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光衰减器的作用和工作原理

时间:2022-11-04 百科知识 版权反馈
【摘要】:光衰减器可按照用户的要求将光信号能量进行预期的衰减。位移型光衰减器主要有横向位移型光衰减器和轴向位移型光衰减器。这一工艺设计主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片,固定在光纤的端面上或光路中,达到衰减光信号的目的,可制作固定光衰减器和可变光衰减器。从而大大提高了光衰减器的衰减精度,同时器件体积小、重量轻,是使用方便的可变光衰减器。

光衰减器可按照用户的要求将光信号能量进行预期的衰减。根据光衰减器的工作原理,可将光衰减器分为位移型光衰减器(横向位移型光衰减器和纵向位移型光衰减器)、直接镀膜型光衰减器(吸收膜或反射膜型光衰减器)、衰减片型光衰减器、液晶型光衰减器。下面介绍这几种常用的光衰减器。

1.位移型光衰减器

光纤连接时,需要相当高的对中精度,以使连接具有低的插入损耗。但是,如果将光纤的对中精度做适当调整,就可以控制其衰减量。利用这一原理位移型光衰减器有意让光纤在对接时,发生一定的错位,使光能量损失一些,从而达到控制衰减量的目的。位移型光衰减器主要有横向位移型光衰减器和轴向位移型光衰减器。

(1)横向位移型光衰减器工作原理

图9.1.17 横向位移时的光束耦合示意图

单模光纤的传输模式-基模可以用高斯函数来近似表示。根据ITU-T对模场半径的建议,其模场分布(w0为模场半径):

在第二根光纤端面处,相对于第二根光纤纤芯,入射光束的模场分布发生了变化,带来了由于模场失配产生的能量损失。设光纤间的轴向间隙为0,则横向耦合效率为

经过横向位移后光能量的损耗:

对单模渐变型光纤:

在模式稳态分布情况下,多模光纤的耦合损耗:

图9.1.18 Ld-d曲线

设计出相应于不同损耗的横向位移参数,并通过一定的机械定位方式予以实现,得到所需要的光衰减器。由于横向位移参数的数量级均在μm,一般不用来制作可变衰减器,仅用于固定衰减器的制作中,并采用熔接或粘接法。这种衰减器的优点在于回波损耗很高,通常大于60dB。

(2)轴向位移型光衰减器

通过高斯光束失配的方法,求得由于光纤端面间的轴向间隙引起的光能量损失。

单模光纤情况下,

其中,B0为修正因子,S为两光纤端面间的距离。

图9.1.19 轴向位移时光束耦合示意图

图9.1.20 Ls-S曲线

图9.1.21 轴向位移型光衰减器结构

当使用轴向位移原理来制作光衰减器时,在工艺设计上,只要用机械的方式将两根光纤拉开一定距离进行对中,就可实现衰减的目的。这一工艺设计主要用于固定光衰减器和一些小型可变光衰减器的制作。位移型光衰减器可分为转换器式光衰减器和变换器式光衰减器。

2.直接镀膜型光衰减器

直接镀膜型光衰减器是直接在光纤端面或玻璃基片上镀制金属吸收膜或反射膜来衰减光能量的衰减器。常用的蒸镀金属膜包括Al膜、Ti膜、Cr膜、W膜等。

图9.1.22 镀膜型光衰减器结构

3.衰减片型光衰减器

衰减片型光衰减器直接将具有吸收特性的衰减片,固定在光纤的端面上或光路中,达到衰减光信号的目的,可制作固定光衰减器和可变光衰减器。制作方法:通过机械装置将衰减片直接固定于准直光路中,光信号经过自聚焦透镜准直后,通过衰减片时,光能量即被衰减,再被第二个自聚焦透镜聚焦耦合进光纤中。使用不同衰减量的衰减片,就可得到相应衰减值的光衰减器。

衰减片常采用的材料有红外有色光学玻璃、晶体、光学薄膜。光衰减器有光学稳定性、化学稳定性及体积、成本等诸多因素的要求。选作衰减元件的材料通常是有色玻璃和滤光片。在选择具体的有色玻璃时,一定要考虑玻璃的温度、湿度等环境稳定性,以保证整个光衰减器的稳定性。选用吸收型簿膜滤光片的方法来制作光衰减器时,常将中性密度滤光片用作衰减片。从理论上来说,它对每个波长的光信号衰减强度几乎都是一样的,因此可获得宽带宽的衰减器。

(1)双轮式可变光衰减器

步进式双轮可变光衰减器(如图9.1.23所示):其光路采用准直器出射的平行光路,在光路中插入两个具有固定衰减量的衰减圆盘,每个衰减圆盘上分别装有0dB、5dB、10dB、15dB、20dB、25dB六个衰减片,通过旋转这两个圆盘,使两个圆盘上的不同衰减片相互组合,即可获得5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB、45dB、50dB十挡衰减量。衰减片可以采用镀膜或吸收型玻璃片来制作。

图9.1.23 步进式双轮可变光衰减器结构

连续可变光衰减器(如图9.1.24所示)由一个步进衰圆盘和一片连续变化的衰减片组合而成,步进衰减片的衰减量为0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB六挡,连续变化衰减片的衰减量为0~15dB。因此总的衰减量调节范围为0~65dB。这样,通过粗挡和细挡的共同作用,即可达到连续衰减光能量的目的。

图9.1.24 双轮连续可变光衰减器的结构

连续衰减片是采用真空镀膜方法,在圆形光学玻璃片上镀制金属吸收膜而制成的。蒸镀时,采用特殊的专用扇形装置来覆盖玻璃基片,可连续均匀地改变其张角,使蒸镀出来的膜层厚度逐渐均匀变化,因而可以达到使衰减量连续变化的目的。

除去无膜区以外,余下的扇型区域被不同厚度的膜层均匀分配,每1dB膜层区域的周长是相等的,保证衰减量的均匀改变。这种衰减器对衰减片镀膜层的均匀性要求很高。

设计时应考虑两点:①衰减片半径越大的位置,衰减量的分辨率也越高。②尽量避免衰减范围过大。在设计时,常采用连续可调衰减片与分挡步进盘相结合的方案,使光衰减器既具有较大可调衰减范围,又具有较高的分辨率。

衰减量的精度还与器件零部件的加工精度和装配有关,要求重要零件必须精密加工,并且需要耐磨、防锈、防潮、防尘,其装配精度要高,密封性能要好。

(2)平移式光衰减器

当垂直于光路平移滤光片时,就可以调节光衰减器的衰减量。连续变化滤光片的透过率:

其中,k为常数,由滤波片吸收系数α和滤波片的几何尺寸决定。s为滤光片垂直于光路的位移量;d0为滤光片起始处的透过率。

只要滤光片上吸收膜足够均匀,滤光片位移面足够平整,这种光学结构的衰减器就具有理想线性度。

(3)智能型机械式光衰减器

智能型衰减器通过电路控制电动齿轮,带动平移滤光片,再将数据编码盘检测到的实际衰减量反馈信号,反馈到电路中进行修正,达到自动驱动、自动检测和显示光衰减量的目的。从而大大提高了光衰减器的衰减精度,同时器件体积小、重量轻,是使用方便的可变光衰减器。但其制作成本较高,所以价格偏高,使用受到了一定的限制。

图9.1.25 智能型机械式光衰减器原理框图

(4)液晶型光衰减器

从光纤入射的光信号经自聚焦透镜后成为平行入射光,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光和e光,经过不加任何电压的液晶元件时,两束偏振光同时旋转90°,旋转后的偏振光再被另一个与P1光轴成90°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光纤。

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