第三章光衰減器

第三章光衰減器3.1光衰減器的作用和工作原理3.2光衰減器的性能及測(cè)試3.3光衰減器的分類及性能指標(biāo)3.4常用光衰減器的品種、型號(hào)規(guī)格和外形3.5光衰減器的應(yīng)用及發(fā)展1第三章光衰減器光衰減器是用來(lái)在光纖線路中產(chǎn)生可控制衰減的一種無(wú)源器件。功能是在光信息傳輸過(guò)程中對(duì)光功率進(jìn)行預(yù)定量的光衰減?？捎糜诠馔ㄐ啪€路、系統(tǒng)評(píng)估、研究、調(diào)整及校正等方面。在短距離小系統(tǒng)光纖通信中，光衰減器用來(lái)防止到光端機(jī)的功率過(guò)大而溢出動(dòng)態(tài)接收范圍；在光纖測(cè)試系統(tǒng)中，則可用光纖衰減器來(lái)取代一段光纖以模擬長(zhǎng)距離傳輸情況。2光衰減器定義:光衰減器（opticalattenuator）是對(duì)光功率進(jìn)行預(yù)定量衰減的器件，它可分為可變光衰減器和固定光衰減器。前者主要用于調(diào)節(jié)光功率電平，后者主要用于電平過(guò)高的光纖通信線路。對(duì)光衰減器主要要求是：插入損耗低、回波損耗高、分辨率線性度和重復(fù)性好、衰減量可調(diào)范圍大、衰減精度高、器件體積小，環(huán)境性能好。第三章光衰減器3根據(jù)工作原理分類：位移型光衰減器橫向位移型光衰減器縱向位移型光衰減器直接鍍膜型光衰減器（吸收?；蚍瓷淠Ｐ停┧p片型光衰減器液晶型光衰減器光衰減器第三章光衰減器4第三章光衰減器3.1.1位移型光衰減器：（是根據(jù)有意在光纖對(duì)接時(shí)，發(fā)生一定錯(cuò)位，是使光能損失一些，從而達(dá)到控制衰減量的目的。）橫向位移型:5其中為模場(chǎng)半徑，

r是纖芯中任意一點(diǎn)到軸心的距離。模場(chǎng)分布可以表示為：

（3.1）（3.2）該光束經(jīng)過(guò)橫向錯(cuò)位d傳輸?shù)降诙饫w的端面時(shí)，其模場(chǎng)變化為

（3.3）6設(shè)光纖間的軸向間隙可忽略不計(jì)，那么橫向耦合效率可通過(guò)兩模場(chǎng)的交疊積分來(lái)得到：（3.4）7將（3－1）（3－2）（3－3）式分別代入（3－4）式可得到經(jīng)過(guò)橫向位移后光能量的損耗：（3.5）（3.6）（3.7）單模光纖：8同理可得到在模式穩(wěn)態(tài)分布情況下，多模光纖的耦合損耗：對(duì)漸變型多模光纖來(lái)說(shuō)：

其中

，為兩端面間物質(zhì)的折射率，為纖芯的折射率，為包層的折射率，為修正因子，d為兩光纖間的橫向位移，為波長(zhǎng)。a為光纖的纖芯半徑，（3.8）9第三章光衰減器通常情況下，由于橫向位移參數(shù)的數(shù)量級(jí)均在級(jí)。所以僅用于固定衰減器的制作中。并采用熔接或粘接法。當(dāng)k＝1時(shí)（3－5）式可得曲線圖:10軸向位移性:應(yīng)用這種原理制作衰減器，在設(shè)計(jì)工藝上，只要用機(jī)械的方式將兩根光纖拉開(kāi)一定的距離進(jìn)行對(duì)中，就可實(shí)現(xiàn)衰減的目的。一般用于固定光衰減器和一些小型可變光衰減器的制作中。此類衰減器實(shí)際可看成一個(gè)損耗大的光纖連接器。所以設(shè)計(jì)時(shí)，通常與連接器的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)考慮，目前已形成兩種具有特色的光衰減器系列轉(zhuǎn)換器式光衰減器和變換器式光衰減器?？芍苯优c系統(tǒng)中的連接器配套。

第三章光衰減器11單模光纖情況下：

（3.9）為修正因子

，S為兩光纖端面間的距離。12當(dāng)k＝1，的情況下單模光纖之間的曲線圖如3.41314可調(diào)光衰減器(VOA)固定光衰減器153.1.2直接鍍膜型衰減器原理：直接在光纖端面或玻璃基片上鍍制金屬吸收或反射膜來(lái)衰減光能量。材料：Al膜、Ti膜、Cr膜、W膜等。注意：采用Al膜，常在上面加鍍一層SiO2或MgF2薄膜作為保護(hù)膜。第三章光衰減器16第三章光衰減器3.1.3衰減片型衰減器衰減片型光衰減器可分為固定衰減器和可調(diào)衰減器兩種:固定衰減器對(duì)光功率衰減量固定不變，主要用于調(diào)整光纖傳輸線路的光損耗。固定衰減器只需在兩光纖或兩透鏡之間貼一塊精確標(biāo)定損耗的光學(xué)衰減片即成?？勺兯p器的衰減量可在一定范圍內(nèi)變化，用于測(cè)量光接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍?？烧{(diào)衰減器通常是步進(jìn)衰減與連續(xù)可變衰減相結(jié)合工作的。17第三章光衰減器雙輪式可變光衰減器：雙輪式可變光衰減器利用了單模光纖準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器有四分之一節(jié)距的自聚焦（GRIN）透鏡和單模光纖組成。

步進(jìn)式雙輪可變光衰減器連續(xù)可變光衰減器

18第三章光衰減器19(a)光路和結(jié)構(gòu)(b)步進(jìn)衰減片(c)連續(xù)衰減片厚薄圖3.10雙輪連續(xù)式可變光衰減器結(jié)構(gòu)20第三章光衰減器自聚焦透鏡的特點(diǎn)

光線在空氣中傳播當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的折射率不同會(huì)改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過(guò)控制透鏡表面的曲率，利用產(chǎn)生的光程差使光線匯聚成一點(diǎn)。自聚焦透鏡同普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦透鏡材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。21

圖1普通透鏡光軌跡示意圖圖2自聚焦透鏡軌跡示意圖22第三章光衰減器公式（1）中：No--表示自聚焦透鏡的中心折射率

r--表示自聚焦透鏡的半徑

A--表示自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)自聚焦透鏡折射率布：23在自焦透鏡中，入射光線的軌跡是一條正弦曲線，而且所有的入射光線都有相同的周期，光束沿正弦軌跡傳播完成一個(gè)正弦波周期的長(zhǎng)度稱之為自聚焦透鏡的節(jié)距。用Ln表示。對(duì)于入射端面的光斑，在z=Ln可形成一個(gè)1：1的正立實(shí)像；在z=Ln/2處可形成1：1倒立的實(shí)像；從入射端面上某一點(diǎn)發(fā)出的光線，在z=Ln/4處和z=3Ln/4處變?yōu)槠叫泄?，也就是說(shuō)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)n/4的自聚焦透鏡對(duì)入射光線有準(zhǔn)直作用。第三章光衰減器242526圖5自聚焦透鏡示意圖27第三章光衰減器2.平移式光衰減器：

這種衰減器的衰減元件改用全量程連續(xù)變化的中性濾光片，其它元件均與雙輪式結(jié)構(gòu)一樣。283.智能型機(jī)械式光衰減器（EVOA）：通過(guò)電路控制電動(dòng)齒輪，帶動(dòng)平移濾光片，在將數(shù)據(jù)編碼和盤檢測(cè)到的實(shí)際衰減量反饋信號(hào)，反饋到電路中進(jìn)行修正從而達(dá)到自動(dòng)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)檢測(cè)和顯示光衰減量的目的。第三章光衰減器29第三章光衰減器3.1.4液晶型衰減器：

從光纖入射的光信號(hào)經(jīng)自聚焦透鏡后成為平行光入射，該平行光被分束元件P1分為偏振面相互垂直的兩束偏振光o和e光，經(jīng)過(guò)不加任何電壓的液晶元件時(shí)，兩束偏轉(zhuǎn)光同時(shí)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的偏振光在被另一與P1光軸成的分束元件P2合為一束平行光，由第二只自聚焦透鏡耦合進(jìn)入光纖。30

方解石o光e光2.尋常光和非尋常光兩折射光線中有一條始終在入射面內(nèi)，并遵從折射定律，稱為尋常光，簡(jiǎn)稱

o光另一條光一般不遵從折射定律，稱非常光，簡(jiǎn)稱e光

1.雙折射雙折射現(xiàn)象：一束光入射到各向異性的介質(zhì)后出現(xiàn)兩束折射光線的現(xiàn)象。3.1.4液晶型衰減器：第三章光衰減器31光光雙折射紙面令方解石晶體繞光線旋轉(zhuǎn)32液晶型衰減器工作原理：從光纖入射的光信號(hào)經(jīng)自聚焦透鏡后成為平行光入射，該平行光被分束元件P1分為偏振面相互垂直的兩束偏振光o和e光，經(jīng)過(guò)不加任何電壓的液晶元件時(shí)，兩束偏轉(zhuǎn)光同時(shí)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的偏振光在被另一與P1光軸成的分束元件P2合為一束平行光，由第二只自聚焦透鏡耦合進(jìn)入光纖（圖3.13)。33第三章光衰減器3.2光衰減器的性能及測(cè)試

3.2.1衰減量和插入損耗是光衰減器的重要指標(biāo)，固定光衰減器的衰減量指標(biāo)實(shí)際上就是其插入損耗，而可變衰減器除了衰減量外，還有單獨(dú)的插入損耗指標(biāo)，高質(zhì)量的可變衰減器的插入損耗在1.0db以下，一般情況下普通可變衰減器的該項(xiàng)指標(biāo)小于2.5db即可使用。在實(shí)際選用可調(diào)衰減器時(shí)，插入損耗越小越好。34第三章光衰減器光衰減器的插入損耗主要來(lái)源于光纖準(zhǔn)直器的插入損耗和衰減單元的透過(guò)率精度及耦合工藝，而工藝的重點(diǎn)在光纖準(zhǔn)直器的制作上。1.光纖和自聚焦（GRIN）透鏡的耦合自聚焦透鏡又稱為梯度變折射率透鏡，是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有聚焦和成像功能。自聚焦透鏡是一種圓柱棒狀微光學(xué)元件，其折射率分布同自聚焦光纖，只是遠(yuǎn)大于自聚焦光纖芯徑，規(guī)格為零點(diǎn)幾毫米到幾十毫米不等。

自聚焦透鏡內(nèi)的折射率沿棒的長(zhǎng)度或拒光纖軸線的距離變化。

35第三章光衰減器2.一對(duì)光纖準(zhǔn)直器之間的耦合衰減器中的準(zhǔn)直光路有一對(duì)準(zhǔn)直器構(gòu)成。角度偏差和離軸偏差引起的損耗較大，是影響衰減器插入損耗的重要因素。3.衰減量和插入損耗的測(cè)試尾光纖式衰減器是直光衰減器尾端不帶連接器。由圖3.14（a）所示建立的測(cè)試框架并采用熔接法熔接光纖，若從剪斷點(diǎn)測(cè)得入光功率為P1，這時(shí)衰減量A或插入損耗為：36

如果光衰減器為連接器端口式，由圖3.14（b）所示建立測(cè)試框架，圖3.14（b）重的連接器I、II為參考連接器，其本省插入損耗應(yīng)盡可能的小，P1、P2為插入衰減器前后測(cè)得的光功率值。第三章光衰減器37第三章光衰減器

3.2.2光衰減器的衰減精度

衰減精度是光衰減器的重要指標(biāo)之一，通常機(jī)械式光衰減器的衰減精度為其衰減量的倍。*衰減片式衰減器的衰減量取決于金屬蒸發(fā)鍍膜層的透過(guò)率和均勻性。*機(jī)械式結(jié)構(gòu)的衰減器，在結(jié)構(gòu)中的讀數(shù)顯示方式及機(jī)械調(diào)整方法也將影響到光衰減器中的衰減精度。38由朗伯定律可知，透過(guò)率取決于吸收材料的內(nèi)透射率和它的厚度t:

（3-13）衰減量A可表示為：

(3-14)式中取決于材料的吸收本領(lǐng)，它是波長(zhǎng)的函數(shù)。第三章光衰減器39要求：①由于衰減量與吸收材料的厚度呈線性變化，所以要對(duì)吸收材料的均勻性作嚴(yán)格的要求。②衰減器采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，那么結(jié)構(gòu)中的讀數(shù)顯示方式及機(jī)械調(diào)整方法也將影響到光衰減器的衰減精度，所以元件的加工要精密。第三章光衰減器40第三章光衰減器布拉格定律：1915年諾貝爾獎(jiǎng)授給W.H.布拉格和W.L.布拉格父子倆，以表彰他們?cè)诘慕艹鲇肵射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面所作出貢獻(xiàn)。1912年，W.L.布拉格在德國(guó)物理學(xué)家

M.von勞厄發(fā)現(xiàn)X射線通過(guò)晶體產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)上，

進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，1913年提出布拉格公式。

他們父子二人研究出晶體結(jié)構(gòu)分析的方法，從理論及實(shí)驗(yàn)上證明了晶體結(jié)構(gòu)的周期性和幾何對(duì)稱性，奠定了X射線譜學(xué)及X射線結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，從而為深入研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了可靠的途徑

41Bragg方程

滿足衍射的條件為：2dsin=nd為面間距，為入射線、反射線與反射晶面之間的交角，稱掠射角或布拉格角，而2θ為入射線與反射線（衍射線）之間的夾角，稱衍射角，n為整數(shù)，稱反射級(jí)數(shù)，λ為入射線波長(zhǎng)。這個(gè)公式把衍射方向、平面點(diǎn)陣族的間距d(hkl)和X射線的波長(zhǎng)λ聯(lián)系起來(lái)了。42朗伯定律:(1760)

A=lg(I0/It)=k1b

當(dāng)入射光的

，吸光物質(zhì)的c

一定時(shí),溶液的吸光度A與液層厚度b成正比.比爾定律：(1852)

A=lg(I0/It)=k2c

當(dāng)入射光的

,液層厚度b一定時(shí),溶液的吸光度A與吸光物質(zhì)的c成正比.朗伯-比爾定律:43T=It/I0=10－kbcA=－10lgT=10kbcItI0朗伯-比爾定律:443.2.3回波損耗

在光器件參數(shù)中影響系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)是回波損耗（RL）。光衰減器的回波損耗是指入射到光衰減器中的光能量和衰減器中沿入射光路反射出的光能量之比。第三章光衰減器45第三章光衰減器

1．衰減元件引起的回波損耗光學(xué)衰減元件是引起回波損耗的一個(gè)重要因素。當(dāng)采用光學(xué)衰減元件傾斜于光軸放置的方法，那么單個(gè)光學(xué)元件與空氣界面處的