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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源器件，通過衰減傳輸光功率來實現對信號的實時控制，可與光波分復用器（WDM）、分光探測器（TAP PD）、摻鉺光纖放大器（EDFA）等光器件構成ROADM、VMUX、增益平坦EDFA等模塊，還可直接用于光接收機的過載保護。另外，光功率計等儀器儀表的計量、定標，也需要使用到VOA。 隨著VOA在光通信中的應用越來越多，對其功能的要求也越來越高：VOA應能精確地控制光信號的功率，為各通道波長提供穩定的衰減量；在動態網絡節點上，其響應時間應在ms級；在超長距離DWDM系統中，VOA必須有足夠的靈敏度與可靠性，以補償環境等外界因素引起信號光功率的變化。 根據制造工藝進行區分，常見的VOA類型有傳統機械型、液晶型、平面波導型、微機電系統（Micro-Electro-Micromechanical System，MEMS）型、磁光型、高分子可調衍射光柵型和高光電系數材料型。MEMS VOA有反射式和擋光式兩種，后者的加工工藝復雜，成本高。反射式MEMS VOA在各種技術中比較成熟，兼有響應時間快、體積小、重量輕、功耗低、動態衰減范圍大、插損小、回損大、精度高等顯著優點，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，設計思想來自于傳統機械型VOA，不同的是驅動裝置由龐大的步進電機變為靜電開合橋，靜電梳，翹動結構，壓電驅動等，其工作原理如圖1所示。 
圖1 反射式MEMS VOA原理圖 基于MEMS技術的反射式VOA的結構主要分為兩部分。一部分是由雙芯插針和C透鏡等構成的準直器組成，作為光的輸入和反射輸出通道。可對插針斜面角度、C透鏡曲率半徑和材料等參數進行優化設計，制作出不同指標要求的MEMS VOA。另一部分是MEMS密封件，通過貼片、金絲鍵合、真空封帽等精密工藝將MEMS芯片封裝在穩定可靠的密封環境內。外界施加幾伏或十幾伏的電壓到器件的正負引腳后，由于MEMS芯片的特定構造，在硅基鍍金面與鍍金反射鏡面之間產生靜電力，驅動MEMS芯片反射面發生微量角度的轉動，從而帶來入射到MEMS芯片鏡面的反射光同步偏移，導致返回光的模場與耦合的單模光纖模場形成失配，產生了衰減。隨著施加電壓的變化，衰減也相應地變化，連續可調。當正負極間施加反偏電壓時，器件仍能正常地工作。高精密封裝是MEMS VOA制作的關鍵所在，光迅科技是國內為數不多的具有獨立封裝制作反射式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（不計焊接用引腳長度）。 VOA的技術指標主要包括：工作波長范圍、工作溫度、動態衰減范圍、插入損耗（IL）、回波損耗（RL）、偏振相關損耗（PDL）、溫度特性和波長相關損耗（WDL）等，光迅科技制造的MEMS VOA主要指標見表1，已達到行業內同種產品的較高水平。與同類公司相比，光迅的器件還具有更佳的防靜電能力與長期穩定性，且能靈活提供不同電壓（5V&15V）需求的產品。此外，其重量不到3g，功耗小于5mw，響應時間一般為2~3ms，非常有利于模塊拼接，為光通信系統的小型化和集成化作出了重大的貢獻。
表1 光迅科技MEMS VOA主要性能指標 上表中的偏振相關損耗與溫度相關損耗都是在整個衰減范圍內（0~30dB）測試，波長相關損耗則可以根據需求進行定制。同時，光迅科技還提供具備斷電保護功能的Dark型MEMS VOA，零伏復位衰減可以達到45dB以上，能滿足更多光通信線路的應用。3 MEMS VOA的模塊級應用 正如電路的高度集成化一樣，光通信系統未來的發展方向必然也是模組化與封裝小型化，這就對構成光系統的元器件提出了小型化和模塊化的要求。封裝結構緊湊的MEMS VOA應運而生，它除了單通道的應用外，還經常與其它光器件一起組成模塊使用，具體包括：與可重構的光分插復用器（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM）組成增益均衡ROADM，與MUX（Multiplexer）組成增益平衡VMUX模塊結構，與EDFA組成增益平衡放大器，與放大自發輻射（ASE）光源組成增益控制器，等等。 3.1 低成本OADM模塊 作為當前光纖通信網絡的一種重要的節點設備，OADM無需光電轉換即可實現從環路中上/下載一路或多路波長信道。使用OADM可以減少光信道上信息的處理和等待時間，減少節點上設備的復雜性，且可使光信號透明地傳輸和上/下載不同光波長的信息或各種業務。 在ROADM的產業化遭受成本瓶頸時，針對運營商對網絡業務比較完善的規劃，光迅科技推出了各種低成本的OADM模塊。該系列產品結構簡單，可選擇性地預留升級端口，支持靈活的擴展升級功能，上下路波長較少時成本低，具備通道功率均衡能力，可對上下路功率進行實時監測。 模塊的外形尺寸為：138×130×17.8mm，適用于100GHz系統，同時上下8路固定的波長，并預留上下其它波長的升級口。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的制作技術已非常成熟且相對固定，采用MEMS VOA，使得低成本OADM模塊具備優越的指標：所有下路IL都小于4.6dB，所有上路IL都小于5.6dB，另兩個通路的IL均小于4.2dB，回損大于40dB。偏振模色散（PMD）小于0.1ps，響應時間小于5ms，驅動電壓統一為5VDC，整個模塊的功耗不超過100mW。不論是OADM還是ROADM結構，由于每個波長來自不同的網絡，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是信道光功率預均衡合波模塊，具有合波和各信道光功率預均衡的功能，即可對DWDM系統的每個通道光功率進行均衡，實現光信號的長距離無誤碼傳輸。VMUX模塊提供多路光信道可調光衰減及合波，可在電路控制下調節輸入與輸出之間的光衰減量。在光通信線路中，經過EDFA之前的各波長通道的光，都必須用VUMX模塊進行功率均衡，以保證各通道的光信號功率控制在可允許的范圍內，避免非均衡增益經EDFA放大而導致比較嚴重的非線性效應。
圖5 VMUX模塊結構示意圖 如圖5，VMUX模塊由均衡功率的VOA組和合波的MUX構成，其常見結構有兩種：一種是用可靠的MEMS VOA陣列與基于成熟的介質膜濾光器（TFF）技術構建的MUX實現，另一種是用新興的PLC VOA陣列與基于波導陣列光柵（AWG）技術構建的MUX實現。兩者應用的場合各不相同，前者常用在信道數較少（n≤16）的系統中，此時的性價比高，MEMS VOA組無需配備制冷器與溫控電路，無需進行散熱設計，且整個模塊具有更小的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EDFA模塊 作為光通信網絡中不可或缺的光器件，EDFA固有的增益曲線并不平坦，導致經過分波后各信道的增益互不相同，使EDFA各信道的輸出信號功率和光信噪比（OSNR）存在一定的差異。這種功率和OSNR的不均衡性在級聯EDFA中的積累，可能會導致不良的后果——接收功率的不均衡程度超過接收機允許的動態范圍，造成信號丟失；累積的信噪比不均衡，造成某信道的誤碼率超出系統的要求；增益壓縮不充分，造成接收信號功率低于接收機靈敏度（在給定比特率下），產生失真。 采用可變光衰減器實時調節增益斜率，使EDFA放大后的信號光在整個波段內比較平坦。由增益曲線的抖動（Ripple）可知，需要調節的衰減范圍一般只有幾個dB，反射式MEMS VOA是一個很好的選擇。它不僅具備成本低、快速響應、體積小、衰減精度高、低色散等顯著優點外，還有較低的WDL、TDL和PDL，能極好地滿足系統的使用要求。
圖6 增益平坦EDFA結構示意圖 如圖6，是控制EDFA動態增益斜率的有源增益斜率均衡器（AGSC），在應用上要優于靜態增益平坦技術。當輸入信號光功率發生變化時，經過MEMS VOA到達EDFA的輸入光功率隨之變化，通過TAP PD的監測功率反饋電路，來調節泵浦源的光功率和MEMS VOA的衰減量，對所產生的增益傾斜進行補償，以確保EDFA輸出光功率的增益平坦。4 總結與討論 隨著DWDM技術的飛躍發展，VOA也得到了越來越廣泛地應用，主要用于DWDM系統中各信道的功率均衡、實現增益平坦、動態增益平衡和功率過載保護。在各種不同制造技術的VOA中，基于MEMS的VOA具備顯著的優勢，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，在光通信系統小型化與集成化的前行之路上，已做出了巨大的貢獻。 當MEMS技術更趨成熟時，芯片的制造成本也會急劇下降，將不再是器件的主要成本因素。由于MEMS器件的封裝需要在凈化的防靜電環境下進行，且封裝工藝精密復雜，因此設法降低MEMS VOA的封裝成本將是各器件制造商應該考慮的關鍵問題。 來源：C114 |
