可調(diào)光衰減器的分類(lèi)原理及應(yīng)用

1、導(dǎo)語(yǔ)

可調(diào)度光衰減器（VOA）在光通訊中具有廣泛的運(yùn)用，其首要功用是用來(lái)減低或操控光信號(hào)。光網(wǎng)絡(luò)的最根柢的特性應(yīng)當(dāng)是可調(diào)，分外是跟著DWDM傳輸體系和EDFA在光通訊中的運(yùn)用，在多個(gè)光信號(hào)傳輸通道上有必要進(jìn)行增益平整化或信道功率均衡，在光接納器端要進(jìn)做法態(tài)飽滿(mǎn)的操控，光網(wǎng)絡(luò)中也還需要對(duì)其它信號(hào)進(jìn)行操控，這些都使得VOA變成其間不行或缺的要害器材。此外，VOA商品還具有與其它光通訊組件聯(lián)絡(luò)并將其推往高階模塊的特性。

2. 幾種多見(jiàn)的VOA簡(jiǎn)介

2.1. 機(jī)械式VOA

該品種型的VOA也有多種詳細(xì)的完畢辦法。圖1是擋光型光衰減器的原理圖，驅(qū)動(dòng)擋光元件攔在兩個(gè)準(zhǔn)直器之間，完畢光功率的衰減。擋光元件可所以片狀或許錐形，后者可通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)推動(dòng)，而前者需平推或許通過(guò)必定機(jī)械構(gòu)造完畢旋轉(zhuǎn)至平推動(dòng)作的改換。擋光型光衰減器可以制成光纖適配器構(gòu)造，也可以制成圖1所示的在線(xiàn)式構(gòu)造。

與上面說(shuō)到的擋光型VOA相似，也有一種機(jī)械一電位器辦法的EVOA計(jì)劃。其原理是用步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)中性梯度濾光片，當(dāng)光束通過(guò)濾光片紛歧樣的方位時(shí)其輸出光功率將按預(yù)訂的衰減規(guī)矩改動(dòng)，然后抵達(dá)調(diào)度衰減量的意圖。還有一種機(jī)械偏光式光衰減器。其根柢原理是從入端口射出的光束被反射片反射到出端口，兩頭口之間的反射耦合功率由反射片的歪斜視點(diǎn)來(lái)操控，然后完畢光衰減的調(diào)度。而反射片的歪斜則由多種紛歧樣的機(jī)理來(lái)操控。

機(jī)械型光衰減器是較為傳統(tǒng)的處理計(jì)劃，到如今接連，已在體系中運(yùn)用的VOA大多是用機(jī)械的辦法來(lái)抵達(dá)衰減。該類(lèi)型的光衰減用具有技術(shù)老到、光學(xué)特性好、低插損、偏振有關(guān)損耗小、無(wú)需控溫等利益；而其缺點(diǎn)在于體積較大、組件多構(gòu)造雜亂、照料速度不高、難以自動(dòng)化出產(chǎn)、晦氣于集成等。

2.2. 磁光VOA

磁光VOA是運(yùn)用一些物質(zhì)在磁場(chǎng)效果下所表現(xiàn)出的光學(xué)性質(zhì)的改動(dòng)，例如磁致旋光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）等亦可完畢光能量的衰減，然后抵達(dá)調(diào)度光信號(hào)的意圖。一種典型的偏振無(wú)關(guān)磁光VOA構(gòu)造如圖2所示。

圖2中，其間的（a）是實(shí)習(xí)的光路，為了非常好地闡明其原理，咱們選用（b）中的鏡像光路。當(dāng)光從雙芯光纖的一端入射，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后（省掉光束的厚度），進(jìn)入到雙折射晶體（其光軸筆直于紙面），被分紅O光和E光兩束光，然后進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器，光從法拉第旋轉(zhuǎn)器出射后被全反射鏡反射，再順次通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體和透鏡，終究從雙芯光纖的另一端輸出。因而，通過(guò)調(diào)制電壓操控磁場(chǎng)，可以使進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器的偏振光的偏振態(tài)發(fā)作旋轉(zhuǎn)。在法拉第旋轉(zhuǎn)角為0度的狀況下，O光依然是O光，E光依然是E光，兩束光不平行，不能合在一同，如虛線(xiàn)所示，此刻衰減程度最大；在法拉第旋轉(zhuǎn)角為45度的狀況下，總的法拉第旋轉(zhuǎn)角為90度，O光變成E光，E光變成O光，兩束光平行，通過(guò)透鏡調(diào)集后合在一同，此刻衰減程度最小。當(dāng)操控法拉第旋轉(zhuǎn)角在0度和45度之直接連改動(dòng)時(shí)，就可以完畢衰減量的接連調(diào)度。

運(yùn)用資料的磁光效應(yīng)并聯(lián)絡(luò)其它的技術(shù)，可以制造出高功用、小規(guī)范、高照料及構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)略的光衰減器。這是運(yùn)用分立微光器材技術(shù)制造光衰減器的一個(gè)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的范疇。

2.3. 液晶VOA

液晶VOA運(yùn)用了液晶折射率各向異性而閃現(xiàn)出的雙折射效應(yīng)。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，液晶分子取向從頭擺放，將會(huì)致使其透光特性發(fā)作改動(dòng)，其作業(yè)原理如圖3所示。

液晶VOA詳細(xì)的完畢辦法如圖4所示。由入射光纖入射的光經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，進(jìn)入雙折射晶體，被分紅偏振態(tài)互相筆直的O光和E光，經(jīng)液晶后，O光變成E光，E光變成O光，再由另一塊雙折射晶體合束，終究從準(zhǔn)直器輸出。當(dāng)液晶資料兩頭的通明電極上加載電壓V時(shí)，O光和E光通過(guò)液晶后都改動(dòng)必定的視點(diǎn)，經(jīng)第二塊雙折射晶體，每束光又被分紅O光和E光，構(gòu)成了4束光，基地兩束終究構(gòu)成一束從第二塊雙折射晶體出射，由準(zhǔn)直器接納，別的兩束從第二塊雙折射晶體出射后未被準(zhǔn)直器接納，然后完畢衰減。因而，通過(guò)在液晶的兩個(gè)電極上施加紛歧樣的電壓操控光強(qiáng)的改動(dòng)，可以完畢紛歧樣的衰減。

液晶VOA可以完畢光衰減器的小型化、高照料化。但一同液晶資料刺進(jìn)損耗較大，制造技術(shù)相對(duì)也較雜亂，分外是受環(huán)境要素的影響較大，它的利益是本錢(qián)低，已有批量商用。其它還有些功用資料在強(qiáng)電場(chǎng)效果下光學(xué)特性也會(huì)發(fā)作改動(dòng)，例如鈮酸鋰（LiNbO3）晶體的電光效應(yīng)，因而這也是有或許運(yùn)用的一個(gè)路徑。但因?yàn)橄嗨七@么的電光效應(yīng)一般需要數(shù)千伏甚至上萬(wàn)伏的強(qiáng)電場(chǎng)，所以運(yùn)用在光通訊的無(wú)源器材范疇有必定綁縛，至今鮮有有關(guān)的信息。

2.4. MEMS VOA

MEMS是此范疇中較新的運(yùn)用技術(shù)，通過(guò)近幾年的翻開(kāi)，MEMS Chip的出產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)已趨于老到，有力地推動(dòng)了MEMS VOA的運(yùn)用。在光網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用，以MEMS技術(shù)為根底的商品也具有顯著的報(bào)價(jià)和功用上的優(yōu)勢(shì)。MEMS VOA有反射式VOA和衍射式VOA，如圖5所示。

反射式VOA的作業(yè)原理如圖5（a）所示，它是在硅基上制造一塊微反射鏡。以u(píng)nblocking型VOA為例。光通過(guò)雙光纖準(zhǔn)直器的一端進(jìn)入，以必定視點(diǎn)入射到微反射鏡上，當(dāng)施加電壓時(shí)，微反射鏡在靜電效果下被改動(dòng)，傾角改動(dòng)，入射光的入射視點(diǎn)發(fā)作改動(dòng)，光反射后能量不能徹底耦合進(jìn)雙芯準(zhǔn)直器的另一端，抵達(dá)調(diào)度光強(qiáng)的意圖；而未加電壓時(shí)，微反射鏡呈水平狀況，光反射后能量徹底耦合進(jìn)雙芯準(zhǔn)直器的另一端。

衍射式VOA是依據(jù)動(dòng)態(tài)衍射光柵技術(shù)，如圖5（b）所示。這種動(dòng)態(tài)衍射光柵由平行微柵條陣列構(gòu)成，微柵條上外表鍍以200~300 nm厚的鋁膜，起電極和反射光的兩層效果，下外表是分外計(jì)劃的由Si3N4和SiO2膜構(gòu)成的雙簧構(gòu)造以供應(yīng)彈性力，其下刻蝕的空氣隙厚度與所欲運(yùn)用的光譜波段有關(guān)。當(dāng)施加電壓信號(hào)時(shí)，在靜電力的效果下相間隔的動(dòng)?xùn)艞l方位向下移動(dòng)以發(fā)作衍射光柵效應(yīng)，作業(yè)狀況如圖5（b）所示。通過(guò)調(diào)度電壓來(lái)操控一級(jí)衍射光然后抵達(dá)對(duì)光信號(hào)衰減量進(jìn)行調(diào)度的意圖。這種動(dòng)態(tài)衍射光柵首要在成像及閃現(xiàn)技術(shù)中得到運(yùn)用，它在功用上具有照料速度快、衰減操控精度高、消光系數(shù)大、抗疲倦磨損等特征，能被用于制造許多其它光通訊器材的基地部件，如光開(kāi)關(guān)陣列等。

MEMS VOA現(xiàn)已很老到，并已許多出產(chǎn)和計(jì)劃運(yùn)用。一同因?yàn)橹破仿实囊蓡?wèn)，在報(bào)價(jià)方面也面臨著應(yīng)戰(zhàn)，別的由所以微機(jī)電部件，牢靠性相對(duì)來(lái)說(shuō)有時(shí)不行志趣。前期的MEMS VOA都選用激光焊接的辦法，設(shè)備投入較大，并且出產(chǎn)功率低、設(shè)備本錢(qián)高。如今，商場(chǎng)也推出了全膠技術(shù)的MEMS VOA，極好地處理了這一疑問(wèn)。

如今，現(xiàn)已可以大批量出產(chǎn)MEMS VOA的國(guó)外廠(chǎng)家首要有：Lightconnect（已被Neophotonics收買(mǎi)）、JDSU、Oplink、Avanex、Santec、Lightwave2020、AFOP等。在國(guó)內(nèi)，高意通訊有限公司現(xiàn)已具有批量出產(chǎn)MEMS VOA的才調(diào)，并且具有激光焊接和全膠的技術(shù)路徑。首要的商品包含單個(gè)VOA器材、4通道和8通道VOA模塊，如圖6所示。

2.5. 熱光VOA

熱光VOA首要是運(yùn)用一些資料在溫度場(chǎng)中所具有的光學(xué)性質(zhì)改動(dòng)特性，如溫度改動(dòng)所構(gòu)成的使的熱光資料折射率的改動(dòng)等。依照構(gòu)造的紛歧樣，首要可以分為兩大類(lèi)，走漏型和開(kāi)光型VOA。

走漏型熱光VOA的原理如圖7（a）所示，其原理是首要將有些光纖原有的外皮包層剝除，用熱光資料代以構(gòu)成外皮層。當(dāng)對(duì)該熱光資料外皮層施以溫度改動(dòng)時(shí)，因?yàn)槠湔凵渎实母膭?dòng)而致使原有光傳輸特性即模場(chǎng)直徑（MFD）的改動(dòng)，有有些的光信號(hào)能量將從該處逸出（輻射光），然后抵達(dá)通過(guò)操控溫度來(lái)調(diào)度光衰減量的意圖。

關(guān)于開(kāi)光型的熱光VOA最典型的即是一種依據(jù)Mach-Zehnder干與儀（MZI）的原理，其詳細(xì)構(gòu)造如圖7（b）所示。首要作業(yè)辦法是在Mach-Zehnder干與儀的其間一個(gè)干與臂上面加上熱光資料，并將熱光資料置于薄膜加熱器上。運(yùn)用熱光效應(yīng)，使資料的折射率發(fā)作改動(dòng)，然后改動(dòng)MZI的干與臂的長(zhǎng)度，使兩臂發(fā)作紛歧樣的光程差，進(jìn)一步使得雙光束的干與光強(qiáng)發(fā)作改動(dòng)，完畢對(duì)光衰減量的操控。MZI型平面光波導(dǎo)VOA體積小，利于高度集成，可是如今其技術(shù)還處于翻開(kāi)和完善中。這種辦法有必要對(duì)光束進(jìn)行分束和耦合，這就會(huì)引進(jìn)較大的插損，因而這種VOA功用還較差，封裝難度大。

熱光VOA因?yàn)榧訜?，冷卻設(shè)備相對(duì)雜亂，溫度場(chǎng)一光導(dǎo)介質(zhì)折射率之間的數(shù)理函數(shù)聯(lián)絡(luò)雜亂而不易準(zhǔn)確量化和操控，分外是其較長(zhǎng)的照料時(shí)刻阻遏了其在現(xiàn)代光通訊中的運(yùn)用。

2.6. 聲光VOA

該種衰減器的根柢原理是運(yùn)用聲光晶體在超聲波的效果下發(fā)作的周期性的應(yīng)變，然后致使折射率的周期性改動(dòng)，對(duì)等于建立了一塊位相光柵，所以即可運(yùn)用該光柵對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制。

已有一些公司聲稱(chēng)已開(kāi)宣告選用聲光晶體的可調(diào)式衰減器（稱(chēng)之為AVOA）。據(jù)了解，聲光晶體資料的取得沒(méi)有疑問(wèn)，不過(guò)現(xiàn)時(shí)期占整體本錢(qián)偏高，約占其間的4-5成。