专利名称：一种手持可变光衰减器的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种新颖的可变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：
可变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 (DffDM)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变光衰 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。本发明拟通过可变 焦液体透镜来构造可变光衰减器。而变焦液体透镜可以改变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、静态数码相机等系统。实现液体可变 焦透镜通常有3种方法，包括基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦透镜、基于液体 折射率变化的可变焦透镜和基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜。基于液体折射率变 化的可变焦透镜，主要是通过改变液体的折射率，通过使其产生梯度变化来实现连续变焦。 例如液晶微变焦透镜，通过改变施加的电压调节液晶折射率，从而实现对透镜焦距的控制。 这种微型透镜易于实现阵列化，但焦距可调范围较小，并且由于液晶在电场中的非均勻性 会造成较大的光学失真。基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦透镜，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润湿效应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。但该技 术需要较高的电压控制，而且电润湿效应装置需要复杂的镀膜工艺，国内很难加工成功。基 于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜采用机械方式对腔体内液体加压，通过液体在控体 内的重新分布，改变腔体表面透明可变形薄膜的曲率半径，从而改变透镜焦距。该种方法具 有驱动功耗小、易于制造、易于维护、透镜口径大小灵活等优点。但现有的研究和应用集中 于透镜变焦成像技术，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新颖的可变光衰减器结构，将变焦液体透 镜技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的可压控调节的光衰减器件，解决光衰 减器的可控调问题。由于未使用电机等复杂器件，不需要复杂的镀膜技术使得制作成本、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。技术方案本发明的手持可变光衰减器以主体套管为主体，主体套管位于左连接 器管脚和带外螺纹的右连接器管脚之间并与左连接器管脚和右连接器管脚相连接，出射光 纤准直器的一端从外部穿过左连接器管脚位于主体套管内的空腔中，接收光纤准直器的一 端从外部穿过右连接器管脚位于主体套管内的空腔中，主体套管内的空腔中设有由透明弹 性膜、液体透镜腔构成的顶角可调的棱镜，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；出射光纤准直器、接收光纤准直器设置于液体透镜腔边沿两侧； 在液体透镜腔壁的外周边设有注液孔和排气/排液孔与外界相通以利于组装和维护时透 镜液体介质的注入与排出，组装完毕此两孔均封闭；通过螺旋套管的螺旋进动使液体透镜 发生挤压形变以实现透镜顶角角度的调节来模拟顶角可调棱镜，从而控制从输入光纤准直 器耦合到输出光纤准直器的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。所述的顶角可调的棱镜包括在主体套管内设置螺旋套筒、套筒，并在套筒端面上 设置的透明弹性膜，弹性膜均以紧固环压紧固定，两弹性膜之间的空隙构成用于存储液体 透镜材料的液体透镜腔，用于存储液体透镜材料。所述的右连接器管脚的外壁上设有光衰减度数刻度。右连接器管脚内侧端面设置有吸收层以吸收杂散光。透明弹性膜有两片，其中一篇可设置为透明非弹性膜。在左右管脚和右连接器管脚上设有气孔以利于透明弹性膜的形变。接收光纤准直器放置于出射光纤准直器出射光束束腰位置处，变焦透镜放置于出 射、接收准直器间任意位置。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液体变焦透镜技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的可控的 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、维护简单等优点。创新之处在于1)将液体变焦透镜应用于光连接器件之中，实现了光衰减器的可控调谐。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)手持可用，操作简便，适合野外作业或课堂教学或学校实验操作。
图1是可变光衰减器结构示意图。图中有主体套管1、左连接器管脚2、带外螺纹 的右连接器管脚3、液体透镜腔4、透明弹性膜5、读数刻度6、紧固环7、吸收层8、螺旋套管 9、套管10、注液孔11、排气/排液孔12、输入光纤准直器13、输出光纤准直器14、粘胶15、 气孔16。
具体实施例方式如图1，该衰减器以主体套管1为主体，精密套管1位于左连接器管脚2和带外螺 纹的右连接器管脚3之间并与左连接器管脚2和右连接器管脚3相连接，出射光纤准直器 13的一端从外部穿过左连接器管脚2位于精密套管1内的空腔中，接收光纤准直器14的一端从外部穿过右连接器管脚3位于精密套管1内的空腔中，精密套管1内的空腔中设有顶 角可调的棱镜，在左/右管脚上设有出射/接收光纤准直器并以粘胶15固定，形成具有“出 射光纤准直器13+顶角可调的棱镜+接收光纤准直器14”的结构；顶角可调的棱镜包括在 主体套管1内设置螺旋套筒9、套筒10，并在套筒端面上设置的透明弹性膜5，弹性膜均以紧 固环7压紧固定，弹性膜5之间的空隙构成用于存储液体透镜材料的液体透镜腔4，用于存 储液体透镜材料；上述两光纤准直器设置于柱状透镜腔4边沿两侧；透镜腔壁设有注液孔 11和排气/排液孔12与外界相通以利于组装和维护时透镜液体介质的注入与排出，组装完 毕此两孔均封闭；通过螺旋套管9的螺旋进动使液体透镜发生挤压形变以实现透镜顶角角 度的调节来模拟顶角可调棱镜，从而控制从出射光纤准直器13耦合到出射光纤准直器14 的光强耦合效率以实现光的衰减可控调节。设置刻度指示两光纤间光强耦合效率。接收光 纤准直器应放于出射光纤准直器出射光束束腰位置处，变焦透镜可放于出射/接收准直器 间任意位置。所述的透明弹性膜5可设有增透膜以减少光强的其他损失。左右管脚内侧表 面设置有吸收层8以吸收杂散光。具体实施例1 主体套管1制备采用硅橡胶。这是由于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，其硬度易于控制；套管的侧面中间位置预留一对注液、排液/气小 孔11和12。主体芯片的形成左连接器管脚2采用塑料或橡胶精密铸造而成，带外螺纹的 右连接器管脚3采用金属铸造或车工，两者边缘均预留圆柱状孔，孔的大小和光纤准直器 9、10外径相匹配，中心附件预留通气孔16。透镜腔的形成先用金属或其他硬质材料按液 体透镜要求制作套管10和螺旋套管9，使用紧固环7在套管10和螺旋套管9的端面蒙上 用PDMS材料制作的透明弹性膜5，为了消除重力影响，膜的厚度和硬度可恰当选择厚一些 和硬一些。透镜腔侧壁的恰当位置设有注液小孔11，为使液体灌注/排出方便在透镜腔侧 壁的另一合适位置设置排气/液孔12。液体透镜材料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。为了保持盐水的低密度和折射率，采用低原子量的盐氯 化锂，较高浓度的氯化锂导致冰点低于-40°C。也可使用透明油来充当液体透镜材料，因为 油的折射率一般较高，例如苯基甲基硅氧烷，它具有高折射率和良好的透光率。为了减少不 必要的光强损失，液体也可材料折射率匹配液体使其折射率与透光膜尽可能接近。组装时，将左连接管脚2、套管10和螺旋套管9依次放入主体套管内，其中套管10 固定，螺旋套管9外侧涂覆适量润滑油以保证能在主体套管内进动。带外螺纹的右连接管 脚3旋入螺旋套管9内，将右连接管脚3和主体套管1固定在一起。将透镜腔4内灌注满 液体。组装完毕此注液孔11、排气孔12均封闭。光纤准直器放于管脚内的预留位置并用粘 胶15固定，两准直器间的相对位置通过计算，按以下要求确定严格对准和光束束腰位置， 液体透镜放置于两准直器之间任意位置，保证其边沿位于两准直器中心连线上即可。初始 位置时，透镜呈扁平状，从出射光纤准直器13出来的光束通过一个透明的“长方体”后，其 光斑中心正好落在接收光纤准直器14的中心以实现光束良好的耦合。通过螺旋套管9的 螺旋进动使液体透镜发生挤压形变实现透镜形状的改变，此时透镜顶角角度的调节可以用 来模拟顶角可调的棱镜，通过控制光斑在光纤准直器端面中心附近移动来调节光纤准直器 的耦合光强从而实现光的衰减的控制。其控制液体体积与输出光强的关系由设计方案计算 求得或通过实验测得，而后在右连接管脚外表面3设有的光衰减度数刻度6上直接显示光功率的衰减比值。具体实施例2 主体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，铜套管壁预留二 小孔供流体注入排出。连接器管脚采用硅橡胶铸模而成，边缘和中心附加分别为光纤准直 器和通气孔预留位置，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。螺旋套 管10的端面蒙上透明塑料，透镜液体材料可以采用室温离子液体，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。
权利要求
1.一种手持可变光衰减器，其特征在于该衰减器以主体套管(1)为主体，主体套管(1) 位于左连接器管脚( 和带外螺纹的右连接器管脚( 之间并与左连接器管脚( 和右连 接器管脚C3)相连接，出射光纤准直器(1 的一端从外部穿过左连接器管脚( 位于主体 套管(1)内的空腔中，接收光纤准直器(14)的一端从外部穿过右连接器管脚C3)位于主体 套管(1)内的空腔中，主体套管(1)内的空腔中设有由透明弹性膜(5)、液体透镜腔(4)构 成的顶角可调的棱镜，形成具有“出射光纤准直器(1 +顶角可调的棱镜+接收光纤准直器 (14)”的结构；出射光纤准直器(13)、接收光纤准直器(14)设置于液体透镜腔(4)边沿两 侧；在液体透镜腔⑷壁的外周边设有注液孔(11)和排气/排液孔(12)与外界相通以利 于组装和维护时透镜液体介质的注入与排出，组装完毕此两孔均封闭；通过螺旋套管(9) 的螺旋进动使液体透镜发生挤压形变以实现透镜顶角角度的调节来模拟顶角可调棱镜，从 而控制从输入光纤准直器(1 耦合到输出光纤准直器(14)的光强耦合效率以实现光的衰 减可控调节。
2.根据权利要求1所述的手持可变光衰减器，其特征在于所述的顶角可调的棱镜包括 在主体套管(1)内设置螺旋套筒(9)、套筒(10)，并在套筒端面上设置的透明弹性膜(5)，弹 性膜均以紧固环(7)压紧固定，两弹性膜(5)之间的空隙构成用于存储液体透镜材料的液 体透镜腔G)，用于存储液体透镜材料。
3.根据权利要求1所述的手持可变光衰减器，其特征在于所述的右连接器管脚(3)的 外壁上设有光衰减度数刻度。
4.根据权利要求1所述的手持可变光衰减器，其特征在于右连接器管脚(3)内侧端面 设置有吸收层(8)以吸收杂散光。
5.根据权利要求1所述的手持可变光衰减器，其特征在于透明弹性膜( 有两片，其中 一篇可设置为透明非弹性膜。
6.根据权利要求1所述的手持可变光衰减器，其特征在于在左右管脚( 和右连接器 管脚⑶上设有气孔(16)以利于透明弹性膜(5)的形变。
7.根据权利要求1所述的手持可变光哀减器，其特征在于接收光纤准直器放置于出射 光纤准直器出射光束束腰位置处，变焦透镜放置于出射、接收准直器间任意位置。
全文摘要
一种手持可变光衰减器涉及一种基于压控形变效应的由变焦液体透镜构成的光衰减器结构，以主体套管(1)为主体，主体套管(1)位于左连接器管脚(2)和带外螺纹的右连接器管脚(3)之间并与左连接器管脚(2)和右连接器管脚(3)相连接，出射光纤准直器(13)的一端从外部穿过左连接器管脚(2)位于主体套管(1)内的空腔中，接收光纤准直器(14)的一端从外部穿过右连接器管脚(3)位于主体套管(1)内的空腔中，主体套管(1)内的空腔中设有顶角可调的棱镜，形成具有“出射光纤准直器(13)+顶角可调的棱镜+接收光纤准直器(14)”的结构；所述的透明弹性膜(5)可设有增透膜以减少光强的其他损失。左右管脚内侧表面设置有吸收层(8)以吸收杂散光。
文档编号G02B26/02GK102129099SQ20111009477
公开日2011年7月20日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者刘芫建, 李培丽, 梁忠诚, 陈琳, 陈陶 申请人:南京邮电大学