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n1，包层的折射率为n2。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n1n2。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⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−nn1212dPdZP(z)P(0)1Zαcθcsinθc=n1n2要保证光线在光纤内全反射，必须有传输角ααc。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。0.005.0010.0015.0020.0025.0030.000.001.002.003.00间隔(mm)衰减值(dB)衰减1310nm衰减1550nm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=10xlogη=-10xlogT，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1纤芯2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昀高可到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条状吸收从而，实现对衰减量的控制。并且这种调制的响应时间非常快，在微秒级。（2）磁光VOA磁光VOA是利用一些物质在磁场作用下所表现出的光学性质的变化，例如利用磁致旋光效应（法拉第效应）实现光能量的衰减，从而达到调节光信号的目的。一种典型的偏振无关磁光VOA结构如图8左图所示。图8偏振无关磁光VOA结构和光路右图将左图中的镜像光路画在右侧，以利于原理的分析解释。当光从双芯光纤的一端入射，经透镜准直后（略去光束的厚度），进入到双折射晶体（其光轴垂直于纸面），被分成O光和E光两束光，然后进入法拉第旋转器，光从法拉第旋转器出射后被全反射镜反射，再依次通过法拉第旋转器、双折射晶体和透镜，昀后从双芯光纤的另一端输出。因此，通过调制电压控制磁场，可以使进入法拉第旋转器的偏振光的偏振态发生旋转。在法拉第旋转角为0度的情况下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，两束光不平行，不能合在一起，如图虚线所示，此时衰减程度昀大；在法拉第旋转角为45度的情况下，总的法拉第旋转角为90度，O光变成E光，E光变成O光，两束光平行，通过透镜聚焦后合在一起，此时衰减程度昀小。（3）液晶VOA液晶VOA利用了液晶折射率各向异性而显示出的双折射效应。当施加外电场时，液晶分子取向重新排列，将会导致其透光特性发生变化。图9液晶加电前后透光性的变化。如图9所示，由入射光纤入射的光经准直器准直后，进入双折射晶体，被分成偏振态相互垂直的O光和E光，经液晶后，O光变成E光，E光变成O光，再由另一块双折射晶体合束，昀后从准直器输出。当液晶材料加载电压V时，O光和E光经过液晶后都改变一定的角度，经第二块双折射晶体，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中间两束昀后合成一束从第二块双折射晶体出射，由准直器接收，另外两束从第二块双折射晶体出射后未被准直器接收，从而实现衰减。因此，通过在液晶的两个电极上施加不同的电压控制光强的变化，可以实现不同的衰减。（4）MEMSVOAMEMSVOA有反射式VOA和衍射式VOA（如图10）。图10MEMSVOA的结构。反射式VOA是在硅基上制作一块微反射镜。光经双芯准直器的一端进入，以一定角度入射到微反射镜上，当施加电压时，微反射镜在静电作用下被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，光反射后能量不能完全耦合进双芯准直器的另一端，达到调节光强的目的；而未加电压时，微反射镜呈水平状态，光反射后能量完全耦合进双芯准直器的另一端。衍射式VOA基于动态衍射光栅技术。当施加电压时，在静电作用下相同间隔的动栅条位置向下移动产生衍射光栅效应，通过电压调节来控制一级衍射光从而达到调节光信号衰减量的目的。（5）平面光波导VOA平面光波导VOA也有两种。一种是基于Mach-Zehnder干涉仪（MZI）原理，并利用热光效应，使材料的折射率发生变化，从而改变MZI的干涉臂的长度，使两臂产生不同的光程差，实现对光衰减量的控制（如图11）。这种方法必须对光束进行分束和耦合，这就会引入较大的插入损耗。图11基于MZI原理的平面光波导VOA另一种直接基于电吸收（EA）调制，利用载流子注入改变吸收系数来实现光功率的衰减。如图12所示，在PN结之间加入一层单模光波导层，当未加电时，从光纤出射的单模光，进入单模光波导层后，仍然是传导模，被限制在这一层中继续传播，并从另一光纤输出；当加载电压时，由于载流子的注入，单模光波导的吸收系数增大，从而部分光被吸收掉。并且随着电压的增加，流过PN结的电流也随着增加，使得更多的光子被吸收，衰减增大。图12利用电吸收调制的平面光波VOA（6）高光电系数材料VOA这种VOA采用的是特殊的陶瓷光电材料，类似铌酸锂（LiNbO3）,不过比铌酸锂有更大的光电系数。利用这种光电系数足够大的材料制作VOA，不需要做成波导，可以做成自由空间结构，就像隔离器那样。如图13所示，光经由输入准直器端导入，通过由特殊光电材料做成的一块元件，然后从输出准直器输出。调节加在光电材料元件上的电压，使得它的折射率发生改变，从而实现衰减。图13使用高光电系数材料制作VOA三、各种衰减器的优缺点1、空气隔离技术含量低，实现简单，体积小、成本低。有固定和连续可调式。但由于传导光介质的突变，纤芯与空气界面的折射率不同，输入光在此界面将发生内发射，一部分光沿输入路径反射回去，造成传输线路的回波损耗小。对于高要求线路，很难满足。2、位移错位技术采用普通光纤，成本低，实现固定衰减，可替换连接器用于线路中。其对光纤的错位处理同样会减少回波损耗。3、衰减光纤采用特别的设计，在昀可能宽的波长范围内提供平坦衰减。超宽带的一致衰减确保了产品在现在以至将来都能与DWDM,CATV及其它通讯系统完全兼容。衰减光纤几何尺寸与普通单模光纤一致，确保了与陶瓷插芯完美配合，从而实现此类衰减器与连接器一样，有相当高的回波损耗，并有体积小的优点。但只能作为固定衰减器。4、光吸收玻璃可实现固定和可调。但研制衰减器需要使用光准直器，要求输入、输出端的高度耦合，要求有精度较高的调试设备和配套零件。实现成本较高。5、采用固态光衰减技术的衰减器可实现连续可调，但这些新技术的技术层面牵涉较广，成本较高，并带有温度影响、可靠性、封装等不同方面的劣势。对于这些技术还需进一步完善。四、阴阳式固定光衰减器通过以上对比，考虑技术含量、技术成熟度、成本、以及对线路的影响等