反射式MEMS VOA在光通信系统中的应用

1 引言

可变光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)是光纤通信中一种重要的光无源器件，通过衰减传输光功率来实现对信号的实时控制，可与光波分复用器(WDM)、分光探测器(TAP PD)、掺铒光纤放大器(EDFA)等光器件构成ROADM、VMUX、增益平坦EDFA等模块，还可直接用于光接收机的过载保护。另外，光功率计等仪器仪表的计量、定标，也需要使用到VOA。

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越高：VOA应能精确地控制光信号的功率，为各通道波长提供稳定的衰减量;在动态网络节点上，其响应时间应在ms级;在超长距离DWDM系统中，VOA必须有足够的灵敏度与可靠性，以补偿环境等外界因素引起信号光功率的变化。

根据制造工艺进行区分，常见的VOA类型有传统机械型、液晶型、平面波导型、微机电系统(Micro-Electro-Micromechanical System，MEMS)型、磁光型、高分子可调衍射光栅型和高光电系数材料型。MEMS VOA有反射式和挡光式两种，后者的加工工艺复杂，成本高。反射式MEMS VOA在各种技术中比较成熟，兼有响应时间快、体积小、重量轻、功耗低、动态衰减范围大、插损小、回损大、精度高等显著优点，已被广泛地使用。

2 反射式MEMS VOA

反射式MEMS VOA是基于MEMS芯片封装的微型光器件，设计思想来自于传统机械型VOA，不同的是驱动装置由庞大的步进电机变为静电开合桥，静电梳，翘动结构，压电驱动等，其工作原理如图1所示。

图1 反射式MEMS VOA原理图

基于MEMS技术的反射式VOA的结构主要分为两部分。一部分是由双芯插针和C透镜等构成的准直器组成，作为光的输入和反射输出通道。可对插针斜面角度、C透镜曲率半径和材料等参数进行优化设计，制作出不同指标要求的MEMS VOA。另一部分是MEMS密封件，通过贴片、金丝键合、真空封帽等精密工艺将MEMS芯片封装在稳定可靠的密封环境内。外界施加几伏或十几伏的电压到器件的正负引脚后，由于MEMS芯片的特定构造，在硅基镀金面与镀金反射镜面之间产生静电力，驱动MEMS芯片反射面发生微量角度的转动，从而带来入射到MEMS芯片镜面的反射光同步偏移，导致返回光的模场与耦合的单模光纤模场形成失配，产生了衰减。随着施加电压的变化，衰减也相应地变化，连续可调。当正负极间施加反偏电压时，器件仍能正常地工作。

高精密封装是MEMS VOA制作的关键所在，光迅科技是国内为数不多的具有独立封装制作反射式MEMS VOA的光器件公司，其制作的MEMS VOA器件外形尺寸仅为5.4×25.4mm(不计焊接用引脚长度)。

VOA的技术指标主要包括：工作波长范围、工作温度、动态衰减范围、插入损耗(IL)、回波损耗(RL)、偏振相关损耗(PDL)、温度特性和波长相关损耗(WDL)等，光迅科技制造的MEMS VOA主要指标见表1，已达到行业内同种产品的较高水平。与同类公司相比，光迅的器件还具有更佳的防静电能力与长期稳定性，且能灵活提供不同电压(5V&15V)需求的产品。此外，其重量不到3g，功耗小于5mw，响应时间一般为2~3ms，非常有利于模块拼接，为光通信系统的小型化和集成化作出了重大的贡献。

表1 光迅科技MEMS VOA主要性能指标

上表中的偏振相关损耗与温度相关损耗都是在整个衰减范围内(0~30dB)测试，波长相关损耗则可以根据需求进行定制。同时，光迅科技还提供具备断电保护功能的Dark型MEMS VOA，零伏复位衰减可以达到45dB以上，能满足更多光通信线路的应用。

3 MEMS VOA的模块级应用

正如电路的高度集成化一样，光通信系统未来的发展方向必然也是模组化与封装小型化，这就对构成光系统的元器件提出了小型化和模块化的要求。封装结构紧凑的MEMS VOA应运而生，它除了单通道的应用外，还经常与其它光器件一起组成模块使用，具体包括：与可重构的光分插复用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM)组成增益均衡ROADM，与MUX(Multiplexer)组成增益平衡VMUX模块结构，与EDFA组成增益平衡放大器，与放大自发辐射(ASE)光源组成增益控制器，等等。

3.1 低成本OADM模块

作为当前光纤通信网络的一种重要的节点设备，OADM无需光电转换即可实现从环路中上/下载一路或多路波长信道。使用OADM可以减少光信道上信息的处理和等待时间，减少节点上设备的复杂性，且可使光信号透明地传输和上/下载不同光波长的信息或各种业务。

在ROADM的产业化遭受成本瓶颈时，针对运营商对网络业务比较完善的规划，光迅科技推出了各种低成本的OADM模块。该系列产品结构简单，可选择性地预留升级端口，支持灵活的扩展升级功能，上下路波长较少时成本低，具备通道功率均衡能力，可对上下路功率进行实时监测。

模块的外形尺寸为：138×130×17.8mm，适用于100GHz系统，同时上下8路固定的波长，并预留上下其它波长的升级口。模块由DWDM(100GHz)、TAP-PD和MEMS VOA集成，其光路如下图4所示。

图4 光迅科技OADM模块原理图

DWDM和TAP-PD的制作技术已非常成熟且相对固定，采用MEMS VOA，使得低成本OADM模块具备优越的指标：所有下路IL都小于4.6dB，所有上路IL都小于5.6dB，另两个通路的IL均小于4.2dB，回损大于40dB。偏振模色散(PMD)小于0.1ps，响应时间小于5ms，驱动电压统一为5VDC，整个模块的功耗不超过100mW。

不论是OADM还是ROADM结构，由于每个波长来自不同的网络，因此接受功率各不相同，必须借助小型化封装的MEMS VOA和TAP PD，以确保各信道功率的均衡。

3.2 VMUX模块

VMUX是信道光功率预均衡合波模块，具有合波和各信道光功率预均衡的功能，即可对DWDM系统的每个通道光功率进行均衡，实现光信号的长距离无误码传输。VMUX模块提供多路光信道可调光衰减及合波，可在电路控制下调节输入与输出之间的光衰减量。在光通信线路中，经过EDFA之前的各波长通道的光，都必须用VUMX模块进行功率均衡，以保证各通道的光信号功率控制在可允许的范围内，避免非均衡增益经EDFA放大而导致比较严重的非线性效应。

图5 VMUX模块结构示意图

如图5，VMUX模块由均衡功率的VOA组和合波的MUX构成，其常见结构有两种：一种是用可靠的MEMS VOA阵列与基于成熟的介质膜滤光器(TFF)技术构建的MUX实现，另一种是用新兴的PLC VOA阵列与基于波导阵列光栅(AWG)技术构建的MUX实现。两者应用的场合各不相同，前者常用在信道数较少(n≤16)的系统中，此时的性价比高，MEMS VOA组无需配备制冷器与温控电路，无需进行散热设计，且整个模块具有更小的PDL与偏振膜色散(PMD)，更高的隔离度和更低的功耗。

3.3 增益可调EDFA模块

作为光通信网络中不可或缺的光器件，EDFA固有的增益曲线并不平坦，导致经过分波后各信道的增益互不相同，使EDFA各信道的输出信号功率和光信噪比(OSNR)存在一定的差异。这种功率和OSNR的不均衡性在级联EDFA中的积累，可能会导致不良的后果——接收功率的不均衡程度超过接收机允许的动态范围，造成信号丢失;累积的信噪比不均衡，造成某信道的误码率超出系统的要求;增益压缩不充分，造成接收信号功率低于接收机灵敏度(在给定比特率下)，产生失真。

采用可变光衰减器实时调节增益斜率，使EDFA放大后的信号光在整个波段内比较平坦。由增益曲线的抖动(Ripple)可知，需要调节的衰减范围一般只有几个dB，反射式MEMS VOA是一个很好的选择。它不仅具备成本低、快速响应、体积小、衰减精度高、低色散等显著优点外，还有较低的WDL、TDL和PDL，能极好地满足系统的使用要求。

图6 增益平坦EDFA结构示意图

如图6，是控制EDFA动态增益斜率的有源增益斜率均衡器(AGSC)，在应用上要优于静态增益平坦技术。当输入信号光功率发生变化时，经过MEMS VOA到达EDFA的输入光功率随之变化，通过TAP PD的监测功率反馈电路，来调节泵浦源的光功率和MEMS VOA的衰减量，对所产生的增益倾斜进行补偿，以确保EDFA输出光功率的增益平坦。

4 总结与讨论

随着DWDM技术的飞跃发展，VOA也得到了越来越广泛地应用，主要用于DWDM系统中各信道的功率均衡、实现增益平坦、动态增益平衡和功率过载保护。在各种不同制造技术的VOA中，基于MEMS的VOA具备显著的优势，也吸引了全球光通信厂商的目光。MEMS VOA常与DWDM、EDFA和TAP PD等一起组合成模块使用，在光通信系统小型化与集成化的前行之路上，已做出了巨大的贡献。

当MEMS技术更趋成熟时，芯片的制造成本也会急剧下降，将不再是器件的主要成本因素。由于MEMS器件的封装需要在净化的防静电环境下进行，且封装工艺精密复杂，因此设法降低MEMS VOA的封装成本将是各器件制造商应该考虑的关键问题。