标签: 光衰减器

光接收设备接收的光信号强度需要在一定的范围内，光功率不能过强或过弱，否则会导致设备寿命变短或不能正常工作。光纤衰减器就是可以作用于其中，用于降低光信号能量，对输入光功率衰减的光无源器件，避免由于输入光功率超强而使光接收机产生失真。 光纤衰减器是通过光信号的吸收、反射、扩散、散射、偏转、衍射、色散等来降低光功率。比如光信号的吸收，将光纤衰减器设定一个可以吸收光能的工作波长范围，在这个范围内，其不反射光，减少不必要的回波反射，通过这种方式达到光功率的衰减效果。一般采用空气隔离技术、位移错位技术、衰减光纤技术、吸收玻璃法等技术来制作光衰减器。 光衰减器的衰减范围在0~65dB。其中，目前市场上的固定光纤衰减器衰减功率在1~30dB之间。固定光纤衰减器是光纤衰减器的一种类别，是将衰减功率固定在一个衰减值。一般用于电信网络、光纤测试设备、局域网（LAN）和有线电视（CATV）系统。 还有一种是可变式光衰减器，可变衰减器的衰减水平可以调节，例如从0.5 dB到20dB，甚至50dB。一些可变衰减器具有非常精细的分辨率，例如0.1dB甚至0.01dB。主要应用于：光配线架、光纤网络系统、高速光纤传输系统、有线电视（CATV）系统、长途干线密集波分复用（DWDM）系统、光分插复用器（OADM）。 其中固定光衰减器又有尾纤式、转换器式、变换器式，可以制作FC, SC, ST, LC，MU等接口类型，在日常布线中使用便利。通常单个光衰减器有两头接口，公头和母头，可以是公-母，母-母。公头的连接器接口一般用来插在设备的接收器上或适配器面板的适配器上，母头的连接器接口用来连接光纤跳线。亿源通可提供多种类型的固定式阴阳光纤衰减器，性能稳定、质量可靠，可满足ST,SC,FC,MU,LC各种连接器接口类型、工作波长定制化需求。 在无源器件中，光纤衰减器的使用很广泛，仅次于连接器和耦合器。衡量光衰减器的性能指标主要有衰减量、插入损耗、衰减精度、回波损耗等。高性能的光衰减器的插入损耗低，回波损耗通常在40dB以上。

文章导读： VOA的优势、类型 MEMS Shutter型VOA MEMS微镜型VOA MEMS微镜型VOA中的WDL问题 MEMS微镜型VOA的WDL优化 MEMS（Micro Electro Mechanical System，微机电系统）技术被广泛应用于光纤通信系统中，MEMS技术与光学技术的结合，通常称作MOEMS技术。最为常用的MOEMS器件包括光衰减器VOA、光开关OS、可调光学滤波器TOF、动态增益均衡器DGE、波长选择开关WSS和矩阵光开关OXC。 VOA在光纤通信系统中常用于光功率均衡，在各种技术方案中，MEMS VOA具有尺寸小、成本低和易于制造的优势。最常用的MEMS VOA有两类：MEMS Shutter型和MEMS微镜型，前者通常以热效应驱动，后者通常以静电力驱动。 MEMS Shutter型VOA 基于MEMS Shutter的VOA结构如图1所示，MEMS Shutter被插入两根光纤之间的光路，衰减量取决于被阻挡的光束截面大小。在实际应用中，这种VOA也可以设计成反射型。 图1. 基于MEMS shutter的VOA结构 MEMS微镜型VOA 如图2所示为基于MEMS扭镜的VOA结构，它以双光纤准直器的两根尾纤作为输入/输出端口，准直光束被MEMS微镜反射偏转，从而联通输入/输出端口之间的光路。扭动微镜让光束发生偏转，从而产生光功率的衰减。 图2. 基于MEMS扭镜的VOA结构 10V的驱动电压，后者可将驱动电压降至5V以下。然而，仅仅一个微小的粉尘颗粒就会卡住梳齿电极，因此其生产良率较低。采用梳齿电极的MEMS微镜，通常需要在超净环境下封装。 图3. 两类MEMS扭镜：平板电极和梳齿电极 MEMS微镜型VOA中的WDL问题 基于MEMS shutter和MEMS微镜的VOA均有广泛应用，前者性能指标较好，但装配工艺相对复杂；后者易于装配但WDL（波长相关损耗）相对较大。在宽带应用中，此类VOA会对不同波长产生不同的衰减量，此现象定义为WDL。宽带应用中，要求WDL指标越小越好。 WDL问题源于单模光纤SMF中的模场色散，我们知道，光纤中的不同波长具有不同的模场直径，长波的模场直径更大一些。图4所示为光纤中模场的色散情况。 图4. 光纤中模场色散情况 如图4所示，光束被MEMS微镜反射偏转，不同波长的的光斑均偏离出射光纤的纤芯。在未经优化的VOA中，所有波长的光斑具有相同的偏移量。如式（1），衰减量A取决于偏移量X和模场半径ω。 (1) 在一个相对有限的波长范围内，如C波段(1.53~1.57μm)，单模光纤中的模场色散情况可以式（2）作线性近似处理 。 (2) 对于常用的康宁公司SMF-28型单模光纤，上式中的系数为a=5.2μm、b=3.11@λc=1.55μm。当中心波长λc处的衰减量Ac给定时，得到光斑的偏移量Xc如式（3）。 (3) 综合式（1-3）可得到波长范围λs~λl内的WDL如式（4），其中下标s, c, l分别代表波段范围内的短波、中波和长波。 (4) 根据式（4），当VOA的衰减量Ac设置越大时，光斑的偏移量Xc也越大，因此会产生更大的WDL，如图5, 图6所示。根据图6，在衰减范围0~20dB和波长范围1.53~1.57μm之内，最大WDL可达0.96dB。商用MEMS VOA可测得最大WDL为1.5dB，这是因为光学系统色散的影响，造成不同波长的光斑在输出光纤端面的偏移量不同。这种情况与图4所示情况不同，在图4中，所有光斑具有相同的偏移量。 图5. 对应不同衰减水平的WDL 图6. 对应不同衰减水平的WDL MEMS微镜型VOA的WDL优化 MEMS微镜型VOA中的WDL源于两个因素：模场色散和光学系统色散，两个因素的影响累加起来，让最大WDL达到1.5dB。那么这两个因素的影响能否相互抵消，以助于减小WDL呢？答案是可以，但需要精细的分析和设计。 根据式（1），长波具有更大的模场直径，因此其衰减量更小。如图4.16所示，如果光学系统能够对长波的光斑产生更大的偏移量，就可以增加长波的衰减量，从而对衰减谱线产生均衡作用。 图7. 光学系统的色散与模场色散相互抵消情况 然而，根据式（4），因两个因素产生的WDL，只能在某个特定的衰减水平Ac下完全相互抵消。当VOA器件的衰减量被设置为一个异于Ac的数值时，将会存在剩余WDL，如图8所示。 从图8中看到，在优化之前，最大WDL产生于衰减量为20dB时。如果通过优化，将衰减量为20dB时的WDL完全抵消，则最大WDL产生于衰减量为4dB时。 如果将衰减量为13dB时的WDL完全抵消，则在0~20dB的衰减范围内，最大WDL将<0.2dB。 图8. 两个引起WDL的因素相互抵消情况 10°（在现有器件中，这个角度通常为8°）。 图9 通过引入棱镜来优化WDL ； 图10 通过高色散的准直透镜来优化WDL 基于对光学系统色散的透彻分析，华中科技大学的万助军等人提出了第三种解决方案，准直透镜的材料为常用的N-SF11玻璃，透镜的曲率半径也是常用的R=1.419mm。为了优化WDL指标，得到准直透镜的其他参数之间的关联曲线如图4.20所示，曲线上任意一点给出准直透镜的一组参数：端面角度φ和透镜长度L。基于这些参数加工准直透镜，VOA器件的WDL指标将得到优化。注意图11中的端面角度φ均为负值，因此双光纤插针与准直透镜需要按照图12（d）中的方向进行装配，而非如图12（c）中的现有MEMS VOA装配方式。他们最终装配的MEMS微镜VOA如图13所示，据报道，在衰减范围0~20dB和波长范围1.53~1.57μm之内，测得最大WDL<0.4dB。 图11. WDL优化之后准直透镜参数之间的关系 图12. 通过调整准直透镜端面角度优化WDL指标 图13. MEMS微镜VOA样品 随着DWDM技术的快速发展，MEMS VOA的在光通信网络中的应用将越来越广泛。亿源通立足于现有业务的需求以及面向未来网络发展需求，推出了一系列自主研发的MEMS技术产品， 包括1×48通道的光开关， 与 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光开关模块，以及MCS模块等。 亿源通，是一家专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务于一体的无源光通信器件OEM/ODM厂商，主要生产和销售光纤连接类产品（光纤连接器、适配器、跳线），WDM波分复用器，PLC光分路器，MEMS光开关等核心光无源基础器件，广泛应用于光纤到户、4G/5G移动通信、互联网数据中心、国防通信等领域。

在光通信网络中，除了有源器件之外，还有一种器件叫 光无源器件 。光有源器件是光通信系统中需要外加能源驱动工作的可以将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的光电子器件，是光传输系统的心脏。光无源器件是不需要外加能源驱动工作的光电子器件。 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关。具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等。 光无源器件一类器件的统称，其包含着多种的种类，并且每种分类在光通信系统中都有着不一样的功能。下面，易飞扬通信给大家详述光无源器件的种类。 光分路器 光分路器是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用 M × N 来表示一个分路器有 M 个输入端和 N 个输出端。在光纤 CATV 系统中使用的光分路器一般都是 1 × 2 、 1 × 3 以及由它们组成的 1 × N 光分路器。 光隔离器 光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。 通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。 连接器 使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，连接器插头由插针体和若干外部机械结构零件组成。 跳线 将一根光纤的两头都装上插头，称为跳线。 光衰减器 光衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件 , 它可按用户的要求将光信号能量进行预期地衰减 , 常用于吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗及各种测试中。目前 , 系列化光衰减器已广泛应用于光通信领域 , 给用户带来了方便。 转换器 把光纤接头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器，转换器俗称法兰盘。 光开关 光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作 . 在光纤传输系统，光开关用于多重监视器， LAN ，多光源，探测器和保护以太网的转换。在光纤测试系统，用于光纤，光纤设备测试和网络测试，光纤传感多点监测系统 。 光无源器件的种类有很多，这里只是介绍其中常用的几种。