第三章光衰减器
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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。
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。
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 10log 10log反ed 0 2
（3.5）
反
16k 2 (1 k)4
（3.6）
单模光纤：0
(0.65 1.619V
3 2
2.879V
6 )a
（3.7）
V 2an1 2 /
n1 n2 n1
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 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。
E1 (r )
2
1
exp[
(
r
1 ) 2
]
（3.2）
1
0
1
d 0
2 1
2
（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：
2
d E0 E1rdr
2
0
0 2
d E0 2 rdr d E1 2 rdr
00
00
（3.4）
7
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:
5
模场分布 E0 可以表示为：
E0 (r)
2
0
exp[ (
r 0 )2 ]
（3.1）
其中 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)
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 logd
（3.8）
对渐变型多模光纤来说：
d
反
1
2.35
d a
2
其中 k n1 n0 ， n0 为两端面间物质的折射率，n1 为纤芯的折射率， n2 为包层的折射率， A0 A0 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， 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 m 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:
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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。
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单模光纤情况下：
Ls
10B0
log反
4(1 2 ) (2 2 )2
▪ 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、衰减 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：
光衰 减器
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
直接镀膜型光衰减器 （吸收模或反射模型）
衰减片型光衰减器 液晶型光衰减器
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。
2
第三章光衰减器
光衰减器定义:
▪ 光衰减器（optical attenuator）是对光功率进
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，后者 主要用于电平过高的光纤通信线路。
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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 利用了单模光纤准直器，准直器有四分之一 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
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第三章光衰减器
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(a)光路和结构
(b)步进衰减片
厚 薄
(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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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。
（3.9）
s 0
B0为修正因子 ，S为两光纤端面间的距离。
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当k＝1，0 5m 的情况下单模光纤之间的 曲线图如3.4
LS S
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可调光衰减 器(VOA)
固定光衰减 器
Biblioteka Baidu15
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。
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。
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。
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 10log 10log反ed 0 2
（3.5）
反
16k 2 (1 k)4
（3.6）
单模光纤：0
(0.65 1.619V
3 2
2.879V
6 )a
（3.7）
V 2an1 2 /
n1 n2 n1
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 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。
E1 (r )
2
1
exp[
(
r
1 ) 2
]
（3.2）
1
0
1
d 0
2 1
2
（3.3）
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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：
2
d E0 E1rdr
2
0
0 2
d E0 2 rdr d E1 2 rdr
00
00
（3.4）
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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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模场分布 E0 可以表示为：
E0 (r)
2
0
exp[ (
r 0 )2 ]
（3.1）
其中 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)
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 logd
（3.8）
对渐变型多模光纤来说：
d
反
1
2.35
d a
2
其中 k n1 n0 ， n0 为两端面间物质的折射率，n1 为纤芯的折射率， n2 为包层的折射率， A0 A0 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， 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 m 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:
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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。
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单模光纤情况下：
Ls
10B0
log反
4(1 2 ) (2 2 )2
▪ 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、衰减 精度高、器件体积小，环境性能好。
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第三章光衰减器
根据工作原理分类：
光衰 减器
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
直接镀膜型光衰减器 （吸收模或反射模型）
衰减片型光衰减器 液晶型光衰减器
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。
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第三章光衰减器
光衰减器定义:
▪ 光衰减器（optical attenuator）是对光功率进
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，后者 主要用于电平过高的光纤通信线路。
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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 利用了单模光纤准直器，准直器有四分之一 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
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第三章光衰减器
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(a)光路和结构
(b)步进衰减片
厚 薄
(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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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。
（3.9）
s 0
B0为修正因子 ，S为两光纤端面间的距离。
12
当k＝1，0 5m 的情况下单模光纤之间的 曲线图如3.4
LS S
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可调光衰减 器(VOA)
固定光衰减 器
Biblioteka Baidu15
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。