zt 可调光衰减器技术解析

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上海机器人产业技术研究院 成果转化合作经理

 

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可调光衰减器(VOA)在光通信中具有广泛的应用，其主要功能是用来减低或控制光信号。光网络的最基本的特性应该是可调，特别是随着DWDM传输系统和EDFA在光通信中的应用，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端要进行动态饱和的控制，光网络中也还需要对其他信号进行控制，这些都使得VOA成为其中不可或缺的关键器件。此外，VOA产品还具有与其他光通信组件结合并将其推往高阶模块的特性。

近年来，出现了多种制造可调光衰减器的技术，包括可机械式VOA、磁光VOA、液晶VOA、MEMS VOA、热光VOA和声光VOA等。

几种常见的VOA简介机械式VOA

该种类型的VOA也有多种具体的实现方式。图1是挡光型光衰减器的原理图，驱动挡光元件拦在两个准直器之间，实现光功率的衰减。挡光元件可以是片状或者锥形，后者可通过旋转来推进，而前者需平推或者通过一定机械结构实现旋转至平推动作的转换。挡光型光衰减器可以制成光纤适配器结构，也可以制成图1所示的在线式结构。

 

 

与上面提到的挡光型VOA类似，也有一种机械-电位器形式的EVOA方案。其原理是用步进电机拖动中性梯度滤光片，当光束通过滤光片不同的位置时其输出光功率将按预定的衰减规律变化，从而达到调节衰减量的目的。

还有一种机械偏光式光衰减器。其基本原理是从入端口射出的光束被反射片反射到出端口，两端口之间的反射耦合效率由反射片的倾斜角度来控制，从而实现光衰减的调节。而反射片的倾斜则由多种不同的机理来控制。

机械型光衰减器是较为传统的解决方案，到目前为止，已在系统中应用的VOA大多是用机械的方法来达到衰减。该类型的光衰减器具有工艺成熟、光学特性好、低插损、偏振相关损耗小、无需控温等优点；而其缺点在于体积较大、组件多结构复杂、响应速度不高、难以自动化生产、不利于集成等。

磁光VOA

磁光VOA是利用一些物质在磁场作用下所表现出的光学性质的变化，例如磁致旋光效应(法拉第效应)等亦可实现光能量的衰减，从而达到调节光信号的目的。一种典型的偏振无关磁光VOA结构如图2所示。

 

 

图2中，其中的(a)是实际的光路，为了更好地说明其原理，我们采用(b)中的镜像光路。当光从双芯光纤的一端入射，经透镜准直后（略去光束的厚度），进入到双折射晶体（其光轴垂直于纸面），被分成O光和E光两束光，然后进入法拉第旋转器，光从法拉第旋转器出射后被全反射镜反射，再依次通过法拉第旋转器、双折射晶体和透镜，最后从双芯光纤的另一端输出。因此，通过调制电压控制磁场，可以使进入法拉第旋转器的偏振光的偏振态发生旋转。在法拉第旋转角为0°的情况下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，两束光不平行，不能合在一起，如虚线所示，此时衰减程度最大；在法拉第旋转角为45°的情况下，总的法拉第旋转角为90°，O光变成E光，E光变成O光，两束光平行，通过透镜聚焦后合在一起，此时衰减程度最小。当控制法拉第旋转角在0°和45°之间连续变化时，就可以实现衰减量的连续调节。

利用材料的磁光效应并结合其他技术，可以制作出高性能、小尺寸、高响应及结构相对简单的光衰减器。这是利用分立微光器件技术制作光衰减器的一个有待进一步开发的领域。

液晶VOA

液晶VOA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。

 

 

液晶VOA具体的实现方式如图4所示。由入射光纤入射的光经准直器准直后，进入双折射晶体，被分成偏振态相互垂直的O光和E光，经液晶后，O光变成E光，E光变成O光，再由另一块双折射晶体合束，最后从准直器输出。当液晶材料两端的透明电极上加载电压V时，O光和E光经过液晶后都改变一定的角度，经第二块双折射晶体，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中间两束最后合成一束从第二块双折射晶体出射，由准直器接收，另外两束从第二块双折射晶体出射后未被准直器接收，从而实现衰减。因此，通过在液晶的两个电极上施加不同的电压控制光强的变化，可以实现不同的衰减。

 

 

液晶VOA可以实现光衰减器的小型化、高响应化。但同时液晶材料插入损耗较大，制作工艺相对也较复杂，特别是受环境因素的影响较大，它的优点是成本低，已有批量商用。其他还有些功能材料在强电场作用下光学特性也会发生变化，例如铌酸锂（LiNbO3）晶体的电光效应，因此这也是有可能利用的一个途径。但由于类似这样的电光效应通常需要数千伏乃至上万伏的强电场，所以应用在光通信的无源器件领域有一定限制，至今鲜有相关的信息。

MEMS VOA

MEMS是此领域中较新的应用技术，经过近几年的发展，MEMS Chip的生产工艺已经趋于成熟，有力地推动了MEMS VOA的应用。在光网络中应用，以MEMS技术为基础的产品也具有明显的价格和性能上的优势。MEMS VOA有反射式VOA和衍射式VOA，如图5所示。

 

 

反射式VOA的工作原理如图5(a)所示，它是在硅基上制作一块微反射镜。以unblocking型VOA为例。光经过双光纤准直器的一端进入，以一定角度入射到微反射镜上，当施加电压时，微反射镜在静电作用下被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，光反射后能量不能完全耦合进双芯准直器的另一端，达到调节光强的目的；而未加电压时，微反射镜呈水平状态，光反射后能量完全耦合进双芯准直器的另一端。

衍射式VOA是基于动态衍射光栅技术，如图5(b)所示。这种动态衍射光栅由平行微栅条阵列构成，微栅条上表面镀以200~300 nm厚的铝膜，起电极和反射光的双重作用，下表面是特殊设计的由Si3N4和SiO2膜形成的双簧结构以提供弹性力，其下刻蚀的空气隙厚度与所欲应用的光谱波段相关。当施加电压信号时，在静电力的作用下相间隔的光栅条位置向下移动以产生衍射光栅效应，工作状态如图5(b)所示。通过调节电压来控制一级衍射光从而达到对光信号衰减量进行调节的目的。

这种动态衍射光栅首先在成像及显示技术中得到应用，它在性能上具有响应速度快、衰减控制精度高、消光系数大、抗疲劳磨损等特点，能被用于制作许多其他光通信器件的核心部件，如光开关阵列等。

MEMS VOA已经很成熟，并已大量生产和规模应用。同时因为成品率的问题，在价格方面也面临着挑战，另外由于是微机电部件，可靠性相对来说有时不够理想。早期的MEMS VOA都采用激光焊接的方式，设备投入较大，而且生产效率低、装配成本高。目前，市场也推出了全胶工艺的MEMS VOA，很好地解决了这一问题。

已经可以大批量生产MEMS VOA的国外厂家主要有：Lightconnect（已被Neophotonics收购）、JDSU（现已拆分为二）、Oplink、Avanex、Santec、Lightwave2020、AFOP等。

在国内，高意光通讯有限公司已经具备批量生产MEMS VOA的能力，并且具有激光焊接和全胶的技术平台。主要的产品包括单个VOA器件、4通道和8通道VOA模块，如图6所示。

 

 

 

 

热光VOA

热光VOA主要是利用一些材料在温度场中所具有的光学性质变化特性，如温度变化所导致的热光材料折射率的变化等。按照结构的不同，主要可以分为两大类：泄漏型和开光型VOA。

泄漏型热光VOA的原理如图7(a)所示，其原理是首先将部分光纤原有的外皮包层剥除，用热光材料代以构成外皮层。当对该热光材料外皮层施以温度变化时，由于其折射率的变化而导致原有光传输特性即模场直径(MFD)的变化，有部分的光信号能量将从该处逸出（辐射光），从而达到通过控制温度来调节光衰减量的目的。

 

 

对于开光型的热光VOA最典型的就是一种基于Mach-Zehnder干涉仪（MZI）的原理，其具体结构如图7(b)所示。主要工作方式是在Mach-Zehnder干涉仪的其中一个干涉臂上面加上热光材料，并将热光材料置于薄膜加热器上。利用热光效应，使材料的折射率发生变化，从而改变MZI的干涉臂的长度，使两臂产生不同的光程差，进一步使得双光束的干涉光强发生改变，实现对光衰减量的控制。MZI型平面光波导VOA体积小，利于高度集成，但是目前其工艺还处于发展和完善中。这种方法必须对光束进行分束和耦合，这就会引入较大的插损，因而这种VOA性能还较差，封装难度大。

热光VOA由于加热，冷却装置相对复杂，温度场一光导介质折射率之间的数理函数关系复杂而不易精确量化和控制，尤其是其较长的响应时间阻碍了其在现代光通信中的应用。

声光VOA

该种衰减器的基本原理是利用声光晶体在超声波的作用下产生的周期性的应变，从而导致折射率的周期性变化，等同于建立了一块位相光栅，于是即可利用该光栅对光束进行调制。

已有一些公司宣称已开发出采用声光晶体的可调式衰减器(称之为AVOA)。据了解，声光晶体材料的取得没有问题，不过现阶段占整体成本偏高，约占其中的4-5成。

结语

可调节光衰减器（VOA）是光通信系统中重要的光器件之一。长期以来，它一直停留在机械式水平，因为体积大，不利于集成，一般只适合于单通道衰减方式。随着DWDM系统的发展，以及市场对可灵活升级的可重构光分插复用器（ROADM）的潜在的巨大需求，越来越需要通道数多而体积小的可调节光衰减器阵列，特别是一些集成型的VOA产品。传统的机械方式已不能解决这些难题。随着光纤网络的发展，VOA的发展趋势是：低成本、高集成、响应时间快以及和其他光通信器件的混合集成。

欲了解VOA产品都有哪些厂商，可查阅光电汇（http://www.oeshow.cn）网站。