反射式MEMS VOA在光通信系統(tǒng)中的應用

1 引言

可變光衰減器(Variable Optical Attenuator，VOA)是光纖通信中一種重要的光無源器件，通過衰減傳輸光功率來實現(xiàn)對信號的實時控制，可與光波分復用器(WDM)、分光探測器(TAP PD)、摻鉺光纖放大器(EDFA)等光器件構成ROADM、VMUX、增益平坦EDFA等模塊，還可直接用于光接收機的過載保護。另外，光功率計等儀器儀表的計量、定標，也需要使用到VOA。

隨著VOA在光通信中的應用越來越多，對其功能的要求也越來越高：VOA應能精確地控制光信號的功率，為各通道波長提供穩(wěn)定的衰減量;在動態(tài)網絡節(jié)點上，其響應時間應在ms級;在超長距離DWDM系統(tǒng)中，VOA必須有足夠的靈敏度與可靠性，以補償環(huán)境等外界因素引起信號光功率的變化。

根據制造工藝進行區(qū)分，常見的VOA類型有傳統(tǒng)機械型、液晶型、平面波導型、微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Micromechanical System，MEMS)型、磁光型、高分子可調衍射光柵型和高光電系數(shù)材料型。MEMS VOA有反射式和擋光式兩種，后者的加工工藝復雜，成本高。反射式MEMS VOA在各種技術中比較成熟，兼有響應時間快、體積小、重量輕、功耗低、動態(tài)衰減范圍大、插損小、回損大、精度高等顯著優(yōu)點，已被廣泛地使用。

2 反射式MEMS VOA

反射式MEMS VOA是基于MEMS芯片封裝的微型光器件，設計思想來自于傳統(tǒng)機械型VOA，不同的是驅動裝置由龐大的步進電機變?yōu)殪o電開合橋，靜電梳，翹動結構，壓電驅動等，其工作原理如圖1所示。

圖1 反射式MEMS VOA原理圖

基于MEMS技術的反射式VOA的結構主要分為兩部分。一部分是由雙芯插針和C透鏡等構成的準直器組成，作為光的輸入和反射輸出通道?？蓪Σ遽樞泵娼嵌?、C透鏡曲率半徑和材料等參數(shù)進行優(yōu)化設計，制作出不同指標要求的MEMS VOA。另一部分是MEMS密封件，通過貼片、金絲鍵合、真空封帽等精密工藝將MEMS芯片封裝在穩(wěn)定可靠的密封環(huán)境內。外界施加幾伏或十幾伏的電壓到器件的正負引腳后，由于MEMS芯片的特定構造，在硅基鍍金面與鍍金反射鏡面之間產生靜電力，驅動MEMS芯片反射面發(fā)生微量角度的轉動，從而帶來入射到MEMS芯片鏡面的反射光同步偏移，導致返回光的模場與耦合的單模光纖模場形成失配，產生了衰減。隨著施加電壓的變化，衰減也相應地變化，連續(xù)可調。當正負極間施加反偏電壓時，器件仍能正常地工作。

高精密封裝是MEMS VOA制作的關鍵所在，光迅科技是國內為數(shù)不多的具有獨立封裝制作反射式MEMS VOA的光器件公司，其制作的MEMS VOA器件外形尺寸僅為5.4×25.4mm(不計焊接用引腳長度)。

VOA的技術指標主要包括：工作波長范圍、工作溫度、動態(tài)衰減范圍、插入損耗(IL)、回波損耗(RL)、偏振相關損耗(PDL)、溫度特性和波長相關損耗(WDL)等，光迅科技制造的MEMS VOA主要指標見表1，已達到行業(yè)內同種產品的較高水平。與同類公司相比，光迅的器件還具有更佳的防靜電能力與長期穩(wěn)定性，且能靈活提供不同電壓(5V15V)需求的產品。此外，其重量不到3g，功耗小于5mw，響應時間一般為2~3ms，非常有利于模塊拼接，為光通信系統(tǒng)的小型化和集成化作出了重大的貢獻。

表1 光迅科技MEMS VOA主要性能指標

上表中的偏振相關損耗與溫度相關損耗都是在整個衰減范圍內(0~30dB)測試，波長相關損耗則可以根據需求進行定制。同時，光迅科技還提供具備斷電保護功能的Dark型MEMS VOA，零伏復位衰減可以達到45dB以上，能滿足更多光通信線路的應用。

3 MEMS VOA的模塊級應用

正如電路的高度集成化一樣，光通信系統(tǒng)未來的發(fā)展方向必然也是模組化與封裝小型化，這就對構成光系統(tǒng)的元器件提出了小型化和模塊化的要求。封裝結構緊湊的MEMS VOA應運而生，它除了單通道的應用外，還經常與其它光器件一起組成模塊使用，具體包括：與可重構的光分插復用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM)組成增益均衡ROADM，與MUX(Multiplexer)組成增益平衡VMUX模塊結構，與EDFA組成增益平衡放大器，與放大自發(fā)輻射(ASE)光源組成增益控制器，等等。

3.1 低成本OADM模塊

作為當前光纖通信網絡的一種重要的節(jié)點設備，OADM無需光電轉換即可實現(xiàn)從環(huán)路中上/下載一路或多路波長信道。使用OADM可以減少光信道上信息的處理和等待時間，減少節(jié)點上設備的復雜性，且可使光信號透明地傳輸和上/下載不同光波長的信息或各種業(yè)務。

在ROADM的產業(yè)化遭受成本瓶頸時，針對運營商對網絡業(yè)務比較完善的規(guī)劃，光迅科技推出了各種低成本的OADM模塊。該系列產品結構簡單，可選擇性地預留升級端口，支持靈活的擴展升級功能，上下路波長較少時成本低，具備通道功率均衡能力，可對上下路功率進行實時監(jiān)測。

模塊的外形尺寸為：138×130×17.8mm，適用于100GHz系統(tǒng)，同時上下8路固定的波長，并預留上下其它波長的升級口。模塊由DWDM(100GHz)、TAP-PD和MEMS VOA集成，其光路如下圖4所示。

圖4 光迅科技OADM模塊原理圖

DWDM和TAP-PD的制作技術已非常成熟且相對固定，采用MEMS VOA，使得低成本OADM模塊具備優(yōu)越的指標：所有下路IL都小于4.6dB，所有上路IL都小于5.6dB，另兩個通路的IL均小于4.2dB，回損大于40dB。偏振模色散(PMD)小于0.1ps，響應時間小于5ms，驅動電壓統(tǒng)一為5VDC，整個模塊的功耗不超過100mW。

不論是OADM還是ROADM結構，由于每個波長來自不同的網絡，因此接受功率各不相同，必須借助小型化封裝的MEMS VOA和TAP PD，以確保各信道功率的均衡。