基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器的制造方法
【專利摘要】一種基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器，包括流體光波導、入射激光器、光束接收面和流出流體貯存器，流體光波導上開有流道，流道包括一個芯層流體入口、兩個對稱的包層流體入口、流體微腔和兩個對稱的流體出口，芯層流體入口、包層流體入口均與流體微腔的入口側(cè)連通，流體微腔的出口側(cè)與兩個流體出口連接，流體出口與流出流體貯存器連通，入射激光器和光束接收面同軸布置，入射激光器和光束接收面的軸線與流體流動方向垂直，芯層流體入口和包層流體入口內(nèi)安裝流速調(diào)節(jié)設備，流速調(diào)節(jié)設備與控制芯層流體和包層流體的流速以便實現(xiàn)光波的分束和分光比控制的分束控制模塊連接。本發(fā)明可動態(tài)調(diào)諧、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低廉。
【專利說明】基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種集成型光學器件，尤其是一種集成型的可調(diào)諧光波分束器。
【背景技術】
[0002]光束的整形技術包括了對光束的聚焦、準直、偏轉(zhuǎn)、分束、耦合等調(diào)控，通常調(diào)控光學介質(zhì)的折射率分布就可以方便地實現(xiàn)對入射光束的聚焦、準直、偏轉(zhuǎn)、分束等控制。近年來快速發(fā)展的微流控光學技術為我們提供了光束整形的新方法，其原理是通過控制流體流動來實現(xiàn)對光線微觀尺度的控制。鑒于此，微流控技術和系統(tǒng)可以被引入可控折射率流體光波分束器的設計和制作中。首先利用一種折射率較高的流體在折射率較低的流體中的擴散和對流，形成一種可調(diào)控折射率分布的流體光波導，然后通過動態(tài)調(diào)控流體光波導的折射率分布來調(diào)諧光波分束器的分光比。
[0003]現(xiàn)有的光波分束器從器件構(gòu)架上分，主要包括集成器件型和分立器件型兩種；而從器件功能上分，主要包括固定分光比型光波分束器和可調(diào)諧分光比型光波分束器。近年來光學器件小型化、高集成度的應用需求，使得終端用戶越來越青睞集成型的光波分束器，因此基于玻璃基底材料和Si基底材料的平面光波導型光波分束器得到了比較快的發(fā)展(比如，實用新型專利CN201477227U和CN2625917Y)，主要應用于光通信和光傳感領域。另一方面，光通信和光傳感網(wǎng)的發(fā)展，越來越需要光波分束器具有動態(tài)地調(diào)諧分束器分光比的功能，以便滿足網(wǎng)絡靈活性和快速響應用戶需求的要求，目前見于報道的可調(diào)諧光波分束器主要采用偏振分束技術，通過改變波片等器件的相位延遲來調(diào)諧分光比，屬于分立器件型，器件結(jié)構(gòu)十分復雜(參見中國發(fā)明專利CN102645707A和CN1529425A)。迄今為止，尚未有集成型的、可調(diào)諧光波分束器見于報道，為滿足應用領域的迫切需求，本發(fā)明提出一種結(jié)合了集成型和可調(diào)諧功能的新型光波分束器，即基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服已有光波分束器的結(jié)構(gòu)復雜、制作困難、調(diào)控靈活性差、集成度不高的不足，本發(fā)明提供一種可動態(tài)調(diào)諧、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低廉的基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006]—種基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器，包括流體光波導、入射激光器、光束接收面和流出流體貯存器，所述流體光波導上開有用于承載微流體的流道，所述流道包括一個芯層流體入口、兩個對稱的包層流體入口、流體微腔和兩個對稱的流體出口，所述芯層流體入口、包層流體入口均與所述流體微腔的入口側(cè)連通，所述流體微腔的出口側(cè)與兩個流體出口連接，所述流體出口與流出流體貯存器連通，所述入射激光器和所述光束接收面同軸布置，所述入射激光器和所述光束接收面的軸線與流體流動方向垂直，所述芯層流體入口和包層流體入口內(nèi)安裝用以調(diào)節(jié)流體速度的流速調(diào)節(jié)設備，所述流速調(diào)節(jié)設備與控制芯層流體和包層流體流速以便實現(xiàn)光波分束和分光比控制的分束控制模塊連接；[0007]所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴散和對流運動，包層流體環(huán)繞著芯層流體，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體，所述芯層流體和包層流體在流體微腔中流動，共同構(gòu)成流體光波導。
[0008]進一步，所述流速調(diào)節(jié)設備為注入流體的蠕動泵，當然，也可以采用其他的流速調(diào)節(jié)設備。
[0009]再進一步，所述包層流體折射率高于所述芯層流體折射率。
[0010]本發(fā)明的技術構(gòu)思為:利用構(gòu)成流體光波導的芯層和包層兩種流體的擴散和對流過程動態(tài)調(diào)控波導折射率，影響兩種流體擴散與對流過程并進而影響流體光波導折射率分布的主要因素包括芯層和包層流體的流速以及不同折射率微流體的選擇。在有限長的微溝道中如果流體流速比較低，則擴散效應明顯，此時無論是微腔的橫截面方向還是沿著流體流動方向都要考慮擴散效應對濃度梯度的影響，而芯層流體在包層流體中的擴散正是漸變折射率流體光波導能夠?qū)崿F(xiàn)的理論基礎。進一步地，與以往基于微流控光學技術的漸變折射率透鏡不同，讓包層流體折射率高于芯層流體折射率，形成折射率分布中心凹陷，并以此來進行光波分束。因此，通過控制芯層流體和包層流體的流速和流體種類不僅可以有效控制流體擴散濃度以及折射率的空間分布，還可以控制光波的分束和分光比。
[0011]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:1、基于微流控光學技術的光束整形方法，以兩種流體之間的對流和擴散過程形成流體光波導結(jié)構(gòu)，通過控制芯層和包層流體的流速以及流體種類，可以得到靈活多變的折射率分布，實現(xiàn)可調(diào)諧光波分束，且分光比可以在線實時調(diào)節(jié)；2、通過發(fā)明基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器，可以構(gòu)建一種兼具集成性和可調(diào)諧功能的新型光波分束器件；3、光束傳播方向垂直于流體流動方向，有效降低了光束的傳播損耗；4、與以往的光波分束器相比，具有可動態(tài)調(diào)諧、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低廉的優(yōu)點?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器的示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器中流體光波導承載微流體的空腔不意圖。
[0014]圖3是不同流速情況下，沿著流體流動方向中心位置橫截面處(即激光光束入射處)的折射率分布。
[0015]圖4是改變一側(cè)包層流體流速，沿著流體流動方向中心位置橫截面處(即激光光束入射處)的折射率分布。
[0016]圖5是包層流體折射率高于芯層流體折射率時，流體光波導折射率分布隨流速的變化。
[0017]圖6是改變一側(cè)包層流體流速，沿著流體流動方向中心位置橫截面處(即激光光束入射處)的凹陷折射率分布的偏移。
[0018]圖7是改變一側(cè)包層流體流速Q(mào)l所引起的分光比變化示意圖，(B)Q1 = 500pL/s ；(b) Q1 = 1000pL/s ; (c) Q1 = 2500pL/s ；(d) Q1 = 5000pL/s ; (e) Q1 = 10000pL/s。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0020]參照圖1?圖7，一種基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束方法，該分束方法采用基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器，所述可調(diào)諧光波分束器包括流體光波導1、入射激光器
2、光束接收面3和流出流體貯存器4，所述流體光波導I上開有用于承載微流體的流道，所述流道包括一個芯層流體入口 5、兩個對稱的包層流體入口 6、流體微腔7和兩個對稱的流體出口 8，所述芯層流體入口 5、包層流體入口 6均與所述流體微腔7的入口側(cè)連通，所述流體微腔7的出口側(cè)與兩個流體出口 8連接，所述流體出口 8與流出流體貯存器4連通，所述入射激光器2和所述光束接收面3同軸布置，所述入射激光器和所述光束接收面的軸線與流體流動方向垂直，所述芯層流體入口 5和包層流體入口 6內(nèi)安裝用以調(diào)節(jié)流體速度的流速調(diào)節(jié)設備，所述流速調(diào)節(jié)設備與控制芯層流體和包層流體流速以便實現(xiàn)光波分束和分光比控制的分束控制模塊連接；
[0021]所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴散和對流運動，包層流體環(huán)繞著芯層流體，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體，所述芯層流體和包層流體在流體微腔中流動，共同構(gòu)成流體光波導。
[0022]進一步，所述流速調(diào)節(jié)設備為注入流體的蠕動泵，當然，也可以采用其他的流速調(diào)節(jié)設備。
[0023]再進一步，所述包層流體折射率高于所述芯層流體折射率。
[0024]本實施例所述的可調(diào)諧光波分束器，實現(xiàn)光波分束的方法包括以下步驟:
[0025](I)所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴散和對流運動(芯層流體和包層流體彼此之間不發(fā)生化學反應)，包層流體均衡地環(huán)繞著芯層流體，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體，所述芯層流體和包層流體在流體微腔中流動，共同構(gòu)成流體光波導；
[0026](2)所述入射激光器將設定波長的激光束入射到所述流體光波導,光束傳播方向與流體流動方向垂直，所述光束接收面接收經(jīng)過流體光波導后輸出的光束；
[0027](3)通過選擇微流體種類，控制所述芯層流體的折射率低于所述包層流體的折射率；
[0028](4)通過調(diào)節(jié)流體流速，控制流體擴散過程以及折射率的空間分布，實現(xiàn)光波分束。
[0029]本實施例中，所述步驟(3)中，通過選擇芯層流體和包層流體的種類，以及所述步驟(4)中，通過控制芯層流體和包層流體的流速可以有效控制擴散和對流的過程，從而控制流體擴散以及折射率的空間分布；具體如下:
[0030]I)流速對折射率分布的影響，保持其他參數(shù)不變，選擇沿著流體流動方向中心位置橫截面處(即激光光束入射處)的折射率分布作為參考，得出流體流速對波導折射率分布的影響，如圖3所示,流速較低時(Q1 = Q2 = Qc = 1000pL/s),折射率分布比較平緩,流速較高時(Q1 = Q2 = Q。= 5000pL/s)，折射率分布比較尖銳。這種變化可以在光束位置不變情況下通過調(diào)節(jié)流速達到調(diào)節(jié)折射率分布，從而實現(xiàn)對光束會聚的連續(xù)可調(diào)，即對光束的連續(xù)動態(tài)整形。
[0031]2)兩側(cè)包層流速不同對折射率分布的影響，前面討論的條件是芯層流速與兩側(cè)包層相同流速的情況，這種流速條件得到的結(jié)果是折射率中心在流體微腔的中心處。如果保持一側(cè)的包層流體不變，改變另一側(cè)包層流體流速，則可以更加靈活地調(diào)節(jié)流體光波導的折射率分布，得到沿光軸不對稱的折射率分布，進而可以調(diào)控光束的偏轉(zhuǎn)。同樣選擇沿著流體流動方向中心位置橫截面處(即激光光束入射處)的折射率分布作為參考，保持Q。= Q2=2500pL/s,改變Q1,即一側(cè)包層與芯層流速恒定為2500pL/s，另一側(cè)包層流速分別選取了500pL/s、1500pL/s、2500pL/s、5000pL/s 和 10000pL/s 這時的折射率分布中心從-25 μ m 變化到28 μ m,如圖4所示。這種空間折射率偏移的變化對光線最直接的影響就是可以實現(xiàn)光束的聚焦偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)角度隨著包層流速的變化連續(xù)可調(diào)。
[0032]3)包層流體折射率高于芯層流體折射率對流體光波導折射率分布的影響，當包層流體采用折射率較高的乙二醇稀溶液，芯層流體采用折射率較低的去離子水，同時保持芯層和包層流體流速相等。當連續(xù)調(diào)整流體流速大小時，得出沿著流體流動方向中心位置橫截面處(即激光光束入射處)的折射率分布，如圖5所示。從圖5可以看出，折射率分布出現(xiàn)了中心凹陷，這種分布最簡單的應用是在光束的分束器件上，并在分束的同時實現(xiàn)了光束的聚焦。
[0033]4)動態(tài)調(diào)節(jié)包層流體的流速，可以實現(xiàn)光束分光比的連續(xù)可調(diào)。保持一側(cè)包層流體和芯層流體流速不變Q。= Q2 = 2500pL/s，通過調(diào)節(jié)％來實現(xiàn)中心凹陷折射率的偏移。圖
6給出了當 Q1 為 500pL/s、1000pL/s、2500pL/s、5000pL/s 和 lOOOOpL/s 時，流體光波導的折射率分布曲線。可以看出，折射率分布的中心凹陷位置隨著一側(cè)包層流體流速Q(mào)1的變化而發(fā)生偏移，同時中心凹陷位置兩側(cè)的折射率大小也隨之變化，據(jù)此可以動態(tài)地調(diào)諧出射光束的分光比。如圖7 (a)所示，當％為500?178時，折射率中心凹陷位置偏離軸線-23μπι，假設輸入光功率為1，分光比為0.35:0.65 ;如圖7(b)所示，當Q1 = 1000pL/s時，折射率中心凹陷位置偏離軸線-15 μ m，分光比為0.4:0.6 ;如圖7 (c)所示，當Q1 = 2500pL/s時，即與另一側(cè)包層流體流速以及芯層流體流速相等，這時折射率中心凹陷位置無偏離，分光比為0.5:0.5 ;如圖7 (d)所示，當Ql = 5000pL/s時，折射率中心凹陷位置偏離軸線14 μ m，分光比為0.59:0.41 ;如圖7 Ce)所示，當Q1 = 10000pL/s時，折射率中心凹陷位置偏離軸線 28μπι，分光比為 0.69:0.31。`
【權(quán)利要求】
1.一種基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器，包括流體光波導、入射激光器、光束接收面和流出流體貯存器，所述流體光波導上開有用于承載微流體的流道，所述流道包括一個芯層流體入口、兩個對稱的包層流體入口、流體微腔和兩個對稱的流體出口，所述芯層流體入口、包層流體入口均與所述流體微腔的入口側(cè)連通，所述流體微腔的出口側(cè)與兩個流體出口連接，所述流體出口與流出流體貯存器連通，所述入射激光器和所述光束接收面同軸布置，所述入射激光器和所述光束接收面的軸線與流體流動方向垂直，所述芯層流體入口和包層流體入口內(nèi)安裝用以調(diào)節(jié)流體速度的流速調(diào)節(jié)設備，所述流速調(diào)節(jié)設備與控制芯層流體和包層流體的流速以便實現(xiàn)光波的分束和分光比控制的分束控制模塊連接； 所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴散和對流運動，包層流體環(huán)繞著芯層流體，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體，所述芯層流體和包層流體在流體微腔中流動，共同構(gòu)成流體光波導。
2.如權(quán)利要求1所述的基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器，其特征在于:所述流速調(diào)節(jié)設備為注入流體的蠕動泵，當然，也可以采用其他的流速調(diào)節(jié)設備。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于流體光波導的可調(diào)諧光波分束器，其特征在于:所述包層流體折射率高于所述芯層流體折射率。
【文檔編號】G02B6/10GK103869477SQ201410037648
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】樂孜純, 孫運利, 王昌輝, 付明磊 申請人:浙江工業(yè)大學