可变光衰减器(VOA)的技术比较_【光纤测试】

可变光衰减器包括机械式技术、可调衍射光栅技术、MEMS技术、液晶技术、磁光技术、平面光波导技术等。...

一，可变光衰减器的原理分类

可变光衰减器包括机械式技术、可调衍射光栅技术、MEMS技术、液晶技术、磁光技术、平面光波导技术等。

机械式VOA

该种类型的VOA也有多种具体的实现方式。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，实现光功率的衰减。挡光元件可以是片状或者锥形，后者可通过旋转来推进，而前者需平推或者通过一定机械结构实现旋转至平推动作的转换。挡光型光衰减器可以制成光纤适配器结构，也可以制成图所示的在线式结构。

与上面提到的挡光型VOA类似，也有一种机械一电位器形式的EVOA方案。其原理是用步进电机拖动中性梯度滤光片，当光束通过滤光片不同的位置时其输出光功率将按预定的衰减规律变化，从而达到调节衰减量的目的。还有一种机械偏光式光衰减器。其基本原理是从入端口射出的光束被反射片反射到出端口，两端口之间的反射耦合效率由反射片的倾斜角度来控制，从而实现光衰减的调节。而反射片的倾斜则由多种不同的机理来控制。

机械型光衰减器是较为传统的解决方案，到目前为止，已在系统中应用的VOA大多是用机械的方法来达到衰减。该类型的光衰减器具有工艺成熟、光学特性好、低插损、偏振相关损耗小、无需控温等优点；而其缺点在于体积较大、组件多结构复杂、响应速度不高、难以自动化生产、不利于集成等。

高分子可调衍射光栅VOA

高分子可调衍射光栅的制作基于一种薄膜表面调制技术。起初，这种技术的开发是为了替代放映机和投影仪中的液晶显示屏(LCD)和数字光处理器(DLP)。这种可调衍射光栅(图1)的顶层是玻璃，下面一层是铟锡氧化物(ITO)，中间是空气、聚合物和ITO阵列，底层是玻璃基底。在未加电信号时，空气与聚合物层的交界面是与结构表面平行的平面。当入射光进入该平面时，不发生衍射。在加电信号后，空气和聚合物的界面随电极阵列的分布而发生周期变化，形成了正弦光栅。当入射光入射至该表面时，形成衍射。施加不同的电信号可以形成不同相位调制度的正弦光栅。

高分子可调衍射光栅。

采用高分子可调衍射光栅的VOA的工作机制是：通过调制表面一层薄的聚合物，使其表面近似为正弦形状，形成正弦光栅。利用这种技术，可以制作出一种周期为10微米，表面高度h随施加的电信号变化并且最高可到300纳米的正弦光栅。当光入射到被调制的表面上时，形成衍射。施加不同的电信号改变正弦光栅的振幅，即改变h时，可以得到不同的相位调制度，而不同相位调制度下的衍射光强的分布是不同的。当相位调制度由零逐渐变大时，衍射光强度从零级向更高衍射级的光转移。这种调制可以使零级光的光强从100%连续的改变到0%，从而，实现对衰减量的控制。并且这种调制的响应时间非常快，在微秒级。

磁光VOA

磁光VOA是利用一些物质在磁场作用下所表现出的光学性质的变化，例如利用磁致旋光效应(法拉第效应)实现光能量的衰减，从而达到调节光信号的目的。一种典型的偏振无关磁光VOA结构如图2左图所示。

偏振无关磁光VOA结构和光路。

图2右图将左图中的镜像光路画在右侧，以利于原理的分析解释。当光从双芯光纤的一端入射，经透镜准直后(略去光束的厚度)，进入到双折射晶体(其光轴垂直于纸面)，被分成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，再依次通过法拉第旋转器、双折射晶体和透镜，最后从双芯光纤的另一端输出。因此，通过调制电压控制磁场，可以使进入法拉第旋转器的偏振光的偏振态发生旋转。在法拉第旋转角为0度的情况下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，两束光不平行，不能合在一起，如图虚线所示，此时衰减程度最大;在法拉第旋转角为45度的情况下，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，通过透镜聚焦后合在一起，此时衰减程度最小。

液晶VOA

液晶VOA利用了液晶折射率各向异性而显示出的双折射效应。当施加外电场时，液晶分子取向重新排列，将会导致其透光特性发生变化(图3)。

液晶加电前后透光性的变化。

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，被分成偏振态相互垂直的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，最后从准直器输出。当液晶材料加载电压V时，O光和E光经过液晶后都改变一定的角度，经第二块双折射晶体，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中间两束最后合成一束从第二块双折射晶体出射，由准直器接收，另外两束从第二块双折射晶体出射后未被准直器接收，从而实现衰减。因此，通过在液晶的两个电极上施加不同的电压控制光强的变化，可以实现不同的衰减。

液晶VOA原理。

MEMSVOA

MEMSVOA有反射式VOA和衍射式VOA(图5)。

MEMSVOA的结构。

反射式VOA是在硅基上制作一块微反射镜。光经双芯准直器的一端进入，以一定角度入射到微反射镜上，当施加电压时，微反射镜在静电作用下被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，光反射后能量不能完全耦合进双芯准直器的另一端，达到调节光强的目的;而未加电压时，微反射镜呈水平状态，光反射后能量完全耦合进双芯准直器的另一端。

衍射式VOA基于动态衍射光栅技术。当施加电压时，在静电作用下相同间隔的动栅条位置向下移动产生衍射光栅效应，通过电压调节来控制一级衍射光从而达到调节光信号衰减量的目的。

平面光波导VOA

平面光波导VOA也有两种。

一种是基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)原理，并利用热光效应，使材料的折射率发生变化，从而改变MZI的干涉臂的长度，使两臂产生不同的光程差，实现对光衰减量的控制(图6)。这种方法必须对光束进行分束和耦合，这就会引入较大的插入损耗。

基于MZI原理的平面光波导VOA

另一种直接基于电吸收(EA)调制，利用载流子注入改变吸收系数来实现光功率的衰减。如图7所示，在PN结之间加入一层单模光波导层，当未加电时，从光纤出射的单模光，进入单模光波导层后，仍然是传导模，被限制在这一层中继续传播，并从另一光纤输出;当加载电压时，由于载流子的注入，单模光波导的吸收系数增大，从而部分光被吸收掉。并且随着电压的增加，流过PN结的电流也随着增加，使得更多的光子被吸收，衰减增大。

利用电吸收调制的平面光波VOA

高光电系数材料VOA

这种VOA采用的是特殊的陶瓷光电材料，类似铌酸锂(LiNbO3),不过比铌酸锂有更大的光电系数。利用这种光电系数足够大的材料制作VOA，不需要做成波导，可以做成自由空间结构，就像隔离器那样。如图8所示，光经由输入准直器端导入，通过由特殊光电材料做成的一块元件，然后从输出准直器输出。调节加在光电材料元件上的电压，使得它的折射率发生改变，从而实现衰减。

使用高光电系数材料制作VOA

二，各种技术的比较

随着VOA在光通信中的应用越来越多，对其功能的要求也越来高。VOA应能精确地控制光信号的功率，为所有通信波长提供稳定的衰减量;在超长距离DWDM系统中，VOA还必须对随环境影响而逐渐变化的信号有反应;在动态网络节点上，VOA的响应时间应在ms级。VOA的技术指标主要包括：工作波长范围、动态范围、插入损耗、偏振相关损耗、响应时间、温度特性、工作温度等。下面就各种技术做一简单比较，见表1。

高分子可调衍射光栅VOA阵列的制作工艺简单，性能好，动态范围可达20dB，插损小，响应时间快，受环境温度影响小，无须温度补偿，并且带有光功率监控，具有较高的性价比。

磁光VOA由于磁光晶体对光束偏振态的改变受环境温度的影响，温度特性较差，需要温度补偿。另外，在磁光晶体的磁化没有达到饱和时，磁光晶体里面会产生许多磁畴。磁畴的存在造成可变光衰减器的衰减效果的可重复性变差，即使能够保持良好的可重复性，也难以产生衰减的平稳变化;还由于磁畴边界表面散射的存在，使得衰减较难控制。目前市场上能提供这一类产品的公司较少，它的优点是响应时间非常快，已有小批量商用。

液晶VOA由于液晶很容易受环境温度的影响，因而温度特性很差，使用时需要辅以温度校准，另一个缺点是它在低温时响应时间很慢。它的优点是成本低，已有批量商用。

MEMS　VOA已经很成熟，并已大量生产和规模应用。该产品受环境温度的影响也较大，需温度补偿。同时因为成品率的问题，在价格方面面临着挑战，另外由于是微机电部件，可靠性有时不够理想。

MZI型平面光波导VOA体积小，利于高度集成，但是目前其工艺还处于发展和完善中，性能还较差，封装难度大。EA型平面光波导VOA要求对载流子浓度的改变很大，调制区域很长，所以会增加器件的体积和功耗，并且这种VOA也是温度相关的，但它有响应时间非常快的优点，甚至能够当低速调制器使用。并且由于集成化的巨大优势，随着技术的发展和成熟，相信平面光波导VOA将会被越来越被广泛地应用。

自由空间光电材料VOA响应时间很快，能承受大功率，现已得到了一些应用。由于其可以做成自由空间的结构，可以很好的利用目前比较成熟的微光学器件平台。但因为它采用的材料较特殊，目前价格比较高。