几种可变光衰减器技术及其比较
波分 光衰减器
波分光衰减器波分光衰减器是一种用于调节光信号强度的光学器件，在光纤通信系统中起到了至关重要的作用。
本文将介绍波分光衰减器的工作原理、分类以及应用领域。
一、工作原理波分光衰减器的工作原理基于光纤中的衍射效应。
当光信号经过波分光衰减器时，其中的光子会发生衍射现象，使得原本平行的光束发生扩散，进而降低光信号的强度。
二、分类根据光衰减器的工作方式，可以将其分为可变光衰减器和固定光衰减器两类。
1. 可变光衰减器可变光衰减器可以通过调节器件内部的机械结构或电子控制来实现对光信号强度的精确调节。
其中，机械结构可变光衰减器通过改变光束的传输路径或改变介质的厚度来调节光信号的强度。
而电子控制可变光衰减器则通过改变电压或电流来控制光衰减器内部的光衰减机构，从而实现对光信号强度的调节。
2. 固定光衰减器固定光衰减器的光衰减值是固定的，无法进行调节。
根据不同的应用需求，固定光衰减器可以分为均匀光衰减器和非均匀光衰减器两类。
均匀光衰减器是指在整个光谱范围内，光衰减值保持恒定。
非均匀光衰减器则是指在特定的波长范围内，光衰减值是非均匀的。
这种光衰减器常用于波分复用系统中，通过对不同波长的光信号进行不同程度的衰减，实现波长间的均衡。
三、应用领域波分光衰减器广泛应用于光纤通信系统中，其主要作用是调节光信号的强度，以满足不同部件的工作需求。
1. 光纤通信系统中的波分复用器将多个信号通过不同的波长进行合并传输，而不同波长的信号往往具有不同的强度。
这时，波分光衰减器可以根据不同波长的信号需求，调节光信号的强度，使其达到最佳接收效果。
2. 在光纤传感系统中，光纤上会通过不同的传感器来采集环境信息。
由于不同传感器的灵敏度不同，因此需要通过波分光衰减器来调节光信号强度，以保证传感器的准确性和稳定性。
3. 波分光衰减器还可以应用于光纤激光器和光纤放大器等光学器件中，用于调节输出光信号的强度。
四、总结波分光衰减器是光纤通信系统中不可或缺的光学器件，通过调节光信号的强度，使其在不同的应用场景下达到最佳效果。
几种可变光衰减器技术及其比较
几种可变光衰减器技术及其比较为了实现DWDM系统的长距离高速无误码传输，必须使各通道信号光功率一致，即需要对多通道光功率进行监控和均衡。
因此出现了动态信道均衡器（DCE）、可调功率光复用器（VMUX）、光分插复用器（OADM）等光器件，这些器件的核心部件都是阵列可变光衰减器（VOA）。
灵活地调节VOA，可以使各个通道的功率处于理想的大小。
近年来，出现了多种制造可变光衰减器的新技术，包括可调衍射光栅技术、MEMS技术、液晶技术、磁光技术、平面光波导技术等。
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。
起初，这种技术的开发是为了替代放映机和投影仪中的液晶显示屏（LCD）和数字光处理器（DLP）。
这种可调衍射光栅（图1）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。
高分子可调衍射光栅。
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%，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。
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。
光纤通信第五章_光纤线路技术及器件光衰减器PPT课件
批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同 时制造成百上千个，成本大大降低生产。
集成化：可以把不同种类传感器或执行器集成 于一体，形成微传感器阵列、微执行器阵列。
多学科交叉：涉及电子、机械、材料、制造、 信息与自动控制、物理、化学和生物等学科。
基于磁光效应光开关
机械式光开关
通过机械运动实现不同光纤端口之间的 相对连接，解决的办法是相对移动光纤 或相对移动光学元件。
液晶光开关
液晶是一种介于固态和液态之间的物质，它 具有光学各向异性晶体所特有的双折射性。 液晶分子有较强的电偶极矩，在外电场作用 下易于极化；其分子间的作用力比固体弱， 容易呈现各种状态，而且多数在介电常数、 折射率、磁化等方面显示出较大的各向异性。 因此，通过微小的外部能量——电、磁、热 等就能实现分子状态间的转变，从而引起它 的电、光、磁的物理性质发生变化。
这种光折变效应主要发生在近紫外波段
最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中， 后来研究发现，具有光敏特性的光纤种 类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都 掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。 有时根据需要为了加大折射率的变化程 度，就会选用高掺杂的光纤。
折射率的永久性改变
与掺杂锗的浓度基本上成正比关系，与 所用的紫外光源类型及照射到材料上的 能量密度有关
1N MEMS Switch
微反射镜
光纤耦合器(Optical fiber coupler)
能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区 发生耦合，并进行再分配的器件。在耦合 的过程中，信号的波谱成分没有发生变化， 变化的只是信号的光功率。
从端口形式上分：X形(22)、Y形(12)、
简要说明光衰减器的分类和使用方法
简要说明光衰减器的分类和使用方法1. 嘿，你知道光衰减器有固定型和可变型这两大类吗？就好比你有双固定尺码的鞋子和可以调节大小的鞋子一样！固定型的呀，就像一个稳稳当当的存在，一直保持着特定的衰减值，比如在一些对光强要求稳定的场合就超合适。
而可变型呢，那就灵活啦，可以根据你的需要随时调整衰减量，就像你能随意调节音量大小一样！比如说，在实验室里做各种测试的时候就用得上啦！2. 哇哦，使用光衰减器也有讲究呢！你想想看，是不是得先选对类型呀？要是场合不对，那不就糟糕啦！在使用的时候，得小心操作哦，就像对待宝贝一样。
比如调整可变型光衰减器的时候，要慢慢的、轻轻的，可别一下子整猛了呀！就如同给花浇水，不能猛地倒太多水吧，得恰到好处呀，这样才能发挥它最大的作用呀，对不对？3. 嘿，光衰减器还有在线式和离线式之分哦！在线式的就像是一直在岗位上坚守的卫士，直接在光路中工作；离线式的呢，就像个候补队员，需要的时候再上场。
那在线式的使用起来可得注意啦，它可不能随便拆下来哦，要一直守护着光路呢。
离线式的呢，就相对轻松些，需要的时候用上就好啦。
这就跟球队里的主力和替补一样，各有各的用处呀！4. 哎呀呀，用光衰减器的时候还得注意它的精度呢！这可不能马虎呀，就好像你量身高得量准确一样重要呢！不同的应用场合对精度的要求也不一样哦，有的要求特别高，那可就得选个厉害的光衰减器啦。
要是精度不够，那可就麻烦大啦，就像裁缝做衣服尺寸不对一样，不合适呀！你说是不是这个理儿？5. 还有哦，光衰减器的接口类型也得选对呀！不然怎么能连接得上呢？这就好比插头和插座要匹配一样嘛！有 FC 呀、SC 呀各种接口类型。
选的时候可要看仔细啦，不然到时候接不上可就傻眼咯！就像你手机充电线，要是接口不对，那能充得上电嘛，对吧？6. 最后呀，得好好保养光衰减器呀！别让它受伤了哦。
就像你爱护自己的宝贝一样爱护它。
别摔了，别碰了，要让它干干净净的。
这样它才能一直好好工作，为我们服务呀！所以呀，要好好对待光衰减器，让它发挥最大的作用，这样我们的各种工作和实验才能顺利进行呀，你说是不是呀？我觉得光衰减器真的是很重要呀，我们可得认真对待它！。
多模mems可调光衰减器
多模mems可调光衰减器
多模MEMS可调光衰减器是一种新型的光学衰减器，它采用先进的微机电系统（MEMS）技术，在微米级尺度上实现光功率的可控衰减。
与传统的电子光衰减器相比，多模MEMS可调光衰减器具有体积小、体积低、精度高和调节范围宽等优点。
它们可用于光学传感器、光通信系统和光调制器等领域。
首先，多模MEMS可调光衰减器通常由滤波器阵列、电动机、微梁、光学波导以及控制电路等部件组成。
滤波器阵列通过定向改变光的波长，实现衰减的功能，从而调节光的功率。
滤波器阵列上的电动机可以在不同位置上控制光的衰减程度，从而实现衰减程度的可控性。
此外，微梁能够反映电动机的控制信号，还可以将滤波器与光纤连接在一起，以实现光的衰减需求。
同时，光学波导会将滤波器和微梁上的光传递到目标位置。
最后，控制电路通过信号控制，通过调整电动机的速度来控制可调光衰减器的衰减程度。
此外，多模MEMS可调光衰减器还可以实现光衰减范围的调节。
它通过调整滤波器、微梁和电动机的位置，可以加大或减小衰减程度，并可以调节多个频段的衰减程度。
同时，多模MEMS可调光衰减器还具备体积小、体积低、精度高和调节范围宽等优点，可以实现快速、高精度的光衰减效果。
可调衰减器的分类与应用
可调衰减器的分类与应用
1.可调衰减器分类
DWDM系统中使用的可调衰减器分为手调衰减器〔MVOA〕和电调衰减器〔EVOA〕两种，从功能上看它们都是对光信号功率进展调节，不同之处在于手调衰减器需要开局或维护人员现场使用螺丝刀调节，而电调衰减器那么可以通过主机或网管进展远程调节。
手调衰减器往往在开局安装后就不再调节，而电调衰减器在开局安装后，就算系统运行中出现功率变化仍可以进展远程调节。
虽然电调衰减器比手调衰减器灵敏很多，但因其价格偏高，在系统中根据客户的详细要求放置。
一般情况下，默认配置手调可调衰减器。
2.可调衰减器在长途波分系统中的应用
放大器输入功率调节
调节放大器的输入光功率使其为理论设定值，可以采用电调衰减器或手调衰减器。
ALC功能实现
在系统发现线路衰减改变时，通过电调衰减器自身衰减值反向改变进展补偿，使站点输出光功率仍然保持理论设定值，其本质仍然是控制放大器输入功率。
另：因为ALC功能为系统自动调节，所以必须采用电调衰减
器实现。
平坦度调节
调节OADM上波和透射信号光功率，使上波信号和透射信号功率持平，保持OADM站输出光谱平坦，可以采用电调衰减器或手调衰减器。
可变光衰减器分类
可变光衰减器分类如下：
位移型光衰减器。
位移型光衰减器分为横向位移型光衰减器和轴向位移型光衰减器。
薄膜型光衰减器。
在光纤中斜向插入蒸镀有不同厚度的一系列圆盘型金属薄腊的玻璃衬底，使光路中插入不同厚度的金属薄膜，就能改变反射光的强度，即可得到不同的衰减量，制成可变衰减器。
衰减片型光衰减器。
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，这种方法不仅可以用来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器。
光衰减器
≤0.6dB ≥30dB ≤-45dB
≤0.1dB
衰减精度Resolution 可调节的最小衰减变化量 重复性 Repeatability 波长相关损WDL 偏振相关损耗PDL 温度相关损耗TDL
≤0.2dB
≤0.3dB (CorLBand)
≤0.2dB ≤0.2dB
四、指标测试与理解
35 30 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 15 10 5 0 1 43 85 127169211253295337379421463505547589631
工作温度
存储温度
－5 ～ 65℃
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装配检查 封盖 尾套固定 引线 焊接 组装 连接器 制作 包装 检查 包装、 标识
熔纤
四、指标测试与理解
主要参数 插损IL 衰减范围 Attenuation Range 回损RL 参数定义 最小损耗处，输入端光功率Pi与输出端光功 率Po之比 工作波长在指定输出端口的光功率相对全部 输入光功率的减少值的最大范围 入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入 射光路反射出的光能量之比 在同一指定反馈值处的衰减值的差异 在指定波长范围内，同一点处衰减值的最大 最小差值 光衰减器在所有偏振状态下最大传输和最小 传输的比率 在一定温度范围内，损耗值的变化量 参考值
• 手调可变光衰减器 Manual Variable Optical Attenuator 手调光衰减器是一种光衰减量连续可调的光无源器件,它 可以用来设定衰减量从0~40dB的连续变化。该产品具有插 入损耗低、稳定性好、可靠性高、体积小，操作方便等优 点，还能根据需要做成各种标准连接器形式。紧凑的外形 设计，能方便地安装在各系统上。
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几种可变光衰减器技术及其比较
为了实现DWDM系统的长距离高速无误码传输，必须使各通道信号光功率一致，即需要对多通道光功率进行监控和均衡。
因此出现了动态信道均衡器（DCE）、可调功率光复用器（VMUX）、光分插复用器（OADM）等光器件，这些器件的核心部件都是阵列可变光衰减器（VOA）。
灵活地调节VOA，可以使各个通道的功率处于理想的大小。
近年来，出现了多种制造可变光衰减器的新技术，包括可调衍射光栅技术、MEMS技术、液晶技术、磁光技术、平面光波导技术等。
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。
起初，这种技术的开发是为了替代放映机和投影仪中的液晶显示屏（LCD）和数字光处理器（DLP）。
这种可调衍射光栅（图1）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。
高分子可调衍射光栅。
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%，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。
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2左图所示。
偏振无关磁光VOA结构和光路。
图2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，最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，此时衰减程度最大；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，此时衰减程度最小。
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3）。
液晶加电前后透光性的变化。
如图4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，最后从准直器输出。
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，中间两束最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。
液晶VOA原理。
MEMS VOA
MEMS VOA有反射式VOA和衍射式VOA（图5）。
MEMS VOA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。
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（图6）。
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。
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7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。
利用电吸收调制的平面光波VOA
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8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。
使用高光电系数材料制作VOA
各种技术的比较
随着VOA在光通信中的应用越来越多，对其功能的要求也越来高。
VOA应能精确地控制光信号的功率，为所有通信波长提供稳定的衰减量；在超长距离DWDM系统中，VOA还必须对随环境影响而逐渐变化的信号有反应；在动态网络节点上，VOA的响应时间应在ms级。
VOA的技术指标主要包括：工作波长范围、动态范围、插入损耗、偏振相关损耗、响应时间、温度特性、工作温度等。
下面就各种技术做一简单比较，见表1。
高分子可调衍射光栅VOA阵列的制作工艺简单，性能好，动态范围可达20dB，插损小，响应时间快，受环境温度影响小，无须温度补偿，并且带有光功率监控，具有较高的性价比。
磁光VOA由于磁光晶体对光束偏振态的改变受环境温度的影响，温度特性较差，需要温度补偿。
另外，在磁光晶体的磁化没有达到饱和时，磁光晶体里面会产生许多磁畴。
磁畴的存在造成可变光衰减器的衰减效果的可重复性变差，即使能够保持良好的可重复性，也难以产生衰减的平稳变化；还由于磁畴边界表面散射的存在，使得衰减较难控制。
目前市场上能提供这一类产品的公司较少，它的优点是响应时间非常快，已有小批量商用。
液晶VOA由于液晶很容易受环境温度的影响，因而温度特性很差，使用时需要辅以温度校准，另一个缺点是它在低温时响应时间很慢。
它的优点是成本低，已有批量商用。
MEMS VOA已经很成熟，并已大量生产和规模应用。
该产品受环境温度的影响也较大，需温度补偿。
同时因为成品率的问题，在价格方面面临着挑战，另外由于是微机电部件，可靠性有时不够理想。
MZI型平面光波导VOA体积小，利于高度集成，但是目前其工艺还处于发展和完善中，性能还较差，封装难度大。
EA型平面光波导VOA要求对载流子浓度的改变很大，调制区域很长，所以会增加器件的体
积和功耗，并且这种VOA也是温度相关的，但它有响应时间非常快的优点，甚至能够当低速调制器使用。
并且由于集成化的巨大优势，随着技术的发展和成熟，相信平面光波导VOA将会被越来越被广泛地应用。
自由空间光电材料VOA响应时间很快，能承受大功率，现已得到了一些应用。
由于其可以做成自由空间的结构，可以很好的利用目前比较成熟的微光学器件平台。
但因为它采用的材料较特殊，目前价格比较高。
结束语
可变光衰减器（VOA）是光通信系统中重要的光器件之一。
长期以来，它一直停留在机械式水平，因为体积大不利于集成，它一般只适合于单通道衰减方式。
随着DWDM系统的发展，以及市场对可灵活升级的可重构光分插复用器（ROADM）的潜在的巨大需求，越来越需要通道数多而体积小的可变光衰减器阵列。
传统的机械方式已不能解决这些难题。
随着光纤网络的发展，VOA的发展趋势是：低成本、高集成、响应时间快以及和其他光通信器件的混合集成。
目前，生产VOA的国外厂家主要有：Lightconnect、JDSU、Avanex、Dicon、NTT、Bookham、Kotura、Oplink、BATI、Dupont、Lightwave2020、AFOP等。
在国内，光迅科技能生产并提供多种类型的VOA，另外还有一些公司也在开发不同类型的VOA。
为了适应市场对VOA阵列的需求，光迅最近已经成功开发出4通道的高分子衍射光栅VOA阵列。