為(wei) 了實現DWDM係統的長距離高速無誤碼傳(chuan) 輸，必須使各通道信號光功率一致，即需要對多通道光功率進行監控和均衡。因此出現了動態信道均衡器(DCE)、可調功率光複用器(VMUX)、光分插複用器(OADM)等光器件，這些器件的核心部件都是陣列可變光衰減器(VOA)。靈活地調節VOA，可以使各個(ge) 通道的功率處於(yu) 理想的大小。

　　近年來，出現了多種製造可變光衰減器的新技術，包括可調衍射光柵技術、MEMS技術、液晶技術、磁光技術、平麵光波導技術等。

　　高分子可調衍射光柵VOA

　　高分子可調衍射光柵的製作基於(yu) 一種薄膜表麵調製技術。起初，這種技術的開發是為(wei) 了替代放映機和投影儀(yi) 中的液晶顯示屏(LCD)和數字光處理器(DLP)。這種可調衍射光柵(圖1)的頂層是玻璃，下麵一層是銦錫氧化物(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(yu) 聚合物層的交界麵是與(yu) 結構表麵平行的平麵。當入射光進入該平麵時，不發生衍射。在加電信號後，空氣和聚合物的界麵隨電極陣列的分布而發生周期變化，形成了正弦光柵。當入射光入射至該表麵時，形成衍射。施加不同的電信號可以形成不同相位調製度的正弦光柵。

　　高分子可調衍射光柵。

　　采用高分子可調衍射光柵的VOA的工作機製是：通過調製表麵一層薄的聚合物，使其表麵近似為(wei) 正弦形狀，形成正弦光柵。利用這種技術，可以製作出一種周期為(wei) 10微米，表麵高度h隨施加的電信號變化並且最高可到300納米的正弦光柵。當光入射到被調製的表麵上時，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製度，而不同相位調製度下的衍射光強的分布是不同的。當相位調製度由零逐漸變大時，衍射光強度從(cong) 零級向更高衍射級的光轉移。這種調製可以使零級光的光強從(cong) 100%連續的改變到0%，從(cong) 而，實現對衰減量的控製。並且這種調製的響應時間非常快，在微秒級。

　　磁光VOA

　　磁光VOA是利用一些物質在磁場作用下所表現出的光學性質的變化，例如利用磁致旋光效應(法拉第效應)實現光能量的衰減，從(cong) 而達到調節光信號的目的。一種典型的偏振無關(guan) 磁光VOA結構如圖2左圖所示。

　　偏振無關(guan) 磁光VOA結構和光路。

　　圖2右圖將左圖中的鏡像光路畫在右側(ce) ，以利於(yu) 原理的分析解釋。當光從(cong) 雙芯#p#分頁標題#e#光纖的一端入射，經透鏡準直後(略去光束的厚度)，進入到雙折射晶體(ti) (其光軸垂直於(yu) 紙麵)，被分成O光和E光兩(liang) 束光，然後進入法拉第旋轉器，光從(cong) 法拉第旋轉器出射後被全反射鏡反射，再依次通過法拉第旋轉器、雙折射晶體(ti) 和透鏡，最後從(cong) 雙芯光纖的另一端輸出。因此，通過調製電壓控製磁場，可以使進入法拉第旋轉器的偏振光的偏振態發生旋轉。在法拉第旋轉角為(wei) 0度的情況下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，兩(liang) 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;在法拉第旋轉角為(wei) 45度的情況下，總的法拉第旋轉角為(wei) 90度，O光變成E光，E光變成O光，兩(liang) 束光平行，通過透鏡聚焦後合在一起，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。當施加外電場時，液晶分子取向重新排列，將會(hui) 導致其透光特性發生變化(圖3)。

　　液晶加電前後透光性的變化。

　　如圖4所示，由入射光纖入射的光經準直器準直後，進入雙折射晶體(ti) ，被分成偏振態相互垂直的O光和E光，經液晶後，O光變成E光，E光變成O光，再由另一塊雙折射晶體(ti) 合束，最後從(cong) 準直器輸出。當液晶材料加載電壓V時，O光和E光經過液晶後都改變一定的角度，經第二塊雙折射晶體(ti) ，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中間兩(liang) 束最後合成一束從(cong) 第二塊雙折射晶體(ti) 出射，由準直器接收，另外兩(liang) 束從(cong) 第二塊雙折射晶體(ti) 出射後未被準直器接收，從(cong) 而實現衰減。因此，通過在液晶的兩(liang) 個(ge) 電極上施加不同的電壓控製光強的變化，可以實現不同的衰減。

　　液晶VOA原理。

　　MEMSVOA

　　MEMSVOA有反射式VOA和衍射式VOA(圖5)。

 　　MEMSVOA的結構。

　　反射式VOA是在矽基上製作一塊微反射鏡。光經雙芯準直器的一端進入，以一定角度入射到微反射鏡上，當施加電壓時，微反射鏡在靜電作用下被扭轉，傾(qing) 角改變，入射光的入射角度發生改變，光反射後能量不能完全耦合進雙芯準直器的另一端，達到調節光強的目的;而未加電壓時，微反射鏡呈水平狀態，光反射後能量完全耦合進雙芯準直器的另一端。

　　衍射式VOA基於(yu) 動態衍射光柵技術。當施加電壓時，在靜電作用下相同間隔的動柵條位置向下移動產(chan) 生衍射光柵效應，通過電壓調節來控製一級衍射光從(cong) 而達到調節光信號衰減量的目的。

　　#p#分頁標題#e#平麵光波導VOA

　　平麵光波導VOA也有兩(liang) 種。

　　一種是基於(yu) Mach-Zehnder幹涉儀(yi) (MZI)原理，並利用熱光效應，使材料的折射率發生變化，從(cong) 而改變MZI的幹涉臂的長度，使兩(liang) 臂產(chan) 生不同的光程差，實現對光衰減量的控製(圖6)。這種方法必須對光束進行分束和耦合，這就會(hui) 引入較大的插入損耗。

　　基於(yu) MZI原理的平麵光波導VOA

　　另一種直接基於(yu) 電吸收(EA)調製，利用載流子注入改變吸收係數來實現光功率的衰減。如圖7所示，在PN結之間加入一層單模光波導層，當未加電時，從(cong) 光纖出射的單模光，進入單模光波導層後，仍然是傳(chuan) 導模，被限製在這一層中繼續傳(chuan) 播，並從(cong) 另一光纖輸出;當加載電壓時，由於(yu) 載流子的注入，單模光波導的吸收係數增大，從(cong) 而部分光被吸收掉。並且隨著電壓的增加，流過PN結的電流也隨著增加，使得更多的光子被吸收，衰減增大。

　　利用電吸收調製的平麵光波VOA

　　高光電係數材料VOA

　　這種VOA采用的是特殊的陶瓷光電材料，類似铌酸鋰(LiNbO3),不過比铌酸鋰有更大的光電係數。利用這種光電係數足夠大的材料製作VOA，不需要做成波導，可以做成自由空間結構，就像隔離器那樣。如圖8所示，光經由輸入準直器端導入，通過由特殊光電材料做成的一塊元件，然後從(cong) 輸出準直器輸出。調節加在光電材料元件上的電壓，使得它的折射率發生改變，從(cong) 而實現衰減。

　　使用高光電係數材料製作VOA

　　各種技術的比較

　　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高。VOA應能精確地控製光信號的功率，為(wei) 所有通信波長提供穩定的衰減量;在超長距離DWDM係統中，VOA還必須對隨環境影響而逐漸變化的信號有反應;在動態網絡節點上，VOA的響應時間應在ms級。VOA的技術指標主要包括：工作波長範圍、動態範圍、插入損耗、偏振相關(guan) 損耗、響應時間、溫度特性、工作溫度等。下麵就各種技術做一簡單比較，見表1。#p#分頁標題#e#

　　高分子可調衍射光柵VOA陣列的製作工藝簡單，性能好，動態範圍可達20dB，插損小，響應時間快，受環境溫度影響小，無須溫度補償(chang) ，並且帶有光功率監控，具有較高的性價(jia) 比。

　　磁光VOA由於(yu) 磁光晶體(ti) 對光束偏振態的改變受環境溫度的影響，溫度特性較差，需要溫度補償(chang) 。另外，在磁光晶體(ti) 的磁化沒有達到飽和時，磁光晶體(ti) 裏麵會(hui) 產(chan) 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複性變差，即使能夠保持良好的可重複性，也難以產(chan) 生衰減的平穩變化;還由於(yu) 磁疇邊界表麵散射的存在，使得衰減較難控製。目前市場上能提供這一類產(chan) 品的公司較少，它的優(you) 點是響應時間非常快，已有小批量商用。

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

　　MEMS　VOA已經很成熟，並已大量生產(chan) 和規模應用。該產(chan) 品受環境溫度的影響也較大，需溫度補償(chang) 。同時因為(wei) 成品率的問題，在價(jia) 格方麵麵臨(lin) 著挑戰，另外由於(yu) 是微機電部件，可靠性有時不夠理想。

　　MZI型平麵光波導VOA體(ti) 積小，利於(yu) 高度集成，但是目前其工藝還處於(yu) 發展和完善中，性能還較差，封裝難度大。EA型平麵光波導VOA要求對載流子濃度的改變很大，調製區域很長，所以會(hui) 增加器件的體(ti) 積和功耗，並且這種VOA也是溫度相關(guan) 的，但它有響應時間非常快的優(you) 點，甚至能夠當低速調製器使用。並且由於(yu) 集成化的巨大優(you) 勢，隨著技術的發展和成熟，相信平麵光波導VOA將會(hui) 被越來越被廣泛地應用。

　　自由空間光電材料VOA響應時間很快，能承受大功率，現已得到了一些應用。由於(yu) 其可以做成自由空間的結構，可以很好的利用目前比較成熟的微光學器件平台。但因為(wei) 它采用的材料較特殊，目前價(jia) 格比較高。

　　結束語

　　可變光衰減器(VOA)是光通信係統中重要的光器件之一。長期以來，它一直停留在機械式水平，因為(wei) 體(ti) 積大不利於(yu) 集成，它一般隻適合於(yu) 單通道衰減方式。隨著DWDM係統的發展，以及市場對可靈活升級的可重構光分插複用器(ROADM)的潛在的巨大需求，越來越需要通道數多而體(ti) 積小的可變光衰減器陣列。傳(chuan) 統的機械方式已不能解決(jue) 這些難題。隨著光纖網絡的發展，VOA的發展趨勢是：低成本、高集成、響應時間快以及和其他光通信器件的混合集成。

　　目前，生產(chan) VOA的國外廠家主要有：Lightconnect、JDSU、Avanex、Dicon、NTT、Bookham、Kotura、Oplink、BATI、Dupont、Lightwave2020、AFOP等。在國內(nei) ，光迅科技能生產(chan) 並提供多種類型的VOA，另外還有一些公司也在開發不同類型的VOA。為(wei) 了適應市場對VOA陣列的需求，光迅最近已經成功開發出4通道的高分子衍射光柵VOA陣列。

（ 本文作者：周日凱、劉文、羅勇、胡強高、孫莉萍、吳曉平　光迅科技股份有限公司  ）