為了實現DWDM系統的長距離高速無誤碼傳輸，必須使各通道信號光功率一致，即需要對多通道光功率進行監控和均衡。因此出現了動態信道均衡器(DCE)、可調功率光復用器(VMUX)、光分插復用器(OADM)等光器件，這些器件的核心部件都是陣列可變光衰減器(VOA)。靈活地調節VOA，可以使各個通道的功率處于理想的大小。

　　近年來，出現了多種制造可變光衰減器的新技術，包括可調衍射光柵技術、MEMS技術、液晶技術、磁光技術、平面光波導技術等。

　　高分子可調衍射光柵VOA

　　高分子可調衍射光柵的制作基于一種薄膜表面調制技術。起初，這種技術的開發是為了替代放映機和投影儀中的液晶顯示屏(LCD)和數字光處理器(DLP)。這種可調衍射光柵(圖1)的頂層是玻璃，下面一層是銦錫氧化物(ITO)，中間是空氣、聚合物和ITO陣列，底層是玻璃基底。在未加電信號時，空氣與聚合物層的交界面是與結構表面平行的平面。當入射光進入該平面時，不發生衍射。在加電信號后，空氣和聚合物的界面隨電極陣列的分布而發生周期變化，形成了正弦光柵。當入射光入射至該表面時，形成衍射。施加不同的電信號可以形成不同相位調制度的正弦光柵。

　　高分子可調衍射光柵。

　　采用高分子可調衍射光柵的VOA的工作機制是：通過調制表面一層薄的聚合物，使其表面近似為正弦形狀，形成正弦光柵。利用這種技術，可以制作出一種周期為10微米，表面高度h隨施加的電信號變化并且最高可到300納米的正弦光柵。當光入射到被調制的表面上時，形成衍射。施加不同的電信號改變正弦光柵的振幅，即改變h時，可以得到不同的相位調制度，而不同相位調制度下的衍射光強的分布是不同的。當相位調制度由零逐漸變大時，衍射光強度從零級向更高衍射級的光轉移。這種調制可以使零級光的光強從100%連續的改變到0%，從而，實現對衰減量的控制。并且這種調制的響應時間非常快，在微秒級。

　　磁光VOA

　　磁光VOA是利用一些物質在磁場作用下所表現出的光學性質的變化，例如利用磁致旋光效應(法拉第效應)實現光能量的衰減，從而達到調節光信號的目的。一種典型的偏振無關磁光VOA結構如圖2左圖所示。

　　偏振無關磁光VOA結構和光路。

　　圖2右圖將左圖中的鏡像光路畫在右側，以利于原理的分析解釋。當光從雙芯#p#分頁標題#e#光纖的一端入射，經透鏡準直后(略去光束的厚度)，進入到雙折射晶體(其光軸垂直于紙面)，被分成O光和E光兩束光，然后進入法拉第旋轉器，光從法拉第旋轉器出射后被全反射鏡反射，再依次通過法拉第旋轉器、雙折射晶體和透鏡，最后從雙芯光纖的另一端輸出。因此，通過調制電壓控制磁場，可以使進入法拉第旋轉器的偏振光的偏振態發生旋轉。在法拉第旋轉角為0度的情況下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，兩束光不平行，不能合在一起，如圖虛線所示，此時衰減程度最大;在法拉第旋轉角為45度的情況下，總的法拉第旋轉角為90度，O光變成E光，E光變成O光，兩束光平行，通過透鏡聚焦后合在一起，此時衰減程度最小。

　　液晶VOA

　　液晶VOA利用了液晶折射率各向異性而顯示出的雙折射效應。當施加外電場時，液晶分子取向重新排列，將會導致其透光特性發生變化(圖3)。

　　液晶加電前后透光性的變化。

　　如圖4所示，由入射光纖入射的光經準直器準直后，進入雙折射晶體，被分成偏振態相互垂直的O光和E光，經液晶后，O光變成E光，E光變成O光，再由另一塊雙折射晶體合束，最后從準直器輸出。當液晶材料加載電壓V時，O光和E光經過液晶后都改變一定的角度，經第二塊雙折射晶體，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中間兩束最后合成一束從第二塊雙折射晶體出射，由準直器接收，另外兩束從第二塊雙折射晶體出射后未被準直器接收，從而實現衰減。因此，通過在液晶的兩個電極上施加不同的電壓控制光強的變化，可以實現不同的衰減。

　　液晶VOA原理。

　　MEMSVOA

　　MEMSVOA有反射式VOA和衍射式VOA(圖5)。

 　　MEMSVOA的結構。

　　反射式VOA是在硅基上制作一塊微反射鏡。光經雙芯準直器的一端進入，以一定角度入射到微反射鏡上，當施加電壓時，微反射鏡在靜電作用下被扭轉，傾角改變，入射光的入射角度發生改變，光反射后能量不能完全耦合進雙芯準直器的另一端，達到調節光強的目的;而未加電壓時，微反射鏡呈水平狀態，光反射后能量完全耦合進雙芯準直器的另一端。

　　衍射式VOA基于動態衍射光柵技術。當施加電壓時，在靜電作用下相同間隔的動柵條位置向下移動產生衍射光柵效應，通過電壓調節來控制一級衍射光從而達到調節光信號衰減量的目的。

　　#p#分頁標題#e#平面光波導VOA

　　平面光波導VOA也有兩種。

　　一種是基于Mach-Zehnder干涉儀(MZI)原理，并利用熱光效應，使材料的折射率發生變化，從而改變MZI的干涉臂的長度，使兩臂產生不同的光程差，實現對光衰減量的控制(圖6)。這種方法必須對光束進行分束和耦合，這就會引入較大的插入損耗。

　　基于MZI原理的平面光波導VOA

　　另一種直接基于電吸收(EA)調制，利用載流子注入改變吸收系數來實現光功率的衰減。如圖7所示，在PN結之間加入一層單模光波導層，當未加電時，從光纖出射的單模光，進入單模光波導層后，仍然是傳導模，被限制在這一層中繼續傳播，并從另一光纖輸出;當加載電壓時，由于載流子的注入，單模光波導的吸收系數增大，從而部分光被吸收掉。并且隨著電壓的增加，流過PN結的電流也隨著增加，使得更多的光子被吸收，衰減增大。

　　利用電吸收調制的平面光波VOA

　　高光電系數材料VOA

　　這種VOA采用的是特殊的陶瓷光電材料，類似鈮酸鋰(LiNbO3),不過比鈮酸鋰有更大的光電系數。利用這種光電系數足夠大的材料制作VOA，不需要做成波導，可以做成自由空間結構，就像隔離器那樣。如圖8所示，光經由輸入準直器端導入，通過由特殊光電材料做成的一塊元件，然后從輸出準直器輸出。調節加在光電材料元件上的電壓，使得它的折射率發生改變，從而實現衰減。

　　使用高光電系數材料制作VOA

　　各種技術的比較

　　隨著VOA在光通信中的應用越來越多，對其功能的要求也越來高。VOA應能精確地控制光信號的功率，為所有通信波長提供穩定的衰減量;在超長距離DWDM系統中，VOA還必須對隨環境影響而逐漸變化的信號有反應;在動態網絡節點上，VOA的響應時間應在ms級。VOA的技術指標主要包括：工作波長范圍、動態范圍、插入損耗、偏振相關損耗、響應時間、溫度特性、工作溫度等。下面就各種技術做一簡單比較，見表1。#p#分頁標題#e#

　　高分子可調衍射光柵VOA陣列的制作工藝簡單，性能好，動態范圍可達20dB，插損小，響應時間快，受環境溫度影響小，無須溫度補償，并且帶有光功率監控，具有較高的性價比。

　　磁光VOA由于磁光晶體對光束偏振態的改變受環境溫度的影響，溫度特性較差，需要溫度補償。另外，在磁光晶體的磁化沒有達到飽和時，磁光晶體里面會產生許多磁疇。磁疇的存在造成可變光衰減器的衰減效果的可重復性變差，即使能夠保持良好的可重復性，也難以產生衰減的平穩變化;還由于磁疇邊界表面散射的存在，使得衰減較難控制。目前市場上能提供這一類產品的公司較少，它的優點是響應時間非常快，已有小批量商用。

　　液晶VOA由于液晶很容易受環境溫度的影響，因而溫度特性很差，使用時需要輔以溫度校準，另一個缺點是它在低溫時響應時間很慢。它的優點是成本低，已有批量商用。

　　MEMS　VOA已經很成熟，并已大量生產和規模應用。該產品受環境溫度的影響也較大，需溫度補償。同時因為成品率的問題，在價格方面面臨著挑戰，另外由于是微機電部件，可靠性有時不夠理想。

　　MZI型平面光波導VOA體積小，利于高度集成，但是目前其工藝還處于發展和完善中，性能還較差，封裝難度大。EA型平面光波導VOA要求對載流子濃度的改變很大，調制區域很長，所以會增加器件的體積和功耗，并且這種VOA也是溫度相關的，但它有響應時間非常快的優點，甚至能夠當低速調制器使用。并且由于集成化的巨大優勢，隨著技術的發展和成熟，相信平面光波導VOA將會被越來越被廣泛地應用。

　　自由空間光電材料VOA響應時間很快，能承受大功率，現已得到了一些應用。由于其可以做成自由空間的結構，可以很好的利用目前比較成熟的微光學器件平臺。但因為它采用的材料較特殊，目前價格比較高。

　　結束語

　　可變光衰減器(VOA)是光通信系統中重要的光器件之一。長期以來，它一直停留在機械式水平，因為體積大不利于集成，它一般只適合于單通道衰減方式。隨著DWDM系統的發展，以及市場對可靈活升級的可重構光分插復用器(ROADM)的潛在的巨大需求，越來越需要通道數多而體積小的可變光衰減器陣列。傳統的機械方式已不能解決這些難題。隨著光纖網絡的發展，VOA的發展趨勢是：低成本、高集成、響應時間快以及和其他光通信器件的混合集成。

　　目前，生產VOA的國外廠家主要有：Lightconnect、JDSU、Avanex、Dicon、NTT、Bookham、Kotura、Oplink、BATI、Dupont、Lightwave2020、AFOP等。在國內，光迅科技能生產并提供多種類型的VOA，另外還有一些公司也在開發不同類型的VOA。為了適應市場對VOA陣列的需求，光迅最近已經成功開發出4通道的高分子衍射光柵VOA陣列。

（ 本文作者：周日凱、劉文、羅勇、胡強高、孫莉萍、吳曉平　光迅科技股份有限公司  ）