無源光限幅器的製造方法
2023-06-19 01:55:36
無源光限幅器的製造方法
【專利摘要】一種無源光限幅器，包括：一基底，該基底上面開有一凹槽；一輸入光路，其製作在基底上面的一側，一端探入到凹槽上；一輸出光路，其製作在基底上面的另一側，一端探入到凹槽上，該輸入光路和輸出光路之間有一狹縫，形成鏡面微腔；一光輸入端，其與輸入光路連接；一光輸出端，其與輸出光路連接。本發明提供的無源光限幅器，具有結構簡單，成本低，反應速度快，性能穩定的優點。
【專利說明】無源光限幅器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光控制【技術領域】，尤其涉及一種光限幅【技術領域】，特別是指一種無源 光限幅器。
【背景技術】
[0002] 光限幅技術用於避免光學設備及人眼受到高功率光的損害，其在光路中的地位相 當於"保險絲"在電路中地位。現階段還沒有成型的光限幅器件，還處於研究出好的光限幅 材料的階段。現階段的光限幅都基於某些材料所具有的反飽和吸收特性或非線性特性，處 於不斷提高性能階段，但是這些材料在高功率雷射下只能降低雷射功率，不存在最大透過 功率，當入射功率非常大時，輸出功率還是有可能損壞光學設備。
[0003] 現階段光衰減器被大量用來降低光功率，但在現實應用中我們需要不斷的調整衰 減片的衰減值來實現設備安全運行，這大大的降低了工作效率，同時也不能解決突發高光 功率對設備造成不可恢復的破壞的問題。
[0004] 光力被廣泛用來操縱微小物體，例如"光鑷子"可以操縱細胞、DNA分子或者細菌 等。"光鑷子"利用的是光場的梯度力，還有一種光力為散射力，其服從於動量定理，光子的 動量變化給微小物體反作用力，這種力可以大到使被作用物體產生形變。我們發明的無源 光限幅器就是基於這種散射力的，在高輸入功率下微腔兩鏡面產生足夠大的相對位移使光 路被關斷，其存在最大透過功率，我們可以根據需要設計相應的最大透過功率，可用於避免 突發過高光功率對設備的損壞。同時我們設計的無源光限制器結構十分簡單，成本非常低， 但是反應速度快，性能穩定，在軍事和高能研究領域以及將來的全光網絡中市場需求量巨 大。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有技術中存在的問題，本發明設計了一種無源光限幅器，具有結構簡 單，成本低，反應速度快，性能穩定的優點。
[0006] 本發明提供一種無源光限幅器，包括：
[0007] -基底，該基底上面開有一凹槽；
[0008] -輸入光路，其製作在基底上面的一側，一端探入到凹槽上；
[0009] -輸出光路，其製作在基底上面的另一側，一端探入到凹槽上，該輸入光路和輸出 光路之間有一狹縫，形成鏡面微腔；
[0010] -光輸入端，其與輸入光路連接；
[0011] -光輸出端，其與輸出光路連接。
[0012] 本發明由於採用了上述的技術方案，實現了世界上第一個基於光致機械運動的無 源光限幅器，並且結構簡單，成本低，可靠性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其中：
[0014] 圖1為本發明所述的無源光限幅器結構示意圖；
[0015] 圖2為本發明所述的無源光限幅器工作原理圖；
[0016] 圖3為本發明所述的無源光限幅器的測試結果圖。
【具體實施方式】
[0017] 請參閱圖1所示，本發明提供一種無源光限幅器，包括：
[0018] -基底1，該基底1上面開有一凹槽11 ;
[0019] 一輸入光路2,其製作在基底1上面的一側，一端探入到凹槽11上；
[0020] -輸出光路3,其製作在基底1上面的另一側，一端探入到凹槽11上，該輸入光路 2和輸出光路3之間有一狹縫，形成鏡面微腔4,該狹縫形成的鏡面微腔4是由光纖纖芯端 面或波導端面形成，鏡面微腔4的法線方向與光路的方向為0-60度；
[0021] 其中輸入光路2和輸出光路3為光波導，該光波導為光纖或矽波導；
[0022] 其中輸入光路2和輸出光路3是對準的；
[0023] 其中當輸入光路2和輸出光路3為光纖時，凹槽11的橫截面形狀為V形；當輸入 光路2和輸出光路3為矽波導時，凹槽11的橫截面形狀為矩形、梯形或V型；
[0024] -光輸入端5,其與輸入光路2連接；
[0025] -光輸出端6,其與輸出光路3連接；
[0026] 其中光輸入端5和光輸出端6是光纖接口或是f禹合光柵接口，對於光纖接口，輸入 光路5和輸出光路6為光纖；對於f禹合光柵接口，輸入光路5和輸出光路6為娃波導。
[0027] 本無源光限幅器的核心結構是鏡面微腔4,其由輸入光路2末端面和輸出光路3初 始端面形成，光輸入端5和光輸出端6用於光的輸入和輸出，輸入光路2和輸出光路3分別 和光輸入端5和光輸出端6相連。光輸入端5可以是光纖接頭，通過法蘭盤和外部光纖連 接，相應的輸入光路2和輸出光路3也由光纖構成，光輸出端6也通過法蘭盤將光f禹合到外 部光纖中；光輸入端5也可以是稱合光柵，通過光纖將光稱合到光柵中，相應的輸入光路2 和輸出光路4也由光波導構成，光輸出端5將光f禹合到外部光纖中。對於光纖結構，鏡面微 腔4直接由光纖端面構成，光纖端面可以打磨成不同角度；對于波導結構，鏡面微腔4是在 電子束曝光（EBL)和感應耦合等離子體（ICP)刻蝕中形成的波導端面，端面角度可以在加 工過程中調節。這種鏡面結構，在有光經過時，會由於光力作用而產生相對位移，當光功率 小時，光力很小，相對位移很小，光能夠順利通過；當光功率很大時，這種相對位移可以達到 使輸入光路和輸出光路錯開，從而達到光限幅作用。
[0028] 當光功率不大時為了減小光限幅器的插損，需要使輸入光路2的末端和輸出光路 3的初始端對準。對於光纖結構，可以利用光刻工藝和定向腐蝕工藝在基底上製作V型槽， 將輸入光路光纖和輸出光路光纖都放在V型槽中，通過旋轉光纖實現兩光纖端面的平行； 也可以利用法蘭盤將兩根光纖纖芯對準，首先將光纖頭的所有包層都去掉，露出一段長度 的纖芯，再利用標準工藝將光纖插入光纖FC/APC接頭，在打磨之前，將纖芯和套管中間的 空隙用光刻膠填滿，乾燥固化再打磨，打磨後在用丙酮將光刻膠去掉，然後用法蘭盤對接。 對于波導結構，其端面在電子束曝光（EBL)和感應耦合等離子體（ICP)刻蝕等半導體工藝 過程中是自對準的。
[0029] 為了增加鏡面微腔4產生的相對位移對光力的靈敏度，需要使其處於懸浮狀態， 同時輸入光路2和輸出光路3探入凹槽11的部分也處於懸浮狀態。對於光纖結構光限幅 器，將帶塗覆層的光纖放在V型槽中，光纖前端的塗覆層被去掉，光纖前端由於沒有塗覆層 比有塗覆層的光纖細，由於塗覆層外表面和V型槽壁接觸，光纖前端會自然懸浮；對于波導 結構，可以利用光刻和溼法腐蝕工藝將鏡面微腔下邊的材料腐蝕掉，形成凹槽11。還可以調 節輸入光路2和輸出光路3探入凹槽11的部分的長度來調節光限幅器靈敏度，來達到調節 幅值的作用。懸浮長度越大，鏡面微腔4的相對位移對光力變化越敏感，能夠通過的最大光 功率越小。也可以通過減小光路橫向尺寸來實現，對於光纖結構，可以選擇較細的光纖；低 于波導結構可以製作較小的寬度和高度。
[0030] 圖2是本發明提供的無源光限幅器工作原理圖，如圖2所示，當入射光功率低時， 光在鏡面微腔4中產生的力很小，不能使兩鏡面錯開，光能高效通過；當光功率很大時，光 力的側向分力使鏡面微腔4兩腔面產生很大的相對位移，使光不能順利通過，達到限幅的 作用。當光功率減小時，鏡面微腔能夠快速恢復最初高效通光狀態，因此此種光限幅器能夠 長時間工作，不用像電"保險絲"那樣只能用一次，這為科研和生產帶來了很大的方便。
[0031] 圖3為本發明所述的無源光限幅器的一種實施例的測試結果圖，如圖3所示，為一 種光纖結構的無源光限幅器的測試結果圖，由於光纖端面離支點有一段距離，由於重力作 用，端面不是相互平行的，有光經過時，能夠在端面上產生堅直方向的分光力。當入射功率 小於19dBm時，此光限幅器的插損只有3dB左右；當入射功率大於19dBm時，輸出功率急劇 下降，在入射功率為23dBm時，輸出只有-27dBm。由此可知此結構能夠通過的最大光功率為 16dBm，從而達到光限幅的作用。圖3中還給出了光纖光限幅器的不同工作狀態示意圖，當 光功率小於19dBm時，其工作狀態如左邊圖片所示，光纖在鏡面微腔處是對齊的，其能使光 高效通過；當光功率大於19dBm時，其工作狀態如下邊圖片所示，光纖在鏡面微腔處是錯開 的，使光不能通過。此光纖為單模光纖，通光纖芯只有9微米，因此光纖在端面處只要錯開 9微米，光就不能通過。圖片光纖中的亮線就是光纖通光的纖芯，我們清楚的看到亮線在小 入射光功率時使對準的，當光功率大於某一值時，亮線錯開，光不能通過。我們可以通過改 變光纖端面離支點的距離和改變端面法線方向來設置光限幅器的最大通過光功率。
[0032] 本發明提供的無源光限幅器是基於光致機械運動這一效應的，其平行鏡面微腔結 構在受到光力時會產生行對位移，光力是和光功率正相關，當光功率不大時，光力不足以改 變鏡面微腔相對位置，光能夠高效通過；當光功率很大時，光力大到可以使鏡面微腔產生很 大的相對位移，是光路斷開，光不能有效通過。這種無源的光限幅器結構簡單，性能穩定，實 現對光學設備或人眼有效強光保護，具有巨大的市場應用前景。
[0033] 由上面的分析可知，該器件可以完成光限幅功能，可以在需要強光保護的裝置中 獲得廣泛應用。
[〇〇34] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了較詳細具 體的說明，所應理解的是，以上所述的僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發 明，凡在本發明的精神、思想和原則範圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種無源光限幅器，包括： 一基底，該基底上面開有一凹槽； 一輸入光路，其製作在基底上面的一側，一端探入到凹槽上； 一輸出光路，其製作在基底上面的另一側，一端探入到凹槽上，該輸入光路和輸出光路 之間有一狹縫，形成鏡面微腔； 一光輸入端，其與輸入光路連接； 一光輸出端，其與輸出光路連接。
2. 根據權利要求1所述的無源光限幅器，其中輸入光路和輸出光路為光波導。
3. 根據權利要求2所述的無源光限幅器，其中光波導為光纖或矽波導。
4. 根據權利要求1所述的無源光限幅器，其中輸入光路末端和輸出光路初始端對準。
5. 根據權利要求1所述的無源光限幅器，其中狹縫形成的鏡面微腔由光纖纖芯端面或 波導端面形成，鏡面微腔的法線方向與光路的方向為0-60度。
6. 根據權利要求1所述的無源光限幅器，其中光輸入端和光輸出端是光纖接口或是耦 合光柵接口，對於光纖接口，輸入光路和輸出光路為光纖；對於稱合光柵接口，輸入光路和 輸出光路為娃波導。
7. 根據權利要求2所述的無源光限幅器，其中當輸入光路和輸出光路為光纖時，凹槽 的橫截面形狀為V形；當輸入光路和輸出光路為矽波導時，凹槽的橫截面形狀為矩形、梯形 或V型。
【文檔編號】G02F1/35GK104090447SQ201410331789
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】黃北舉, 程傳同, 張贊, 張贊允, 毛旭瑞, 甘勝, 李鵬飛, 陳弘達 申請人:中國科學院半導體研究所