MEMS微鏡型VOA

如圖2所示為基於MEMS扭鏡的VOA結構
，它以雙光纖準直器的兩根尾纖作為輸入／輸出端口
，準直光束被MEMS微鏡反射偏轉，從而聯通輸入／輸出端口之間的光路。扭動微鏡讓光束發生偏轉，從而產生光功率的衰減。

 

圖2． 基於MEMS扭鏡的VOA結構

 

MEMS扭鏡通常有兩種結構
，即平板電極和梳齒電極
，如圖3所示。考慮0～20dB的衰減範圍，前者通常需要＞10V的驅動電壓，後者可將驅動電壓降至5V以下。然而
，僅僅一個微小的粉塵顆粒就會卡住梳齒電極，因此其生產良率較低。采用梳齒電極的MEMS微鏡，通常需要在超淨環境下封裝。

 

圖3． 兩類MEMS扭鏡：平板電極和梳齒電極

 

MEMS微鏡型VOA中的WDL問題

基於MEMS shutter和MEMS微鏡的VOA均有廣泛應用，前者性能指標較好
，但裝配工藝相對複雜；後者易於裝配但WDL（波長相關損耗）相對較大。在寬帶應用中，此類VOA會對不同波長產生不同的衰減量，此現象定義為WDL。寬帶應用中


，要求WDL指標越小越好。

 

WDL問題源於單模光纖SMF中的模場色散，我們知道，光纖中的不同波長具有不同的模場直徑，長波的模場直徑更大一些。圖4所示為光纖中模場的色散情況。

 

圖4． 光纖中模場色散情況

 

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

 

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

 

（2）對於常用的康寧公司SMF－28型單模光纖，上式中的係數為a＝5．2μm、b＝3．11＠λc＝1．55μm。當中心波長λc處的衰減量Ac給定時
，得到光斑的偏移量Xc如式（3）。
 

 

（3）綜合式（1－3）可得到波長範圍λs～λl內的WDL如式（4），其中下標s， c
， l分別代表波段範圍內的短波

、中波和長波。
 

 

（4）根據式（4）
，當VOA的衰減量Ac設置越大時，光斑的偏移量Xc也越大，因此會產生更大的WDL
，如圖5
， 圖6所示。根據圖6，在衰減範圍0～20dB和波長範圍1．53～1．57μm之內，最大WDL可達0．96dB。商用MEMS VOA可測得最大WDL為1．5dB，這是因為光學係統色散的影響，造成不同波長的光斑在輸出光纖端麵的偏移量不同。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． 對應不同衰減水平的WDL

 

圖6． 對應不同衰減水平的WDL

 

MEMS微鏡型VOA的WDL優化

 

MEMS微鏡型VOA中的WDL源於兩個因素：模場色散和光學係統色散，兩個因素的影響累加起來
，讓最大WDL達到1．5dB。那麼這兩個因素的影響能否相互抵消，以助於減小WDL呢？答案是可以

，但需要精細的分析和設計。

 

根據式（1），長波具有更大的模場直徑，因此其衰減量更小。如圖4．16所示
，如果光學係統能夠對長波的光斑產生更大的偏移量，就可以增加長波的衰減量，從而對衰減譜線產生均衡作用。

 

圖7． 光學係統的色散與模場色散相互抵消情況

 

然而，根據式（4），因兩個因素產生的WDL，隻能在某個特定的衰減水平Ac下完全相互抵消。當VOA器件的衰減量被設置為一個異於Ac的數值時，將會存在剩餘WDL，如圖8所示。

 

從圖8中看到，在優化之前
，最大WDL產生於衰減量為20dB時。如果通過優化，將衰減量為20dB時的WDL完全抵消，則最大WDL產生於衰減量為4dB時。 如果將衰減量為13dB時的WDL完全抵消
，則在0～20dB的衰減範圍內，最大WDL將＜0．2dB。

 

圖8． 兩個引起WDL的因素相互抵消情況

 

目前已有各種方案，可通過光學係統產生相反的色散。在圖9中
，準直透鏡與MEMS微鏡之間插入了一個棱鏡，因而光學係統的色散與模場色散相互抵消。然而，額外加入的棱鏡會增加VOA器件的成本和複雜度。圖10展示了另一個解決方案

，該方案要求製造準直透鏡的玻璃材料具有很高的色散
，並且透鏡前端麵傾角＞10°（在現有器件中

，這個角度通常為8°）［4］。

 

圖9 通過引入棱鏡來優化WDL ； 圖10 通過高色散的準直透鏡來優化WDL

 

基於對光學係統色散的透徹分析，華中科技大學的萬助軍等人提出了第三種解決方案，準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。為了優化WDL指標
，得到準直透鏡的其他參數之間的關聯曲線如圖4．20所示
，曲線上任意一點給出準直透鏡的一組參數：端麵角度φ和透鏡長度L。基於這些參數加工準直透鏡，VOA器件的WDL指標將得到優化。注意圖11中的端麵角度φ均為負值，因此雙光纖插針與準直透鏡需要按照圖12（d）中的方向進行裝配，而非如圖12（c）中的現有MEMS VOA裝配方式。他們最終裝配的MEMS微鏡VOA如圖13所示，據報道，在衰減範圍0～20dB和波長範圍1．53～1．57μm之內，測得最大WDL＜0．4dB。

 

圖10． WDL優化之後準直透鏡參數之間的關係

 

圖11． 通過調整準直透鏡端麵角度優化WDL指標

 

圖12．  MEMS微鏡VOA樣品

 

隨著DWDM技術的快速發展
，MEMS VOA的在光通信網絡中的應用將越來越廣泛。億源通立足於現有業務的需求以及麵向未來網絡發展需求，推出了一係列自主研發的MEMS技術產品， 包括1×48通道的光開關， 與 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光開關模塊
，以及MCS模塊等。