[圖]幾種可調光衰減器的簡介

幾種可調光衰減器的簡介
  福州高意通訊有限公司 李繼鋒

1.引言
      可調節(jié)光衰減器(VOA)在光通信中具有廣泛的應用，其主要功能是用來減低或控制光信號。光網絡的最基本的特性應該是可調，特別是隨著DWDM傳輸系統(tǒng)和EDFA在光通信中的應用，在多個光信號傳輸通道上必須進行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端要進行動態(tài)飽和的控制，光網絡中也還需要對其它信號進行控制，這些都使得VOA成為其中不可或缺的關鍵器件。此外，VOA產品還具有與其它光通信組件結合并將其推往高階模塊的特性。
      近年來，出現(xiàn)了多種制造可變光衰減器的技術，包括可機械式VOA、磁光VOA、液晶VOA、MEMS VOA、熱光VOA和聲光VOA等。本文將對各種典型VOA的做一個簡要的介紹。
2. 幾種常見的VOA簡介
2.1. 機械式VOA
    該種類型的VOA也有多種具體的實現(xiàn)方式。圖1是擋光型光衰減器的原理圖，驅動擋光元件攔在兩個準直器之間，實現(xiàn)光功率的衰減。擋光元件可以是片狀或者錐形，后者可通過旋轉來推進，而前者需平推或者通過一定機械結構實現(xiàn)旋轉至平推動作的轉換。擋光型光衰減器可以制成光纖適配器結構，也可以制成圖1所示的在線式結構。

        與上面提到的擋光型VOA類似，也有一種機械一電位器形式的EVOA方案。其原理是用步進電機拖動中性梯度濾光片，當光束通過濾光片不同的位置時其輸出光功率將按預定的衰減規(guī)律變化，從而達到調節(jié)衰減量的目的。還有一種機械偏光式光衰減器。其基本原理是從入端口射出的光束被反射片反射到出端口，兩端口之間的反射耦合效率由反射片的傾斜角度來控制，從而實現(xiàn)光衰減的調節(jié)。而反射片的傾斜則由多種不同的機理來控制。
      機械型光衰減器是較為傳統(tǒng)的解決方案，到目前為止，已在系統(tǒng)中應用的VOA大多是用機械的方法來達到衰減。該類型的光衰減器具有工藝成熟、光學特性好、低插損、偏振相關損耗小、無需控溫等優(yōu)點；而其缺點在于體積較大、組件多結構復雜、響應速度不高、難以自動化生產、不利于集成等。
2.2. 磁光VOA
      磁光VOA是利用一些物質在磁場作用下所表現(xiàn)出的光學性質的變化，例如磁致旋光效應(法拉第效應)等亦可實現(xiàn)光能量的衰減，從而達到調節(jié)光信號的目的。一種典型的偏振無關磁光VOA結構如圖2所示。
 

      圖2中，其中的(a)是實際的光路，為了更好地說明其原理，我們采用(b)中的鏡像光路。當光從雙芯光纖的一端入射，經透鏡準直后（略去光束的厚度），進入到雙折射晶體（其光軸垂直于紙面），被分成O光和E光兩束光，然后進入法拉第旋轉器，光從法拉第旋轉器出射后被全反射鏡反射，再依次通過法拉第旋轉器、雙折射晶體和透鏡，最后從雙芯光纖的另一端輸出。因此，通過調制電壓控制磁場，可以使進入法拉第旋轉器的偏振光的偏振態(tài)發(fā)生旋轉。在法拉第旋轉角為0度的情況下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，兩束光不平行，不能合在一起，如虛線所示，此時衰減程度最大；在法拉第旋轉角為45度的情況下，總的法拉第旋轉角為90度，O光變成E光，E光變成O光，兩束光平行，通過透鏡聚焦后合在一起，此時衰減程度最小。當控制法拉第旋轉角在0度和45度之間連續(xù)變化時，就可以實現(xiàn)衰減量的連續(xù)調節(jié)。
      利用材料的磁光效應并結合其它的技術，可以制作出高性能、小尺寸、高響應及結構相對簡單的光衰減器。這是利用分立微光器件技術制作光衰減器的一個有待進一步開發(fā)的領域。
2.3. 液晶VOA
      液晶VOA利用了液晶折射率各向異性而顯示出的雙折射效應。當施加外電場時，液晶分子取向重新排列，將會導致其透光特性發(fā)生變化，其工作原理如圖3所示。

       液晶VOA具體的實現(xiàn)方式如圖4所示。由入射光纖入射的光經準直器準直后，進入雙折射晶體，被分成偏振態(tài)相互垂直的O光和E光，經液晶后，O光變成E光，E光變成O光，再由另一塊雙折射晶體合束，最后從準直器輸出。當液晶材料兩端的透明電極上加載電壓V時，O光和E光經過液晶后都改變一定的角度，經第二塊雙折射晶體，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中間兩束最后合成一束從第二塊雙折射晶體出射，由準直器接收，另外兩束從第二塊雙折射晶體出射后未被準直器接收，從而實現(xiàn)衰減。因此，通過在液晶的兩個電極上施加不同的電壓控制光強的變化，可以實現(xiàn)不同的衰減。
 

     液晶VOA可以實現(xiàn)光衰減器的小型化、高響應化。但同時液晶材料插入損耗較大，制作工藝相對也較復雜，特別是受環(huán)境因素的影響較大，它的優(yōu)點是成本低，已有批量商用。其它還有些功能材料在強電場作用下光學特性也會發(fā)生變化，例如鈮酸鋰（LiNbO3）晶體的電光效應，因此這也是有可能利用的一個途徑。但由于類似這樣的電光效應通常需要數(shù)千伏乃至上萬伏的強電場，所以應用在光通信的無源器件領域有一定限制，至今鮮有相關的信息。
2.4. MEMS VOA
     MEMS是此領域中較新的應用技術，經過近幾年的發(fā)展，MEMS Chip的生產工藝已經趨于成熟，有力地推動了MEMS VOA的應用。在光網絡中應用，以MEMS技術為基礎的產品也具有明顯的價格和性能上的優(yōu)勢。MEMS VOA有反射式VOA和衍射式VOA，如圖5所示。
     反射式VOA的工作原理如圖5(a)所示，它是在硅基上制作一塊微反射鏡。以unblocking型VOA為例。光經過雙光纖準直器的一端進入，以一定角度入射到微反射鏡上，當施加電壓時，微反射鏡在靜電作用下被扭轉，傾角改變，入射光的入射角度發(fā)生改變，光反射后能量不能完全耦合進雙芯準直器的另一端，達到調節(jié)光強的目的；而未加電壓時，微反射鏡呈水平狀態(tài)，光反射后能量完全耦合進雙芯準直器的另一端。
     衍射式VOA是基于動態(tài)衍射光柵技術，如圖5(b)所示。這種動態(tài)衍射光柵由平行微柵條陣列構成，微柵條上表面鍍以200~300 nm厚的鋁膜，起電極和反射光的雙重作用，下表面是特殊設計的由Si3N4和SiO2膜形成的雙簧結構以提供彈性力，其下刻蝕的空氣隙厚度與所欲應用的光譜波段相關。當施加電壓信號時，在靜電力的作用下相間隔的動柵條位置向下移動以產生衍射光柵效應，工作狀態(tài)如圖5(b)所示。通過調節(jié)電壓來控制一級衍射光從而達到對光信號衰減量進行調節(jié)的目的。這種動態(tài)衍射光柵首先在成像及顯示技術中得到應用，它在性能上具有響應速度快、衰減控制精度高、消光系數(shù)大、抗疲勞磨損等特點，能被用于制作許多其它光通信器件的核心部件，如光開關陣列等。 

       MEMS VOA已經很成熟，并已大量生產和規(guī)模應用。同時因為成品率的問題，在價格方面也面臨著挑戰(zhàn)，另外由于是微機電部件，可靠性相對來說有時不夠理想。早期的MEMS VOA都采用激光焊接的方式，設備投入較大，而且生產效率低、裝配成本高。目前，市場也推出了全膠工藝的MEMS VOA，很好地解決了這一問題。
      目前，已經可以大批量生產MEMS VOA的國外廠家主要有：Lightconnect（已被Neophotonics收購）、JDSU、Oplink、Avanex、Santec、Lightwave2020、AFOP等。在國內，高意通訊有限公司已經具備批量生產MEMS VOA的能力，并且具有激光焊接和全膠的技術平臺。主要的產品包括單個VOA器件、4通道和8通道VOA模塊，如圖6所示。

2.5. 熱光VOA
      熱光VOA主要是利用一些材料在溫度場中所具有的光學性質變化特性，如溫度變化所導致的熱光材料折射率的變化等。按照結構的不同，主要可以分為兩大類，泄漏型和開光型VOA。
      泄漏型熱光VOA的原理如圖7(a)所示，其原理是首先將部分光纖原有的外皮包層剝除，用熱光材料代以構成外皮層。當對該熱光材料外皮層施以溫度變化時，由于其折射率的變化而導致原有光傳輸特性即模場直徑(MFD)的變化，有部分的光信號能量將從該處逸出（輻射光），從而達到通過控制溫度來調節(jié)光衰減量的目的。

      對于開光型的熱光VOA最典型的就是一種基于Mach-Zehnder干涉儀（MZI）的原理，其具體結構如圖7(b)所示。主要工作方式是在Mach-Zehnder干涉儀的其中一個干涉臂上面加上熱光材料，并將熱光材料置于薄膜加熱器上。利用熱光效應，使材料的折射率發(fā)生變化，從而改變MZI的干涉臂的長度，使兩臂產生不同的光程差，進一步使得雙光束的干涉光強發(fā)生改變，實現(xiàn)對光衰減量的控制。MZI型平面光波導VOA體積小，利于高度集成，但是目前其工藝還處于發(fā)展和完善中。這種方法必須對光束進行分束和耦合，這就會引入較大的插損，因而這種VOA性能還較差，封裝難度大。
      熱光VOA由于加熱，冷卻裝置相對復雜，溫度場一光導介質折射率之間的數(shù)理函數(shù)關系復雜而不易精確量化和控制，尤其是其較長的響應時間阻礙了其在現(xiàn)代光通信中的應用。

2.6. 聲光VOA
      該種衰減器的基本原理是利用聲光晶體在超聲波的作用下產生的周期性的應變，從而導致折射率的周期性變化，等同于建立了一塊位相光柵，于是即可利用該光柵對光束進行調制。
      已有一些公司宣稱已開發(fā)出采用聲光晶體的可調式衰減器(稱之為AVOA)。據了解，聲光晶體材料的取得沒有問題，不過現(xiàn)階段占整體成本偏高，約占其中的4-5成。

3. 結束語
      可變光衰減器（VOA）是光通信系統(tǒng)中重要的光器件之一。長期以來，它一直停留在機械式水平，因為體積大不利于集成，它一般只適合于單通道衰減方式。隨著DWDM系統(tǒng)的發(fā)展，以及市場對可靈活升級的可重構光分插復用器（ROADM）的潛在的巨大需求，越來越需要通道數(shù)多而體積小的可變光衰減器陣列，特別是一些集成型的VOA產品。傳統(tǒng)的機械方式已不能解決這些難題。隨著光纖網絡的發(fā)展，VOA的發(fā)展趨勢是：低成本、高集成、響應時間快以及和其他光通信器件的混合集成。