光损耗原理.doc

光衰减器是光纤通信设备检测（如光纤线路交付、误码率测量、系统容限分析、接收机灵敏度测量、光功率衰减等）中必不可少的测试设备之一。国外一些大的仪器公司，如Agilent、Anritsu、Ando 等，像对待其它光通信测试仪表一样，研制和开发出各种光衰减器（包括机械光衰减器和程控光衰减器），并形成系列产品。而国内有关厂家迄今推出的光衰减器多为机械式的简易光衰减器，其特点是简单易用，但其衰减准确度、重复性、稳定性、回波损耗等技术性能均不及高性能程控光衰减器；高性能程控光衰减器仍主要是国外产品。本所自主研制开发的高性能程控光衰减器，不仅具有优良的衰减准确度、重复性、稳定性、高回波损耗等技术特点，而且具有操作灵活性和计算机远程控制功能。 2.工作原理及关键技术分析 2.1 原理概述 高性能程控光衰减器主要由光机部件、操作面板、CPU板和电源组成。CPU板包括主控制电路和伺服控制电路两部分，CPU根据波长和衰减大小（由操作面板或GP-IB接口输入）以及固化在E2PROM里的修正数据计算出旋转的方向、角度及速度去控制伺服电机转动固定在电机轴上的衰减片，以调节衰减量，如图 1所示。 图1.高性能程控光衰减器原理框图 2.2 光机部分 光机部件由两片中性密度滤光片（ND filter）、直流伺服电机和增量式光电编码器、棒形自聚焦透镜组成，如图2所示。入射光经棒形自聚焦透镜准直成平行光束，经过两片衰减滤光片衰减后，再由另一个棒形自聚焦透镜聚焦，进入输出光纤。两片衰减滤光片中，一片为分立衰减量滤光片，其衰减量从0dB到50dB以10dB步距变化；另一片为连续可变衰减滤光片，其衰减量在180角度范围内从0dB到10dB(实际镀制为270角度范围015dB,后文将介绍其设计原因)连续可变。这样，入射光经两片衰减滤光片组合后就可得到从0dB到60dB范围内连续可变的光衰减量（步距为0.01dB）。 ND 滤光片是在K9玻璃基片上采用真空沉积法镀上中性密度的Ni和Cr合金而制成。该滤光片具有较小的衰减变化（随时间）、优良的均匀性和平坦的光谱透射特性。为防止滤光片的表面反射光产生干涉调制影响被衰减光源，除在滤光片没有金属镀层的表面加镀宽带增透膜降低反射外，滤光片稍倾斜于光轴安装可阻止反射光回到入射端，大大提高仪器的回波损耗。滤光片表面加镀增透膜还有助于降低插入损耗，扩展仪器的低端可调衰减范围。 图2. 光路原理图 2.3 光闸 在固定光衰减片上设置有一光闸。该光闸是一块贴在分立衰减量衰减片上的超黑合金吸光片，其反射率0.1%。单次按键可中断光束通向输出端。其作用有： 便于进行光功率计等设备的调零（与当前衰减器的衰减设置无关）；保护待测光敏感器件免受危险光功率的损坏。 2.4衰减控制 衰减设定可以通过直接旋转ND滤光轮片来实现。两片ND滤光轮片各自由带有旋转光电编码器的直流伺服电机控制。滤光轮片固定在电机轴的前端，实现滤光轮片与光电编码器位置传感系统之间的位置匹配。两个光电编码器均采用三通道(A、B、C通道)递增编码器,A、B通道各自输出相位相差90的方波,根据A相和B相的超前或滞后关系,伺服控制电路中的方向判别器可以识别电机的转动方向；C通道输出索引脉冲，用以确定电机的绝对位置。 为获得要求的分辨率，对连续可变滤光轮片采用1024道递增编码器，对分立滤光轮片采用512道递增编码器。两个编码器均采用积分方式驱动，在该驱动方式下，对每一个方波的上升沿和下降沿都进行计数，这样，每转的有效分辨率分别是4096和2048道，从而保证了高分辨率（0.01dB）的实现。 为保证设定衰减值的可靠性及稳定性，设计中还采用了对滤光轮片位置进行实时动态调整的措施。每隔约2 ms，伺服控制CPU的内部定时器产生一个定时中断，中断服务例程分别调用连续可变滤光片和分立滤光片的控制程序，采样当前滤光片位置，并计算实际位置与目标位置之差，根据此差值对电机进行相应的调整。 2.5 控制电路 控制电路包括伺服控制电路、主控制电路和GP-IB接口电路，如图3所示。采用双CPU并行处理方式，伺服控制CPU用于接受主控CPU的命令和数据，计算电机旋转的方向、角度和速度去驱动伺服电机，控制伺服电机转动到指定位置；主控CPU用于控制显示、处理按键和GP-IB指令，根据波长和衰减量大小（由操作面板或GP-IB接口输入）以及E2PROM里的修正数据计算电机的位置并发送相应的命令和数据给伺服控制CPU。 图3. 控制原理框图 2.6 数据修正 如前所述，高性能程控光衰减器的连续可变衰减是通过以10dB步进的分立光衰减片和010dB连续可变光衰减片的有机配合实现的。一方面，分立衰减片的衰减量不仅与波长有关，而且即使对于某一确定的波长点，与期望值也是有悬殊的，其10dB步进调节误差必须依靠连续可变衰减片来补偿；所以，可变衰减片的镀制除保证其本该完成的10dB调节量外，还要为分立衰减片提供5dB范围的衰减补偿。另一方面，连续可变衰减片的衰减和角位置之间的线性关系与期望值也有差距；同时，就某一确定的角位值来说，其衰减值还与波长有关。鉴于上述原因，为保证在1200nm1650nm波长范围内实现全衰减量程内的衰减准确度（线性）调谐，在两种衰减片的设计镀制质量取得保证之后，软件的数据修正十分必要。 首先借助于稳定光源和标准光功率计分别在1172，1310，1428，1550，1684nm 波长点上精确测量分立光衰减片的10，20，30，40，50dB档的衰减值，填入E2PROM的相应区域里；再每隔一定转角（可用步进脉冲个数来计量）精确测量连续可变光衰减片在上述对应波长点上的衰减值，用线性回归法拟合出每一波长上的衰减与角度关系曲线，并在曲线上每隔一定 dB数截取相应的步进脉冲个数，分别填入E2PROM的相应区域里；上述波长以外的其它波长上的衰减量控制采用线性近似处理。通过上述数据处理后，实际指标检测结果完全达到设计要求。 项目 指标 波长范围（nm） 12001650 光纤类型 SM 衰减范围(dB) 60（不包括插入损耗） 显示分辨率(dB) 0.01 插入损耗(dB) 2 衰减准确度(dB) 0.2 重复率(dB) 0.02 回波损耗(dB) 45 3.结束语 高性能程控光衰减器集光学、精密机械、电子技术于一体，在1310nm和1550nm波段对整个60dB衰减范围进行标定，可实现该范围内的连续衰减调谐。此外