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可调光衰减器设计

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卖家[上传人]：新**

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1、可调光衰减器设计1.引言：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。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。本文将要介绍的是基于平行式液晶技术的可变光衰减器,该器件的突出特点是无移动部件,性能稳定;低插入损耗;功耗低,响应速度快; 控制简单,结构紧凑, 利于集成。2.关键词：液晶光衰减器双折射波片起偏器3.器件原理：液晶VOA (可调节光衰减器)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，其工作原理如图 3所示。90900U00“图3.液晶工作原理图、(a)加电压庙(b)加电压前双折射现象：一束光入射到各向异性的介质后出现两束折射光线的现象。两折射光线中有一条始终在入射面内，并遵从折射定律，称为寻常光，简称o光另一条光一般不遵从折射定律，称非常光，简称e光RS方解石尼畀亡光o

2、光液晶光衰减器是通过控制光的偏振态来调节光能量的。利用液晶的双折射效应，并将其与一块入1 / 4波片组合,可以使线偏振光的偏振态任意旋转。在1/4 波片后面加一个检偏器，就可以实现VOA。图3表示出了液晶分子在不加电场和加电场时的排列情况。如图 3( a) 所示, 不加电场的情况下,液晶分子层基本与玻璃板平行,只是有一定的预倾角,由于存在双折射效应,进入液晶层的偏振光的偏振态会改变。在外加电场的情况下, 当所加电场强度达到液晶的阈值时, 液晶分子的指向会随着电场的方向慢慢改变,直到每个液晶分子的取向与电场方向一致, 如图 3( b) , 液晶层呈现出各向同性,因此失去双折射的能力,结果入射偏振光通过液晶层时,其偏振态不发生改变。0fr ”器( (巧Ijfe罟 I A准血器刖器-咖图3液晶光衰减器光路结构A 4系统设计：液晶 VOA 由光路部分和电路部分组成, 其中光路部分由三部分构成: 准直器、双折射晶体起偏检偏器、液晶与1/ 4波片组合。具体光路如图3。液晶光衰减器光路结构入射光经过光纤传输到光纤准直器, 准直器的主要作用是将入射光的发散角压缩, 使从准直器出射

3、的光基本为平行光, 这样可以使光纤与光纤之间有足够的距离来放置光学元器件。入射光经过准直器后入射到双折射晶体 (起偏器)上, 起偏器将入射光分成两束偏振态互相垂直的线偏振光,即是 o 光和 e 光。o光和e光入射到液晶和1 / 4波片，如果液晶不加电场，那么出射光的偏振态发生旋转, 通过另外一块双折射晶体( 检偏器) 后产生光衰减; 如果液晶上的电场加到一定程度，使得经过液晶和 1 / 4 波片之后的偏振态不发生旋转，通过检偏器后不产生光衰减。合理的控制加在液晶上的电场，我们就可以得到合适的光衰减,从而实现了光可变衰减。对图 3 所示的结构作进一步分析后发现存在着这样一种缺陷:即光束在两块双折射晶体中的光程可能不相等, 从而导致偏振模色散( PMD) 的产生。具体分析如下:通常情况下,入射光入射到起偏器和检偏器时都会分成 o 光和 e 光,这种情况下不会有光程差产生,但是存在如下两种特殊情况:入射光是线偏振光,并且其振动方向与双折射晶体主平面( 光轴与入射法线组成的平面) 平行, 那么入射光在两块晶体中都走 e 光路线;入射光是线偏振光,并且其振动方向与双折射晶

4、体主平面垂直, 那么入射光在两块晶体中都走 o 光路线。在这两种情况下就存在着光程差, 也就会导致偏振模色散。为了避免偏振模色散,对光路做如下改进: 将起偏器和检偏器双折射晶体的光轴方向调成一致,如图4 所示。这样,在第一块晶体中走 o 光路线的光束在第二块晶体中走 e 光路线, 而在第一块晶体中走 e 光路线的光束在第二块晶体中走 o 光路线,也就是说不管入射光的偏振态如何, 它在整个光路中的光程始终相等,这样就避免了偏振模色散的影响。在以上光路设计的基础上,电路设计需要实现以下两个功能: 其一,提供一个幅度可调的交流电压来控制液晶的光衰减;其二,实现温度补偿。液晶是一种电压控制器件, 需要交变电压来控制,且方波电压控制效果较为理想。通过单片机和定时器的配合就可以产生幅度可调的方波电压。由于液晶的温度特性不很理想, 即使加在其上的电压保持不变,只要温度出现变化,光路衰减就会随之变化, 因此要做温度补偿。我们通过对热敏电阻进行A D采样，通过采样值来查表修正电压，使温度变化对光衰减的影响减小到最小。此次设计选题较简单，但在设计过程中，通过对相关书籍的查阅，将以前抽象的知识集合在一起使用，又重新加深了对相关知识的理解，通过此次课程设计不仅，使我对光衰减器相关知识有了一定认识，也让我感觉到所学知识有了用武之地，看似复杂的器件，也是有着最基本的原理。6.参考文献：光学教程高等教育出版社液晶物理学谢毓章. 科学出版社

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