一，可變光衰減器的原理分類

可變光衰減器包括機械式技術(shù)、可調(diào)衍射光柵技術(shù)、MEMS技術(shù)、液晶技術(shù)、磁光技術(shù)、平面光波導(dǎo)技術(shù)等。

機械式VOA

該種類型的VOA也有多種具體的實現(xiàn)方式。圖1是擋光型光衰減器的原理圖，驅(qū)動擋光元件攔在兩個準(zhǔn)直器之間，實現(xiàn)光功率的衰減。擋光元件可以是片狀或者錐形，后者可通過旋轉(zhuǎn)來推進(jìn)，而前者需平推或者通過一定機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)至平推動作的轉(zhuǎn)換。擋光型光衰減器可以制成光纖適配器結(jié)構(gòu)，也可以制成圖所示的在線式結(jié)構(gòu)。

與上面提到的擋光型VOA類似，也有一種機械一電位器形式的EVOA方案。其原理是用步進(jìn)電機拖動中性梯度濾光片，當(dāng)光束通過濾光片不同的位置時其輸出光功率將按預(yù)定的衰減規(guī)律變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)衰減量的目的。還有一種機械偏光式光衰減器。其基本原理是從入端口射出的光束被反射片反射到出端口，兩端口之間的反射耦合效率由反射片的傾斜角度來控制，從而實現(xiàn)光衰減的調(diào)節(jié)。而反射片的傾斜則由多種不同的機理來控制。

機械型光衰減器是較為傳統(tǒng)的解決方案，到目前為止，已在系統(tǒng)中應(yīng)用的VOA大多是用機械的方法來達(dá)到衰減。該類型的光衰減器具有工藝成熟、光學(xué)特性好、低插損、偏振相關(guān)損耗小、無需控溫等優(yōu)點；而其缺點在于體積較大、組件多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度不高、難以自動化生產(chǎn)、不利于集成等。

高分子可調(diào)衍射光柵VOA

高分子可調(diào)衍射光柵的制作基于一種薄膜表面調(diào)制技術(shù)。起初，這種技術(shù)的開發(fā)是為了替代放映機和投影儀中的液晶顯示屏(LCD)和數(shù)字光處理器(DLP)。這種可調(diào)衍射光柵(圖1)的頂層是玻璃，下面一層是銦錫氧化物(ITO)，中間是空氣、聚合物和ITO陣列，底層是玻璃基底。在未加電信號時，空氣與聚合物層的交界面是與結(jié)構(gòu)表面平行的平面。當(dāng)入射光進(jìn)入該平面時，不發(fā)生衍射。在加電信號后，空氣和聚合物的界面隨電極陣列的分布而發(fā)生周期變化，形成了正弦光柵。當(dāng)入射光入射至該表面時，形成衍射。施加不同的電信號可以形成不同相位調(diào)制度的正弦光柵。

高分子可調(diào)衍射光柵。

采用高分子可調(diào)衍射光柵的VOA的工作機制是：通過調(diào)制表面一層薄的聚合物，使其表面近似為正弦形狀，形成正弦光柵。利用這種技術(shù)，可以制作出一種周期為10微米，表面高度h隨施加的電信號變化并且最高可到300納米的正弦光柵。當(dāng)光入射到被調(diào)制的表面上時，形成衍射。施加不同的電信號改變正弦光柵的振幅，即改變h時，可以得到不同的相位調(diào)制度，而不同相位調(diào)制度下的衍射光強的分布是不同的。當(dāng)相位調(diào)制度由零逐漸變大時，衍射光強度從零級向更高衍射級的光轉(zhuǎn)移。這種調(diào)制可以使零級光的光強從100%連續(xù)的改變到0%，從而，實現(xiàn)對衰減量的控制。并且這種調(diào)制的響應(yīng)時間非?？欤谖⒚爰?。

磁光VOA

磁光VOA是利用一些物質(zhì)在磁場作用下所表現(xiàn)出的光學(xué)性質(zhì)的變化，例如利用磁致旋光效應(yīng)(法拉第效應(yīng))實現(xiàn)光能量的衰減，從而達(dá)到調(diào)節(jié)光信號的目的。一種典型的偏振無關(guān)磁光VOA結(jié)構(gòu)如圖2左圖所示。

偏振無關(guān)磁光VOA結(jié)構(gòu)和光路。

圖2右圖將左圖中的鏡像光路畫在右側(cè)，以利于原理的分析解釋。當(dāng)光從雙芯光纖的一端入射，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后(略去光束的厚度)，進(jìn)入到雙折射晶體(其光軸垂直于紙面)，被分成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，再依次通過法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體和透鏡，最后從雙芯光纖的另一端輸出。因此，通過調(diào)制電壓控制磁場，可以使進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)器的偏振光的偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在法拉第旋轉(zhuǎn)角為0度的情況下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，兩束光不平行，不能合在一起，如圖虛線所示，此時衰減程度最大;在法拉第旋轉(zhuǎn)角為45度的情況下，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，通過透鏡聚焦后合在一起，此時衰減程度最小。

液晶VOA

液晶VOA利用了液晶折射率各向異性而顯示出的雙折射效應(yīng)。當(dāng)施加外電場時，液晶分子取向重新排列，將會導(dǎo)致其透光特性發(fā)生變化(圖3)。

液晶加電前后透光性的變化。

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，被分成偏振態(tài)相互垂直的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，最后從準(zhǔn)直器輸出。當(dāng)液晶材料加載電壓V時，O光和E光經(jīng)過液晶后都改變一定的角度，經(jīng)第二塊雙折射晶體，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中間兩束最后合成一束從第二塊雙折射晶體出射，由準(zhǔn)直器接收，另外兩束從第二塊雙折射晶體出射后未被準(zhǔn)直器接收，從而實現(xiàn)衰減。因此，通過在液晶的兩個電極上施加不同的電壓控制光強的變化，可以實現(xiàn)不同的衰減。

液晶VOA原理。

MEMSVOA

MEMSVOA有反射式VOA和衍射式VOA(圖5)。

MEMSVOA的結(jié)構(gòu)。

反射式VOA是在硅基上制作一塊微反射鏡。光經(jīng)雙芯準(zhǔn)直器的一端進(jìn)入，以一定角度入射到微反射鏡上，當(dāng)施加電壓時，微反射鏡在靜電作用下被扭轉(zhuǎn)，傾角改變，入射光的入射角度發(fā)生改變，光反射后能量不能完全耦合進(jìn)雙芯準(zhǔn)直器的另一端，達(dá)到調(diào)節(jié)光強的目的;而未加電壓時，微反射鏡呈水平狀態(tài)，光反射后能量完全耦合進(jìn)雙芯準(zhǔn)直器的另一端。

衍射式VOA基于動態(tài)衍射光柵技術(shù)。當(dāng)施加電壓時，在靜電作用下相同間隔的動?xùn)艞l位置向下移動產(chǎn)生衍射光柵效應(yīng)，通過電壓調(diào)節(jié)來控制一級衍射光從而達(dá)到調(diào)節(jié)光信號衰減量的目的。

平面光波導(dǎo)VOA

平面光波導(dǎo)VOA也有兩種。

一種是基于Mach-Zehnder干涉儀(MZI)原理，并利用熱光效應(yīng)，使材料的折射率發(fā)生變化，從而改變MZI的干涉臂的長度，使兩臂產(chǎn)生不同的光程差，實現(xiàn)對光衰減量的控制(圖6)。這種方法必須對光束進(jìn)行分束和耦合，這就會引入較大的插入損耗。

基于MZI原理的平面光波導(dǎo)VOA

另一種直接基于電吸收(EA)調(diào)制，利用載流子注入改變吸收系數(shù)來實現(xiàn)光功率的衰減。如圖7所示，在PN結(jié)之間加入一層單模光波導(dǎo)層，當(dāng)未加電時，從光纖出射的單模光，進(jìn)入單模光波導(dǎo)層后，仍然是傳導(dǎo)模，被限制在這一層中繼續(xù)傳播，并從另一光纖輸出;當(dāng)加載電壓時，由于載流子的注入，單模光波導(dǎo)的吸收系數(shù)增大，從而部分光被吸收掉。并且隨著電壓的增加，流過PN結(jié)的電流也隨著增加，使得更多的光子被吸收，衰減增大。

利用電吸收調(diào)制的平面光波VOA

高光電系數(shù)材料VOA

這種VOA采用的是特殊的陶瓷光電材料，類似鈮酸鋰(LiNbO3),不過比鈮酸鋰有更大的光電系數(shù)。利用這種光電系數(shù)足夠大的材料制作VOA，不需要做成波導(dǎo)，可以做成自由空間結(jié)構(gòu)，就像隔離器那樣。如圖8所示，光經(jīng)由輸入準(zhǔn)直器端導(dǎo)入，通過由特殊光電材料做成的一塊元件，然后從輸出準(zhǔn)直器輸出。調(diào)節(jié)加在光電材料元件上的電壓，使得它的折射率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)衰減。

使用高光電系數(shù)材料制作VOA

二，各種技術(shù)的比較

隨著VOA在光通信中的應(yīng)用越來越多，對其功能的要求也越來高。VOA應(yīng)能精確地控制光信號的功率，為所有通信波長提供穩(wěn)定的衰減量;在超長距離DWDM系統(tǒng)中，VOA還必須對隨環(huán)境影響而逐漸變化的信號有反應(yīng);在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，VOA的響應(yīng)時間應(yīng)在ms級。VOA的技術(shù)指標(biāo)主要包括：工作波長范圍、動態(tài)范圍、插入損耗、偏振相關(guān)損耗、響應(yīng)時間、溫度特性、工作溫度等。下面就各種技術(shù)做一簡單比較，見表1。

高分子可調(diào)衍射光柵VOA陣列的制作工藝簡單，性能好，動態(tài)范圍可達(dá)20dB，插損小，響應(yīng)時間快，受環(huán)境溫度影響小，無須溫度補償，并且?guī)в泄夤β时O(jiān)控，具有較高的性價比。

磁光VOA由于磁光晶體對光束偏振態(tài)的改變受環(huán)境溫度的影響，溫度特性較差，需要溫度補償。另外，在磁光晶體的磁化沒有達(dá)到飽和時，磁光晶體里面會產(chǎn)生許多磁疇。磁疇的存在造成可變光衰減器的衰減效果的可重復(fù)性變差，即使能夠保持良好的可重復(fù)性，也難以產(chǎn)生衰減的平穩(wěn)變化;還由于磁疇邊界表面散射的存在，使得衰減較難控制。目前市場上能提供這一類產(chǎn)品的公司較少，它的優(yōu)點是響應(yīng)時間非常快，已有小批量商用。

液晶VOA由于液晶很容易受環(huán)境溫度的影響，因而溫度特性很差，使用時需要輔以溫度校準(zhǔn)，另一個缺點是它在低溫時響應(yīng)時間很慢。它的優(yōu)點是成本低，已有批量商用。

MEMSVOA已經(jīng)很成熟，并已大量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用。該產(chǎn)品受環(huán)境溫度的影響也較大，需溫度補償。同時因為成品率的問題，在價格方面面臨著挑戰(zhàn)，另外由于是微機電部件，可靠性有時不夠理想。

MZI型平面光波導(dǎo)VOA體積小，利于高度集成，但是目前其工藝還處于發(fā)展和完善中，性能還較差，封裝難度大。EA型平面光波導(dǎo)VOA要求對載流子濃度的改變很大，調(diào)制區(qū)域很長，所以會增加器件的體積和功耗，并且這種VOA也是溫度相關(guān)的，但它有響應(yīng)時間非?？斓膬?yōu)點，甚至能夠當(dāng)?shù)退僬{(diào)制器使用。并且由于集成化的巨大優(yōu)勢，隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，相信平面光波導(dǎo)VOA將會被越來越被廣泛地應(yīng)用。

自由空間光電材料VOA響應(yīng)時間很快，能承受大功率，現(xiàn)已得到了一些應(yīng)用。由于其可以做成自由空間的結(jié)構(gòu)，可以很好的利用目前比較成熟的微光學(xué)器件平臺。但因為它采用的材料較特殊，目前價格比較高。

審核編輯：湯梓紅