第三章光衰减器

*衰减片式衰减器的衰减量取决于金属蒸发镀膜层的透过率和均 匀性。 *机械式结构的衰减器，在结构中的读数显示方式及机械调整方 法也将影响到光衰减器中的衰减精度。
38
第三章光衰减器
由朗伯定律可知，透过率取决于吸收材料的内透射 率和它的厚度t: （3-13） TP = 10 −α t 衰减量A可表示为： A (3-14) A = −10 log T = 10α t
11
单模光纤情况下：
4(1 + ε 2 ) Ls = −10 B0 logη 反 (2 + ε 2 ) 2
（3.9）
λs ε= πω 0
B0为修正因子 ，S为两光纤端面间的距离。
12
ω 当k＝1， 0 = 5µm 的情况下单模光纤之间的
曲线图如3.4
LS − S
13
14
可调光衰减 器(VOA)
17
第三章光衰减器
1. 双轮式可变光衰减器：双轮式可变光衰减器 双轮式可变光衰减器： 利用了单模光纤准直器， 利用了单模光纤准直器，准直器有四分之一 节距的自聚焦（ 节距的自聚焦（GRIN）透镜和单模光纤组 ） 成。 步进式双轮可变光衰减器 连续可变光衰减器
18
第三章光衰减器
19
厚 薄
(a)光路和结构
34
第三章光衰减器
光衰减器的插入损耗主要来源于光纤准直器的插入损耗 和衰减单元的透过率精度及耦合工艺，而工艺的重点在 光纤准直器的制作上。 光纤准直器的制作上 1.光纤和自聚焦（GRIN）透镜的耦合 自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜，是指其折射 率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。具有聚焦和 成像功能。 自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件， 其折射率分布同自聚焦光纤，只是远大于自聚焦光 纤芯径，规格为零点几毫米到几十毫米不等。 自聚焦透镜内的折射率沿棒的长度或拒光纤轴线的 距离变化。

−3
+ 2.879V −6 )a
（3.7）
V = 2πan1 2∆ / λ n1 − n2 ∆= n1
k = n1 n0
8
同理可得到在模式稳态分布情况下，多模光纤的 ′ 耦合损耗 Ld ：
′ ′ ′ Ld = −10 A0 logη d
对渐变型多模光纤来说：
2 d ′ η d = η 反 1 − 2.35 a
n1
n2
γ0
γe
e光
o光
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令方解石晶体绕光线旋转
纸面
双 折 射
光 光
32
液晶型衰减器工作原理： 液晶型衰减器工作原理：
从光纤入射的光信号经自聚焦透镜后成为平行光入射， 该平行光被分束元件P1分为偏振面相互垂直的两束偏 振光o和e光，经过不加任何电压的液晶元件时，两束 偏转光同时旋转 ，旋转后的偏振光在被另一与P1 90 0
30
第三章光衰减器
3.1.4液晶型衰减器： 液晶型衰减器： 液晶型衰减器
1.双折射 双折射 双折射现象： 双折射现象：一束光入射到各向 异性的介质后出现两束折射光线 的现象。 的现象。 方解石
R2
S
i
R1
2. 寻常光和非寻常光 折射光线中有一条始终在入射面内， 两折射光线中有一条始终在入射面内， 遵从折射定律，称为寻常光， 并遵从折射定律，称为寻常光，简称 o 光另一条光一般不遵从折射定律， 另一条光一般不遵从折射定律， 称非常光， 称非常光，简称 e 光
第三章光衰减器
3.1 光衰减器的作用和工作原理 3.2 光衰减器的性能及测试 3.3 光衰减器的分类及性能指标 3.4 常用光衰减器的品种、型号规 格和外形 3.5 光衰减器的应用及发展
1
第三章光衰减器
光衰减器是用来在光纤线路中产生可控制 衰减的一种无源器件。功能是在光信息传 功能是在光信息传 输过程中对光功率进行预定量的光衰减。 输过程中对光功率进行预定量的光衰减。 可用于光通信线路、系统评估、研究、调 整及校正等方面。 在短距离小系统光纤通信中，光衰减器用 来防止到光端机的功率过大而溢出动态接 收范围；在光纤测试系统中，则可用光纤 衰减器来取代一段光纤以模拟长距离传输 情况。
5
模场分布 E0 可以表示为：
E 0 (r ) =
2
ω0
exp[−( r
ω0
)2 ]
（3.1）
其中 ω 0 为模场半径， r 是纤芯中任意一点到轴心的距离。 该光束经过横向错位d传输到第二根光纤的端面时，其模场变化为 E1 (r )
E1 ( r ) =
2
ω1
exp[−( r
ω1

2
)2 ]
24
25
26
图5 自聚焦透镜示意图
27
第三章光衰减器
2. 平移式光衰减器： 平移式光衰减器： 这种衰减器的衰减元件改用全量程连续 变化的中性滤光片， 变化的中性滤光片，其它元件均与双轮式结 构一样。 构一样。
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第三章光衰减器
3. 智能型机械式光衰减器（EVOA）：
通过电路控制电动齿轮，带动平移滤光片，在将 数据编码和盘检测到的实际衰减量反馈信号，反馈到 电路中进行修正从而达到自动驱动、自动检测和显示 光衰减量的目的。
（3.2）
λd ω1 = ω 0 1 + πω0

12
（3.3）
6
设光纤间的轴向间隙 s → 0 可忽略不计，那么横向 耦合效率可通过两模场的交叠积分来得到：
2π ∞
η=
∫ dθ ∫ E E rdr
0 1 0 0 2
2π
∫ dθ ∫ E
0 0
∞
0
rdr × ∫ dθ ∫ E1 rdr
A(或I L ) = -10logP2 / P 1
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第三章光衰减器
如果光衰减器为连接器端口式，由图3.14（b）所 示建立测试框架，图3.14（b） 重的连接器I、II 为参考连接器，其本省插入损耗应尽可能的小， P1、P2为插入衰减器前后测得的光功率值。
37
第三章光衰减器
3.2.2 光衰减器的衰减精度 衰减精度是光衰减器的重要指标之一 ，通常机械式光衰减 器的衰减精度为其衰减量的 0.1 ± 倍。
2 0 0
2π
∞
（3.4）
7
将（3－1）（3－2）（3－3）式分别代入（3－4）式 可得到经过横向位移后光能量的损耗：
Ld = −10 logη = −10 logη反e
16k 2 η反 = (1 + k ) 4
( − d ω0 )2
（3.5）
（3.6）
2
单模光纤： 0 = (0.65 + 1.619V ω
(b)步进衰减片
(c) 连续衰减片
图3.10
双轮连续式可变光衰减器结构
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第三章光衰减器
自聚焦透镜的特点 光线在空气中传播当遇到不同介质时，由 于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统 的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，利用 产生的光程差使光线汇聚成一点。 自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透 镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使 折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射 光线被平滑且连续的汇聚到一点。
位移型光衰减器位移型光衰减器位移型光衰减器位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器吸收模或反射模型吸收模或反射模型直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器吸收模或反射模型吸收模或反射模型衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器液晶型光衰减器第三章光衰减器311位移型光衰减器
固定光衰减 器
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第三章光衰减器
3.1.2 直接镀膜型衰减器
原理：直接在光纤端面或玻璃基片上镀制金属吸收或反 射膜来衰减光能量。 材料：Al膜、Ti膜、Cr膜、W膜等。 注意：采用Al膜，常在上面加镀一层SiO2或MgF2薄膜 作为保护膜。
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第三章光衰减器
3.1.3 衰减片型衰减器
衰减片型光衰减器可分为固定衰减器和可调衰减器两种: 固定衰减器对光功率衰减量固定不变，主要用于调整光 纤传输线路的光损耗。固定衰减器只需在两光纤或两透 镜之间贴一块精确标定损耗的光学衰减片即成。 可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光 接收机灵敏度和动态范围。可调衰减器通常是步进衰减 与连续可变衰减相结合工作的。
35
第三章光衰减器
2.一对光纤准直器之间的耦合
衰减器中的准直光路有一对准直器构成。角度偏差和离 轴偏差引起的损耗较大，是影响衰减器插入损耗的重 要因素。 3.衰减量和插入损耗的测试 尾光纤式衰减器是直光衰减器尾端不带连接器。由图 3.14（a）所示建立的测试框架并采用熔接法熔接光纤， 若从剪断点测得入光功率为P1，这时衰减量A或插入损 耗为：
光轴成的分束元件P2合为一束平行光，由第二只自聚 焦透镜耦合进入光纤（图3.13)。
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第三章光衰减器
3.2 光衰减器的性能及测试
3.2.1衰减量和插入损耗是光衰减器的重要指标， 固定光衰减器的衰减量指标实际上就是其插入 损耗，而可变衰减器除了衰减量外，还有单独 的插入损耗指标，高质量的可变衰减器的插入 损耗在1.0db以下，一般情况下普通可变衰减器 的该项指标小于2.5db即可使用。在实际选用可 调衰减器时，插入损耗越小越好。
P
式中 α 取决于材料的吸收本领，它是波长的函数。
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第三章光衰减器
要求：①由于衰减量与吸收材料的厚度呈 线性变化，所以要对吸收材料的均匀性 作严格的要求。 ②衰减器采用机械结构，那么结构中 的读数显示方式及机械调整方法也将影 响到光衰减器的衰减精度，所以元件的 加工要精密。
40
第三章光衰减器
布拉格定律： 布拉格定律：
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第三章光衰减器
轴向位移性:应用这种原理制作衰减器，在设计工 艺上，只要用机械的方式将两根光纤拉开一定的距 离进行对中，就可实现衰减的目的。 一般用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的 制作中。此类衰减器实际可看成一个损耗大的光纤 连接器。所以设计时，通常与连接器的结构结合起 来考虑，目前已形成两种具有特色的光衰减器系列 转换器式光衰减器和变换器式光衰减器。可直接与 系统中的连接器配套。
（3.8）
n 其中 k = n1 n0 ， n0 为两端面间物质的折射率， 1 为纤芯的折射率， n2 为包层的折射率， A A′ 0 0
为修正因子，d为两光纤间的横向位移，
a为光纤的纤芯半径， λ 为波长。
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第三章光衰减器
通常情况下，由于横向位移参数的数量级均在 µm 级。所以仅用于固定衰减器的制作中。并 采用熔接或粘接法。 当k＝1时（3－5）式可得曲线图:
2
第三章光衰减器
光衰减器定义: 光衰减器定义
光衰减器（ attenuator） 光衰减器（optical attenuator）是对光功率进 行预定量衰减的器件， 行预定量衰减的器件，它可分为可变光衰减器和固 定光衰减器。前者主要用于调节光功率电平， 定光衰减器。前者主要用于调节光功率电平，后者 主要用于电平过高的光纤通信线路。 主要用于电平过高的光纤通信线路。 对光衰减器主要要求是：插入损耗低、回波损耗高、 对光衰减器主要要求是：插入损耗低、回波损耗高、 分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、 分辨率线性度和重复性好、衰减量可调范围大、衰减 精度高、器件体积小，环境性能好。 精度高、器件体积小，环境性能好。
3
第三章光衰减器
根据工作原理分类：
横向位移型光衰减器
位移型光衰减器
纵向位移型光衰减器
光衰 减器
直接镀膜型光衰减器 吸收模或反射模型） （吸收模或反射模型） 衰减片型光衰减器 液晶型光衰减器
4
第三章光衰减器
3.1.1位移型光衰减器：（是根据有意在光纤 对接时，发生一定错位，是使光能损失一 些，从而达到控制衰减量的目的。） 横向位移型:
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图1 普通透镜光轨迹示意图
图2 自聚焦透镜轨迹示意图
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第三章光衰减器
自聚焦透镜 折射率布：
公式（1）中：No --表示自聚焦透镜的中心折射率 r --表示自聚焦透镜的半径 A --表示自聚焦透镜的折射率分布常数
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第三章光衰减器
在自焦透镜中，入射光线的轨迹是一条正弦曲线，而且 所有的入射光线都有相同的周期，光束沿正弦轨迹传播 完成一个正弦波周期的长度称之为自聚焦透镜的节距。 用Ln表示。对于入射端面的光斑，在z=Ln可形成一个1： 1的正立实像；在z=Ln/2处可形成1：1倒立的实像；从 入射端面上某一点发出的光线，在z=Ln/4处和z=3Ln/4处 变为平行光，也就是说，长度为Ln/4的自聚焦透镜对入 射光线有准直作用。
1915年诺贝尔奖授给W.H.布拉 格和W.L.布拉格父子俩，以表 彰他们在的杰出用X射线研究晶 体结构方面所作出贡献。 1912年，W.L.布拉格在德国物理学家 M.von劳厄发现X射 线通过晶体产生衍射的基础上， 进行了一系列实验， 1913年提出布拉格公式。 他们父子二人研究出晶体结构 分析的方法，从理论及实验上证明了晶体结构的周期性 和几何对称性，奠定了X射线谱学及X射线结构分析的基 础，从而为深入研究物质内部结构开辟了可靠的途径
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第三章光衰减器
3.1.4液晶型衰减器： 液晶型衰减器： 液晶型衰减器
从光纤入射的光信号经自聚焦透镜后成为平行 光入射，该平行光被分束元件P1分为偏振面相互垂直 的两束偏振光o和e光，经过不加任何电压的液晶元件 时，两束偏转光同时旋转 90 0，旋转后的偏振光在被另 一与P1光轴成的分束元件P2合为一束平行光，由第二 只自聚焦透镜耦合进入光纤。