专利名称：一种电调谐光衰减器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新颖的电调谐光衰减器结构及其工作原理，属于光通信、光电传 感和光信息处理器件的技术领域。
背景技术：
电控可调光衰减器是光通信系统中的重要无源器件之一，它广泛应用于密集波分 复用(DWDM)各信道的光功率均衡和调整经光纤放大器放大后的光信号等。也可用于模拟 光纤长距离传输、传输系统的动态检测等。近年来利用微机械技术制造的微光机电系统可 调光衰减器具有体积小、重量轻、能耗小等优点，开辟了光衰减器设计及生产的新方法。一 般的可调光衰减器不能实现衰减量精确调节并锁定在特定值，而且通常为衰减片与步进电 机联合型，通过微型步进电机控制连续渐变衰减片旋转或平移来达到数字化可调光衰减 量。但该类设计受限于步进电机成本高，体积较大，难以集成于日益缩小的光通讯模块中； 而且其核心部件之一的连续渐变衰减片，镀膜工艺要求高，目前国内尚不能生产。而基于电润湿效应的变焦微透镜可以改变微光学系统的光通量和视场性能，具有 良好的操控性和适应性，作为取代传统透镜可应用于光学开关和光互连、三维光存储、静态 数码相机和医学内窥镜等系统。现有的研究和应用集中于单透镜变焦成像技术，比较典型 的如荷兰Wiilips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透 镜，这些透镜的变焦是利用电控方法通过改变液体的界面曲率进而调节焦距。这种技术采 用了流动的液体作为变焦的透镜组件，相对目前的机械变焦方式将有很多的优势之处。但 现有的研究和应用集中于单透镜变焦成像技术，对于应用于光通信领域的连接器件涉及很 少。
发明内容
技术问题本发明的目的在于提出一种电调谐光衰减器结构，解决光衰减器的电 控调谐问题。技术方案本发明将微透镜变焦技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖 的电控调谐的光衰减器件，由于未使用电机等复杂器件使得制作成本、生产工艺大大降低， 具有重要的技术价值和经济价值，将会在光通信和光信息处理领域得到广泛的应用。本发明的电调谐光衰减器以具有圆柱状通孔的套管为主体，套管位于左连接器管 脚和右连接器管脚之间，套管的两端分别与左连接器管脚、右连接器管脚连接，套管内的空 隙形成透镜腔，用于存储液体透镜介质；透镜腔内放置三种互不相溶且折射率各异的液体 即第一导电液体、绝缘液体和第二导电液体，这三种液体构成透镜介质，构成顶角可调的棱 镜；套管采用导电材料制作并作为一个电极，另一个或两个电极则是用导电材料制作的左 连接器管脚和右连接器管脚；出射光纤准直器的一端穿过左连接器管脚位于套管中，接收 光纤准直器的一端穿过右连接器管脚位于套管中；上述两光纤准直器设置于透镜边沿两 侧；外加电压通过电润湿效应控制液体透镜的形状以实现透镜顶角角度的调节来模拟顶角可调的棱镜，从而控制从出射光纤准直器耦合到出射光纤准直器的光强耦合效率以实现光 的衰减可控调节；由此形成具有“出射光纤准直器+顶角可调的棱镜+接收光纤准直器”的 结构的电调谐光衰减器。所述的套管的内侧设有绝缘层，绝缘层与液体接触的内侧设有疏水层。套管一侧开有三个注液小孔分别用于三液体的注入。控制电湿效应的电压源为直流或交流电压源。给一个初始电压Vtl控制电湿效应使液体接触面呈平面，接收光纤准直器端面设置 于出射光通过三液体后束腰位置处。有益效果根据以上叙述可知，本发明具有如下特点本发明将电控变焦液体透镜技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的电 控调谐的光衰减器件，具有重要的技术价值。本发明设计的光衰减器件具有结构简单、容易 制作、成本低廉等优点。创新之处在于1)将液体变焦透镜应用于光连接器件之中，实现了光衰减器的电控调谐。这种新 颖的光衰减器将会在光通信领域和光信息处理领域中得到广泛的应用。2)利用透镜边沿来模拟液体棱镜，以可变焦液体透镜来构造顶角可调的棱镜从而 控制光的偏转。
图1是电调谐光衰减器结构示意图。图中有精密套管1、左连接器管脚2、第一导 电液体3、绝缘液体4、第二导电液体5、光纤6、绝缘层7、疏水层8、出射光纤准直器9、接收 光纤准直器10、粘胶11、右连接器管脚12、液体注入孔13。图2是电调谐光衰减器工作原理示意图。
具体实施例方式本发明的电调谐光衰减器以具有圆柱状通孔的套管1为主体，套管1位于左连接 器管脚2和右连接器管脚12之间，套管1的两端分别与左连接器管脚2、右连接器管脚12 连接，套管1内的空隙形成透镜腔，用于存储液体透镜介质；透镜腔内放置三种互不相溶且 折射率各异的液体即第一导电液体3、绝缘液体4和第二导电液体5，这三种液体构成透镜 介质，构成顶角可调的棱镜；套管采用导电材料制作并作为一个电极，另一个或两个电极则 是用导电材料制作的左连接器管脚2和右连接器管脚12 ；出射光纤准直器9的一端穿过左 连接器管脚2位于套管1中，接收光纤准直器10的一端穿过右连接器管脚12位于套管1 中；上述两光纤准直器设置于透镜边沿两侧；外加电压通过电润湿效应控制液体透镜的形 状以实现透镜顶角角度的调节来模拟顶角可调的棱镜，从而控制从出射光纤准直器9耦合 到出射光纤准直器10的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节；由此形成具有“出射光纤 准直器9+顶角可调的棱镜+接收光纤准直器10”的结构的电调谐光衰减器。所述的套管1的内侧设有绝缘层7，绝缘层7与液体接触的内侧设有疏水层8。套 管一侧开有三个注液小孔13分别用于三液体的注入。控制电湿效应的电压源为直流或交 流电压源。给一个初始电压Vtl控制电湿效应使液体接触面呈平面，接收光纤准直器端面设
4置于出射光通过三液体后束腰位置处。外加电压通过电润湿效应控制液体透镜的形状以实 现透镜顶角角度的调节来模拟顶角可调的棱镜，从而控制从出射光纤准直器9耦合到出射 光纤准直器10的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。具体制作时，选定特定的折射率的绝缘液体和导电液体，计算好体积配比方案，使 出射光纤准直器的出射光通过直条状透镜后其束腰位置位于，接收光纤准直器的端面上。 当套管与左连接器管脚或右连接器管脚之间电压改变后，导电液体与侧壁之间的界面张力 因电润湿效应的作用而改变，从而改变液体界面的形状，实现透镜边沿模拟的液体棱镜的 顶角可调，使光束发生偏转，进而实现光纤准直器间耦合光强的调控，达到光的衰减控制目 的。第一导电液体3、第二导电液体5的折射率相对绝缘液体4要低。具体实施例1 精密套管1制备采用导电硅橡胶。这是由于导电硅橡胶易于挤压成型，能通过模 具注塑加工方法实现大规模生产，且可以作为一个电极；套管的一侧预留三个注液小孔，套 管的内壁上刻上一条小槽用于两根光纤准直器的定位和存放。左连接器管脚2或右连接器 管脚12采用金属铜柱精密机械打孔并抛光而成，这是由于金属铜是常见金属且易于加工； 孔的大小和光纤准直器外径相匹配。第一导电液体3、第二导电液体5在低温使用时可能会 有冰冻问题。可以用高浓度的盐溶液来降低冰点。20%浓度的氯化锂导致冰点低于-40°C， 密度P为1. 12kg/m3，折射率为1.38。绝缘液体4采用混合的苯基甲基硅氧烷，它具有高 折射率和良好的电湿性能。溶解几个百分点碳四溴化合物(P = 2. 96kg/m3)的绝缘液体 的密度与盐溶液的密度相匹配。由此得到的折射率为1』5。这两种液体的温度相关折射 率大体相同(dn/dT = -0. 0003/K)。因此，在所需的温度范围内，对透镜焦距的作用是很小 的，剩下的焦距小改变可以通过稍微调整电压。绝缘层7采用生长法在套管内层上生成一 层500nm的SiO2,疏水层8可通过浸蘸疏水剂FOTs来实现。密封胶11采用环氧树脂。注液时，按照计算好的液体体积依次在三个主页小孔内缓缓注入第一导电液体、 绝缘液体、第二导电液体。由于左右连接器管脚与第一导电液体和第二导电液体直接接触， 电压施加在导电液体和套管之间的介电绝缘层上，其界面张力因电润湿效应的作用而降 低，从而改变导电液体和绝缘液体界面的形状，实现透镜形状的控制。给一个初始电压Vtl控 制电湿效应使三液体呈直条状如图2，接收光纤准直器端面设置于出射光通过三液体后束 腰位置处。两光纤准直器设置于透镜边沿两侧；外加电压的改变，液体透镜的形状随之改 变，实现透镜顶角角度的调节来模拟顶角可调的棱镜，从而控制从出射光纤准直器9耦合 到接收光纤准直器10的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。其电压与输出光强的关 系由设计方案计算求得或通过实验测得，而后在显示模块上直接显示光功率的衰减比值。具体实施例2 精密套管制备采用金属铜铜柱精密机械加工成管套并抛光而成，铜套管壁预留三 小孔供液体注入。连接器管脚采用导电硅橡胶铸模而成，中空为光纤预留位置，由于硅橡胶 的柔韧性使得光纤准直器的插入与拔出更方便。绝缘层采用真空镀膜法生成3微米厚的派 瑞林。疏水层采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文缩写为PTFE，商标名特富龙 ，Teflon(MF) 涂层来实现。绝缘液体采用溴代十二烷(密度1.0399，折射率1.4583)，第一导电液体采用 配置为密度与之相等的食盐水溶液，以去除重力的影响；第二导电液体采用室温离子液体，因为室温离子液体是一种重要的绿色新型“软”材料，具有许多优点，如非挥发性，高热稳定 性，低熔点，良好的导电与导热性，良好的透光性与折射率等，而且品种非常多，可供选择的 余地很大。可以选择密度与导电液体相差不多而折射率与准直器接近的离子液体。同样第 一导电液体也可选择与第二导电液体一样。
权利要求
1.一种电调谐光衰减器，其特征在于以具有圆柱状通孔的套管(1)为主体，套管(1) 位于左连接器管脚( 和右连接器管脚(1 之间，套管(1)的两端分别与左连接器管脚 O)、右连接器管脚(1 连接，套管(1)内的空隙形成透镜腔，用于存储液体透镜介质；透镜 腔内放置三种互不相溶且折射率各异的液体即第一导电液体(3)、绝缘液体(4)和第二导 电液体(5)，这三种液体构成透镜介质，构成顶角可调的棱镜；套管采用导电材料制作并作 为一个电极，另一个或两个电极则是用导电材料制作的左连接器管脚( 和右连接器管脚(12)；出射光纤准直器(9)的一端穿过左连接器管脚(2)位于套管⑴中，接收光纤准直器 (10)的一端穿过右连接器管脚(1 位于套管(1)中；上述两光纤准直器设置于透镜边沿 两侧；外加电压通过电润湿效应控制液体透镜的形状以实现透镜顶角角度的调节来模拟顶 角可调的棱镜，从而控制从出射光纤准直器(9)耦合到出射光纤准直器(10)的光强耦合效 率以实现光的衰减可控调节；由此形成具有“出射光纤准直器(9) +顶角可调的棱镜+接收 光纤准直器(10)，，的结构的电调谐光衰减器。
2.根据权利要求1所述的电调谐光衰减器，其特征在于所述的套管(1)的内侧设有绝 缘层(7)，绝缘层(7)与液体接触的内侧设有疏水层(8)。
3.根据权利要求1所述的电调谐光衰减器，其特征在于套管一侧开有三个注液小孔(13)分别用于三液体的注入。
4.根据权利要求1所述的电调谐光衰减器，其特征在于控制电湿效应的电压源为直流 或交流电压源。
5.根据权利要求1所述的电调谐光衰减器，其特征在于给一个初始电压Vtl控制电湿效 应使液体接触面呈平面，接收光纤准直器端面设置于出射光通过三液体后束腰位置处。
全文摘要
一种电调谐光衰减器涉及一种基于电润湿效应的由变焦透镜边沿模拟顶角可调的液体棱镜构成的光衰减器结构，该衰减器以具有圆柱状通孔的精密套管(1)为主体，套管位于左连接器管脚(2)和右连接器管脚(12)之间，形成具有“出射光纤准直器(9)+顶角可调的棱镜+接收光纤准直器(10)”的结构。当套管(1)与左连接器管脚(2)或右连接器管脚(3)之间加上特定初始电压后，导电液体与侧壁之间的界面张力因电润湿效应的作用而降低可使三液体呈直条状。当改变外加电压时可液体界面的形状，实现透镜棱镜的顶角调谐而控制光束偏转，进而实现光纤耦合光强的调控，达到光的衰减控制目的。
文档编号G02B26/08GK102103231SQ201110049079
公开日2011年6月22日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者徐宁, 徐荣青, 梁忠诚, 钱晨, 陈陶 申请人:南京邮电大学