí)現(xiàn)光的衰減可控調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)G02B26/02GK102608756SQ20121002771
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月8日
發(fā)明者萬靜, 徐寧, 梁忠誠, 郭安金, 韋云亮 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)