專利名稱：光傳輸可調(diào)衰減方法及其可調(diào)光學(xué)衰減器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于熱光效應(yīng)的光傳輸衰減方法，本發(fā)明還涉及一種實(shí)現(xiàn)該方法的可調(diào)光學(xué)衰減器。
背景技術(shù)：
可調(diào)光學(xué)衰減器(variable òptical attenuator或VOA)是DWDM(密集波分復(fù)用)光通信信號(hào)傳輸系統(tǒng)中不可缺少的器件，它的功能和作用是平衡和調(diào)節(jié)光信號(hào)的幅度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸和接收。制造可調(diào)光學(xué)衰減器VOA有很多技術(shù)，如光機(jī)械(optomechanical)，微機(jī)電(MEMS)等等，在這些可調(diào)光學(xué)衰減器包含有一些機(jī)械移動(dòng)部分，還需要傳統(tǒng)光學(xué)方式的校準(zhǔn)，因此制作和使用都比較復(fù)雜，不能大規(guī)模生產(chǎn)。另外，產(chǎn)品的尺寸大，難于向更高的集成度轉(zhuǎn)話，可靠性和可重復(fù)性都面臨很多挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以平面光波導(dǎo)為基礎(chǔ)的，基于熱光效應(yīng)的光傳輸可調(diào)衰減方法，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)該方法的可調(diào)光學(xué)衰減器。
現(xiàn)有的平面光波導(dǎo)對(duì)光的傳輸是基于波導(dǎo)芯和包層之間的光折射率差，通過(guò)物理上的光學(xué)全反射來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光學(xué)全反射發(fā)生在波導(dǎo)芯和包層界面上的要求是波導(dǎo)芯的光折射率大于包層的折射率，這樣保證了光波通過(guò)全內(nèi)反射限制在波導(dǎo)芯內(nèi)，而光沿著波導(dǎo)的方向傳輸?shù)恼鎸?shí)的物理情形是，即使在全反射的情形下，并不是所有的光能量都被限制在波導(dǎo)芯所定義的物理空間內(nèi)，而是有一部分光圍繞著波導(dǎo)芯在包層中傳播，即瞬逝波；而這部分光能與波導(dǎo)和包層材料的光折射率有關(guān)。
基于上述原理，本發(fā)明目的可通過(guò)以下的技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于熱光效應(yīng)的光傳輸衰減方法，對(duì)平面光波導(dǎo)的波導(dǎo)芯采用上下兩個(gè)包層的結(jié)構(gòu)，其中上包層采用折射率隨溫度或電壓發(fā)生變化的材料，并在包層中設(shè)置金屬電極；通過(guò)改變電極的電流加熱而改變溫度，進(jìn)而改變上包層的光學(xué)折射率，就可以改變光的模式分部和這一損失的幅度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電控制的可變光學(xué)衰減。
本發(fā)明所述波導(dǎo)芯位于上下兩個(gè)包層拼接界面處的中間區(qū)域，整個(gè)波導(dǎo)芯體置于上包層中。
本發(fā)明所述的金屬電極置于下包層中或上下兩包層之間的拼接界面處，為了增加加熱效率，在上包層的上表面還設(shè)置用于加熱的金屬電極。
本發(fā)明所述的上包層的室溫折射率與下包層的折射率接近或相同。
本發(fā)明的另一個(gè)目的可通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種可調(diào)光學(xué)衰減器，包括采用折射率隨溫度或電壓發(fā)生變化的材料制成的上包層、波導(dǎo)芯、下包層和埋于包層的金屬電極，波導(dǎo)芯位于上下兩個(gè)包層拼接處的中間區(qū)域，整個(gè)波導(dǎo)芯體置于上包層中。
本發(fā)明所述的金屬電極置于下包層中或上下兩包層之間的拼接界面處。
為了增加加熱效率，在上包層的上表面還設(shè)置用于加熱的金屬電極。
本發(fā)明所述的金屬電極為一對(duì)形狀對(duì)稱的電極，兩個(gè)電極對(duì)稱位于波導(dǎo)芯的兩側(cè)。
本發(fā)明所述的上包層的室溫折射率與下包層的折射率接近或相同。
本發(fā)明由于通過(guò)折射率隨溫度或電壓發(fā)生變化的聚合物材料作為波導(dǎo)芯的包層，同時(shí)在包層中設(shè)置金屬電極用于加熱和吸收光能。只要通過(guò)改變電極的電流加熱而改變溫度，進(jìn)而改變上包層的光學(xué)折射率，就可以改變光的模式分部和這一損失的幅度，實(shí)現(xiàn)可調(diào)光學(xué)衰減。因此，本發(fā)明沒(méi)有任何機(jī)械移動(dòng)部分，不需要傳統(tǒng)光學(xué)方式的校準(zhǔn)，而且由于本發(fā)明的整個(gè)波導(dǎo)上包層采用聚合物，可以通過(guò)一個(gè)鍍膜成膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大減化了工藝制作；另外由于本發(fā)明是基于平面硅片的器件，因此可以利用半導(dǎo)體芯片的大規(guī)模制造工藝來(lái)生產(chǎn)，具有生產(chǎn)成本低，高重復(fù)性和可靠性，并且具有可以和其它平面光學(xué)芯片進(jìn)行更高度的集成的可延伸性。


圖1為本發(fā)明在自然條件或無(wú)外來(lái)干擾情況下整個(gè)光學(xué)模式的能量分布示意圖；圖2為本發(fā)明在溫度變化下整個(gè)光學(xué)模式的能量分布示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例一的橫截示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例一的立體示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例一的橫截示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例一的橫截示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例一的橫截示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用折射率隨溫度或電壓發(fā)生變化的聚合物材料制成的上包層、波導(dǎo)芯、下包層和埋于包層的金屬電極，波導(dǎo)芯位于上下兩個(gè)包層拼接處的中間區(qū)域，整個(gè)波導(dǎo)芯體置于上包層中。通常波導(dǎo)芯和下包層可選用摻雜的SiO2或純SiO2。金屬電板可選用金或鉑(Au/Pt)材料，而上包層的折射率可以隨溫度或電壓發(fā)生變化的材料，比如說(shuō)具有這種特性的聚合物或液晶，而且目前的聚合物技術(shù)的發(fā)展可以保證非常小的光吸收，同時(shí)可以提供很大的熱致光折射率的調(diào)制。另外上包層材料的選擇的另一要求是它的室溫折射率與下包層的折射率接近或相同。金屬電極的尺寸和位置及上包層的厚度可以由具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求決定。
選用常溫下上包層的折射率n＝1.445波導(dǎo)芯的折射率n＝1.46，波導(dǎo)下包層n＝1.445，波導(dǎo)芯的截面為正方型，波導(dǎo)芯的尺寸或大小由光學(xué)單模條件來(lái)決定。這時(shí)整個(gè)光學(xué)模式的能量，包括波導(dǎo)芯和瞬逝波部分，在自然條件或無(wú)外來(lái)干擾情況下是對(duì)稱分布的(如圖1所示)。但是，如果上包層材料有一個(gè)折射率隨溫度變化的負(fù)溫度調(diào)制系數(shù)，即它的折射率隨溫度的升高而減小，那么光學(xué)模式的分布會(huì)隨加熱發(fā)生如下變化，其趨勢(shì)是更多的光能量會(huì)分布到下包層，并且模式的分布會(huì)變大并擴(kuò)展開(kāi)來(lái)(如圖2所示)，這時(shí)光學(xué)模由于擴(kuò)展就會(huì)感受到金屬電極的存在，即部分光會(huì)“重疊”在電極上而被吸收掉，因此，通過(guò)改變電極的電流加熱而改變溫度，進(jìn)而改變上包層的光學(xué)折射率，就可以改變光的模式分部和這一損失的幅度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電控制的可變光學(xué)衰減。而衰減或被吸收的多少取決于光模式與電極的重疊幅度和光在進(jìn)行傳播中與電極重疊的路徑長(zhǎng)度。
如圖3、圖4所示，本發(fā)明波導(dǎo)截面圖包括四個(gè)部分，即上包層1，波導(dǎo)芯2下包層3和埋于下包層中的兩個(gè)“U形”金屬電極4，兩個(gè)相同的電極對(duì)稱地置放在波導(dǎo)芯的兩側(cè)，金屬電極的形狀由過(guò)渡區(qū)和加熱區(qū)兩部分構(gòu)成，在過(guò)渡區(qū)與加熱區(qū)的交連部分以緩慢的曲線彎細(xì)相聯(lián)接的目的是避免一個(gè)突然的折射率變化或吸收變化界面的形成，這一突變會(huì)進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)信號(hào)的可能突變。
由于衰減或被吸收的多少取決于光模式與電極的重疊幅度和光在進(jìn)行傳播中與電極重疊的路徑長(zhǎng)度。本發(fā)明中電極可以放在不同位置來(lái)實(shí)現(xiàn)光的可控衰減。電極可放在上包層和下包層的拼接界面上(如圖5所示)，在圖3和圖5這兩種實(shí)施例中，金屬電極既作加熱器又作為光的吸收器，而它們的位置和尺寸則由具體的材料和設(shè)計(jì)要求來(lái)決定。
在圖6和圖7這兩種實(shí)施例，除了在下包層中或上包層和下包層的拼接界面上放置兩個(gè)對(duì)稱的金屬電極，在上包層的上表面還放置一對(duì)金屬電極5，這里下包層中或上包層和下包層的拼接界面上的金屬電極只起吸收作用，而上包層表面的兩個(gè)電極則作為加熱電極，這一選擇的好處是大大提高了加熱的效率，進(jìn)而減小器件運(yùn)行的功率損耗。
權(quán)利要求
1.一種光傳輸可調(diào)衰減方法，其特征在于對(duì)平面光波導(dǎo)的波導(dǎo)芯采用上下兩個(gè)包層的結(jié)構(gòu)，其中上包層采用折射率隨溫度或電壓發(fā)生變化的材料，并在包層中設(shè)置金屬電極；通過(guò)改變電極的電流加熱而改變溫度，進(jìn)而改變上包層的光學(xué)折射率，就可以改變光的模式分布和損失的幅度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電控制的可變光學(xué)衰減。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光傳輸可調(diào)衰減方法，其特征在于所述的上包層的室溫折射率與下包層的折射率接近或相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光傳輸可調(diào)衰減方法，其特征在于所述波導(dǎo)芯位于上下兩個(gè)包層拼接界面處的中間區(qū)域，整個(gè)波導(dǎo)芯體置于上包層中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光傳輸可調(diào)衰減方法，其特征在于所述的金屬電極置于下包層中或上下兩包層之間的拼接界面處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的光傳輸衰減方法，其特征在于在上包層的上表面還設(shè)置用于加熱的金屬電極。
6.一種可調(diào)光學(xué)衰減器，其特征在于包括采用折射率隨溫度或電壓發(fā)生變化的材料制成的上包層、波導(dǎo)芯、下包層和埋于包層的金屬電極，波導(dǎo)芯位于上下兩個(gè)包層拼接界面處的中間區(qū)域，整個(gè)波導(dǎo)芯體置于上包層中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可調(diào)光學(xué)衰減器，其特征在于所述的金屬電極置于下包層中或上下兩包層之間的拼接界面處。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可調(diào)光學(xué)衰減器，其特征在于在上包層的上表面還設(shè)置用于加熱的金屬電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8所述的可調(diào)光學(xué)衰減器，其特征在于所述的金屬電極為一對(duì)形狀對(duì)稱的電極，兩個(gè)電極對(duì)稱位于波導(dǎo)芯的兩側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可調(diào)光學(xué)衰減器，其特征在于所述的上包層的室溫折射率與下包層的折射率接近或相同。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光傳輸可調(diào)衰減方法及其可調(diào)光學(xué)衰減器，對(duì)平面光波導(dǎo)的波導(dǎo)芯采用上下兩個(gè)包層的結(jié)構(gòu)，其中上包層采用折射率隨溫度或電壓發(fā)生變化的材料，并在包層中設(shè)置金屬電極。通過(guò)改變電極的電流加熱而改變溫度，進(jìn)而改變上包層的光學(xué)折射率，就可以改變光的模式分部和這一損失的幅度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電控制的可變光學(xué)衰減。本發(fā)明沒(méi)有任何機(jī)械移動(dòng)部分，不需要傳統(tǒng)光學(xué)方式的校準(zhǔn)，可以利用半導(dǎo)體芯片的大規(guī)模制造工藝來(lái)生產(chǎn)，最終是一種固化模塊式的產(chǎn)品。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1908711SQ200610036438
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月11日
發(fā)明者李若林 申請(qǐng)人:四川飛陽(yáng)科技有限公司, 李若林