硬件设计零星知识点：06 光衰减器的原理和分类

一、什么是光衰减器？

**光衰减器（Optical Attenuator）**是一种能量损耗性无源光学器件，其内部含吸收光材料，它的作用与光放大器正好相反，用于减小光纤中的光信号功率。

二、为什么要用光衰减器？

1. 光模块的接收器有一个过载点指标，如果到达接收器的光功率过大，将会烧坏光模块，为了避免这种情况，就需要使用光衰减器来主动降低光功率。
2. 在波分系统传输时，需要使各个通道内的光功率信号大致相同，避免光功率不平坦导致传输性能降低，因此需要利用光衰减器來均衡各个通道内的光功率。

三、光衰减器的种类

根据光衰减器的衰减量是否可变，光衰减器可以分为固定光衰减器（Fixed Optical Attenuator）和可调光衰减器（Variable Optical Attenuator）。

3.1 固定光衰减器

固定光衰减器对光纤链路中的光功率衰减量是固定的，比如3dB，5dB, 10dB等，理论上可以为任何数值。这种光衰减器有FC、SC、ST、LC等多种接头类型，通常安装在OTU、OSC等有源模块的发端，防止输出的光功率过大烧毁下游接收模块。

• 优点：结构简单，使用方便，成本低。
• 缺点：其衰减量是固定的，使用不够灵活。
  

3.2 可调光衰减器

可调光衰减器可分为机械可调光衰减器（Mechanical Variable Optical Attenuators, MVOA）、电可调光衰减器（Electrical Variable Optical Attenuators ，EVOA）

3.2.1 机械可调光衰减器（MVOA）

机械可调光衰减器也分很多种实现方式，比如挡光型、位移型、衰减片型。
（1）挡光型
下图是挡光型光衰减器的原理示意图，通过电机驱动挡光元件，拦在两个准直器之间，实现光功率的衰减。

（2）位移型
位移型又分为横向位移型和轴向位移型，下图是原理示意图。

• 横向位移型通过调节两根光纤在横截面上的偏移量，来调节进入光纤的光量，从而调节衰减量。
• 轴向位移型通过调节两根光纤在轴线方向的相对距离，来调节衰减量。

（3）衰减片型
下图是衰减片型光衰减器的原理示意图。在两个衰减盒上，装有不同衰减倍数的衰减片。通过电机控制衰减盒转动，使光经过选定的衰减片来达到光功率衰减的效果。

衰减片又分为步进衰减片和连续衰减片。

• 步进衰减片等间隔地分布在衰减盒的圆周上，衰减档位是离散的。
• 连续衰减片是一整个圆环，嵌入到衰减盒上，圆环沿圆周方向由薄到厚均匀变化，使衰减量可以连续变化。如下图所示。

（4）机械式光衰减器的优缺点

• 优点：工艺成熟、光学特性好、低插损、偏振相关损耗小、无需控温等优点；
• 缺点：体积较大、组件多结构复杂、响应速度不高、难以自动化生产、不利于集成等。

3.2.2 电可调光衰减器（EVOA）

（1）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。这种可调衍射光栅的顶层是玻璃，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。
  
  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。
  （2）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，例如磁致旋光效应(法拉第效应)等亦可实现光能量的衰减，从而达到调节光信号的目的。一种典型的偏振无关磁光VOA结构如下图所示。
  
  其中的(a)是实际的光路，为了更好地说明其原理，我们采用(b)中的镜像光路。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°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，如虚线所示，此时衰减程度最大；
• 在法拉第旋转角为45°的情况下，总的法拉第旋转角为90°，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。
• 当控制法拉第旋转角在0°和45°之间连续变化时，就可以实现衰减量的连续调节。

（3）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，其工作原理如下图所示。

液晶VOA具体的实现方式如下图所示。

• 当液晶材料没有加电时，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。
• 当液晶材料两端的透明电极上加载电压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。
  
• 优点：成本低，小型化，响应快，已有批量商用。
• 缺点：液晶材料插入损耗大，制作工艺复杂，需要数千伏乃至上万伏的强电场。

（4）MEMS VOA
**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 VOA有反射式VOA和衍射式VOA，如下图所示。

• 反射式VOA
  工作原理如图5(a)所示，它是在硅基上制作一块微反射镜。以unblocking型VOA为例。光经过双光纤准直器的一端进入，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
  是基于动态衍射光栅技术，如图5(b)所示。这种动态衍射光栅由平行微栅条阵列构成，微栅条上表面镀以200~300 nm厚的铝膜，起电极和反射光的双重作用，下表面是特殊设计的由Si3N4和SiO2膜形成的双簧结构以提供弹性力，其下刻蚀的空气隙厚度与所欲应用的光谱波段相关。当施加电压信号时，在静电力的作用下相间隔的光栅条位置向下移动以产生衍射光栅效应，工作状态如图5(b)所示。通过调节电压来控制一级衍射光从而达到对光信号衰减量进行调节的目的。

• 优点：响应速度快、衰减控制精度高、消光系数大、抗疲劳磨损等

• 缺点：成品率较低，价格高，可靠性相对较低。

（5）热光VOA
热光VOA主要是利用一些材料在温度场中所具有的光学性质变化特性，如温度变化所导致的热光材料折射率的变化等。按照结构的不同，主要可以分为两大类：泄漏型和开光型VOA。

• 泄漏型热光VOA
  原理如图7(a)所示，其原理是首先将部分光纤原有的外皮包层剥除，用热光材料代以构成外皮层。当对该热光材料外皮层施以温度变化时，由于其折射率的变化而导致原有光传输特性即模场直径(MFD)的变化，有部分的光信号能量将从该处逸出（辐射光），从而达到通过控制温度来调节光衰减量的目的。
• 开光型的热光VOA
  最典型的就是一种基于Mach-Zehnder干涉仪（MZI）的原理，其具体结构如图7(b)所示。主要工作方式是在Mach-Zehnder干涉仪的其中一个干涉臂上面加上热光材料，并将热光材料置于薄膜加热器上。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，进一步使得双光束的干涉光强发生改变，实现对光衰减量的控制。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。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损，因而这种VOA性能还较差，封装难度大。

热光VOA由于加热，冷却装置相对复杂，温度场一光导介质折射率之间的数理函数关系复杂而不易精确量化和控制，尤其是其较长的响应时间阻碍了其在现代光通信中的应用。