MEMS VOA光衰減器的工作原理

文章導(dǎo)讀：

VOA的優(yōu)勢(shì)、類(lèi)型

MEMS Shutter型VOA

MEMS微鏡型VOA

MEMS微鏡型VOA中的WDL問(wèn)題

MEMS微鏡型VOA的WDL優(yōu)化

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)被廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，MEMS技術(shù)與光學(xué)技術(shù)的結(jié)合，通常稱作MOEMS技術(shù)。最為常用的MOEMS器件包括光衰減器VOA、光開(kāi)關(guān)OS、可調(diào)光學(xué)濾波器TOF、動(dòng)態(tài)增益均衡器DGE、波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS和矩陣光開(kāi)關(guān)OXC。

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

MEMS Shutter型VOA

基于MEMS Shutter的VOA結(jié)構(gòu)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(shí)際應(yīng)用中，這種VOA也可以設(shè)計(jì)成反射型。

圖1. 基于MEMS shutter的VOA結(jié)構(gòu)

MEMS微鏡型VOA

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

圖2. 基于MEMS扭鏡的VOA結(jié)構(gòu)

MEMS扭鏡通常有兩種結(jié)構(gòu)，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(qū)動(dòng)電壓，后者可將驅(qū)動(dòng)電壓降至5V以下。然而，僅僅一個(gè)微小的粉塵顆粒就會(huì)卡住梳齒電極，因此其生產(chǎn)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(lèi)MEMS扭鏡：平板電極和梳齒電極

MEMS微鏡型VOA中的WDL問(wèn)題

基于MEMS shutter和MEMS微鏡的VOA均有廣泛應(yīng)用，前者性能指標(biāo)較好，但裝配工藝相對(duì)復(fù)雜;后者易于裝配但WDL(波長(zhǎng)相關(guān)損耗)相對(duì)較大。在寬帶應(yīng)用中，此類(lèi)VOA會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)產(chǎn)生不同的衰減量，此現(xiàn)象定義為WDL。寬帶應(yīng)用中，要求WDL指標(biāo)越小越好。

WDL問(wèn)題源于單模光纖SMF中的模場(chǎng)色散，我們知道，光纖中的不同波長(zhǎng)具有不同的模場(chǎng)直徑，長(zhǎng)波的模場(chǎng)直徑更大一些。圖4所示為光纖中模場(chǎng)的色散情況。

圖4. 光纖中模場(chǎng)色散情況

如圖4所示，光束被MEMS微鏡反射偏轉(zhuǎn)，不同波長(zhǎng)的的光斑均偏離出射光纖的纖芯。在未經(jīng)優(yōu)化的VOA中，所有波長(zhǎng)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(chǎng)半徑ω。

(1)

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

(2)

對(duì)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(dāng)中心波長(zhǎng)λc處的衰減量Ac給定時(shí)，得到光斑的偏移量Xc如式(3)。

(3)

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

(4)

根據(jù)式(4)，當(dāng)VOA的衰減量Ac設(shè)置越大時(shí)，光斑的偏移量Xc也越大，因此會(huì)產(chǎn)生更大的WDL，如圖5, 圖6所示。根據(jù)圖6，在衰減范圍0~20dB和波長(zhǎng)范圍1.53~1.57μm之內(nèi)，最大WDL可達(dá)0.96dB。商用MEMS VOA可測(cè)得最大WDL為1.5dB，這是因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)色散的影響，造成不同波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)不同衰減水平的WDL

圖6. 對(duì)應(yīng)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(gè)因素：模場(chǎng)色散和光學(xué)系統(tǒng)色散，兩個(gè)因素的影響累加起來(lái)，讓最大WDL達(dá)到1.5dB。那么這兩個(gè)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(xì)的分析和設(shè)計(jì)。

根據(jù)式(1)，長(zhǎng)波具有更大的模場(chǎng)直徑，因此其衰減量更小。如圖4.16所示，如果光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)﹂L(zhǎng)波的光斑產(chǎn)生更大的偏移量，就可以增加長(zhǎng)波的衰減量，從而對(duì)衰減譜線產(chǎn)生均衡作用。

圖7. 光學(xué)系統(tǒng)的色散與模場(chǎng)色散相互抵消情況

然而，根據(jù)式(4)，因兩個(gè)因素產(chǎn)生的WDL，只能在某個(gè)特定的衰減水平Ac下完全相互抵消。當(dāng)VOA器件的衰減量被設(shè)置為一個(gè)異于Ac的數(shù)值時(shí)，將會(huì)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(chǎn)生于衰減量為20dB時(shí)。如果通過(guò)優(yōu)化，將衰減量為20dB時(shí)的WDL完全抵消，則最大WDL產(chǎn)生于衰減量為4dB時(shí)。如果將衰減量為13dB時(shí)的WDL完全抵消，則在0~20dB的衰減范圍內(nèi)，最大WDL將<0.2dB。

圖8. 兩個(gè)引起WDL的因素相互抵消情況

目前已有各種方案，可通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生相反的色散。在圖9中，準(zhǔn)直透鏡與MEMS微鏡之間插入了一個(gè)棱鏡，因而光學(xué)系統(tǒng)的色散與模場(chǎng)色散相互抵消。然而，額外加入的棱鏡會(huì)增加VOA器件的成本和復(fù)雜度。圖10展示了另一個(gè)解決方案，該方案要求制造準(zhǔn)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(gè)角度通常為8°)。

圖9 通過(guò)引入棱鏡來(lái)優(yōu)化WDL ;圖10 通過(guò)高色散的準(zhǔn)直透鏡來(lái)優(yōu)化WDL

基于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)色散的透徹分析，華中科技大學(xué)的萬(wàn)助軍等人提出了第三種解決方案，準(zhǔn)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(biāo)，得到準(zhǔn)直透鏡的其他參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)曲線如圖4.20所示，曲線上任意一點(diǎn)給出準(zhǔn)直透鏡的一組參數(shù)：端面角度φ和透鏡長(zhǎng)度L?；谶@些參數(shù)加工準(zhǔn)直透鏡，VOA器件的WDL指標(biāo)將得到優(yōu)化。注意圖11中的端面角度φ均為負(fù)值，因此雙光纖插針與準(zhǔn)直透鏡需要按照?qǐng)D12(d)中的方向進(jìn)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(jù)報(bào)道，在衰減范圍0~20dB和波長(zhǎng)范圍1.53~1.57μm之內(nèi)，測(cè)得最大WDL<0.4dB。

圖11. WDL優(yōu)化之后準(zhǔn)直透鏡參數(shù)之間的關(guān)系

圖12. 通過(guò)調(diào)整準(zhǔn)直透鏡端面角度優(yōu)化WDL指標(biāo)

隨著DWDM技術(shù)的快速發(fā)展，MEMS VOA的在光通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。億源通立足于現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需求以及面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，推出了一系列自主研發(fā)的MEMS技術(shù)產(chǎn)品， 包括1×48通道的MEMS光開(kāi)關(guān)， 與 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光開(kāi)關(guān)模塊，以及MCS模塊等。

公司是一家專(zhuān)注于光通信無(wú)源基礎(chǔ)器件研發(fā)、制造、銷(xiāo)售與服務(wù)于一體的無(wú)源光通信器件OEM/ODM廠商，主要生產(chǎn)和銷(xiāo)售光纖連接類(lèi)產(chǎn)品(光纖連接器、適配器、跳線)，WDM波分復(fù)用器，PLC光分路器，MEMS光開(kāi)關(guān)等核心光無(wú)源基礎(chǔ)器件，廣泛應(yīng)用于光纖到戶、4G/5G移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、國(guó)防通信等領(lǐng)域。

審核編輯：湯梓紅