可调光衰减器设计

课程设计

课程名称光通信原理课程设计题目名称可调光衰减器的设计学院

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指导教师

2014年10月24日

一、引言

提出了一种基于热光调节的可调光衰减器结构。该衰减器通过腐蚀光纤包层到一定厚度和长度后，在表面涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。从模场变化角度分析了传输光束的衰减与涂覆材料折射率的关系，并从实验上测试了使用不同涂覆材料时的衰减。理论分析与实验结果均表明在涂覆材料折射率略大于原光纤包层材料折射率时，涂覆材料折射率微小的变化将引起传播光束衰减的大幅度变化，并且光纤被腐蚀的长度越长或包层材料剩余厚度越小，衰减越大。因此，由热光系数大、折射率略大于光纤包层的聚合物材料所组成的可调光纤衰减器，具有衰减调节范围大且功耗小、插入损耗小、成本低、低偏振特性、易于与其它光纤器件祸合或集成等特点。

可调光衰减器(V OA)的用途是降低或控制光信号，按其工作原理大致可分为以下几类:机械型分立式微光学衰减器、液晶型可调光衰减器、光纤可调光衰减器、微机电系统(MEMS)光衰减器和平面波导型光衰减器等。其中，光纤可调光衰减器具有结构简单、插入损耗小、成本低、可直接与光纤或作为尾纤与其它波导器件对接等突出的优点而具有广泛的应用前景，但有关光纤模场(热光)控制的可调光衰减器研究却很少。

光波导的光场分布主要是由折射率的空间分布和波导的几何结构所决定，因此改变光纤包层折射率，将改变光纤中光束的传输特性。据此本文提出一种结构简单的光纤型热光可调光衰减器的设计方案:通过腐蚀光纤包层，使包层剩余厚度少于一定值后，在其表面涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。

二、方案论证

1.工作原理

将单模光纤中某一段的包层腐蚀到一定厚度以后，在其外部涂覆上折射率热光可调的材料。当材料折射率受热光调节发生变化时，经过上述处理的光纤模场发生变化，从而引起模场失配甚至导模能量泄漏衰减。下面从模场变化的角度分析涂覆材料折射率与衰减的关系。

通常用高斯模型来近似描述单模光纤中光能量的分布。模场直径(MFD)定义为光能量降低到exp(-2)时的光斑直径，用符号2w。表示，r为离开光轴的距离，则光纤截面上的光强I(r)按下式分布:

)2

exp()0()(02

ωr I r I -=

如果在模场半径为w 。的光纤中插入一段模场半径为w 的光纤，将共带来模

场失配损耗A:

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=220202lg 20ωωωωA

2.可调光衰减器的基本结构和可调原理

图1.基本结构示意图

光纤模场可调衰减器的基本结构如图1所示:单模光纤纤芯直径为1a ，折射

率为1n ;将单模光纤上一段长度为Z 的包层腐蚀，其剩余厚度为s ，称为内包层，折射率为2n ;在内包层外涂覆上热光系数大的聚合物材料外包层，折射率为3n :

n n n ∆+='33

3n 为初始温度0t 时聚合物折射率，n ∆由材料热光系数t n ∂∂/和温度变化范围T ∆决定:

T T

n n ∆∂∂=∆

调节涂覆材料温度，将使其折射率变化，光纤模场、也产生相应变化，从而

可实现传输光束的衰减调节。

三、设计与分析

使用不同折射率的涂覆材料模拟涂覆单一热光可调材料并在折射率变化范围很大的情况下，从实验上分析了涂覆材料折射率与衰减的关系。

实验采用Corning SMF- 128光纤，已知其纤芯直径12a 为8.3m μ, λ= 1310

nm 时模场直径02ω为9.2m μ，折射率为1.4675。为去掉光纤包层，先将光纤的外涂覆层去掉，然后放入氢氟酸，氟化氨，去离子水为混合(氢氟酸30ml ，氟化氨60 g,去离子水100 ml)的腐蚀液中浸泡约3 h 。经测量，该批光纤被腐蚀段长度平均为Z= 14.165 mm;平均直径为2(12a +s) = 14.25m μ，即s 取值为2. 975 m μ。可见光纤外涂覆层和经过腐蚀的包层。包层所呈现的锥形区域反映腐蚀程度随时间的关系。

在被腐蚀段处涂覆不同折射率的材料，测量了在1310 nm 波长上的光纤衰减

量。为方便测量，将光纤两端制成尾纤。对衰减量的计算为每种涂覆材料各取5根样品的测量数据求平均值，并以相同长度Corning SMF-28光纤跳线衰减量为比较基准，记下衰减值如表1所示。表中材料的折射率是根据柯西色散公式计算得到，其中H-3081,H-3270为有机硅产品牌号。有关参量选取为:s =

2.975m μ ,1a =4.1m μ，w 。=4.6m μ., 1n =1 .4675, t ∆=0. 36%，3n 取值从1.0000到1.47000。

为便于与理论计算结果进行比较，根据表1的数据绘出了衰减曲线，如下图

中带星号的点线;图中的实线是根据(7)式和(1)式的理论计算结果;虚线是考虑包层与涂覆材料分界面的粗糙度、纤芯一包层同心度误差后，对理论结果进行修正后的拟合曲线。从图中看出，实验结果与数值计算结果的趋向相吻合。同样在23n n >后，随着3n 的小范围变化衰减迅速增加。

图2.理论计算和实际测得不同涂覆材料下的衰减比较

表1.采用不同涂覆材料实测的衰减

此外，理论与实验表明，增大涂覆材料的轴向长度L，可进一步增大可调光衰减器的衰减动态范围。图3为实验测得的轴向涂覆长度改变时对光衰减器衰减量的影响，其涂覆材料为甘油（折射率为1.4702，室温25℃)。图中显示出衰减

, Z= 量几乎随光纤的腐蚀长度线性增加。如果用光纤熔接机将两个s= 2.975m

14mm 的光衰减器串连，总衰减量还可超过23dB 。这说明，在13n n ≈时，即弱导情况，辐射模被激发。尤其当13n n ≥时，衰减主要来源于辐射模的贡献，假设导模的功率衰减系数为2α，经过z 的传输距离后，导模的功率P(z)为：

)2exp()0()(z P z P α-=

由于辐射模衰减系数与长度有关，所以总衰减量也与z 有关:

z P

z P A α∞⎥⎦

⎤⎢⎣⎡-≈)0()(lg 10 因此，从模场变化的角度对衰减进行的理论分析只能近似成文在23n n >后，

应加以修正，即应加上辐射模对总衰减量的贡献。

因此如图5所示，衰减与轴向涂覆长度有关。

我们还从实验上研究了光纤内包层厚度s 对衰减的影响。图为腐蚀程度不同

同时，每1 mm 材料涂覆长度带来的衰减，、取值为:测量得到的经过腐蚀后的光纤直径减去纤芯直径12a 后除以2，仍然使用甘油作为涂覆材料。从图中看到，s 值越小，衰减越大因此，在23n n >的条件下，减小s 能大大增加可调光衰减器的衰减动态范围。