光衰减器的原理及应用

光衰减器的原理及应用

作者：钱青、唐旭东 日期：2006-1-6

（上海光城邮电通信设备有限公司）

光纤通信是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。由于其比传统的其他通信方式有着巨大的优势，随着信息技术的不断发展和信息化进程的加快，光纤及其光器件的使用范围越来越广，如光纤通信系统、光纤数据网、光纤CATV 等。

信号无论在哪种传输介质中传输都会有损耗，这种损耗可以定义为信号的衰减。光通信中光纤衰减的特性用衰减系数α表示，光信号在光纤中传输时，其功率P 随着传输距离的增加按指数形式衰减，即

= -αP

设起始处（z=0）的信号光功率为P(0)，则在光纤中经过距离z 的传播后，其值为衰减系数

α= ln

在同一种介质中传输时，信号的衰减系数比较稳定，一旦介质有所转换，衰减就有突变。

在通常情况下，我们都希望传输线的损耗越小越好，但在有些情况下，由于信号源及传输距离的不确定，线路中的信号强度可能过大，这就需要采取某种措施减小信号。光衰减器就是这样一种用于消除线路中过大信号的器件。

一、光纤衰减的特性

要研制光衰减器，首先要了解光纤传输的基本特性。光在光纤中传输，是通过全反射的原理，确保光不外泄。如图1所示全反射临界入射角为θc ，αc 为临界传播角，纤芯的折射率为n 1，包层的折射率为n 2。

图1 光纤内部光传输

为满足光线在纤芯内的全反射条件，要求n 1>n 2。αc 是光线发生全发射时与光纤纵向轴线之间的夹角，有 αc =arcsin ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−n n 1212

dP dZ P(z) P(0) 1

Z sin θc = n 1

n 2

要保证光线在光纤内全反射，必须有传输角α<αc 。

除了全反射条件外，光信号在光纤中传输还会有损耗存在，这是由光纤自身特性所决定的，主要有散射损耗、吸收损耗和弯曲损耗等。

1、散射损耗

散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含sio2 、geo2 和p2o5 等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移。这种散射也称为瑞利散射。

2、吸收损耗

吸收衰耗，包括杂质吸收和本征吸收。

本征吸收是光纤石英材料固有的吸收损耗。而杂质吸收在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子对光的极强的吸收能力，它们是产生光信号衰减的重要因数。

3、弯曲损耗

由于在光纤敷设过程中，不可避免地会遇到需要弯曲的场合，光线从光纤的平直部分进入弯曲部分时，原来的束缚光纤在弯曲部分的入射角减小，使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分就会从光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目的地的光功率比从光源发出的进入光纤时的光功率小，这就是弯曲损耗。

二、各种衰减器的工作原理

根据以上光在线路中传输的特性，可以通过多种原理，完成光衰减器的制作。

1、空气隔离技术

光在光纤中传输受到全反射定律的制约，无法散射出来，保持强度的相对稳定。而一旦其脱离光纤，在光纤与光纤之间加入空气间隔，光就会散射出去，从而引起光的衰减。由于光从普通光纤中入射到空气中散射很强，为此要使衰减量控制一定的范围，就要确保隔离距离及保持两端光纤的对准。

图2 单模光纤空气隔离距离与衰减值曲线

通过这个原理可以制作法兰式固定衰减器和可调衰减器。

法兰式固定衰减器采用隔离衰减片，根据曲线图制作一定厚度的衰减片，将衰减片植入法兰中，就可起到固定光衰减的作用。法兰式可调光衰减器采用机械旋转原理，通过机械旋转调节两端连接器间的距离，可使光衰减在0~30dB 之间。

2、位移错位技术

此方法是将2根光纤的纤芯进行微量平移错位，从而达到功率损耗的效果。

图3光纤错位

通过使用普通尾纤，用熔接机将2根尾纤的纤芯在错位的情况下进行熔接工作，使光在传输过程中发生偏芯损耗，得到连接器式固定衰减器，又称在线固定衰减器。

3、衰减光纤技术

根据金属离子对光有吸收作用，研制出参杂金属离子的衰减光纤，与普通光纤每公里有衰减系数一样，这种衰减光纤也有固定的衰减系数，只不过这种衰减系数不按公里计算，而是按照毫米计算。

图4 衰减光纤

将衰减光纤穿入陶瓷插芯，经过特殊工艺处理，可以制成阴阳式的固定衰减器。

4、吸收玻璃法

经光学抛光的中性吸收玻璃片也可被应用于光衰减器的制作。

利用物质对光的吸收特性，制成片状或条状的中性暗色玻璃，放在光路上，可以将光强衰减。

吸收玻璃以透过率T 及以分贝数表示的衰减率区分。

透过率T=透射光强/入射光强

衰减率η=1/T

以分贝数表示的衰减率β=10 x log η=- 10 x logT ，以分贝数表示的衰减率可方便估算多片组合时的衰减率：将叠加各片的衰减率分贝数相加即为组合衰减片组的衰减率（以分贝数表示）。

片状被制成固定的衰减值；而条状根据其内部连续递增的暗色物质，不同部纤芯内掺金属离子

位的衰减值也不同。

单块片状光吸收玻璃可以制作固定衰减器，多块片状吸收玻璃可以通过轮盘转换制成分档可调试衰减器，而条状吸收玻璃通过连续位移可以制成连续可调衰减器。

5、固态光衰减技术

前面提到的空气隔离和吸收玻璃形式的可调光衰减器都是采用机械式的方法完成衰减的可调性，现在也有少量的采用各种固态光衰减技术，比如可调衍射光栅技术、MEMS 技术、液晶技术、磁光技术、平面光波导技术等。

（1）高分子可调衍射光栅VOA

高分子可调衍射光栅的制作基于一种薄膜表面调制技术。这种可调衍射光栅（图7）的顶层是玻璃，下面一层是铟锡氧化物（ITO ），中间是空气、聚合物和ITO 阵列，底层是玻璃基底。在未加电信号时，空气与聚合物层的交界面是与结构表面平行的平面。当入射光进入该平面时，不发生衍射。在加电信号后，空气和聚合物的界面随电极阵列的分布而发生周期变化，形成了正弦光栅。当入射光入射至该表面时，形成衍射。施加不同的电信号可以形成不同相位调制度的正弦光栅。

图7 可调衍射光栅

采用高分子可调衍射光栅的VOA 的工作机制是：通过调制表面一层薄的聚合物，使其表面近似为正弦形状，形成正弦光栅。利用这种技术，可以制作出一种周期为10微米，表面高度h 随施加的电信号变化并且最高可到300纳米的正弦光栅。当光入射到被调制的表面上时，形成衍射。施加不同的电信号改变正弦光栅的振幅，即改变h 时，可以得到不同的相位调制度，而不同相位调制度下的衍射光强的分布是不同的。当相位调制度由零逐渐变大时，衍射光强度从零级向更高衍射级的光转移。这种调制可以使零级光的光强从100%连续的改变到0%

，图5 片状吸收

图6 条状吸收