一种基于液体光阑的可变光衰减器阵列的制作方法

1.本实用新型涉及光通讯、光电子系统领域，尤其涉及一种基于液体光阑的可变光衰减器阵列，包括通过调节液体光阑的通光孔径来实现对称或非对称排列的多光束阵列的光能量等量或不等量地可变衰减。


背景技术：

2.在光通信系统中，波分复用(dwdm)或检测等需要对光信号的功率进行预衰减，光衰减器是光通信系统中的一种不可或缺的关键器件。由于光网络的最基本的特性是可调，特别是随着dwdm传输系统和掺铒光纤放大器(edfa)在光通信中的应用，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端也要进行动态饱和的控制。此外，在一些光电子系统中也需要运用可变光衰减器阵列同时对多束光信号能量进行等量或不等量地衰减。
3.现有的可变光衰减器类型主要包括机械式光衰减器、磁光可调光衰减器、微机电系统（mems）光衰减器、热光衰减器、声光衰减器等。一般光衰减器往往有环境温度敏感、体积大、机械磨损、成本高、响应时间慢、插入损耗大等缺点。现有的可变光衰减器阵列报道很少，也同样具有成本高、体积大、存在机械磨损等缺点。目前，既能同时实现多个光信号等量或不等量的可变衰减又具有体积小、成本低、插入损耗小、无机械移动装置的可变光衰减器阵列是一个难题。
4.介质上电润湿效应运用于微流控驱动技术中，具有功耗低，操作简单，体积小等优点，且基于电润湿的微流控器件由于没有复杂的机械移动部件，因而没有因机械磨损产生故障的缺点，加之操作方便，故有很好的应用潜力。但是，目前介质上电润湿效应主要应用于微分析芯片和液体透镜中，并没有发挥电润湿在可变光衰减器上的灵活性。


技术实现要素：

5.实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种利用电润湿效应来控制液体光阑的通光孔径，通过特殊设计的阵列结构实现阵列光束的能量等量或不等量同步可变衰减的可变光衰减器阵列。
6.技术方案：本实用新型的一种基于液体光阑的可变光衰减器阵列，包括输入准直器阵列、输出准直器阵列和液体可变光阑，输入准直器阵列通过液体可变光阑将多个光信号传递给输出准直器阵列；所述输入准直器阵列和输出准直器阵列围绕液体可变光阑的中心轴对称或非对称排布；通过调节电压改变液体光阑通光孔径的大小，实现阵列光束光能量同步等量或不等量的可变衰减。
7.进一步的，所述输入准直器阵列和输出准直器阵列围绕液体可变光阑的中心轴对称排布时，输出准直器阵列接收的光束能量同步等量的可变衰减；所述输入准直器阵列和输出准直器阵列围绕液体可变光阑的中心轴非对称排布时，输出准直器阵列接收的光束能量同步不等量的可变衰减。
8.进一步的，所述液体光阑包括用于封装的腔体，所述腔体内填充有互不相溶的导电不透光水性液体和绝缘透明油性液体，所述绝缘透明油性液体位于腔体中心，导电不透光水性液体位于绝缘透明油性液体外围；所述腔体的底部覆盖有透明环状电极层，所述透明环状电极层上表面覆盖有疏水层，疏水层的两侧为环状的亲水层，疏水层的中央为用于防止导电不透光水性液体融合的超疏水层。
9.进一步的，所述超疏水层位于腔体的中心轴上，输入准直器阵列传输的光束信号不经过所述超疏水层。输入准直器阵列和输出准直器阵列排布时要求：初始状态，所有光束不被不透光液体遮挡，全部能通过液体光阑的通光孔（透明液体底部所占据的区域），但不经过最中心的超疏水层。
10.进一步的，所述腔体内部的四周侧壁涂覆与导电不透光水性液体亲和力强的亲水层；所述腔体内的顶部中心区域涂覆疏水层，疏水层外环到侧壁涂敷亲水层。
11.进一步的，透明环状电极层还可以设置在腔体外的底部，因此所述腔体内的底部涂敷超疏水层、环状的疏水层和环状的亲水层。其中，腔体内的底部最中心区域涂覆超疏水层，超疏水层外涂敷一圈疏水层，疏水层外环到侧壁再涂敷一圈亲水层。
12.进一步的，所述腔体内的底部涂敷超疏水层、环状的疏水层和环状的亲水层。疏水层和超疏水层具有高透光性。超疏水层可以是经过含氟的聚合物进行表面修饰的微纳米结构，疏水层可采用含氟聚化物。所述透明导电层由透明导电材料制成，优选为氧化铟锡。
13.进一步的，所述腔体外壁采用透明材料。透明材料要求具有耐水性和耐油性，可采用pdms、pmma或者玻璃等材料。
14.进一步的，腔体中的填充液体包括绝缘透明油性液体和导电不透光水性液体，两种液体互不相溶且质量密度相当。导电不透光水性液体可采用盐水进行染色制备，盐溶液包括氯化钠、氯化钾等可以用作助染剂的盐溶液，不透光染料可采用炭黑。绝缘透明油性液体可采用硅油或甘油等。
15.本实用新型的工作原理：基于液体光阑的可变光衰减器阵列，其主要包含两个部分，其一在于可变光衰减器阵列的阵列结构设计，其二在于利用液体光阑来调解光信号阵列的能量同步等量或不等量的可变衰减。各个输入准直器和对应输出准直器具有共同的中心轴，当光从输入准直器阵列传输到液体光阑时，利用介质上电润湿效应，通过调解施加的电压控制液体光阑的通光孔径，使输出准直器阵列接受的光部分或全部被遮挡。输入准直器阵列和输出准直器阵列围绕中心轴对称或非对称排布。当对称分布时，实现同一时间光阵列中的各个光束能量同步等量地可变衰减；当非对称排布时，实现光阵列中的各个光束能量不等量地可变衰减。
16.有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
17.（1）无微机械移动部件，避免了常用mems光衰减器体积较大、微机械移动部件易损坏、易受振动导致工作不稳定的问题；
18.（2）可以同时实现光信号阵列的各束光能量等量或不等量地可变衰减；
19.（3）结构和工艺简单，体积小，可以集成，易制作，成本低；
20.（4）电控操作方式简单，可实现远程控制或网络智能控制。
附图说明
21.图1是本实用新型的立体结构图；
22.图2是本实用新型的纵截面图；
23.图3是本实用新型等量可变光衰减器阵列排布的结构与原理示意图，其中(a)(b)(c)、(d)(e)(f)、(i)(j)(k)分别表示所有光束全通过、部分衰减及全衰减状态下对应的纵截面、横截面和立体结构图；
24.图4是本实用新型非等量可变光衰减器阵列排布的结构与原理示意图，其中(a)(b)(c)、(d)(e)(f)、(i)(j)(k)分别表示所有光束全通过、部分衰减及全衰减状态下对应的纵截面、横截面和立体结构图。
具体实施方式
25.下面结合附图及实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。
26.如图1和图2所示，本实用新型的一种基于液体光阑的可变光衰减器阵列，其前端放置输入准直器阵列8，中间放置液体可变光阑，后端放置输出准直器阵列9。液体可变光阑包括圆柱形腔体1、导电不透光水性液体5、绝缘透明油性液体6，以及分别涂敷在腔体1内壁上、下、侧面的疏水层2、超疏水层4、透明环状电极层7、亲水层3。当光从输入准直器阵列8传输到液体可变光阑时，利用介质上电润湿效应，调解施加的电压，改变和控制液体光阑的通光孔径大小，使输出准直器阵列9接受的光部分或全部被遮挡，从而实现对光信号阵列的光能量进行等量或不等量地可变衰减。
27.圆柱形腔体1中的填充液体包括绝缘透明油性液体6和导电不透光水性液体5，两种液体互不相溶，且质量密度相当。本实施案例的导电不透光水性液体5可采用水、盐溶液进行染色获得，盐溶液最好是氯化钠、氯化钾等可以用作助染剂的盐溶液，不透光染料可采用炭黑。绝缘透明油性液体6可采用硅油或甘油等。绝缘透明油性液体6位于腔体1中间，腔体1四周充满导电不透光水性液体5。
28.本实施案例的腔体1外壁采用透明材料，且材料要求具有耐水性和耐油性，可采用pmma、pdms、玻璃等材料。
29.腔体1下部的透明环状电极层7由透明导电材料制成，如氧化铟锡。
30.腔体1下部透明环状电极层7的上方有一层圆形超疏水层4，超疏水层4与绝缘透明油性液体6亲和力强，防止导电不透光水性液体5液面发生融合，并将导电不透光水性液体5排除在超疏水层4以外的区域；超疏水层4要求透光性高，可以是经过含氟的聚合物进行表面修饰的微纳米结构。
31.透明环状电极层7上方、超疏水层4的外环及腔体1内壁的顶部还有一层普通疏水层2，普通疏水层2可采用含氟聚化物。
32.以上的所提到的材料并不局限列举的材料，可以用功能相似的材料进行替换。
33.输入准直器阵列8和输出准直器阵列9排布时要求：初始状态，所有光束不被不透光液体5遮挡，全部能通过液体光阑的通光孔（透光液体6底部所占据的区域），但不经过最中心的超疏水层4。
34.输入准直器阵列8和输出准直器阵列9的排布分两种方式：1）围绕液体光阑中心轴环状对称分布，如图3(d)(e)(f)，实现同一时间光阵列中的各个光信号能量同步等量地可
变衰减；2）围绕液体光阑中心非轴对称排列，如图4(d)(e)(f)，可以是螺旋形分布，也可以按实际需求非轴对称的其它排列，实现光阵列中的各个光信号能量不等量地可变衰减。准直器排布的个数根据实际情况确定。
35.可变衰减的控制方式：通过调节施加在透明环状电极层7上的电压，改变和控制液体光阑通光孔径的大小，实现阵列光束的能量同步等量或不等量可变光衰减。如：图3(a)(b)(c)、(d)(e)(f)、(i)(j)(k)分别表示所有光束全通过、部分衰减及全衰减状态下对应“基于液体光阑的可变光衰减器阵列”的纵截面、横截面和立体结构图，阵列光束光能量同步等量衰减；图3(a)(b)(c)、(d)(e)(f)、(i)(j)(k)分别表示所有光束全通过、部分衰减及全衰减状态下对应“基于液体光阑的可变光衰减器阵列”的纵截面、横截面和立体结构图，阵列光束光能量同步不等量地衰减，如图4(e)所示，离中心轴远的全衰减，稍近的不同程度部分衰减，离中心轴最近的全通光，可运用于使功率不同的多光束的功率均衡，如波分复用。
36.以上所提到的准直器阵列（信号光束阵列）的排列，可以根据实际需求修改排布间距和数量。