MEMS微鏡型VOA

如圖2所示為基于MEMS扭鏡的VOA結(jié)構(gòu)，它以雙光纖準(zhǔn)直器的兩根尾纖作為輸入／輸出端口，準(zhǔn)直光束被MEMS微鏡反射偏轉(zhuǎn)，從而聯(lián)通輸入／輸出端口之間的光路。扭動(dòng)微鏡讓光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光功率的衰減。

 

圖2． 基于MEMS扭鏡的VOA結(jié)構(gòu)

 

MEMS扭鏡通常有兩種結(jié)構(gòu)，即平板電極和梳齒電極，如圖3所示?？紤]0～20dB的衰減范圍，前者通常需要＞10V的驅(qū)動(dòng)電壓，后者可將驅(qū)動(dòng)電壓降至5V以下。然而，僅僅一個(gè)微小的粉塵顆粒就會(huì)卡住梳齒電極，因此其生產(chǎn)良率較低。采用梳齒電極的MEMS微鏡，通常需要在超凈環(huán)境下封裝。

 

圖3． 兩類MEMS扭鏡：平板電極和梳齒電極

 

MEMS微鏡型VOA中的WDL問(wèn)題

基于MEMS shutter和MEMS微鏡的VOA均有廣泛應(yīng)用，前者性能指標(biāo)較好，但裝配工藝相對(duì)復(fù)雜；后者易于裝配但WDL（波長(zhǎng)相關(guān)損耗）相對(duì)較大。在寬帶應(yīng)用中，此類VOA會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)產(chǎn)生不同的衰減量，此現(xiàn)象定義為WDL。寬帶應(yīng)用中，要求WDL指標(biāo)越小越好。

 

WDL問(wèn)題源于單模光纖SMF中的模場(chǎng)色散，我們知道，光纖中的不同波長(zhǎng)具有不同的模場(chǎng)直徑，長(zhǎng)波的模場(chǎng)直徑更大一些。圖4所示為光纖中模場(chǎng)的色散情況。

 

圖4． 光纖中模場(chǎng)色散情況

 

如圖4所示，光束被MEMS微鏡反射偏轉(zhuǎn)，不同波長(zhǎng)的的光斑均偏離出射光纖的纖芯。在未經(jīng)優(yōu)化的VOA中，所有波長(zhǎng)的光斑具有相同的偏移量。如式（1），衰減量A取決于偏移量X和模場(chǎng)半徑ω。
 

 

 （1）在一個(gè)相對(duì)有限的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，如C波段（1．53～1．57μm），單模光纖中的模場(chǎng)色散情況可以式（2）作線性近似處理［3］。
 

 

（2）對(duì)于常用的康寧公司SMF－28型單模光纖，上式中的系數(shù)為a＝5．2μm、b＝3．11＠λc＝1．55μm。當(dāng)中心波長(zhǎng)λc處的衰減量Ac給定時(shí)，得到光斑的偏移量Xc如式（3）。
 

 

（3）綜合式（1－3）可得到波長(zhǎng)范圍λs～λl內(nèi)的WDL如式（4），其中下標(biāo)s， c， l分別代表波段范圍內(nèi)的短波、中波和長(zhǎng)波。
 

 

（4）根據(jù)式（4），當(dāng)VOA的衰減量Ac設(shè)置越大時(shí)，光斑的偏移量Xc也越大，因此會(huì)產(chǎn)生更大的WDL，如圖5， 圖6所示。根據(jù)圖6，在衰減范圍0～20dB和波長(zhǎng)范圍1．53～1．57μm之內(nèi)，最大WDL可達(dá)0．96dB。商用MEMS VOA可測(cè)得最大WDL為1．5dB，這是因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)色散的影響，造成不同波長(zhǎng)的光斑在輸出光纖端面的偏移量不同。這種情況與圖4所示情況不同，在圖4中，所有光斑具有相同的偏移量。

 

圖5． 對(duì)應(yīng)不同衰減水平的WDL

 

圖6． 對(duì)應(yīng)不同衰減水平的WDL

 

MEMS微鏡型VOA的WDL優(yōu)化

 

MEMS微鏡型VOA中的WDL源于兩個(gè)因素：模場(chǎng)色散和光學(xué)系統(tǒng)色散，兩個(gè)因素的影響累加起來(lái)，讓最大WDL達(dá)到1．5dB。那么這兩個(gè)因素的影響能否相互抵消，以助于減小WDL呢？答案是可以，但需要精細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。

 

根據(jù)式（1），長(zhǎng)波具有更大的模場(chǎng)直徑，因此其衰減量更小。如圖4．16所示，如果光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)﹂L(zhǎng)波的光斑產(chǎn)生更大的偏移量，就可以增加長(zhǎng)波的衰減量，從而對(duì)衰減譜線產(chǎn)生均衡作用。

 

圖7． 光學(xué)系統(tǒng)的色散與模場(chǎng)色散相互抵消情況

 

然而，根據(jù)式（4），因兩個(gè)因素產(chǎn)生的WDL，只能在某個(gè)特定的衰減水平Ac下完全相互抵消。當(dāng)VOA器件的衰減量被設(shè)置為一個(gè)異于Ac的數(shù)值時(shí)，將會(huì)存在剩余WDL，如圖8所示。

 

從圖8中看到，在優(yōu)化之前，最大WDL產(chǎn)生于衰減量為20dB時(shí)。如果通過(guò)優(yōu)化，將衰減量為20dB時(shí)的WDL完全抵消，則最大WDL產(chǎn)生于衰減量為4dB時(shí)。 如果將衰減量為13dB時(shí)的WDL完全抵消，則在0～20dB的衰減范圍內(nèi)，最大WDL將＜0．2dB。

 

圖8． 兩個(gè)引起WDL的因素相互抵消情況

 

目前已有各種方案，可通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生相反的色散。在圖9中，準(zhǔn)直透鏡與MEMS微鏡之間插入了一個(gè)棱鏡，因而光學(xué)系統(tǒng)的色散與模場(chǎng)色散相互抵消。然而，額外加入的棱鏡會(huì)增加VOA器件的成本和復(fù)雜度。圖10展示了另一個(gè)解決方案，該方案要求制造準(zhǔn)直透鏡的玻璃材料具有很高的色散，并且透鏡前端面傾角＞10°（在現(xiàn)有器件中，這個(gè)角度通常為8°）［4］。

 

圖9 通過(guò)引入棱鏡來(lái)優(yōu)化WDL ； 圖10 通過(guò)高色散的準(zhǔn)直透鏡來(lái)優(yōu)化WDL

 

基于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)色散的透徹分析，華中科技大學(xué)的萬(wàn)助軍等人提出了第三種解決方案，準(zhǔn)直透鏡的材料為常用的N－SF11玻璃，透鏡的曲率半徑也是常用的R＝1．419mm。為了優(yōu)化WDL指標(biāo)，得到準(zhǔn)直透鏡的其他參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)曲線如圖4．20所示，曲線上任意一點(diǎn)給出準(zhǔn)直透鏡的一組參數(shù)：端面角度φ和透鏡長(zhǎng)度L。基于這些參數(shù)加工準(zhǔn)直透鏡，VOA器件的WDL指標(biāo)將得到優(yōu)化。注意圖11中的端面角度φ均為負(fù)值，因此雙光纖插針與準(zhǔn)直透鏡需要按照?qǐng)D12（d）中的方向進(jìn)行裝配，而非如圖12（c）中的現(xiàn)有MEMS VOA裝配方式。他們最終裝配的MEMS微鏡VOA如圖13所示，據(jù)報(bào)道，在衰減范圍0～20dB和波長(zhǎng)范圍1．53～1．57μm之內(nèi)，測(cè)得最大WDL＜0．4dB。

 

圖10． WDL優(yōu)化之后準(zhǔn)直透鏡參數(shù)之間的關(guān)系

 

圖11． 通過(guò)調(diào)整準(zhǔn)直透鏡端面角度優(yōu)化WDL指標(biāo)

 

圖12．  MEMS微鏡VOA樣品

 

隨著DWDM技術(shù)的快速發(fā)展，MEMS VOA的在光通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。億源通立足于現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需求以及面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，推出了一系列自主研發(fā)的MEMS技術(shù)產(chǎn)品， 包括1×48通道的光開關(guān)， 與 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光開關(guān)模塊，以及MCS模塊等。