反射式MEMS VOA在光通信系统中的应用

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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