CN1683954A - 光衰减系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光衰减系统，包括：输入光分路器、衰减装置、输出光分路器、控制装置及至少一个光功率检测装置，所述衰减装置包括：分光器、可变光衰减器组、光耦合器。所述控制装置根据光功率检测装置的探测结果控制调节可变光衰减器组的衰减量。利用本发明，可以有效地提高光衰减的调节精度。

Description

光衰减系统

技术领域

本发明涉及光设备技术领域，具体涉及一种光衰减系统。

背景技术

光衰减器是对光功率进行预定量衰减的器件，分为可变光衰减器和固定光衰减器两种。前者主要用于调节光线路功率，后者主要用于光功率过高的光纤通信线路产生固定衰减。光衰减器的主要技术要求是：高的衰减精度、好的衰减重复性、低的原始插损。通常可变光衰减器有以下两种：

(1)机械式可变光衰减器，通过步进电机带动衰减变化，衰减的精度取决于步进电机最小的变化量，可以达到0.04dB。

(2)电流控制式可变光衰减器，通过流过半导体器件的电流控制衰减量的变化，衰减精度的控制取决于电流控制的稳定性，衰减的精度最高可达0.1dB。

目前，可变光衰减器的精度最高为0.04dB，但基于测试需要，有时需要将光衰减器的精度提高1个数量级，比如提高到0.004dB，单纯的可变光衰减器装置已经不能满足要求。

在现有技术中，为了提高可变光衰减器的精度，通常的做法是利用高精度的光功率检测装置参与可变光衰减器的精度控制，目前光功率检测装置可以提供优于0.001dB的检测精度。将检测的输出和输入光功率的差值作为衰减量，利用光功率检测装置的控制将衰减量调整到离目标衰减量误差在单个可变光衰减器的单步衰减调节量(调节精度)范围之内，调节系统结构如图1所示。

对于图1所示的系统，采用机械式可变光衰减器，可以利用步进马达的转动控制调节量；采用电流控制式可变光衰减器，可以利用下发驱动电流大小的不同控制调节量，因为驱动电流值是离散的，驱动电流最小间隔对应调节精度，直到衰减量达到指定值附近。这种方案可以保证调节后衰减量和指定值的误差在衰减器的单步衰减调节量(调节精度)范围之内，但这种调节方法受限于电控(机械式或电流控制式)可变光衰减器的单步衰减调节精度，从而使整个系统的光衰减调节精度受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种光衰减系统，以使光衰减的调节精度不受单步衰减调节精度的限制，有效地提高光衰减的调节精度。

为此，本发明提供如下的技术方案：

一种光衰减系统，包括：输入光分路器、衰减装置、输出光分路器、控制装置及至少一个光功率检测装置，其特征在于，

所述衰减装置包括：分光器、可变光衰减器组、光耦合器，其中，

所述分光器分别耦合于所述输入光分路器和所述可变光衰减器组，用于为所述可变光衰减器组提供需要衰减的光；

所述光耦合器分别耦合于所述可变光衰减器组和所述输出光分路器，用于输出衰减后的光；

所述控制装置分别耦合于所述光功率检测装置及所述衰减装置，用于根据所述光功率检测装置的探测结果控制调节所述可变光衰减器组的衰减量。

所述可变光衰减器组包括：

至少一个粗调可变光衰减器，用于粗调需要的衰减量；

至少一个细调可变光衰减器，用于细调需要的衰减量。

所述分光器分别为所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器提供不同强度的光。

所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器包括：机械式可变光衰减器和/或电流控制式可变光衰减器。

对光衰减量粗调时，同时调节所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器，并保持所述两个衰减器自身衰减量相同，对光衰减量细调时，只调节所述细调可变光衰减器。

所述粗调可变光衰减器的输出耦合到所述光耦合器的分光比较大一端，所述细调可变光衰减器的输出耦合到所述光耦合器的分光比较小一端。

由以上本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过一个可变光衰减器组使衰减精度比单个可变光衰减器提高至少一个量级以上，并且利用外围的光功率检测装置来保证衰减量的测试精度。利用本发明，可以实现高精度的光衰减调节，为一些高精度的测试项目提供了必要的条件。

附图说明

图1是现有技术中光衰减调节系统结构示意图；

图2是本发明光衰减系统的结构示意图；

图3是图2所示的本发明光衰减系统中的衰减装置的详细结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图2，图2是本发明光衰减系统的结构示意图，包括以下部分：

衰减装置20、输入光分路器21、输出光分路器22、控制装置23、光功率检测装置24和光功率检测装置25。

通常，光功率检测装置具有多路输入和输出，因此，在实际应用中，光功率检测装置24和光功率检测装置25可以使用同一个光功率检测装置。

图2中的实线及其箭头为光路及其方向，虚线及其箭头为控制信号及其流向。其中，控制装置接收输入输出光功率的值，计算出可变光衰减器组的实际总衰减量，然后，判断目标衰减量和实际总衰减量的差值，决定是否对可变光衰减器组进行粗调和细调。控制装置和衰减装置的联系如下：1、读取衰减装置中每个衰减器的当前衰减量；2、下发衰减调节命令。

该系统对光衰减的调节过程如下：

将需要衰减的光P_S输入到输入光分路器21，输入光分路器21将P_S按照不同的分光比分为两路，主要的光P_in进入衰减装置20，一小部分光P_in′提供给光功率检测装置24进行探测；P_in经过衰减装置20的衰减后变为P5；P5进入输出光分路器22后。同样，输出光分路器22将P5按照不同的分光比分为两路，主要的光P_out作为衰减后的光输出，其余一小部分光P_out′提供给光功率检测装置25进行探测。

控制装置23分别耦合于光功率检测装置24和光功率检测装置25及衰减装置20，根据光功率检测装置24及光功率检测装置25的探测结果判断衰减量是否在可调范围内，所述可调范围是由衰减装置20内的分光器对可变光衰减器组中的每个可变光衰减器的分光比和衰减装置20内光耦合器的分光比共同判定的，对此将在后面详细说明。通过输入光功率P_in′和输出光功率P_out′的差判断出是否衰减量达到了预定的值，如果没有达到预定的衰减值，将继续控制调节衰减装置20的衰减量，直到调节到目标衰减量误差为整个衰减装置的衰减调节精度，至少比单个衰减器的调节精度高1个数量级。

衰减装置20的详细结构如图3所示，包括以下部分：

分光器31、可变光衰减器组30和光耦合器31，其中，

分光器31的输入端耦合于图2所示系统中的输入光分路器21的输出端，分光器31的输出端耦合于可变光衰减器组30的输入端，用于为可变光衰减器组30提供需要衰减的光，在本例中需要1强、1弱，共2束光；

光耦合器32的输入端耦合于可变光衰减器组30的输出端，光耦合器32的输出端耦合于图2所示系统中的输出光分路器22的输入端，用于输出衰减后的光P5。

在该实施例中，可变光衰减器组30包括两个可变光衰减器：粗调可变光衰减器301和细调可变光衰减器302，分别用于对输入到衰减装置20的光P_in进行衰减的粗调和细调。调节过程如下：

由分光器31将输入的光P_in按照不同的分光比分配到粗调可变光衰减器301和细调可变光衰减器302，使分到粗调可变光衰减器301的光强度大于分到细调可变光衰减器302上的光强度。

首先，对衰减量进行粗调：同步调节粗调可变光衰减器301和细调可变光衰减器302，保持这2个衰减器自身衰减量一样。自身衰减量是指相对于衰减器本身的输入和输出的当前衰减量。使当前衰减量大于或等于目标衰减量，且误差小于粗调可变光衰减器301的单步误差，通过图2中的控制装置23根据获取到的探测结果判断衰减量的值；然后，对衰减量进行细调：此时，只调节细调可变光衰减器302，且只向衰减量小的方向调节，直到将总衰减量调节到预定的目标值，同样，通过图2中的控制装置23根据获取到的探测结果判断衰减量是否达到预定的目标值。细调衰减器从当前衰减量调节到最小衰减量变化时引起总的衰减量变化要大于单个可变光衰减器的单步调节衰减量。为了保证在衰减装置调节范围内每个衰减量都可以调节到，细调引起总衰减量变化必须大于粗调的单步调节量(粗调时的误差)，否则有一些衰减值细调是无法调节到位的。这种限制会增加衰减装置的最小衰减。精度越高，限制也越高。在实际应用中，可以在精度和衰减范围2个指标之间权衡。

本发明所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器可以采用相同的机械式可变光衰减器或电流控制式可变光衰减器，也可以采用不同的机械式可变光衰减器或电流控制式可变光衰减器，当然也可以同时采用机械式可变光衰减器和电流控制式可变光衰减器，这样，调节精度的计算可能会复杂，但能达到同样的效果。

在图3所示实施例中衰减装置包括两个可变光衰减器(一个粗调可变光衰减器和一个细调可变光衰减器)时的调节过程。

为了进一步提高衰减装置的衰减精度，还可以增加可变光衰减器组中可变光衰减器的个数，比如，采用一个粗调可变光衰减器和两个细调可变光衰减器，即将细调再分为2级，或者采用一个细调可变光衰减器和一个粗调可变光衰减器，即将粗调分为2级。同样，分光器按照不同的分光比将光分到对应的不同衰减精度的可变光衰减器中，分光比由大到小依次对应可变光衰减器由粗调到细调。由粗到细依次调节各衰减器，比如有三个不同精度的可变光衰减器时，首先，同步调节3个衰减器，并保持这3个衰减器自身衰减量一样，使当前衰减量大于或等于目标衰减量，且误差小于精度最低的可变光衰减器的单步误差；然后，保持精度最低的可变光衰减器不变，同步调节另外2个衰减器，并保持这2个衰减器自身衰减量一样，使当前衰减量大于或等于目标衰减量，且误差小于这2个衰减器中精度最低的可变光衰减器的单步误差；最后，保持精度最低及次之的可变光衰减器不变，调节精度最高的衰减器，使当前衰减量达到目标衰减量。

下面将参照图3所示实施例通过理论分析和计算说明本发明系统所能达到的调节精度，从以下两方面加以说明：

1、衰减量调节精度

假设P_in、P5、P1、P2、P3、P4分别为所标各点的光功率(单位是毫瓦)；S1、S2为对应的可变光衰减器的自身衰减量(单位是dB)，且都大于0；A/100、B/100分别为对应的细调及粗调输入端口的分光比；A1/100、B1/100分别为对应的细调及粗调输出端口的分光比。其中，A+B＝100，A1+B1＝100，且A≤B，A1≤B1，A*A1＜＜B*B1。这样主要的衰减由粗调可变光衰减器301完成，细调可变光衰减器302作为衰减量微调的工具，同时要使细调可变光衰减器302的衰减范围能够和粗调可变光衰减器301配合，也就是说使细调可变光衰减器302的衰减范围大于粗调可变光衰减器301的一个步长，做到整个衰减量范围内连续可调。

详细计算分析如下：

P1＝P_in*A/100                  ......(1)

P3＝P_in*B/100                  ......(2)

10*Log₁₀(P1/P2)＝S1            ......(3)

10*Log₁₀(P3/P4)＝S2            ......(4)

P5＝P2*A1/100+P4*B1/100         ......(5)

视P2、P4为未知量，其余为已知量求解方程，则可将(3)转换形式为(3′)，将(4)转换形式为(4′)，分别如下：

P2＝P1*10^-S1/10                 ......(3′)

P4＝P3*10^-S2/10                 ......(4′)

将(1)、(2)、(3′)和(4′)代入(5)得到(5′)：

P5＝P_in*(A/100*A1/100*10^-S1/10+B/100*B1/100*10^-S2/10)    ......(5′)

在实际系统中，P_in、A、A1、B、B1是不变的，所以P5是S1、S2的函数，即P5(S1，S2)。

首先计算对于这两个变量的偏导数，得到(6)和(7)如下：

$\frac{\mathrm{dP}5}{\mathrm{dS}1}=\mathrm{Pin}*\frac{A}{100}*\frac{A1}{100}*(-\frac{1}{10})*{10}^{\frac{S1}{10}}---\left(6\right)$

$\frac{\mathrm{dP}5}{\mathrm{dS}2}=\mathrm{Pin}*\frac{B}{100}*\frac{B1}{100}*(-\frac{1}{10})*{10}^{-\frac{S2}{10}}---\left(7\right)$

在本衰减装置调节衰减量时，同时调节所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器，并保持这两个衰减器自身衰减量相同，也就是说保持S1＝S2，同时，考虑单位为毫瓦和dB时的光功率之间的对应关系是：

10*Log10(Pmw/1mw)＝PdB，

对该式两边进行微分：

所以有：

*(A/100*A1/100*10-S1/10+B/100*B1/100*10-S2/10))    ......(8)

其中， 表示当细调可变光衰减器302的当前衰减为S1时，细调可变光衰减器302再调节一步(不论增加还是减少衰减量)引起总光功率变化的值(单位为dB)。

因为S1＝S2，所以经过化简得到：

$\mathrm{\ΔP}{5}_{\mathrm{dB}}{|}_{S1}=-\frac{\frac{A}{100}*\frac{A1}{100}*\mathrm{\ΔS}1}{\frac{A}{100}*\frac{A1}{100}+\frac{B}{100}*\frac{B1}{100}}---\left(9\right)$

其中， 表示细调可变光衰减器302再调节一步引起本身的衰减变化量。

类似的，可以得到：

其中， 表示当粗调可变光衰减器301的当前衰减为S2时，粗调可变光衰减器301再调节一步(不论增加还是减少衰减量)引起总光功率变化的值(单位为dB)， 表示粗调可变光衰减器301再调节一步引起本身的衰减变化量。

前面已经提到：A*A1＜＜B*B1，所以上面两式(9)和(10)分别可以简化为：

令 $C=\frac{A*A1}{B*B1}$

由于在本衰减装置中分光器和光耦合器确定后，A、B、A1、B1即确定，所以C为常数。

假设细调可变光衰减器302和粗调可变光衰减器301的调节精度为0.04dB，粗调可变光衰减器301调节精度为0.04dB，A＝10、B＝90、A1＝3、B1＝97。采用简化公式计算，得到细调可变光衰减器302调节精度为0.0001375dB。按照精确公式计算，得到细调可变光衰减器302调节精度为0.0001370dB。

假设单个可变光衰减器的衰减调节范围是2～22dB，则细调可变光衰减器302需要约0.04/0.000137＝291步才能调节粗调可变光衰减器301一步的精度，对于细调可变光衰减器302的衰减范围，也应该相应缩小，缩小的幅度等于细调可变光衰减器302单独使用时的衰减调节量，291*0.04＝11.7dB。则单个可变光衰减器的衰减调节范围是13.7～22dB(也决定了粗调衰减器的衰减调节范围也是13.7～22dB)，并且在粗调时必须调节衰减量大于等于目标衰减量(衰减装置总的衰减量)，且误差小于粗调可变光衰减器的单步调节精度。然后在细调时，将细调可变光衰减器302的衰减量逐步减小，每调节衰减一次后检测输入输出光功率直到衰减量和目标值的误差小于0.001dB。

假设细调可变光衰减器302和粗调可变光衰减器301的调节精度为0.1dB，粗调可变光衰减器301调节精度为0.1dB，A＝10、B＝90、A1＝10、B1＝90。采用简化公式计算，细调可变光衰减器302调节精度为0.0012346dB；按照精确公式计算，细调可变光衰减器302调节精度为0.0012195dB。

假设单个可变光衰减器的衰减调节范围是2～22dB，则细调可变光衰减器302需要约0.1/0.0012346＝81步才能调节粗调可变光衰减器301一步的精度，对于细调可变光衰减器302的衰减范围，也应该相应缩小，缩小的幅度等于细调可变光衰减器302单独使用时的衰减调节量，81*0.1＝8.1dB。则单个可变光衰减器的衰减调节范围是10.1～22dB(也决定了粗调衰减器的衰减调节范围也是10.1～22dB)。并且在粗调时必须两个衰减器一起调节到使衰减量大于等于目标衰减量(衰减装置总的衰减量)，并且误差小于粗调可变光衰减器的单步调节精度。然后在细调时，将细调可变光衰减器302衰减量逐步减小，每调节衰减一次后检测输入输出光功率直到衰减量和目标值的误差小于0.001dB。

通过以上的计算可以看出，上述简化公式在误差允许范围内是完全正确的。而且，利用本发明装置，不论分光比误差是多少，只要满足A*A1＜＜B*B1，粗调采用的方法是同步同量调节两个可变光衰减器，即令S1＝S2，那么都能保证衰减量细调的精度达到0.001dB左右。

假设细调可变光衰减器302和粗调可变光衰减器301的调节精度为0.04dB，粗调可变光衰减器301调节精度为0.04dB，A＝20、B＝80、A1＝20、B1＝80。采用简化公式计算，得到细调可变光衰减器302调节精度为0.0025dB。按照精确公式计算，得到细调可变光衰减器302调节精度为0.00235dB。

假设单个可变光衰减器的衰减调节范围是2～22dB，则细调可变光衰减器302需要约0.04/0.0025＝16步才能调节粗调可变光衰减器301一步的精度，对于细调可变光衰减器302的衰减范围，也应该相应缩小，缩小的幅度等于细调可变光衰减器302单独使用时的衰减调节量，16*0.04＝0.64dB。则单个可变光衰减器的衰减调节范围是2.64～22dB(也决定了粗调衰减器的衰减调节范围也是2.64～22dB)，并且在粗调时必须调节衰减量大于等于目标衰减量(衰减装置总的衰减量)，且误差小于粗调可变光衰减器的单步调节精度。然后在细调时，将细调可变光衰减器302的衰减量逐步减小，每调节衰减一次后检测输入输出光功率直到衰减量和目标值的误差小于0.004dB。

2、光功率检测精度

现有的光功率检测方法足以使检测精度达到0.001dB或更高，通常采用的办法有高精度ad(模数转换)(AD值转换精度从12位提高到16位或更高，从而分辨的值精度更高)，数值滤波(多次读取ad值，然后去掉异常值，对其余数值取平均等处理，有多种算法可以使用)，小换档区(每个光功率输入范围的档位的相交部分尽可能少)等办法。

同时对于输入输出光功率检测采用参数表的方法，使用高精度光源和高精度光功率计，在相应的光功率范围内每隔0.5dB作一个点，保证每个点的误差在0.0005dB以下，在每两个功率点之间的光功率检测值的误差等同于相邻参数表制作点的误差，也在0.0005dB以下，这样输入输出光功率的误差即保证在0.001dB以下。

由以上的理论计算可以看出，本发明系统中的衰减装置理论上可以达到步长0.0001dB或以上的衰减量。同时，由于采用了可靠的光功率检测装置，理论上的检测精度也可达到0.001dB以上。

上述对本发明系统的实施例从理论上论证了在衰减装置的可变光衰减器组中设有两个可变光衰减器(1个粗调可变光衰减器+1个细调可变光衰减器)时的衰减精度。对于有多个粗调可变光衰减器和多个细调可变光衰减器的情况，比如前面提到的2个细调可变光衰减器+1个粗调可变光衰减器及2个粗调可变光衰减器+1个细调可变光衰减器的情况，同样可以通过类似上述的理论计算推导出所能达到的衰减精度。在此不再详细描述。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，例如，稍加变化，采用多个本发明装置中的衰减装置进行组合，同样可以得到多种类型的高精度衰减装置，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (6)

1、一种光衰减系统，包括：输入光分路器、衰减装置、输出光分路器、控制装置及至少一个光功率检测装置，其特征在于，

所述衰减装置包括：分光器、可变光衰减器组、光耦合器，其中，

所述分光器分别耦合于所述输入光分路器和所述可变光衰减器组，用于为所述可变光衰减器组提供需要衰减的光；

所述光耦合器分别耦合于所述可变光衰减器组和所述输出光分路器，用于输出衰减后的光；

所述控制装置分别耦合于所述光功率检测装置及所述衰减装置，用于根据所述光功率检测装置的探测结果控制调节所述可变光衰减器组的衰减量。

2、如权利要求1所述的光衰减系统，其特征在于，所述可变光衰减器组包括：

至少一个粗调可变光衰减器，用于粗调需要的衰减量；

至少一个细调可变光衰减器，用于细调需要的衰减量。

3、如权利要求2所述的光衰减系统，其特征在于，所述分光器分别为所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器提供不同强度的光。

4、如权利要求2所述的光衰减系统，其特征在于，所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器包括：机械式可变光衰减器和/或电流控制式可变光衰减器。

5、如权利要求2或3或4所述的光衰减系统，其特征在于，对光衰减量粗调时，同时调节所述粗调可变光衰减器和所述细调可变光衰减器，并保持所述两个衰减器自身衰减量相同，对光衰减量细调时，只调节所述细调可变光衰减器。

6、如权利要求2所述的光衰减系统，其特征在于，所述粗调可变光衰减器的输出耦合到所述光耦合器的分光比较大一端，所述细调可变光衰减器的输出耦合到所述光耦合器的分光比较小一端。

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