专利名称：激光光强衰减装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光强衰减装置，特别是一种激光光强衰减装置。属于光电子物理专业激光类领域。
由于激光的强度和功率较高，在一些应用场合甚至会超过后继器件的光强承受能力，如果不对光强进行衰减，势必对后继器件造成损伤。光强衰减器就是一种插入到光学回路中的器件，其目的是对光进行人工可控的衰减，使输出光在强度或功率上满足使用要求。经文献检索发现美国专利申请号为5956437，申请日为1999.9.21，发明名称为电调谐的光强衰减器，电调谐的衰减器具有较好的衰减效果，它具有Mach-Zehnder干涉型结构，在这种干涉型波导结构中，两个位相相干的光波传输了不同的长度后发生了相干。工作时，光线经由单模波导通道输入到衰减器，分束器将光分配成两能量相等的光束，各自沿波导a和b传播。电极加上衰减控制电压后，由于电光效应使光传播的有效路程发生变化。在这类衰减器中，路程长度及波导特性都是一模一样的，所以在没有电场作用时，分路光束在输出波导内重新合成相干加强，以高能量输出。如果加上合适的电场，以致两臂间产生π弧度的相移变化，这样光束重新合成就使输出波导中心的光场相干减弱，这时无能量输出。因而，通过加上合适的衰减控制电压，就能使输出光强实现从有到无的可控衰减。但由于光在波导中的传播产生较大的损耗，因而这类波导结构的衰减器普遍存在着插入损耗大的缺点。其插入损耗一般在3dB左右，这意味着衰减过程中接近50％的输入能量损失掉了，同时该类衰减器制作工艺复杂，其制作过程中广泛采用的微加工工艺增加了制作的困难度，包括电极设计、制版、掩模、光刻、刻蚀、剥离等一系列复杂精细的微加工工艺。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种激光光强衰减装置，具有高速、低插入损耗、小驱动电压的特点，同时保证器件具有工艺简单、价格低廉、小型化等高技术性能。
本发明的技术方案如下主要包括光输入装置、光输出装置、光强衰减装置、工作角控制装置、电控制装置和电校正装置，工作角控制装置由角度调整件和角度旋转件构成，光强衰减装置设置在角度旋转件上，角度调整件经过传动件可以对角度旋转件和光强衰减装置的工作角进行调整控制，电校正装置由校正电压件和校正接口件构成，校正接口件与上电极连接，另一端与校正电压件连接，电校正装置另一端经电控制装置与下电极连接。光强衰减装置接受来自光输入部的输入光线，保持光线以电场敏感角θs入射，在各膜层参数(折射率、厚度)设计合适的条件下，以衰减全反射曲线的上升沿区域或下降沿区域作为衰减器的工作区域，根据来自电控制部的电压信号大小改变衰减器的电光介质折射率，控制衰减全反射发生的角度和效率，实现对入射激光的衰减。光强衰减装置由光学棱镜、上电极部、电光介质、隔离介质和下电极组成，其相互关系为光学棱镜设置在上电极的上面，上电极下面为电光介质，上电极通过连线与电校正装置相接，电光介质下面为隔离介质，隔离介质下面为下电极，下电极连线与电控制装置相接。其中光学棱镜的棱镜折射率大于1.5，上、下电极一般可选用银、金、铝、铂、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属。一般要求其介电常数实部εr≤-10，介电常数虚部ε1≤1.0，电极厚度在40nm～200nm之间。电光介质可采用具有电光特性的无机或有机材料，如铌酸锂或极化有机聚合物，其电光系数＞10pm/V，折射率小于棱镜的折射率，厚度在1μm～3μm之间。隔离介质的隔离材料可采用各种不导电的有机或无机材料，其折射率小于电光介质的折射率，厚度在的1μm～5μm之间。整个装置工作时，光从光输入装置经过偏折后，以预先设定的工作角度(电场敏感角θs)入射到光强衰减装置的棱镜底面上。这时光在经过上电极、电光介质和隔离介质的多层反射的过程中发生衰减全反射，衰减全反射的效率由电控制装置产生的控制电压来控制，这样反射光的强度就完全能通过控制电压的大小来调节，实现所需要的衰减效果。反射光线经过光输出装置的偏折成为与入射光在一条直线上的光线，再经处理后成为平行光。在衰减器的工作过程中，电校正装置根据器件工作点的漂移情况产生一个校正电压来进行校正，如果漂移较大，则通过工作角调整装置来调节。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可应用于光通讯、光信息处理等各种有光衰减需要的场合，另外还可用于其它需要对激光或光束参数进行控制的情况，如精密测量、测距、全息检测、分析仪器等领域。本发明同现有的常规光强衰减技术相比，具备以下优点。1.制备简单、成本低廉。2.插入损耗很低。3.驱动电压很低。4.消光比很高。
以下结合附图对本发明进一步描述
图1本发明结构示意图如图1所示，本发明主要包括光输入装置(1)、光输出装置(2)、光强衰减装置(3)、工作角调整装置(4)电控制装置(5)、电校正装置(6)，工作角控制装置(4)由角度调整件(12)和角度旋转件(13)构成，光强衰减装置(3)设置在角度旋转件(13)上，角度调整件(12)经过传动件可以对角度旋转件(13)和光强衰减装置(3)的工作角进行调整控制，电校正装置(6)由校正电压件(15)和校正接口件(14)构成，校正接口件(14)与上电极(8)连接，另一端与校正电压件(15)连接，电校正装置(6)另一端经电控制装置(5)与下电极(11)连接。光强衰减装置(3)接受来自光输入装置(1)的输入光线，保持光线以电场敏感角θs入射，在各膜层参数(折射率、厚度)设计合适的条件下，以衰减全反射曲线的上升沿区域或下降沿区域作为衰减器的工作区域，根据来自电控制装置(5)的电压信号大小改变衰减器的电光介质折射率，控制衰减全反射发生的角度和效率，实现对入射激光的衰减。光强衰减装置由光学棱镜(7)、上电极(8)、电光介质(9)、隔离介质(10)和下电极(11)组成，其相互关系为光学棱镜(7)设置在上电极(8)的上面，下面为电光介质(9)，上电极(8)通过连线与电校正装置(6)相接，电光介质(9)下面为隔离介质(10)，隔离介质(10)下面为下电极(11)，下电极(11)连线与电控制装置(5)相接。其中光学棱镜(7)的棱镜折射率大于1.5，上、下电极(11)一般可选用银、金、铝、铂、铜等，在光频范围内介电常数虚部较小的金属，一般要求其介电常数实部εr≤-10，介电常数虚部εi≤1.0，电极厚度在40nm～200nm之间。电光介质(9)可采用具有电光特性的无机或有机材料，如铌酸锂或极化有机聚合物，其电光系数＞10pm/V，折射率小于棱镜的折射率，厚度在1μm～3μm之间。隔离介质(10)的隔离材料可采用各种不导电的有机或无机材料，其折射率小于电光介质(9)的折射率，厚度在的1μm～5μm之间。整个装置工作时，光从光输入装置(1)经过偏折后，以预先设定的工作角度(电场敏感角θs)入射到光强衰减装置(3)的棱镜(7)底面上。这时光在经过上电极(8)、电光介质(9)和隔离介质(10)的多层反射的过程中发生衰减全反射，衰减全反射的效率由电控制装置(5)产生的控制电压来控制，这样反射光的强度就完全能通过控制电压的大小来调节，实现所需要的衰减效果。反射光线经过光输出装置(2)的偏折成为与入射光在一条直线上的光线，再经处理后成为平行光。在衰减器的工作过程中，电校正装置(6)根据器件工作点的漂移情况产生一个校正电压来进行校正，如果漂移较大，则通过工作角调整装置(4)来调节。
本发明的实施例如下光强衰减装置(1)由等腰棱镜(7)，上电极(8)，电光介质(9)，隔离介质(10)和下电极(11)组成，光强衰减装置(3)的参数设计以1.3μm为中心波长，若选择其它波长作为工作波长，可通过工作角调节装置(4)改变工作角至相应波长的电场敏感角θs。电校正装置(6)就能根据需要产生合适的校正电压施加到上、下电极(8)、(11)之上，使由于环境变化引起漂移的工作点在校正偏置电压的作用下回到正常位置。工作角控制装置(4)包括精密转角仪(13)和螺旋微调器(12)组成。精密转角仪(13)使整个光强衰减装置(3)相对于入射光线旋转，用以改变光线的入射角。使用者通过螺旋微调器(12)操作精密转角仪(13)，调节其旋转的角度。光强衰减装置(3)中，棱镜(7)选用高折射率等腰三角棱镜(ZF6，n＝1.750，底角72.54°)。上电极(8)采用银(810nm波长下ε＝-30+i1.0，厚度64.1nm，在该工作波长下，该厚度可使反射光强为零。这时衰减器的消光比最大)。电光介质(9)采用经极化的DANS/MMA有机聚合物(γ＝27.8pm/V，n＝1.680，膜厚为6μm左右，这时波导能承载7个模式)。隔离介质(10)采用紫外固化剂(n＝1.574，膜厚为2μm左右)。下电极(11)采用银。
与现有技术相比可采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低，同时由于有机聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得样品的制备非常简单，例如采用甩胶法可以很方便的控制膜厚，热蒸镀和极化等工艺也已非常成熟，聚合物通过外场极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数，插入损耗很小，因为光强不需要经过传输。而且衰减发生在全反射角之外，入射能量几乎能全部被反射。相对于干涉型衰减器几个dB的插入损耗有了很大的改善。通过采用各种优化设计方法，可以使光强衰减装置(3)的驱动电压降低至6V以下。光强衰减装置(3)的消光比完全由衰减全反射吸收的最大深度来决定。通过精确控制上电极(8)的金属膜的厚度，可以使衰减全反射吸收的深度接近于零，即可以接近完全消光，故本光强衰减装置(3)的消光比可以很高(超过50dB)。
权利要求
1.一种激光光强衰减装置，主要包括光输入装置(1)、光输出装置(2)、光强衰减装置(3)、电控制装置(5)，其特征在于还包括工作角控制装置(4)、电校正装置(6)，工作角控制装置(4)由角度调整件(12)和角度旋转件(13)构成，光强衰减装置(3)设置在角度旋转件(13)上，角度调整件(12)经过传动件可以对角度旋转件(13)和光强衰减装置(3)的工作角进行调整控制，电校正装置(6)由校正电压件(15)和校正接口件(14)构成，校正接口件(14)与上电极(8)连接，另一端与校正电压件(15)连接，电校正装置(6)另一端经电控制装置(5)与下电极(11)连接。
2.根据权利要求1所述的这种激光光强衰减装置，其特征还在于所述的光强衰减装置(3)光强衰减装置由光学棱镜(7)、上电极(8)、电光介质(9)、隔离介质(10)和下电极(11)组成，其相互关系为光学棱镜(7)设置在上电极(8)的上面，上电极(8)下面为电光介质(9)，上电极(8)通过连线与电校正装置(6)相接，电光介质(9)下面为隔离介质(10)，隔离介质(10)下面为下电极(11)，下电极(11)连线与电控制装置(5)相接。
全文摘要
激光光强衰减装置主要包括:包括光输入装置、光强衰减装置、光输出装置、电控制装置、电校正装置和工作角调整装置,工作角控制装置由角度调整件和角度旋转件构成,光强衰减装置设置在角度旋转件上,角度调整件经过传动件可以对角度旋转件和光强衰减装置的工作角进行调整控制,电校正装置由校正电压件和校正接口件构成,校正接口件与上电极连接,另一端与校正电压件连接,电校正装置另一端经电控制装置与下电极连接。
文档编号G02B26/02GK1276521SQ00116868
公开日2000年12月13日 申请日期2000年6月29日 优先权日2000年6月29日
发明者曹庄琪, 沈启舜, 蒋毅, 窦晓鸣, 陈英礼 申请人:上海交通大学