MEMS VOA光衰減器的工作原理及在光通信網絡中的應用研究

MEMS（Micro Electro Mechanical System，微機電系統(tǒng)）技術被廣泛應用于光纖通信系統(tǒng)中，MEMS技術與光學技術的結合，通常稱作MOEMS技術。最為常用的MOEMS器件包括光衰減器VOA、光開關OS、可調光學濾波器TOF、動態(tài)增益均衡器DGE、波長選擇開關WSS和矩陣光開關OXC。

VOA在光纖通信系統(tǒng)中常用于光功率均衡，在各種技術方案中，MEMS VOA具有尺寸小、成本低和易于制造的優(yōu)勢。最常用的MEMS VOA有兩類：MEMS Shutter型和MEMS微鏡型，前者通常以熱效應驅動，后者通常以靜電力驅動。

MEMS Shutter型VOA

基于MEMS Shutter的VOA結構如圖1所示，MEMS Shutter被插入兩根光纖之間的光路，衰減量取決于被阻擋的光束截面大小。在實際應用中，這種VOA也可以設計成反射型。

圖1. 基于MEMS shutter的VOA結構

MEMS微鏡型VOA

如圖2所示為基于MEMS扭鏡的VOA結構，它以雙光纖準直器的兩根尾纖作為輸入/輸出端口，準直光束被MEMS微鏡反射偏轉，從而聯(lián)通輸入/輸出端口之間的光路。扭動微鏡讓光束發(fā)生偏轉，從而產生光功率的衰減。

圖2. 基于MEMS扭鏡的VOA結構

MEMS扭鏡通常有兩種結構，即平板電極和梳齒電極，如圖3所示?？紤]0~20dB的衰減范圍，前者通常需要》10V的驅動電壓，后者可將驅動電壓降至5V以下。然而，僅僅一個微小的粉塵顆粒就會卡住梳齒電極，因此其生產良率較低。采用梳齒電極的MEMS微鏡，通常需要在超凈環(huán)境下封裝。

圖3. 兩類MEMS扭鏡：平板電極和梳齒電極

MEMS微鏡型VOA中的WDL問題

基于MEMS shutter和MEMS微鏡的VOA均有廣泛應用，前者性能指標較好，但裝配工藝相對復雜；后者易于裝配但WDL（波長相關損耗）相對較大。在寬帶應用中，此類VOA會對不同波長產生不同的衰減量，此現(xiàn)象定義為WDL。寬帶應用中，要求WDL指標越小越好。

WDL問題源于單模光纖SMF中的模場色散，我們知道，光纖中的不同波長具有不同的模場直徑，長波的模場直徑更大一些。圖4所示為光纖中模場的色散情況。

圖4. 光纖中模場色散情況

如圖4所示，光束被MEMS微鏡反射偏轉，不同波長的的光斑均偏離出射光纖的纖芯。在未經優(yōu)化的VOA中，所有波長的光斑具有相同的偏移量。如式（1），衰減量A取決于偏移量X和模場半徑ω。

（1）

在一個相對有限的波長范圍內，如C波段（1.53~1.57μm），單模光纖中的模場色散情況可以式（2）作線性近似處理［3］。

（2）

對于常用的康寧公司SMF-28型單模光纖，上式中的系數(shù)為a=5.2μm、b=3.11@λc=1.55μm。當中心波長λc處的衰減量Ac給定時，得到光斑的偏移量Xc如式（3）。

（3）

綜合式（1-3）可得到波長范圍λs~λl內的WDL如式（4），其中下標s， c， l分別代表波段范圍內的短波、中波和長波。

（4）

根據式（4），當VOA的衰減量Ac設置越大時，光斑的偏移量Xc也越大，因此會產生更大的WDL，如圖5， 圖6所示。根據圖6，在衰減范圍0~20dB和波長范圍1.53~1.57μm之內，最大WDL可達0.96dB。商用MEMS VOA可測得最大WDL為1.5dB，這是因為光學系統(tǒng)色散的影響，造成不同波長的光斑在輸出光纖端面的偏移量不同。這種情況與圖4所示情況不同，在圖4中，所有光斑具有相同的偏移量。

圖5. 對應不同衰減水平的WDL

圖6. 對應不同衰減水平的WDL

MEMS微鏡型VOA的WDL優(yōu)化

MEMS微鏡型VOA中的WDL源于兩個因素：模場色散和光學系統(tǒng)色散，兩個因素的影響累加起來，讓最大WDL達到1.5dB。那么這兩個因素的影響能否相互抵消，以助于減小WDL呢？答案是可以，但需要精細的分析和設計。

根據式（1），長波具有更大的模場直徑，因此其衰減量更小。如圖4.16所示，如果光學系統(tǒng)能夠對長波的光斑產生更大的偏移量，就可以增加長波的衰減量，從而對衰減譜線產生均衡作用。

圖7. 光學系統(tǒng)的色散與模場色散相互抵消情況

然而，根據式（4），因兩個因素產生的WDL，只能在某個特定的衰減水平Ac下完全相互抵消。當VOA器件的衰減量被設置為一個異于Ac的數(shù)值時，將會存在剩余WDL，如圖8所示。

從圖8中看到，在優(yōu)化之前，最大WDL產生于衰減量為20dB時。如果通過優(yōu)化，將衰減量為20dB時的WDL完全抵消，則最大WDL產生于衰減量為4dB時。 如果將衰減量為13dB時的WDL完全抵消，則在0~20dB的衰減范圍內，最大WDL將《0.2dB。

圖8. 兩個引起WDL的因素相互抵消情況

目前已有各種方案，可通過光學系統(tǒng)產生相反的色散。在圖9中，準直透鏡與MEMS微鏡之間插入了一個棱鏡，因而光學系統(tǒng)的色散與模場色散相互抵消。然而，額外加入的棱鏡會增加VOA器件的成本和復雜度。圖10展示了另一個解決方案，該方案要求制造準直透鏡的玻璃材料具有很高的色散，并且透鏡前端面傾角》10°（在現(xiàn)有器件中，這個角度通常為8°）［4］。

圖9 通過引入棱鏡來優(yōu)化WDL ； 圖10 通過高色散的準直透鏡來優(yōu)化WDL

基于對光學系統(tǒng)色散的透徹分析，華中科技大學的萬助軍等人提出了第三種解決方案，準直透鏡的材料為常用的N-SF11玻璃，透鏡的曲率半徑也是常用的R=1.419mm。為了優(yōu)化WDL指標，得到準直透鏡的其他參數(shù)之間的關聯(lián)曲線如圖4.20所示，曲線上任意一點給出準直透鏡的一組參數(shù)：端面角度φ和透鏡長度L?；谶@些參數(shù)加工準直透鏡，VOA器件的WDL指標將得到優(yōu)化。注意圖11中的端面角度φ均為負值，因此雙光纖插針與準直透鏡需要按照圖12（d）中的方向進行裝配，而非如圖12（c）中的現(xiàn)有MEMS VOA裝配方式。他們最終裝配的MEMS微鏡VOA如圖13所示，據報道，在衰減范圍0~20dB和波長范圍1.53~1.57μm之內，測得最大WDL《0.4dB。

圖11. WDL優(yōu)化之后準直透鏡參數(shù)之間的關系

圖12. 通過調整準直透鏡端面角度優(yōu)化WDL指標

圖13. MEMS微鏡VOA樣品

隨著DWDM技術的快速發(fā)展，MEMS VOA的在光通信網絡中的應用將越來越廣泛。億源通立足于現(xiàn)有業(yè)務的需求以及面向未來網絡發(fā)展需求，推出了一系列自主研發(fā)的MEMS技術產品， 包括1×48通道的光開關， 與 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光開關模塊，以及MCS模塊等。

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