可调光衰减器的分类原理及应用

1、导语

可调度光衰减器（VOA）在光通讯中具有广泛的运用，其首要功用是用来减低或操控光信号。光网络的最根柢的特性应当是可调，分外是跟着DWDM传输体系和EDFA在光通讯中的运用，在多个光信号传输通道上有必要进行增益平整化或信道功率均衡，在光接纳器端要进做法态饱满的操控，光网络中也还需要对其它信号进行操控，这些都使得VOA变成其间不行或缺的要害器材。此外，VOA商品还具有与其它光通讯组件联络并将其推往高阶模块的特性。

2. 几种多见的VOA简介

2.1. 机械式VOA

该品种型的VOA也有多种详细的完毕办法。图1是挡光型光衰减器的原理图，驱动挡光元件拦在两个准直器之间，完毕光功率的衰减。挡光元件可所以片状或许锥形，后者可通过旋转来推动，而前者需平推或许通过必定机械构造完毕旋转至平推动作的改换。挡光型光衰减器可以制成光纤适配器构造，也可以制成图1所示的在线式构造。

与上面说到的挡光型VOA相似，也有一种机械一电位器办法的EVOA计划。其原理是用步进电机拖动中性梯度滤光片，当光束通过滤光片纷歧样的方位时其输出光功率将按预订的衰减规矩改动，然后抵达调度衰减量的意图。还有一种机械偏光式光衰减器。其根柢原理是从入端口射出的光束被反射片反射到出端口，两头口之间的反射耦合功率由反射片的歪斜视点来操控，然后完毕光衰减的调度。而反射片的歪斜则由多种纷歧样的机理来操控。

机械型光衰减器是较为传统的处理计划，到如今接连，已在体系中运用的VOA大多是用机械的办法来抵达衰减。该类型的光衰减用具有技术老到、光学特性好、低插损、偏振有关损耗小、无需控温等利益；而其缺点在于体积较大、组件多构造杂乱、照料速度不高、难以自动化出产、晦气于集成等。

2.2. 磁光VOA

磁光VOA是运用一些物质在磁场效果下所表现出的光学性质的改动，例如磁致旋光效应（法拉第效应）等亦可完毕光能量的衰减，然后抵达调度光信号的意图。一种典型的偏振无关磁光VOA构造如图2所示。

图2中，其间的（a）是实习的光路，为了非常好地阐明其原理，咱们选用（b）中的镜像光路。当光从双芯光纤的一端入射，经透镜准直后（省掉光束的厚度），进入到双折射晶体（其光轴笔直于纸面），被分红O光和E光两束光，然后进入法拉第旋转器，光从法拉第旋转器出射后被全反射镜反射，再顺次通过法拉第旋转器、双折射晶体和透镜，终究从双芯光纤的另一端输出。因而，通过调制电压操控磁场，可以使进入法拉第旋转器的偏振光的偏振态发作旋转。在法拉第旋转角为0度的状况下，O光依然是O光，E光依然是E光，两束光不平行，不能合在一同，如虚线所示，此刻衰减程度最大；在法拉第旋转角为45度的状况下，总的法拉第旋转角为90度，O光变成E光，E光变成O光，两束光平行，通过透镜调集后合在一同，此刻衰减程度最小。当操控法拉第旋转角在0度和45度之直接连改动时，就可以完毕衰减量的接连调度。

运用资料的磁光效应并联络其它的技术，可以制造出高功用、小规范、高照料及构造相对简略的光衰减器。这是运用分立微光器材技术制造光衰减器的一个有待进一步开发的范畴。

2.3. 液晶VOA

液晶VOA运用了液晶折射率各向异性而闪现出的双折射效应。当施加外电场时，液晶分子取向从头摆放，将会致使其透光特性发作改动，其作业原理如图3所示。

液晶VOA详细的完毕办法如图4所示。由入射光纤入射的光经准直器准直后，进入双折射晶体，被分红偏振态互相笔直的O光和E光，经液晶后，O光变成E光，E光变成O光，再由另一块双折射晶体合束，终究从准直器输出。当液晶资料两头的通明电极上加载电压V时，O光和E光通过液晶后都改动必定的视点，经第二块双折射晶体，每束光又被分红O光和E光，构成了4束光，基地两束终究构成一束从第二块双折射晶体出射，由准直器接纳，别的两束从第二块双折射晶体出射后未被准直器接纳，然后完毕衰减。因而，通过在液晶的两个电极上施加纷歧样的电压操控光强的改动，可以完毕纷歧样的衰减。

液晶VOA可以完毕光衰减器的小型化、高照料化。但一同液晶资料刺进损耗较大，制造技术相对也较杂乱，分外是受环境要素的影响较大，它的利益是本钱低，已有批量商用。其它还有些功用资料在强电场效果下光学特性也会发作改动，例如铌酸锂（LiNbO3）晶体的电光效应，因而这也是有或许运用的一个路径。但因为相似这么的电光效应一般需要数千伏甚至上万伏的强电场，所以运用在光通讯的无源器材范畴有必定绑缚，至今鲜有有关的信息。

2.4. MEMS VOA

MEMS是此范畴中较新的运用技术，通过近几年的翻开，MEMS Chip的出产技术现已趋于老到，有力地推动了MEMS VOA的运用。在光网络中运用，以MEMS技术为根底的商品也具有显着的报价和功用上的优势。MEMS VOA有反射式VOA和衍射式VOA，如图5所示。

反射式VOA的作业原理如图5（a）所示，它是在硅基上制造一块微反射镜。以unblocking型VOA为例。光通过双光纤准直器的一端进入，以必定视点入射到微反射镜上，当施加电压时，微反射镜在静电效果下被改动，倾角改动，入射光的入射视点发作改动，光反射后能量不能彻底耦合进双芯准直器的另一端，抵达调度光强的意图；而未加电压时，微反射镜呈水平状况，光反射后能量彻底耦合进双芯准直器的另一端。

衍射式VOA是依据动态衍射光栅技术，如图5（b）所示。这种动态衍射光栅由平行微栅条阵列构成，微栅条上外表镀以200~300 nm厚的铝膜，起电极和反射光的两层效果，下外表是分外计划的由Si3N4和SiO2膜构成的双簧构造以供应弹性力，其下刻蚀的空气隙厚度与所欲运用的光谱波段有关。当施加电压信号时，在静电力的效果下相间隔的动栅条方位向下移动以发作衍射光栅效应，作业状况如图5（b）所示。通过调度电压来操控一级衍射光然后抵达对光信号衰减量进行调度的意图。这种动态衍射光栅首要在成像及闪现技术中得到运用，它在功用上具有照料速度快、衰减操控精度高、消光系数大、抗疲倦磨损等特征，能被用于制造许多其它光通讯器材的基地部件，如光开关阵列等。

MEMS VOA现已很老到，并已许多出产和计划运用。一同因为制品率的疑问，在报价方面也面临着应战，别的由所以微机电部件，牢靠性相对来说有时不行志趣。前期的MEMS VOA都选用激光焊接的办法，设备投入较大，并且出产功率低、设备本钱高。如今，商场也推出了全胶技术的MEMS VOA，极好地处理了这一疑问。

如今，现已可以大批量出产MEMS VOA的国外厂家首要有：Lightconnect（已被Neophotonics收买）、JDSU、Oplink、Avanex、Santec、Lightwave2020、AFOP等。在国内，高意通讯有限公司现已具有批量出产MEMS VOA的才调，并且具有激光焊接和全胶的技术路径。首要的商品包含单个VOA器材、4通道和8通道VOA模块，如图6所示。

2.5. 热光VOA

热光VOA首要是运用一些资料在温度场中所具有的光学性质改动特性，如温度改动所构成的使的热光资料折射率的改动等。依照构造的纷歧样，首要可以分为两大类，走漏型和开光型VOA。

走漏型热光VOA的原理如图7（a）所示，其原理是首要将有些光纤原有的外皮包层剥除，用热光资料代以构成外皮层。当对该热光资料外皮层施以温度改动时，因为其折射率的改动而致使原有光传输特性即模场直径（MFD）的改动，有有些的光信号能量将从该处逸出（辐射光），然后抵达通过操控温度来调度光衰减量的意图。

关于开光型的热光VOA最典型的即是一种依据Mach-Zehnder干与仪（MZI）的原理，其详细构造如图7（b）所示。首要作业办法是在Mach-Zehnder干与仪的其间一个干与臂上面加上热光资料，并将热光资料置于薄膜加热器上。运用热光效应，使资料的折射率发作改动，然后改动MZI的干与臂的长度，使两臂发作纷歧样的光程差，进一步使得双光束的干与光强发作改动，完毕对光衰减量的操控。MZI型平面光波导VOA体积小，利于高度集成，可是如今其技术还处于翻开和完善中。这种办法有必要对光束进行分束和耦合，这就会引进较大的插损，因而这种VOA功用还较差，封装难度大。

热光VOA因为加热，冷却设备相对杂乱，温度场一光导介质折射率之间的数理函数联络杂乱而不易准确量化和操控，分外是其较长的照料时刻阻遏了其在现代光通讯中的运用。

2.6. 声光VOA

该种衰减器的根柢原理是运用声光晶体在超声波的效果下发作的周期性的应变，然后致使折射率的周期性改动，对等于建立了一块位相光栅，所以即可运用该光栅对光束进行调制。

已有一些公司声称已开宣告选用声光晶体的可调式衰减器（称之为AVOA）。据了解，声光晶体资料的取得没有疑问，不过现时期占整体本钱偏高，约占其间的4-5成。