第三章光衰减器
光纤通信 光衰减器的工作原理
光纤通信光衰减器的工作原理光纤通信是一种利用光信号传输信息的通信方式，它具有传输速度快、传输距离远、抗干扰性强等优点。
然而，在光纤通信中，由于光信号的传输距离较长，会出现光信号的衰减现象，即光信号的强度会随着传输距离的增加而减弱。
为了解决这一问题，人们开发出了光衰减器。
光衰减器是一种用于控制光信号强度的装置，它可以根据需要调整光信号的强度，以确保光纤通信的正常运行。
光衰减器的工作原理主要涉及光信号的衰减和光信号的调节两个方面。
光衰减器通过光信号的衰减来降低光信号的强度。
光信号的衰减是通过在光信号传输路径中引入一定程度的光损耗来实现的。
光衰减器通常采用吸收、散射、干涉等方式来实现光信号的衰减。
其中，吸收是指通过在光信号传输路径中加入吸收材料，使光信号被吸收而减弱；散射是指通过在光信号传输路径中加入散射材料，使光信号发生散射而减弱；干涉是指通过在光信号传输路径中加入干涉器件，利用干涉效应使光信号发生干涉而减弱。
这些衰减方式可以根据需要进行组合，以实现不同程度的光信号衰减。
光衰减器通过光信号的调节来控制光信号的强度。
光信号的调节是通过调整光衰减器中的控制装置来实现的。
光衰减器通常采用机械调节、电子调节或光学调节的方式来控制光信号的强度。
机械调节是指通过旋转或移动光衰减器中的机械部件，改变光信号传输路径中的衰减程度，从而调节光信号的强度；电子调节是指通过改变光衰减器中的电流或电压来调节光衰减器的工作状态，从而控制光信号的强度；光学调节是指通过改变光衰减器中的光学元件的位置或形状，改变光信号传输路径中的衰减程度，从而调节光信号的强度。
这些调节方式可以根据需要进行组合，以实现精确的光信号调节。
光衰减器通过光信号的衰减和调节来控制光信号的强度，以满足光纤通信中不同场景下的需求。
光衰减器的工作原理涉及光信号的衰减和调节两个方面，通过引入光损耗和调节光衰减器中的控制装置来实现光信号的衰减和调节。
光衰减器的应用可以有效解决光纤通信中光信号衰减的问题，保证光纤通信系统的正常运行。
光衰减器的原理
光衰减器的原理
光衰减器是一种用于减小光信号强度的光学器件，其原理基于光的吸收和散射效应。
在光纤通信中，由于信号在传输过程中会受到各种因素的影响，例如衰减、色散、非线性等，因此需要对信号进行调整和控制以保证其稳定性和可靠性。
光衰减器通常由一个可调节的滑动结构和一个吸收材料组成。
当光通过吸收材料时，部分能量被吸收并转化为热能或其他形式的能量而消失掉，从而导致光信号强度的降低。
通过调节滑动结构可以改变光路长度，从而控制光信号的强度。
具体来说，在一般情况下，当入射光线经过一个透明介质时，会发生折射现象，并且其强度会随着传播距离的增加而逐渐降低。
这种现象称为自由空间传输损耗（FSPL）。
如果在介质中加入一些吸收材料，则可以增加损耗并降低光信号强度。
这就是光衰减器的基本原理。
光衰减器的吸收材料通常是一些具有高吸收率和较长寿命的物质，例如金属离子、稀土离子和有机染料等。
这些材料可以在可见光和近红外波段内有效地吸收光线，并将其转化为热能或其他形式的能量而消失掉。
通过控制吸收材料的厚度和浓度，可以实现对光信号强度的精确调节。
总之，光衰减器是一种基于光学原理的调节器件，通过控制光信号在介质中的传输损耗来实现对其强度的调节。
其主要应用于光纤通信、激光加工、医疗设备等领域，具有重要的应用价值。
光衰减器的原理
光衰减器的原理1. 引言光衰减器是一种用于调节光信号强度的器件，它可以通过改变光信号的功率来实现衰减。
在光纤通信系统中，由于光信号的强度可能会过大，需要通过衰减器对光信号进行调节以保证系统的正常运行。
本文将介绍光衰减器的原理和工作原理，并讨论一些常见的光衰减器的类型和应用。
2. 光衰减器的工作原理光衰减器的工作原理基于光信号的衰减机制。
当光信号通过光衰减器时，衰减器会减少光信号的功率，从而达到调节光信号强度的目的。
2.1 固定式光衰减器固定式光衰减器是一种固定在光纤通信线路中的光衰减器。
它通常由一段特殊的光纤组成，这种光纤的损耗特性可以使光信号的功率被减少到所需的水平。
固定式光衰减器可以通过选择合适的长度和损耗来实现所需的光衰减效果。
2.2 可变式光衰减器可变式光衰减器是一种可以调节光信号衰减程度的光衰减器。
它通常由一个机械或电子调节装置和一个可调节的光衰减器组成。
通过改变调节装置的参数，可以调节光衰减器的衰减程度。
可变式光衰减器的一种常见实现方法是使用电子控制器控制一个VOA（Variable Optical Attenuator）。
VOA通过改变光纤中的损耗来实现光信号的衰减。
电子控制器可以根据系统的需要，通过改变VOA的参数来实现对光信号强度的精确调节。
3. 光衰减器的类型与应用光衰减器可以根据其工作原理和使用方法的不同，分为多种类型。
下面将介绍一些常见的光衰减器类型及其应用。
3.1 固定式光衰减器固定式光衰减器广泛应用于光纤通信系统中，用于对光信号进行精确的衰减。
由于固定式光衰减器的衰减程度是固定的，因此可以在系统设计时根据实际需求选择合适的光衰减器，并将其固定在光纤线路中。
3.2 可变式光衰减器可变式光衰减器的衰减程度可以根据系统需求进行调节，因此在实际应用中更为灵活。
可变式光衰减器通常用于光纤通信系统中的调试和测试环节，可以根据需要实时调整光信号的强度，方便对系统进行调试和测试。
3.3 线性光衰减器线性光衰减器是一种特殊的光衰减器，它能够实现相对较为精确的衰减效果。
第三章光衰减器
2π
∞
（3.4）
7
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 = −10 logη = −10 logη反e
16k 2 η反 = (1 + k ) 4
( − d ω0 )2
（3.5）
（3.6）
2
单模光纤： 0 = (0.65 + 1.619V ω
1915年诺贝尔奖授给W.H.布拉 格和W.L.布拉格父子俩，以表 彰他们在的杰出用X射线研究晶 体结构方面所作出贡献。 1912年，W.L.布拉格在德国物理学家 M.von劳厄发现X射 线通过晶体产生衍射的基础上， 进行了一系列实验， 1913年提出布拉格公式。 他们父子二人研究出晶体结构 分析的方法，从理论及实验上证明了晶体结构的周期性 和几何对称性，奠定了X射线谱学及X射线结构分析的基 础，从而为深入研究物质内部结构开辟了可靠的途径
5
模场分布 E0 可以表示为：
E 0 (r ) =
2
ω0
exp[−( r
ω0
)2 ]
（3.1）
其中 ω 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 )
E1 ( r ) =
2
ω1
exp[−( r
ω1
2
)2 ]
*衰减片式衰减器的衰减量取决于金属蒸发镀膜层的透过率和均 匀性。 *机械式结构的衰减器，在结构中的读数显示方式及机械调整方 法也将影响到光衰减器中的衰减精度。
38
第三章光衰减器
由朗伯定律可知，透过率取决于吸收材料的内透射 率和它的厚度t: （3-13） TP = 10 −α t 衰减量A可表示为： A (3-14) A = −10 log T = 10α t
可调光衰减器设计讲课讲稿
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专业班级学号学生姓名指导教师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。
光纤通信
第一章1.光纤通信是利用光导纤维来传输光波信号的通信方式。
2.光纤通信工作在近红外线区，即0.8~1.8um的波长区，对应的频率为167~375THz。
3.电端机的作用是对来自信源的信号进行处理。
4.光发射机内有光源（半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）等），其作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。
5.光接收机内有光电检测器（如光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）等），作用是将来自光线的光信号转换成电信号，经方大、整形、再生成送入电接收机。
6.对于长距离的光纤通信系统，还必须设有光中继器。
作用是放大衰弱的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。
7.光纤通信的优点：1.传输频带宽，通信容量大。
2.光纤衰弱小，传输距离远。
3.光纤抗电磁干扰的能力强，保密性好。
4.光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设。
5.光纤是由石英玻璃拉制成形，原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。
6.具有耐腐蚀能力强、抗核辐射、能源消耗小。
8.光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗。
9.单模光纤的衰弱系数一般分别为0.3~0.4dB\KM（1310nm区域）和0.17~0.25dB\KM（1550nm 区域）。
10.通信光缆中的纤序排定：蓝、橙、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、粉红、天蓝。
11.通信用的光纤，绝大多数是用石英材料制成。
折射率高的中心部分叫纤芯，折射率稍低的外层称为包层。
12.光纤若按纤芯剖面折射率的分布不同来分，一般可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。
按传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤。
按工作波长来分，可分为短波长光纤和长波长光纤。
按套塑类型可分为紧套光纤和松套光纤。
13.光脉冲在通过光纤传输期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象称为（损耗）。
14.光纤的色散包括：模式色散、材料色散、波导色散。
15.在单模光纤中不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，因此它具有相当宽的带宽，适用于长距离、大容量的传输。
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 1212dP dZ P(z) P(0) 1Z sin θc = n 1n 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。
光衰减器的工作原理
光衰减器的工作原理光衰减器是一种用于调节光信号强度的光学器件，它在光通信系统中起着非常重要的作用。
光衰减器的主要作用是通过调节光信号的强度，使其适应不同的光通信环境和设备要求。
接下来，我们将详细介绍光衰减器的工作原理。
光衰减器的工作原理主要基于两种不同的机制，吸收和散射。
在光衰减器中，吸收是通过将光信号转换为热能来降低其强度的一种方式。
当光信号通过光衰减器时，其中的一部分光子会被吸收并转化为热能，从而减少光信号的强度。
另一种机制是散射，它是通过改变光信号的传播方向来实现光信号强度的调节。
在光衰减器中，散射可以通过控制光的传播路径和角度来实现，从而达到调节光信号强度的目的。
除了吸收和散射之外，光衰减器还可以通过其他方式来实现光信号强度的调节。
例如，一些光衰减器采用了机械调节的方式，通过改变光路长度或光信号通过的材料厚度来实现光信号强度的调节。
另外，一些光衰减器还可以通过电子调节的方式来实现光信号强度的调节，通过改变电场或磁场的强度来控制光信号的强度。
总的来说，光衰减器的工作原理主要基于吸收、散射、机械调节和电子调节等方式来实现光信号强度的调节。
不同类型的光衰减器可能采用不同的工作原理，但它们的基本功能都是调节光信号的强度，以适应不同的光通信环境和设备要求。
在实际应用中，光衰减器可以广泛应用于光通信系统中的光路测试、光网络优化和光器件调试等方面。
通过合理使用光衰减器，可以有效地调节光信号的强度，提高光通信系统的性能和稳定性，从而更好地满足不同的光通信需求。
综上所述，光衰减器是一种非常重要的光学器件，它通过吸收、散射、机械调节和电子调节等方式来实现光信号强度的调节，从而适应不同的光通信环境和设备要求。
在光通信系统中，合理使用光衰减器可以有效地提高系统性能和稳定性，实现更好的光通信效果。
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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。
20
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。
a为光纤的纤芯半径， 为波长。
9
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:
10
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。
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，
（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
13
14
可调光衰减 器(VOA)
固定光衰减 器
15
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。
21
图1 普通透镜光轨迹示意图
图2 自聚焦透镜轨迹示意图
22
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
23
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。
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。
16
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。
▪ 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
E1 (r )
2
1
exp[
(
r
1 ) 2
]
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)
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。
11
单模光纤情况下：
Ls
10B0
log反
4(1 2 ) (2 2 )2
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。
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
17
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
18
第三章光衰减器
19
(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