CN110119040A - 基于电热效应的光纤调制芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于电热效应的光纤调制芯片。其特征在于，所述的调制芯片包括光纤1、电热膜3、电极4‑1、4‑2、基底2‑1、2‑2构成。基底为刻蚀了光纤槽及电极槽的石英玻璃；电热膜为镀在基底上的电阻膜阵列；电极放置在电极槽中，一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连，并且每个电阻膜都可单独被开关控制。本发明通过调制施加的电压，利用电热效应在光纤上形成一系列的温度变化，进而实现对光纤内传输光的调制。通过本发明所述的光纤调制芯片，可以实现光纤光衰减器、光纤光栅、光纤干涉仪等结构。本发明提高了热光光纤器件的集成度，且结构简单，成本低，可以灵活调制输出光的特性。本发明在光纤传感领域有重要应用。

Description

基于电热效应的光纤调制芯片

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于电热效应的光纤调制芯片制作技术。具体而言，涉及一种可控制的光纤热光调制***。可用于光纤衰减器、光纤光栅、光纤干涉仪等器件的制作，属于光纤传感技术领域。

(二)背景技术

从20世纪70年代开始，随着低损耗光纤及高性能半导体激光器的出现和发展，人们越来越重视光纤通信技术。现在，光纤通信已经成为现代通信网络中三大支柱中的主体。同时，光纤通信还被人们誉为通信发展史上的一次革命。通信技术进步的过程是光纤、器件和网络不断地推陈出新。然而传统光学***结构复杂，稳定性差，而且光纤器件和集成波导之间的会有很大的附加损耗，所以器件微型化、高性能化和低功耗化是未来光纤通信技术的发展趋势。

光调制器是光纤通信网络中一类重要的器件，按照调制方式与光源的关系来分，有直接调制和外调制两种。前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数(光强、频率等)，后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的振幅、频率及相位等进行调制，光源直接调制的优点是简单，但调制速率受到载流子寿命及高速率下的性能退化的限制(如频率啁啾等)。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适合于高速率下运用。现代光纤***主要使用的的外部调制包括电光调制、热光调制、声光调制、电吸收调制、全光调制等。他们所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、热光效应、声光效应、磁光效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。

基于热光效应的光调制器件利用温度的变化，改变波导的折射率，从而引起光在波导中传输时相位的变化，最终达到光调制的功能。与其他物理效应的调制器件相比，热光调制器件的制作工艺简单、集成度高、成本低廉，避免了对材料性能的特殊要求，如高电光系数、高非线性系数等，这些优势使得基于热光效应的光波导器件研究受到极大关注。

自1980M.Haruna等人首次在文章《Thermo-optic effect in LiNbO3，for lightdeflection and switching》中提出将热光效应用于制作铌酸锂多模通道波导以来，热光效应在制作光调制器方面得到了广泛的应用，主要用于制作光衰减器、光开关等器件。专利CN101000392介绍了一种光纤热光可变形光衰减器，该专利公开了以下制作方法，将一段抛磨区覆盖有聚合物的D型光纤外螺旋缠绕加热电阻丝，通过对电阻丝通电加热实现光衰减。该器件通过缠绕电阻丝的方法制作加热区，制作出来的器件结构较大，且易使光纤内光场在温度的影响下产生损耗。专利CN104849878A介绍了一种基于马赫曾德结构的光开关的制作方法，该专利的原理为通过对干涉臂光波导通电改变干涉臂折射率来实现光开关的功能。该器件由于是波导器件，因此连接到光纤通信网络中会有较大的附加损耗，且封装困难，不利于制作。

这些专利和方法在一定程度上都可以实现基于热光效应的光调制，但是这些方法制作出的器件在器件结构、制作过程、***损耗等方面或多或少存在不足之处。例如，波导器件与光纤通信网络连接时会附加损耗；器件无法大规模生产；制作成本较高等。

(三)发明内容

本发明的目的在于提出一种应用于光纤通讯网络的简单紧凑、低功耗，稳定性好、便于制作、可灵活调控的基于电热效应的光纤调制芯片。

为达到上述目的，本发明采用的方案是：

一种基于电热效应的光纤调制芯片制作技术，包括刻蚀了光纤槽及电极槽的基底、光纤、电热膜、电极。电热膜镀在基底的光纤槽中，电极放置在电极槽中，其一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连接，光纤放置在基底上的光纤槽内，外包层与电热膜相接触。

基底的大小由于制作器件的不同，可为几厘米至数十厘米。基底所用的材质为石英、玻璃、陶瓷等绝缘物质。

基底上通过激光刻蚀的方法制作出适当大小的光纤槽及电极槽。

根据器件所需的结构，在基底上进行电热膜的制作。所需结构的电热膜可以通过在基底上镀膜后使用激光进行雕刻得到，也可以通过在镀膜前放置掩膜版再镀膜得到，每个电阻膜的宽度可以是几十个微米，可以为数百微米。电热膜的材质可以是金、银等金属，也可以是合金、金属氧化物等其他具有电阻的材质。每个电热膜的所施加的电压都可以单独被控制。

电极为金、铜等金属制成，放置在电极槽中，其在基底内的一端与电热膜相连接，基底外的一端与电源控制端连接。

所述的光纤根据制作的器件不同、可以为普通的单模光纤，也可以是聚合物光纤、双芯光纤、液芯光纤等特种光纤。

本发明的有益效果在于：

1、使用热光效应制作光器件，制作方法简单、成本低廉、避免了对材料的特殊要求、可以批量生产。

2、基底上所镀的电热膜根据所制作器件的不同，可以制作成不同的结构，通过改变其中电阻膜通电的数量及施加电压的大小，可以实现对传输光的灵活调制。

3、光纤放置在光纤槽内，可以对光纤及一些特殊结构提供保护，制作成的器件稳定性好、集成度高。

(四)附图说明

图1是基于电热效应的可调制型光纤光栅芯片示意图

图2是基于电热效应的可调制型Mach-Zehnder干涉仪芯片示意图

图3是基于电热效应的可调制型Michelson干涉仪芯片示意图

图4是非对称双芯光纤截面示意图

图5是对称双芯光纤截面示意图

图6是基于电热效应的可调制型光衰减器芯片示意图

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明：

实施例1

图1给出了基于电热效应的可调制型光纤光栅芯片实施例。包括光纤1、电热膜3、电极4-1、4-2、基底2-1、2-2构成。基底为两块通过激光器刻蚀了光纤槽及电极槽的石英玻璃粘合而成；电热膜为镀在两块基底光纤槽及电极槽内的电阻膜阵列；光纤位于基底刻蚀的光纤槽中，外包层与电热膜接触，并且被电热膜环绕；电极放置在电极槽内，一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连，并且每个电阻膜都可单独被开关控制。本发明中，光纤槽内的光纤被电热膜包裹，所使用的光纤可以为单模光纤，也可以是硅芯光纤、液芯光纤、聚合物光纤等。本发明通过对电热膜施加电压来产生电热效应，电热膜通电后会释放出焦耳热，引起电阻膜温度的升高，导致电阻膜与光纤间存在温差，因此会向光纤内部进行热传导，从而导致光纤折射率的改变。配合可编程的电源控制单元，使光纤折射率呈现周期性变化，由此可以实现光栅的作用。通过调控通电电热膜的个数及施加电压的大小，可以达到改变光栅个数及调制深度的效果，因此可以实现对输出光的灵活调制。

实施例2

图2给出了基于电热效应的可调制型Mach-Zehnder干涉仪实施例。包括单模光纤1-1、非对称双芯光纤1-2、单模光纤1-3、基底2-1、2-1、光纤锥5-1、5-2、电热膜3、电极4-1、4-2。单模光纤通过光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，另一端通过光纤锥与另一单模光纤相连接。非对称双芯光纤截面如图4所示，其中1-2-1为边芯、1-2-2为中间芯，所用非对称双芯光纤可用对称双芯光纤代替，对称双芯光纤截面如图5所示，其中1-4-1为纤芯1，1-4-2为纤芯2。光纤锥5-1、5-2是通过在单模光纤与非对称双芯光纤对芯焊接后在焊点处进行熔融拉锥制作而成的；光纤锥5-1的作用是把单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的中间芯和边芯中，光纤锥52的作用是将中间芯和边芯中传输的光同时耦合入单模光纤中，使之发生干涉。电热膜镀在其中一块基底的光纤槽内，光纤被放置在基底的光纤槽中，边芯一侧与电热膜相连。电极放置在电极槽中，其一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连，并且每个电阻膜都可单独被开关控制。本发明通过对电阻膜施加电压来产生电热效应。电阻膜通电后会释放焦耳热，引起电热膜温度的变化，导致电热膜与光纤间存在温差，因此会发生热传导，使光纤的温度改变，从而导致折射率的变化。由于电阻膜在边芯一侧的光纤包层上，所以发生热传导时，边芯跟中间芯的温度变化不同，两纤芯存在温差，因此光纤内两纤芯的折射率变化不同，光在两个纤芯传输时会产生光程差，由此产生干涉相位的变化。配合可编程的加热子阵列，控制沿光纤轴向的折射率变化，进而改变传输光程，实现干涉仪相位的可调制性。通过调控通电电热膜的个数及施加电压的大小，改变折射率变化的长度及折射率变化的大小，可以实现对输出的干涉光的灵活调制。

实施例3

图3给出了基于电热效应的可调制型Michelson干涉仪实施例。包括单模光纤1-1、非对称双芯光纤1-2、光纤锥5、基底2-1、2-2、电热膜3、电极4-1、4-2、反射镜6；单模光纤一端通过光纤锥与非对称双芯光纤的一端相连，非对称双芯光纤截面如图4所示，其中1-2-1为边芯、1-2-2为中间芯，所用非对称双芯光纤可用对称双芯光纤代替，对称双芯光纤截面如图5所示，其中1-4-1为纤芯1，1-4-2为纤芯2。光纤锥5是通过在单模光纤与非对称双芯光纤对芯焊接后在焊点处进行熔融拉锥制作而成的，光纤锥作用是把单模光纤中的光按照一定的分光比耦合入非对称双芯光纤的中间芯和边芯中。反射镜位于非对称双芯光纤的另一端，所述的反射镜是切割良好的光纤端面或者是镀于光纤端面的金属膜。光纤被放置在基底的光纤槽中，电热膜镀在其中一块基底的光纤槽内，边芯一侧与电热膜相连。电极放置在电极槽内，其一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连，并且每个电阻膜都可单独被开关控制。本发明通过对电阻膜施加电压来产生电热效应。电阻膜通电后会释放焦耳热，引起电热膜温度的变化，导致电热膜与光纤间存在温差，因此会发生热传导，使光纤的温度改变，从而导致折射率的变化。由于电阻膜在边芯一侧的光纤包层上，所以发生热传导时，边芯跟中间芯的温度变化不同，两纤芯存在温差，因此光纤内两纤芯的折射率变化不同，光在两个纤芯传输时会产生光程差，由此产生干涉相位的变化。配合可编程的加热子阵列，控制沿光纤轴向的折射率变化，进而改变传输光程，实现干涉仪相位的可调制性。通过调控通电电热膜的个数及施加电压的大小，改变折射率变化的长度及折射率变化的大小，可以实现对输出的干涉光的灵活调制。

实施例4

图6给出了基于电热效应的可调制型光衰减器实施例。包括单模光纤1、基底2-1、2-2、电热膜3、电极4-1、4-2、热光系数较高的聚合物7；将单模光纤一段磨成D型，使光纤的包层减小到倏逝波存在的区域。在D型光纤的平面涂覆上具有较高热光系数的聚合物，使之重新变成原光纤的形状。电热膜镀在其中一块基底的光纤槽中，将覆盖了聚合物的光纤放置在光纤槽中，有聚合物的一侧与电热膜相接触。电极放置在电极槽内，其一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连，并且每个电阻膜都可单独被开关控制。本发明通过对电阻膜施加电压来产生电热效应。电阻膜通电后会释放焦耳热，引起电阻膜温度的变化，导致电阻膜与聚合物间存在温差，因此会向聚合物进行热传导，使聚合物的温度上升，由于聚合物具有较高的热光系数，因此导致光纤与聚合物间的有效折射率发生变化，从而影响倏逝波的传输。配合可编程的加热子阵列，可以控制光纤纤芯模的传播和泄漏。

Claims (8)

1.一种基于电热效应的光纤调制芯片。其特征在于，所述的调制芯片包括光纤1、电热膜3、电极4-1、4-2、基底2-1、2-2构成。基底为两块刻蚀了光纤槽及电极槽的石英玻璃粘合而成；电热膜为镀在光纤槽及电极槽内的电阻膜阵列；光纤位于基底刻蚀的光纤槽中，外包层与电热膜接触；电极放置在电极槽中，一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连，并且每个电阻膜都可单独被开关控制。本发明通过对电热膜施加电压来产生电热效应。电热膜通电后会释放焦耳热，引起电阻膜温度的升高，导致电阻膜与光纤间存在温差，因此会向光纤内部进行热传导，从而导致光纤的折射率发生变化。由此可是实现对光纤内传输光进行调制。配合可编程的电源控制单元，调控电阻膜通电的个数及施加电压的大小，可以实现对输出光的灵活调制。

2.根据权利要求1所述的基底。其特征是：所述基底材料为石英、玻璃、陶瓷等绝缘物质构成，根据所需制作的器件，基底长度为几厘米至数十厘米。

3.根据权利要求1所述的光纤槽及电极槽。其特征是：所述光纤槽及电极槽是通过激光器在基底上刻蚀而成。

4.根据权利要求1所述的电热膜。其特征是：电阻膜材料为金属、金属氧化物、合金等具有电阻性质的材料，由于制作器件的不同，其宽度可以为几十微米，也可以为几百微米。

5.根据权利要求1所述的电热膜。其特征是：所述的电热膜阵列可以通过在基底上外加掩膜版再进行镀膜的方法制作而成；也可以通过先在基底上镀膜然后通过激光器雕刻制作成所需结构。

6.根据权利要求1所述的电极。其特征是：电极可由金、铜等导电材质构成，放置在电极槽中，其一端与电热膜相连，另一端与电源控制端相连。

7.根据权利要求1所述的光纤。其特征是：由于需要制作的器件不同，所以使用的光纤不同，既可以是普通的单模光纤、又可以为双芯光纤、液芯光纤、聚合物光纤等一些特种光纤。放置在光纤槽内后，包层与电热膜相接触。

8.根据权利要求1所述的基于电热效应的光纤调制芯片。其特征是：所述芯片的可调制性是通过可编程控制电源，调控通电电热膜的数量及施加在电热膜上电压大小来实现输出光的调制。