2012/3/28 10:28

光迅科技：VOA介绍[图]

C114中国通信网周日凯

为了实现DWDM系统的长距离高速无误码传输，必须使各通道信号光功率一致，即需要对多通道光功率进行监控和均衡。因此出现了动态信道均衡器（DCE）、可调功率光复用器（VMUX）、光分插复用器（OADM）等光器件，这些器件的核心部件都是阵列可变光衰减器（VOA）。灵活地调节VOA，可以使各个通道的功率处于理想的大小。

近年来，除了传统的衰减器，还陆续出现了多种制造可变光衰减器的新技术，包括可调衍射光栅技术、MEMS技术、液晶技术、磁光技术、平面光波导技术等。

一、常见的VOA类型

二、VOA的优缺点

三、技术原理

1、MVOA原理

2、电机EVOA原理

单通道锁存式电调可变光衰减器（EVOA）使用光迅开发和制作的衰减芯片作为衰减元件；通过一个带反馈控制的步进电机调节衰减值；同时一个精密电位器反馈衰减片的位置。外部驱动信号驱使步进电机以统一的步进幅度向左或向右转动，这样就提供了精确的衰减精度。该衰减器独具锁存模式，当去掉电机的驱动信号时，衰减器将保持在最后设定的衰减位置，这就将极大减小器件功耗。

3、高分子可调衍射光栅VOA

高分子可调衍射光栅的制作基于一种薄膜表面调制技术。起初，这种技术的开发是为了替代放映机和投影仪中的液晶显示屏（LCD）和数字光处理器（DLP）。这种可调衍射光栅的顶层是玻璃，下面一层是铟锡氧化物（ITO），中间是空气、聚合物和ITO阵列，底层是玻璃基底。在未加电信号时，空气与聚合物层的交界面是与结构表面平行的平面。当入射光进入该平面时，不发生衍射。在加电信号后，空气和聚合物的界面随电极阵列的分布而发生周期变化，形成了正弦光栅。当入射光入射至该表面时，形成衍射。施加不同的电信号可以形成不同相位调制度的正弦光栅。

高分子可调衍射光栅

采用高分子可调衍射光栅的VOA的工作机制是：通过调制表面一层薄的聚合物，使其表面近似为正弦形状，形成正弦光栅。利用这种技术，可以制作出一种周期为10微米，表面高度h随施加的电信号变化并且最高可到300纳米的正弦光栅。当光入射到被调制的表面上时，形成衍射。施加不同的电信号改变正弦光栅的振幅，即改变h时，可以得到不同的相位调制度，而不同相位调制度下的衍射光强的分布是不同的。当相位调制度由零逐渐变大时，衍射光强度从零级向更高衍射级的光转移。这种调制可以使零级光的光强从100%连续的改变到0%，从而，实现对衰减量的控制。并且这种调制的响应时间非常快，在微秒级。

4、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，例如利用磁致旋光效应（法拉第效应）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结构如下图左图所示。

偏振无关磁光VOA结构和光路

将左图中的镜像光路画在右侧，以利于原理的分析解释。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度的情况下，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，如图虚线所示，此时衰减程度最大；在法拉第旋转角为45度的情况下，总的法拉第旋转角为90度，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。

5、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（图3）。

液晶加电前后透光性的变化

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。

6、MEMS VOA

MEMS VOA静电式的和热膨胀挡光式。静电式有反射式VOA和衍射式VOA。

静电式MEMS VOA原理图

反射式MEMS VOA是在硅基上制作一块微反射镜。光经双芯准直器的一端进入，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MEMS VOA基于动态衍射光栅技术。当施加电压时，在静电作用下相同间隔的动栅条位置向下移动产生衍射光栅效应，通过电压调节来控制一级衍射光从而达到调节光信号衰减量的目的。

热膨胀挡光MEMS VOA原理图

热膨胀挡光式MEMS VOA原理是当施加电压时，在电流通过MEMS机械臂时，机械臂发热膨胀推动挡光板运动，挡住一部分光，从而实现衰减。

7、平面光波导VOA 平面光波导VOA有三种。一种是基于Mach-Zehnder干涉仪（MZI）原理，并利用热光效应，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，实现对光衰减量的控制（图6）。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入损耗。

基于MZI原理的平面光波导VOA

基于热光效应的还有一种，波导受热后，波导中产生了更多模式光，而一部分模式的光从波导中泄露出来，这样实现了光的衰减。

第三种是直接基于电吸收（EA）调制，利用载流子注入改变吸收系数来实现光功率的衰减。如图7所示，在PN结之间加入一层单模光波导层，当未加电时，从光纤出射的单模光，进入单模光波导层后，仍然是传导模，被限制在这一层中继续传播，并从另一光纤输出；当加载电压时，由于载流子的注入，单模光波导的吸收系数增大，从而部分光被吸收掉。并且随着电压的增加，流过PN结的电流也随着增加，使得更多的光子被吸收，衰减增大。

利用电吸收调制的平面光波VOA

8、高光电系数材料VOA 这种VOA采用的是特殊的陶瓷光电材料，类似铌酸锂（LiNbO3）,不过比铌酸锂有更大的光电系数。利用这种光电系数足够大的材料制作VOA，不需要做成波导，可以做成自由空间结构，就像隔离器那样。如图8所示，光经由输入准直器端导入，通过由特殊光电材料做成的一块元件，然后从输出准直器输出。调节加在光电材料元件上的电压，使得它的折射率发生改变，从而实现衰减。