MEMS VOA光衰减器的工作原理

Posted 2021-02-21

MEMS（Micro Electro Mechanical System，微机电系统）技术被广泛应用于光纤通信系统中，MEMS技术与光学技术的结合，通常称作MOEMS技术。最为常用的MOEMS器件包括光衰减器VOA、光开关OS、可调光学滤波器TOF、动态增益均衡器DGE、波长选择开关WSS和矩阵光开关OXC。

VOA在光纤通信系统中常用于光功率均衡，在各种技术方案中，MEMS VOA具有尺寸小、成本低和易于制造的优势。最常用的MEMS VOA有两类：MEMS Shutter型和MEMS微镜型，前者通常以热效应驱动，后者通常以静电力驱动。

MEMS Shutter型VOA
基于MEMS Shutter的VOA结构如图1所示，MEMS Shutter被插入两根光纤之间的光路，衰减量取决于被阻挡的光束截面大小。在实际应用中，这种VOA也可以设计成反射型。

图1. 基于MEMS shutter的VOA结构

MEMS微镜型VOA
如图2所示为基于MEMS扭镜的VOA结构，它以双光纤准直器的两根尾纤作为输入/输出端口，准直光束被MEMS微镜反射偏转，从而联通输入/输出端口之间的光路。扭动微镜让光束发生偏转，从而产生光功率的衰减。

图2. 基于MEMS扭镜的VOA结构

MEMS扭镜通常有两种结构，即平板电极和梳齿电极，如图3所示。考虑0~20dB的衰减范围，前者通常需要>10V的驱动电压，后者可将驱动电压降至5V以下。然而，仅仅一个微小的粉尘颗粒就会卡住梳齿电极，因此其生产良率较低。采用梳齿电极的MEMS微镜，通常需要在超净环境下封装。

图3. 两类MEMS扭镜：平板电极和梳齿电极

MEMS微镜型VOA中的WDL问题
基于MEMS shutter和MEMS微镜的VOA均有广泛应用，前者性能指标较好，但装配工艺相对复杂；后者易于装配但WDL（波长相关损耗）相对较大。在宽带应用中，此类VOA会对不同波长产生不同的衰减量，此现象定义为WDL。宽带应用中，要求WDL指标越小越好。

WDL问题源于单模光纤SMF中的模场色散，我们知道，光纤中的不同波长具有不同的模场直径，长波的模场直径更大一些。图4所示为光纤中模场的色散情况。

图4. 光纤中模场色散情况

如图4所示，光束被MEMS微镜反射偏转，不同波长的的光斑均偏离出射光纤的纤芯。在未经优化的VOA中，所有波长的光斑具有相同的偏移量。如式（1），衰减量A取决于偏移量X和模场半径ω。
(1)

在一个相对有限的波长范围内，如C波段(1.53~1.57μm)，单模光纤中的模场色散情况可以式（2）作线性近似处理[3]。
(2)

对于常用的康宁公司SMF-28型单模光纤，上式中的系数为a=5.2μm、b=3.11@λc=1.55μm。当中心波长λc处的衰减量Ac给定时，得到光斑的偏移量Xc如式（3）。
(3)

综合式（1-3）可得到波长范围λs~λl内的WDL如式（4），其中下标s, c, l分别代表波段范围内的短波、中波和长波。
(4)

根据式（4），当VOA的衰减量Ac设置越大时，光斑的偏移量Xc也越大，因此会产生更大的WDL，如图5, 图6所示。根据图6，在衰减范围0~20dB和波长范围1.53~1.57μm之内，最大WDL可达0.96dB。商用MEMS VOA可测得最大WDL为1.5dB，这是因为光学系统色散的影响，造成不同波长的光斑在输出光纤端面的偏移量不同。这种情况与图4所示情况不同，在图4中，所有光斑具有相同的偏移量。

图5. 对应不同衰减水平的WDL

图6. 对应不同衰减水平的WDL

MEMS微镜型VOA的WDL优化
MEMS微镜型VOA中的WDL源于两个因素：模场色散和光学系统色散，两个因素的影响累加起来，让最大WDL达到1.5dB。那么这两个因素的影响能否相互抵消，以助于减小WDL呢？答案是可以，但需要精细的分析和设计。

根据式（1），长波具有更大的模场直径，因此其衰减量更小。如图4.16所示，如果光学系统能够对长波的光斑产生更大的偏移量，就可以增加长波的衰减量，从而对衰减谱线产生均衡作用。

图7. 光学系统的色散与模场色散相互抵消情况

然而，根据式（4），因两个因素产生的WDL，只能在某个特定的衰减水平Ac下完全相互抵消。当VOA器件的衰减量被设置为一个异于Ac的数值时，将会存在剩余WDL，如图8所示。

从图8中看到，在优化之前，最大WDL产生于衰减量为20dB时。如果通过优化，将衰减量为20dB时的WDL完全抵消，则最大WDL产生于衰减量为4dB时。 如果将衰减量为13dB时的WDL完全抵消，则在0~20dB的衰减范围内，最大WDL将<0.2dB。

图8. 两个引起WDL的因素相互抵消情况

目前已有各种方案，可通过光学系统产生相反的色散。在图9中，准直透镜与MEMS微镜之间插入了一个棱镜，因而光学系统的色散与模场色散相互抵消。然而，额外加入的棱镜会增加VOA器件的成本和复杂度。图10展示了另一个解决方案，该方案要求制造准直透镜的玻璃材料具有很高的色散，并且透镜前端面倾角>10°（在现有器件中，这个角度通常为8°）。

图9 通过引入棱镜来优化WDL ； 图10 通过高色散的准直透镜来优化WDL

基于对光学系统色散的透彻分析，华中科技大学的万助军等人提出了第三种解决方案，准直透镜的材料为常用的N-SF11玻璃，透镜的曲率半径也是常用的R=1.419mm。为了优化WDL指标，得到准直透镜的其他参数之间的关联曲线如图4.20所示，曲线上任意一点给出准直透镜的一组参数：端面角度φ和透镜长度L。基于这些参数加工准直透镜，VOA器件的WDL指标将得到优化。注意图11中的端面角度φ均为负值，因此双光纤插针与准直透镜需要按照图12（d）中的方向进行装配，而非如图12（c）中的现有MEMS VOA装配方式。他们最终装配的MEMS微镜VOA如图13所示，据报道，在衰减范围0~20dB和波长范围1.53~1.57μm之内，测得最大WDL<0.4dB。

图11. WDL优化之后准直透镜参数之间的关系

图12. 通过调整准直透镜端面角度优化WDL指标

图13. MEMS微镜VOA样品

随着DWDM技术的快速发展，MEMS VOA的在光通信网络中的应用将越来越广泛。亿源通立足于现有业务的需求以及面向未来网络发展需求，推出了一系列自主研发的MEMS技术产品， 包括1×48通道的光开关， 与 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光开关模块，以及MCS模块等。

亿源通，是一家专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务于一体的无源光通信器件OEM/ODM厂商，主要生产和销售光纤连接类产品（光纤连接器、适配器、跳线），WDM波分复用器，PLC光分路器，MEMS光开关等核心光无源基础器件，广泛应用于光纤到户、4G/5G移动通信、互联网数据中心、国防通信等领域。