专利名称：一种基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，具体涉及压电陶瓷(Lead zirconate titanate，简称PZT)微位移器、光学元件和波导耦合机构的及相关控制模块的结合，可以制作成可变光衰减器或光开关。
背景技术：
随着光通信领域的不断发展，光纤应用领域的不断扩大，使得对动态可配置的光通信器件的需求越来越大。传统的控制机构一般采用电机或其它磁致伸缩元件。但传统的传动控制机构存在体积偏大、分辨率受限、响应时间受限的缺点，同时难以组合成紧凑的多通道阵列式器件。
传统的用于制作光开关和可变光衰减器的光强控制用器件一般采用如下技术实现如热光技术、电光技术、声光技术、微机械技术(MicroElectro Mechanical，简称MEMS)等。其中，基于热光效应如波导技术的器件插入损耗大，偏振相关损耗大；基于电光技术如晶体器件插损较大，偏振相关损耗较大，热漂移较大，动态范围有限；微机械技术(MicroElectro Mechanical，简称MEMS)是目前发展较快的技术，也是最有竞争力的技术，使用静电力驱动光学元件运动改变光路传输方向产生光衰减，特点是体积很小，响应速度较快，功耗小，易于批量生产，但目前商用化的产品插损偏大，而且成本投入较高。而声光技术指的是声波用来控制光线的偏转，但基于声光技术的光强控制器件实现起来有较大难度。
发明内容
本实用新型目的是提供一种基于压电陶瓷微位移器作为光强控制器件，其性价比高，响应速度快的光强控制器件，可以精确地控制光束的传播方向，从而制成可变光衰减器或光开关及其阵列结构的光强控制器件。
本实用新型的技术方案是包括接口数字/模拟转换模块11、高压驱动电路模块12、光信号探测器7、模拟/数字转换模块8、中心控制电路模块9和光学系统部分，光学系统部分包括输入波导3、光学元件4、输出波导5、压电陶瓷微位移器6，其中光学元件4与压电陶瓷微位移器6结合为一体，输入波导3经由光学元件4耦合进输出波导5。
所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，光学系统部分的第一种结构为通过固定点10固定压电陶瓷微位移器6的尾部一端，其另一端头部为可往复摆动的悬臂式，一光学反射器4垂直固定在压电陶瓷微位移器的头部端，反射器镜面朝向输入波导3的输出端和输出波导5的输入端。
所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，光学系统部分的第二种结构为通过固定点10固定压电陶瓷微位移器6的尾部，反射镜面6.1平行于压电陶瓷微位移器表面，反射镜面6.1朝向输入波导3的输出端和输出波导5的输入端。反射镜面6.1可以是在压电陶瓷微位移器表面精加工而成，也可以是一粘接在压电陶瓷微位移器表面的光学反射镜。
所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其光学系统部分的第三种结构为通过固定点10固定压电陶瓷微位移器6的尾部端，光学透射元件4固定在压电陶瓷微位移器6的另一端部，输入波导3和输出波导5分别置于一光学透射元件4的两侧。
所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其光学系统部分的第四种结构为通过固定点10固定压电陶瓷微位移器6的两端，压电陶瓷微位移器表面精密加工成反射镜面6.1，在反射镜面6.1与输入波导3、输出波导5之间置一部分透射反射镜面4，部分透射反射镜面4的反射镜面4.1与反射镜面6.1之间有一定的距离dx。
本实用新型具有以下突出优点和积极效果①设计合理，易于制作，易于扩展为多通道集成器件；②结构紧凑，体积小；③响应速度快，精度高；④功耗小。
图1为本实用新型具体的总体方框图；图2为本实用新型用第一种结构制作可变光衰减器的结构示意图；图3为本实用新型用第二种结构制作可变光衰减器的结构示意图；图4为本实用新型用第三种结构制作可变光衰减器的结构示意图；图5为本实用新型用第四种结构制作可变光衰减器的结构示意图；图6为本实用新型用第一种结构制作光开关的结构示意图；图7为本实用新型用第二种结构制作光开关的结构示意图；图8为本实用新型用第三种结构制作光开关的结构示意图；具体实施方式
本实用新型的原理是压电陶瓷双层压电晶片或多层压电晶片之间为电极层，以双层压电晶片为例，通过给电极施加电压作用，其中的一个压电陶瓷片收缩，另外一个压电陶瓷片膨胀，从而总体上引起弯曲形变。通过精确控制施加电压的大小改变压电陶瓷微位移器的位移量，从而实现光束传播方向的控制，进而达到光强衰减或光路转换的目的。
本实用新型可用于制作可变光衰减器方案，如图2、图3、图4、图5所示。其中对于第一、二、四三种方案结构的可变光衰减器采用反射式结构，第三种方案结构的可变光衰减器采用透射式结构。
第一种方案的结构如图2所示，采用机械夹紧的方式或胶粘的方式固定压电陶瓷微位移器6的一端尾部，10为固定点，让另一端头部做悬臂式往复摆动。其中，一光学反射器4粘接在压电陶瓷微位移器6头部，输入波导3与输出波导5之间的耦合效率通过反射器转角改变而改变，反射器4转角通过压电陶瓷微位移器6的位移得以改变，可见输出波导5输出的光强为压电陶瓷微位移器6的位移量的函数。
第二种方案结构如图3所示，图3所示的机构原理与图2一致。所不同的是，光束的反射功能通过压电陶瓷微位移器6表面精密加工而成的反射镜面6.1实现。输入波导3与输出波导5之间的耦合效率通过镜面6.1倾斜角的改变而改变。镜面6.1的倾斜角与压电陶瓷微位移器6的端部位移量为一一对应的关系。10为固定点。该结构中的反射镜面6.1亦可通过粘接一光学反射器替代，光学反射器粘接在压电陶瓷微位移器表面，光学反射器工作面与压电陶瓷微位移器表面平行。
第三种方案结构如图4所示，采用透射式结构，其中输入波导3与输出波导5之间为一光学透射元件如光学棱镜4，光学棱镜4固定在压电陶瓷微位移器6头部，压电陶瓷微位移器6的尾部固定，10为固定点。压电陶瓷微位移器6的头部位移量的改变相应改变光束的传播方向，通过精确控制压电陶瓷微位移器6的位移，从而实现输出光强的可变衰减。该结构中的光学透射元件也可以是其它或具有类似功能的任何透射元件。
第四种方案结构如图5所示，其中6为压电陶瓷微位移器，10为固定点，3为输入波导，5为输出波导，6.1为压电陶瓷微位移器一表面，4为一部分透射反射镜，4.1为部分透射反射镜表面，表面6.1和表面4.1分别镀以高反膜形成镜面，在反射镜面6.1与输入波导、输出波导之间置光学元件部分透射反射镜4，部分透射反射镜4的反射镜面4.1与反射镜面6.1之间有一定的距离dx。表面4.1和表面6.1之间的距离dx随着控制电压改变而改变。这样一来，输入信号经由部分透射反射镜4反射回来的传输光与经部分透射反射镜4透射，并由镜面6.1反射回来的传输光发生干涉效应，从而达到光强调制的目的，实现光强的可变衰减。
本实用新型用于光开关的方案，如图6、图7、图8所示。其中对于光开关第一、二种方案结构采用反射式结构，第三种方案结构采用透射式结构。
光开关第一种方案结构如图6所示，压电陶瓷微位移器6作为切换光开关光束输出方向装置，其一端采用机械夹紧的方式或胶粘的方式夹持固定，10为固定点。光学反射器4固定在压电陶瓷微位移器6的另一端，3为输入波导，至少两个以上的输出波导5，通过改变压电陶瓷微位移器6的位移量改变光学反射器4与输入光束的夹角，从而实现光路的切换，形成3-5.1转为3-5.2或3-5.3，即形成1×N的光开关。
本实用新型光开关第二种方案结构如图7所示，光束的反射功能通过压电陶瓷微位移器6表面精密加工而成的反射镜面6.1实现。输出波导5即信号输出端包括至少两个以上的输出波导，输入波导3与输出波导5之间的光路切换通过镜面6.1倾斜角的改变而改变。镜面6.1倾斜角与压电陶瓷微位移器6的端部位移量为一一对应的关系。该结构中的反射镜面6.1亦可通过粘接一光学反射器替代，光学反射器粘接在压电陶瓷微位移器表面，光学反射器工作面与压电陶瓷微位移器表面平行。
本实用新型光开关第三种方案结构如图8所示，压电陶瓷微位移器6作为切换光开关光束输出方向装置，3为输入波导，经由光学透射元件4如光学棱镜耦合到的输出波导5，信号输出端包括至少两个以上的输出波导，精确控制压电陶瓷微位移器6端部位移时改变输入光束与光学透射元件4如光学棱镜第一入射面的夹角，从而改变输出光束的方向，实现光路的切换功能。该结构中的光学透射元件也可以是其它或具有类似功能的任何透射元件。
本实用新型具体应用时的总体方框图如图1所示方案可以采取闭环反馈控制，反馈控制可采用光信号探测器7监控输出光强的大小，也可以采用其他位置传感器如电容传感器等实现反馈控制的功能。
工作过程由图1可知，本实用新型具体应用的时，控制电路主要包括数字/模拟(D/A)转换模块11、高压驱动电路模块12、光信号探测器7、模拟/数字(A/D)转换模块8、中心控制电路模块9；本实用新型的光学系统部分包括输入波导3、光学元件4、输出波导5、压电陶瓷微位移器6。通过光学系统的几种不同实现方式，该装置可以分别实现可变光衰减器和光开关的功能。具体工作原理是控制电路的高压驱动电路接压电陶瓷微位移器的一电极，光学元件固定在压电陶瓷微位移器上，通过对陶瓷微位移器供电电压的控制压电陶瓷微位移器的形变角度，从而带动光学元件运动，实现精确地控制光束传播方向的目的；用户可以通过控制模块发送控制信号到驱动模块，驱动模块根据接收到的控制信号精确驱动压电陶瓷微位移器的微位移量。
权利要求1.一种基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，包括接口数字/模拟转换模块(11)、高压驱动电路模块(12)、光信号探测器(7)、模拟/数字转换模块(8)、中心控制电路模块(9)和光学系统部分，其特征在于光学系统部分包括输入波导(3)、光学元件(4)、输出波导(5)、压电陶瓷微位移器(6)，其中光学元件(4)与压电陶瓷微位移器(6)结合为一体，输入波导(3)经由光学元件(4)耦合进输出波导(5)。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其特征是光学系统部分的第一种结构为通过固定点(10)固定压电陶瓷微位移器(6)的尾部一端，其另一端头部为可往复摆动的悬臂式，一光学反射器(4)垂直固定在压电陶瓷微位移器的头部端，反射器镜面朝向输入波导(3)的输出端和输出波导(5)的输入端。
3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其特征是光学系统部分的第二种结构为通过固定点(10)固定压电陶瓷微位移器(6)的尾部，反射镜面(6.1)平行于压电陶瓷微位移器表面，反射镜面(6.1)朝向输入波导(3)的输出端和输出波导(5)的输入端。
4.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其特征是反射镜面(6.1)在压电陶瓷微位移器表面精加工而成。
5.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其特征是反射镜面(6.1)是一粘接在压电陶瓷微位移器表面的光学反射镜。
6.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其特征是光学系统部分的第三种结构为通过固定点(10)固定压电陶瓷微位移器(6)的尾部端，光学透射元件(4)固定在压电陶瓷微位移器(6)的另一端部，输入波导(3)和输出波导(5)分别置于一光学透射元件(4)的两侧。
7.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，其特征是光学系统部分的第四种结构为通过固定点(10)固定压电陶瓷微位移器(6)的两端，压电陶瓷微位移器表面精密加工成反射镜面(6.1)，在反射镜面(6.1)与输入波导(3)、输出波导(5)之间置一部分透射反射镜面(4)，部分透射反射镜面(4)的反射镜面(4.1)与反射镜面(6.1)之间有一定的距离dx。
专利摘要本实用新型涉及一种基于压电陶瓷微位移器的光强控制用器件，包括接口数字/模拟转换模块11、高压驱动电路模块12、光信号探测器7、模拟/数字转换模块8、中心控制电路模块9和光学系统部分，光学系统部分包括输入波导3、光学元件4、输出波导5、压电陶瓷微位移器6，其中光学元件4与压电陶瓷微位移器6结合为一体，输入波导3经由光学元件4耦合进输出波导5。通过压电陶瓷微位移器微动带动光学元件的运动以实现精确控制光束的传播方向。本实用新型属于光通信领域，可以制作成可变光衰减器和光开关，是未来组建光网络的关键器件。
文档编号H04B10/12GK2596383SQ0227933
公开日2003年12月31日 申请日期2002年9月26日 优先权日2002年9月26日
发明者孙莉萍, 马琨, 胡强高 申请人:武汉光迅科技有限责任公司