[圖]幾種可調(diào)光衰減器的簡介

幾種可調(diào)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(diào)節(jié)光衰減器(VOA)在光通信中具有廣泛的應(yīng)用，其主要功能是用來減低或控制光信號(hào)。光網(wǎng)絡(luò)的最基本的特性應(yīng)該是可調(diào)，特別是隨著DWDM傳輸系統(tǒng)和EDFA在光通信中的應(yīng)用，在多個(gè)光信號(hào)傳輸通道上必須進(jìn)行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端要進(jìn)行動(dòng)態(tài)飽和的控制，光網(wǎng)絡(luò)中也還需要對(duì)其它信號(hào)進(jìn)行控制，這些都使得VOA成為其中不可或缺的關(guān)鍵器件。此外，VOA產(chǎn)品還具有與其它光通信組件結(jié)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(shù)，包括可機(jī)械式VOA、磁光VOA、液晶VOA、MEMS VOA、熱光VOA和聲光VOA等。本文將對(duì)各種典型VOA的做一個(gè)簡要的介紹。
2. 幾種常見的VOA簡介
2.1. 機(jī)械式VOA
    該種類型的VOA也有多種具體的實(shí)現(xiàn)方式。圖1是擋光型光衰減器的原理圖，驅(qū)動(dòng)擋光元件攔在兩個(gè)準(zhǔn)直器之間，實(shí)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(zhuǎn)來推進(jìn)，而前者需平推或者通過一定機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)至平推動(dòng)作的轉(zhuǎn)換。擋光型光衰減器可以制成光纖適配器結(jié)構(gòu)，也可以制成圖1所示的在線式結(jié)構(gòu)。

        與上面提到的擋光型VOA類似，也有一種機(jī)械一電位器形式的EVOA方案。其原理是用步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)中性梯度濾光片，當(dāng)光束通過濾光片不同的位置時(shí)其輸出光功率將按預(yù)定的衰減規(guī)律變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)衰減量的目的。還有一種機(jī)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(shí)現(xiàn)光衰減的調(diào)節(jié)。而反射片的傾斜則由多種不同的機(jī)理來控制。
      機(jī)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(yīng)用的VOA大多是用機(jī)械的方法來達(dá)到衰減。該類型的光衰減器具有工藝成熟、光學(xué)特性好、低插損、偏振相關(guān)損耗小、無需控溫等優(yōu)點(diǎn)；而其缺點(diǎn)在于體積較大、組件多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度不高、難以自動(dòng)化生產(chǎn)、不利于集成等。
2.2. 磁光VOA
      磁光VOA是利用一些物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下所表現(xiàn)出的光學(xué)性質(zhì)的變化，例如磁致旋光效應(yīng)(法拉第效應(yīng))等亦可實(shí)現(xiàn)光能量的衰減，從而達(dá)到調(diào)節(jié)光信號(hào)的目的。一種典型的偏振無關(guān)磁光VOA結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 

      圖2中，其中的(a)是實(shí)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(dāng)光從雙芯光纖的一端入射，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后（略去光束的厚度），進(jìn)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(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器，光從法拉第旋轉(zhuǎn)器出射后被全反射鏡反射，再依次通過法拉第旋轉(zhuǎn)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(diào)制電壓控制磁場(chǎng)，可以使進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器的偏振光的偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在法拉第旋轉(zhuǎn)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(shí)衰減程度最大；在法拉第旋轉(zhuǎn)角為45度的情況下，總的法拉第旋轉(zhuǎn)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(shí)衰減程度最小。當(dāng)控制法拉第旋轉(zhuǎn)角在0度和45度之間連續(xù)變化時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)衰減量的連續(xù)調(diào)節(jié)。
      利用材料的磁光效應(yīng)并結(jié)合其它的技術(shù)，可以制作出高性能、小尺寸、高響應(yīng)及結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的光衰減器。這是利用分立微光器件技術(shù)制作光衰減器的一個(gè)有待進(jìn)一步開發(fā)的領(lǐng)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(yīng)。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，液晶分子取向重新排列，將會(huì)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。由入射光纖入射的光經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，進(jìn)入雙折射晶體，被分成偏振態(tài)相互垂直的O光和E光，經(jīng)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(zhǔn)直器輸出。當(dāng)液晶材料兩端的透明電極上加載電壓V時(shí)，O光和E光經(jīng)過液晶后都改變一定的角度，經(jīng)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(zhǔn)直器接收，另外兩束從第二塊雙折射晶體出射后未被準(zhǔn)直器接收，從而實(shí)現(xiàn)衰減。因此，通過在液晶的兩個(gè)電極上施加不同的電壓控制光強(qiáng)的變化，可以實(shí)現(xiàn)不同的衰減。
 

     液晶VOA可以實(shí)現(xiàn)光衰減器的小型化、高響應(yīng)化。但同時(shí)液晶材料插入損耗較大，制作工藝相對(duì)也較復(fù)雜，特別是受環(huán)境因素的影響較大，它的優(yōu)點(diǎn)是成本低，已有批量商用。其它還有些功能材料在強(qiáng)電場(chǎng)作用下光學(xué)特性也會(huì)發(fā)生變化，例如鈮酸鋰（LiNbO3）晶體的電光效應(yīng)，因此這也是有可能利用的一個(gè)途徑。但由于類似這樣的電光效應(yīng)通常需要數(shù)千伏乃至上萬伏的強(qiáng)電場(chǎng)，所以應(yīng)用在光通信的無源器件領(lǐng)域有一定限制，至今鮮有相關(guān)的信息。
2.4. MEMS VOA
     MEMS是此領(lǐng)域中較新的應(yīng)用技術(shù)，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，MEMS Chip的生產(chǎn)工藝已經(jīng)趨于成熟，有力地推動(dòng)了MEMS VOA的應(yīng)用。在光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品也具有明顯的價(jià)格和性能上的優(yōu)勢(shì)。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u(píng)nblocking型VOA為例。光經(jīng)過雙光纖準(zhǔn)直器的一端進(jìn)入，以一定角度入射到微反射鏡上，當(dāng)施加電壓時(shí)，微反射鏡在靜電作用下被扭轉(zhuǎn)，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(jìn)雙芯準(zhǔn)直器的另一端，達(dá)到調(diào)節(jié)光強(qiáng)的目的；而未加電壓時(shí)，微反射鏡呈水平狀態(tài)，光反射后能量完全耦合進(jìn)雙芯準(zhǔn)直器的另一端。
     衍射式VOA是基于動(dòng)態(tài)衍射光柵技術(shù)，如圖5(b)所示。這種動(dòng)態(tài)衍射光柵由平行微柵條陣列構(gòu)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(shè)計(jì)的由Si3N4和SiO2膜形成的雙簧結(jié)構(gòu)以提供彈性力，其下刻蝕的空氣隙厚度與所欲應(yīng)用的光譜波段相關(guān)。當(dāng)施加電壓信號(hào)時(shí)，在靜電力的作用下相間隔的動(dòng)?xùn)艞l位置向下移動(dòng)以產(chǎn)生衍射光柵效應(yīng)，工作狀態(tài)如圖5(b)所示。通過調(diào)節(jié)電壓來控制一級(jí)衍射光從而達(dá)到對(duì)光信號(hào)衰減量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。這種動(dòng)態(tài)衍射光柵首先在成像及顯示技術(shù)中得到應(yīng)用，它在性能上具有響應(yīng)速度快、衰減控制精度高、消光系數(shù)大、抗疲勞磨損等特點(diǎn)，能被用于制作許多其它光通信器件的核心部件，如光開關(guān)陣列等。 

       MEMS VOA已經(jīng)很成熟，并已大量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)因?yàn)槌善仿实膯栴}，在價(jià)格方面也面臨著挑戰(zhàn)，另外由于是微機(jī)電部件，可靠性相對(duì)來說有時(shí)不夠理想。早期的MEMS VOA都采用激光焊接的方式，設(shè)備投入較大，而且生產(chǎn)效率低、裝配成本高。目前，市場(chǎng)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(jīng)可以大批量生產(chǎn)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(nèi)，高意通訊有限公司已經(jīng)具備批量生產(chǎn)MEMS VOA的能力，并且具有激光焊接和全膠的技術(shù)平臺(tái)。主要的產(chǎn)品包括單個(gè)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(chǎng)中所具有的光學(xué)性質(zhì)變化特性，如溫度變化所導(dǎo)致的熱光材料折射率的變化等。按照結(jié)構(gòu)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(gòu)成外皮層。當(dāng)對(duì)該熱光材料外皮層施以溫度變化時(shí)，由于其折射率的變化而導(dǎo)致原有光傳輸特性即模場(chǎng)直徑(MFD)的變化，有部分的光信號(hào)能量將從該處逸出（輻射光），從而達(dá)到通過控制溫度來調(diào)節(jié)光衰減量的目的。

      對(duì)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(jié)構(gòu)如圖7(b)所示。主要工作方式是在Mach-Zehnder干涉儀的其中一個(gè)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(yīng)，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(chǎn)生不同的光程差，進(jìn)一步使得雙光束的干涉光強(qiáng)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)光衰減量的控制。MZI型平面光波導(dǎo)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(duì)光束進(jìn)行分束和耦合，這就會(huì)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(duì)復(fù)雜，溫度場(chǎng)一光導(dǎo)介質(zhì)折射率之間的數(shù)理函數(shù)關(guān)系復(fù)雜而不易精確量化和控制，尤其是其較長的響應(yīng)時(shí)間阻礙了其在現(xiàn)代光通信中的應(yīng)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(chǎn)生的周期性的應(yīng)變，從而導(dǎo)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(duì)光束進(jìn)行調(diào)制。
      已有一些公司宣稱已開發(fā)出采用聲光晶體的可調(diào)式衰減器(稱之為AVOA)。據(jù)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(jié)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(jī)械式水平，因?yàn)轶w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(chǎng)對(duì)可靈活升級(jí)的可重構(gòu)光分插復(fù)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(chǎn)品。傳統(tǒng)的機(jī)械方式已不能解決這些難題。隨著光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，VOA的發(fā)展趨勢(shì)是：低成本、高集成、響應(yīng)時(shí)間快以及和其他光通信器件的混合集成。