反射式MEMS VOA在光通信系统中的应用

1、反射式 MEMS VOA 在光通信系统中的应用引言可变光衰减器(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

2、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。MEMSVOA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。反射式 MEMS VOA反射式ME

3、MS 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。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MEMSVOA。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MEM

4、S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5.425.4mm(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

5、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23ms，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(030dB)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Dar

6、k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。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/DropMultiplexer, 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

7、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

8、的外形尺寸为：13813017.8mm,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

9、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

10、。 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(n16)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

11、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。总结与讨论随着DWDM技