1 引言
可變光衰減器(Variable Optical Attenuator，VOA)是光纖通信中一種重要的光無(wú)源器件，通過(guò)衰減傳輸光功率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)控制，可與光波分復(fù)用器(WDM)、分光探測(cè)器(TAP PD)、摻鉺光纖放大器(EDFA)等光器件構(gòu)成ROADM、VMUX、增益平坦EDFA等模塊，還可直接用于光接收機(jī)的過(guò)載保護(hù)。另外，光功率計(jì)等儀器儀表的計(jì)量、定標(biāo)，也需要使用到VOA。
隨著VOA在光通信中的應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)其功能的要求也越來(lái)越高：VOA應(yīng)能精確地控制光信號(hào)的功率，為各通道波長(zhǎng)提供穩(wěn)定的衰減量;在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，其響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在ms級(jí);在超長(zhǎng)距離DWDM系統(tǒng)中，VOA必須有足夠的靈敏度與可靠性，以補(bǔ)償環(huán)境等外界因素引起信號(hào)光功率的變化。
根據(jù)制造工藝進(jìn)行區(qū)分，常見(jiàn)的VOA類(lèi)型有傳統(tǒng)機(jī)械型、液晶型、平面波導(dǎo)型、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Micromechanical System，MEMS)型、磁光型、高分子可調(diào)衍射光柵型和高光電系數(shù)材料型。MEMS VOA有反射式和擋光式兩種，后者的加工工藝復(fù)雜，成本高。反射式MEMS VOA在各種技術(shù)中比較成熟，兼有響應(yīng)時(shí)間快、體積小、重量輕、功耗低、動(dòng)態(tài)衰減范圍大、插損小、回?fù)p大、精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地使用。
2 反射式MEMS VOA
反射式MEMS VOA是基于MEMS芯片封裝的微型光器件，設(shè)計(jì)思想來(lái)自于傳統(tǒng)機(jī)械型VOA，不同的是驅(qū)動(dòng)裝置由龐大的步進(jìn)電機(jī)變?yōu)殪o電開(kāi)合橋，靜電梳，翹動(dòng)結(jié)構(gòu)，壓電驅(qū)動(dòng)等，其工作原理如圖1所示。
圖1 反射式MEMS VOA原理圖
基于MEMS技術(shù)的反射式VOA的結(jié)構(gòu)主要分為兩部分。一部分是由雙芯插針和C透鏡等構(gòu)成的準(zhǔn)直器組成，作為光的輸入和反射輸出通道。可對(duì)插針斜面角度、C透鏡曲率半徑和材料等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作出不同指標(biāo)要求的MEMS VOA。另一部分是MEMS密封件，通過(guò)貼片、金絲鍵合、真空封帽等精密工藝將MEMS芯片封裝在穩(wěn)定可靠的密封環(huán)境內(nèi)。外界施加幾伏或十幾伏的電壓到器件的正負(fù)引腳后，由于MEMS芯片的特定構(gòu)造，在硅基鍍金面與鍍金反射鏡面之間產(chǎn)生靜電力，驅(qū)動(dòng)MEMS芯片反射面發(fā)生微量角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶來(lái)入射到MEMS芯片鏡面的反射光同步偏移，導(dǎo)致返回光的模場(chǎng)與耦合的單模光纖模場(chǎng)形成失配，產(chǎn)生了衰減。隨著施加電壓的變化，衰減也相應(yīng)地變化，連續(xù)可調(diào)。當(dāng)正負(fù)極間施加反偏電壓時(shí)，器件仍能正常地工作。
高精密封裝是MEMS VOA制作的關(guān)鍵所在，光迅科技是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的具有獨(dú)立封裝制作反射式MEMS VOA的光器件公司，其制作的MEMS VOA器件外形尺寸僅為5.4×25.4mm(不計(jì)焊接用引腳長(zhǎng)度)。
VOA的技術(shù)指標(biāo)主要包括：工作波長(zhǎng)范圍、工作溫度、動(dòng)態(tài)衰減范圍、插入損耗(IL)、回波損耗(RL)、偏振相關(guān)損耗(PDL)、溫度特性和波長(zhǎng)相關(guān)損耗(WDL)等，光迅科技制造的MEMS VOA主要指標(biāo)見(jiàn)表1，已達(dá)到行業(yè)內(nèi)同種產(chǎn)品的較高水平。與同類(lèi)公司相比，光迅的器件還具有更佳的防靜電能力與長(zhǎng)期穩(wěn)定性，且能靈活提供不同電壓(5V&15V)需求的產(chǎn)品。此外，其重量不到3g，功耗小于5mw，響應(yīng)時(shí)間一般為2~3ms，非常有利于模塊拼接，為光通信系統(tǒng)的小型化和集成化作出了重大的貢獻(xiàn)。
表1 光迅科技MEMS VOA主要性能指標(biāo)
上表中的偏振相關(guān)損耗與溫度相關(guān)損耗都是在整個(gè)衰減范圍內(nèi)(0~30dB)測(cè)試，波長(zhǎng)相關(guān)損耗則可以根據(jù)需求進(jìn)行定制。同時(shí)，光迅科技還提供具備斷電保護(hù)功能的Dark型MEMS VOA，零伏復(fù)位衰減可以達(dá)到45dB以上，能滿足更多光通信線路的應(yīng)用。
3 MEMS VOA的模塊級(jí)應(yīng)用
正如電路的高度集成化一樣，光通信系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向必然也是模組化與封裝小型化，這就對(duì)構(gòu)成光系統(tǒng)的元器件提出了小型化和模塊化的要求。封裝結(jié)構(gòu)緊湊的MEMS VOA應(yīng)運(yùn)而生，它除了單通道的應(yīng)用外，還經(jīng)常與其它光器件一起組成模塊使用，具體包括：與可重構(gòu)的光分插復(fù)用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM)組成增益均衡ROADM，與MUX(Multiplexer)組成增益平衡VMUX模塊結(jié)構(gòu)，與EDFA組成增益平衡放大器，與放大自發(fā)輻射(ASE)光源組成增益控制器，等等。
3.1 低成本OADM模塊
作為當(dāng)前光纖通信網(wǎng)絡(luò)的一種重要的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，OADM無(wú)需光電轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)從環(huán)路中上/下載一路或多路波長(zhǎng)信道。使用OADM可以減少光信道上信息的處理和等待時(shí)間，減少節(jié)點(diǎn)上設(shè)備的復(fù)雜性，且可使光信號(hào)透明地傳輸和上/下載不同光波長(zhǎng)的信息或各種業(yè)務(wù)。
在ROADM的產(chǎn)業(yè)化遭受成本瓶頸時(shí)，針對(duì)運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)比較完善的規(guī)劃，光迅科技推出了各種低成本的OADM模塊。該系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可選擇性地預(yù)留升級(jí)端口，支持靈活的擴(kuò)展升級(jí)功能，上下路波長(zhǎng)較少時(shí)成本低，具備通道功率均衡能力，可對(duì)上下路功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
模塊的外形尺寸為：138×130×17.8mm，適用于100GHz系統(tǒng)，同時(shí)上下8路固定的波長(zhǎng)，并預(yù)留上下其它波長(zhǎng)的升級(jí)口。模塊由DWDM(100GHz)、TAP-PD和MEMS VOA集成，其光路如下圖4所示。
圖4 光迅科技OADM模塊原理圖
DWDM和TAP-PD的制作技術(shù)已非常成熟且相對(duì)固定，采用MEMS VOA，使得低成本OADM模塊具備優(yōu)越的指標(biāo)：所有下路IL都小于4.6dB，所有上路IL都小于5.6dB，另兩個(gè)通路的IL均小于4.2dB，回?fù)p大于40dB。偏振模色散(PMD)小于0.1ps，響應(yīng)時(shí)間小于5ms，驅(qū)動(dòng)電壓統(tǒng)一為5VDC，整個(gè)模塊的功耗不超過(guò)100mW。
不論是OADM還是ROADM結(jié)構(gòu)，由于每個(gè)波長(zhǎng)來(lái)自不同的網(wǎng)絡(luò)，因此接受功率各不相同，必須借助小型化封裝的MEMS VOA和TAP PD，以確保各信道功率的均衡。
3.2 VMUX模塊
VMUX是信道光功率預(yù)均衡合波模塊，具有合波和各信道光功率預(yù)均衡的功能，即可對(duì)DWDM系統(tǒng)的每個(gè)通道光功率進(jìn)行均衡，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的長(zhǎng)距離無(wú)誤碼傳輸。VMUX模塊提供多路光信道可調(diào)光衰減及合波，可在電路控制下調(diào)節(jié)輸入與輸出之間的光衰減量。在光通信線路中，經(jīng)過(guò)EDFA之前的各波長(zhǎng)通道的光，都必須用VUMX模塊進(jìn)行功率均衡，以保證各通道的光信號(hào)功率控制在可允許的范圍內(nèi)，避免非均衡增益經(jīng)EDFA放大而導(dǎo)致比較嚴(yán)重的非線性效應(yīng)。
圖5 VMUX模塊結(jié)構(gòu)示意圖
如圖5，VMUX模塊由均衡功率的VOA組和合波的MUX構(gòu)成，其常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有兩種：一種是用可靠的MEMS VOA陣列與基于成熟的介質(zhì)膜濾光器(TFF)技術(shù)構(gòu)建的MUX實(shí)現(xiàn)，另一種是用新興的PLC VOA陣列與基于波導(dǎo)陣列光柵(AWG)技術(shù)構(gòu)建的MUX實(shí)現(xiàn)。兩者應(yīng)用的場(chǎng)合各不相同，前者常用在信道數(shù)較少(n≤16)的系統(tǒng)中，此時(shí)的性價(jià)比高，MEMS VOA組無(wú)需配備制冷器與溫控電路，無(wú)需進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，且整個(gè)模塊具有更小的PDL與偏振膜色散(PMD)，更高的隔離度和更低的功耗。
3.3 增益可調(diào)EDFA模塊
作為光通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的光器件，EDFA固有的增益曲線并不平坦，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)分波后各信道的增益互不相同，使EDFA各信道的輸出信號(hào)功率和光信噪比(OSNR)存在一定的差異。這種功率和OSNR的不均衡性在級(jí)聯(lián)EDFA中的積累，可能會(huì)導(dǎo)致不良的后果——接收功率的不均衡程度超過(guò)接收機(jī)允許的動(dòng)態(tài)范圍，造成信號(hào)丟失;累積的信噪比不均衡，造成某信道的誤碼率超出系統(tǒng)的要求;增益壓縮不充分，造成接收信號(hào)功率低于接收機(jī)靈敏度(在給定比特率下)，產(chǎn)生失真。
采用可變光衰減器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)增益斜率，使EDFA放大后的信號(hào)光在整個(gè)波段內(nèi)比較平坦。由增益曲線的抖動(dòng)(Ripple)可知，需要調(diào)節(jié)的衰減范圍一般只有幾個(gè)dB，反射式MEMS VOA是一個(gè)很好的選擇。它不僅具備成本低、快速響應(yīng)、體積小、衰減精度高、低色散等顯著優(yōu)點(diǎn)外，還有較低的WDL、TDL和PDL，能極好地滿足系統(tǒng)的使用要求。
圖6 增益平坦EDFA結(jié)構(gòu)示意圖
如圖6，是控制EDFA動(dòng)態(tài)增益斜率的有源增益斜率均衡器(AGSC)，在應(yīng)用上要優(yōu)于靜態(tài)增益平坦技術(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)光功率發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過(guò)MEMS VOA到達(dá)EDFA的輸入光功率隨之變化，通過(guò)TAP PD的監(jiān)測(cè)功率反饋電路，來(lái)調(diào)節(jié)泵浦源的光功率和MEMS VOA的衰減量，對(duì)所產(chǎn)生的增益傾斜進(jìn)行補(bǔ)償，以確保EDFA輸出光功率的增益平坦。
4 總結(jié)與討論
隨著DWDM技術(shù)的飛躍發(fā)展，VOA也得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，主要用于DWDM系統(tǒng)中各信道的功率均衡、實(shí)現(xiàn)增益平坦、動(dòng)態(tài)增益平衡和功率過(guò)載保護(hù)。在各種不同制造技術(shù)的VOA中，基于MEMS的VOA具備顯著的優(yōu)勢(shì)，也吸引了全球光通信廠商的目光。MEMS VOA常與DWDM、EDFA和TAP PD等一起組合成模塊使用，在光通信系統(tǒng)小型化與集成化的前行之路上，已做出了巨大的貢獻(xiàn)。