VOA在光纤系统中的各类问题

MEMS（Micro Electro Mechanical System，微机电系统）技术被广泛应用于光纤通信系统中，MEMS 技术与光学技术的结合，通常称作 MOEMS 技术。最为常用的 MOEMS 器件包括光衰减器 VOA、光开关 OS、可调光学滤波器 TOF、动态增益均衡器 DGE、波长选择开关 WSS 和矩阵光开关 OXC。

VOA 在光纤通信系统中常用于光功率均衡，在各种技术方案中，MEMS VOA 具有尺寸小、成本低和易于制造的优势。最常用的 MEMS VOA 有两类：MEMS Shutter 型和 MEMS 微镜型，前者通常以热效应驱动，后者通常以静电力驱动。

MEMS Shutter 型 VOA

基于 MEMS Shutter 的 VOA 结构如图 1 所示，MEMS Shutter 被插入两根光纤之间的光路，衰减量取决于被阻挡的光束截面大小。在实际应用中，这种 VOA 也可以设计成反射型。
 

图 1． 基于 MEMS shutter 的 VOA 结构

MEMS 微镜型 VOA

如图 2 所示为基于 MEMS 扭镜的 VOA 结构，它以双光纤准直器的两根尾纤作为输入／输出端口，准直光束被 MEMS 微镜反射偏转，从而联通输入／输出端口之间的光路。扭动微镜让光束发生偏转，从而产生光功率的衰减。
 

图 2． 基于 MEMS 扭镜的 VOA 结构

MEMS 扭镜通常有两种结构，即平板电极和梳齿电极，如图 3 所示。考虑 0～20dB 的衰减范围，前者通常需要＞10V 的驱动电压，后者可将驱动电压降至 5V 以下。然而，仅仅一个微小的粉尘颗粒就会卡住梳齿电极，因此其生产良率较低。采用梳齿电极的 MEMS 微镜，通常需要在超净环境下封装。

图 3． 两类 MEMS 扭镜：平板电极和梳齿电极

MEMS 微镜型 VOA 中的 WDL 问题

基于 MEMS shutter 和 MEMS 微镜的 VOA 均有广泛应用，前者性能指标较好，但装配工艺相对复杂；后者易于装配但 WDL（波长相关损耗）相对较大。在宽带应用中，此类 VOA 会对不同波长产生不同的衰减量，此现象定义为 WDL。宽带应用中，要求 WDL 指标越小越好。

WDL 问题源于单模光纤 SMF 中的模场色散，我们知道，光纤中的不同波长具有不同的模场直径，长波的模场直径更大一些。图 4 所示为光纤中模场的色散情况。

图 4． 光纤中模场色散情况

如图 4 所示，光束被 MEMS 微镜反射偏转，不同波长的的光斑均偏离出射光纤的纤芯。在未经优化的 VOA 中，所有波长的光斑具有相同的偏移量。如式（1），衰减量 A 取决于偏移量 X 和模场半径ω。

 （1）在一个相对有限的波长范围内，如 C 波段（1．53～1．57μm），单模光纤中的模场色散情况可以式（2）作线性近似处理［3］。

（2）对于常用的康宁公司 SMF－28 型单模光纤，上式中的系数为 a＝5．2μm、b＝3．11＠λc＝1．55μm。当中心波长λc 处的衰减量 Ac 给定时，得到光斑的偏移量 Xc 如式（3）。

（3）综合式（1－3）可得到波长范围λs～λl 内的 WDL 如式（4），其中下标 s， c， l 分别代表波段范围内的短波、中波和长波。

（4）根据式（4），当 VOA 的衰减量 Ac 设置越大时，光斑的偏移量 Xc 也越大，因此会产生更大的 WDL，如图 5， 图 6 所示。根据图 6，在衰减范围 0～20dB 和波长范围 1．53～1．57μm 之内，最大 WDL 可达 0．96dB。商用 MEMS VOA 可测得最大 WDL 为 1．5dB，这是因为光学系统色散的影响，造成不同波长的光斑在输出光纤端面的偏移量不同。这种情况与图 4 所示情况不同，在图 4 中，所有光斑具有相同的偏移量。
 

图 5． 对应不同衰减水平的 WDL

图 6． 对应不同衰减水平的 WDL

MEMS 微镜型 VOA 的 WDL 优化

MEMS 微镜型 VOA 中的 WDL 源于两个因素：模场色散和光学系统色散，两个因素的影响累加起来，让最大 WDL 达到 1．5dB。那么这两个因素的影响能否相互抵消，以助于减小 WDL 呢？答案是可以，但需要精细的分析和设计。

根据式（1），长波具有更大的模场直径，因此其衰减量更小。如图 4．16 所示，如果光学系统能够对长波的光斑产生更大的偏移量，就可以增加长波的衰减量，从而对衰减谱线产生均衡作用。
 

图 7． 光学系统的色散与模场色散相互抵消情况

然而，根据式（4），因两个因素产生的 WDL，只能在某个特定的衰减水平 Ac 下完全相互抵消。当 VOA 器件的衰减量被设置为一个异于 Ac 的数值时，将会存在剩余 WDL，如图 8 所示。

从图 8 中看到，在优化之前，最大 WDL 产生于衰减量为 20dB 时。如果通过优化，将衰减量为 20dB 时的 WDL 完全抵消，则最大 WDL 产生于衰减量为 4dB 时。 如果将衰减量为 13dB 时的 WDL 完全抵消，则在 0～20dB 的衰减范围内，最大 WDL 将＜0．2dB。
 

图 8． 两个引起 WDL 的因素相互抵消情况

目前已有各种方案，可通过光学系统产生相反的色散。在图 9 中，准直透镜与 MEMS 微镜之间插入了一个棱镜，因而光学系统的色散与模场色散相互抵消。然而，额外加入的棱镜会增加 VOA 器件的成本和复杂度。图 10 展示了另一个解决方案，该方案要求制造准直透镜的玻璃材料具有很高的色散，并且透镜前端面倾角＞10°（在现有器件中，这个角度通常为 8°）［4］。

图 9 通过引入棱镜来优化 WDL ； 图 10 通过高色散的准直透镜来优化 WDL

基于对光学系统色散的透彻分析，华中科技大学的万助军等人提出了第三种解决方案，准直透镜的材料为常用的 N－SF11 玻璃，透镜的曲率半径也是常用的 R＝1．419mm。为了优化 WDL 指标，得到准直透镜的其他参数之间的关联曲线如图 4．20 所示，曲线上任意一点给出准直透镜的一组参数：端面角度φ和透镜长度 L。基于这些参数加工准直透镜，VOA 器件的 WDL 指标将得到优化。注意图 11 中的端面角度φ均为负值，因此双光纤插针与准直透镜需要按照图 12（d）中的方向进行装配，而非如图 12（c）中的现有 MEMS VOA 装配方式。他们最终装配的 MEMS 微镜 VOA 如图 13 所示，据报道，在衰减范围 0～20dB 和波长范围 1．53～1．57μm 之内，测得最大 WDL＜0．4dB。
 

图 10． WDL 优化之后准直透镜参数之间的关系

图 11． 通过调整准直透镜端面角度优化 WDL 指标

图 12．  MEMS 微镜 VOA 样品

随着 DWDM 技术的快速发展，MEMS VOA 的在光通信网络中的应用将越来越广泛。亿源通立足于现有业务的需求以及面向未来网络发展需求，推出了一系列自主研发的 MEMS 技术产品， 包括 1×48 通道的光开关， 与 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光开关模块，以及 MCS 模块等。