为了实现DWDM系统的长距离高速无误码传输，必须使各通道信号光功率一致，即需要对多通道光功率进行监控和均衡。因此出现了动态信道均衡器(DCE)、可调功率光复用器(VMUX)、光分插复用器(OADM)等光器件，这些器件的核心部件都是阵列可变光衰减器(VOA)。灵活地调节VOA，可以使各个通道的功率处于理想的大小。

　　近年来，出现了多种制造可变光衰减器的新技术，包括可调衍射光栅技术、MEMS技术、液晶技术、磁光技术、平面光波导技术等。

高分子可调衍射光栅VOA

　　高分子可调衍射光栅的制作基于一种薄膜表面调制技术。起初，这种技术的开发是为了替代放映机和投影仪中的液晶显示屏(LCD)和数字光处理器(DLP)。这种可调衍射光栅(图1)的顶层是玻璃，下面一层是铟锡氧化物(ITO)，中间是空气、聚合物和ITO阵列，底层是玻璃基底。在未加电信号时，空气与聚合物层的交界面是与结构表面平行的平面。当入射光进入该平面时，不发生衍射。在加电信号后，空气和聚合物的界面随电极阵列的分布而发生周期变化，形成了正弦光栅。当入射光入射至该表面时，形成衍射。施加不同的电信号可以形成不同相位调制度的正弦光栅。

高分子可调衍射光栅。

　　采用高分子可调衍射光栅的VOA的工作机制是：通过调制表面一层薄的聚合物，使其表面近似为正弦形状，形成正弦光栅。利用这种技术，可以制作出一种周期为10微米，表面高度h随施加的电信号变化并且最高可到300纳米的正弦光栅。当光入射到被调制的表面上时，形成衍射。施加不同的电信号改变正弦光栅的振幅，即改变h时，可以得到不同的相位调制度，而不同相位调制度下的衍射光强的分布是不同的。当相位调制度由零逐渐变大时，衍射光强度从零级向更高衍射级的光转移。这种调制可以使零级光的光强从100%连续的改变到0%，从而，实现对衰减量的控制。并且这种调制的响应时间非常快，在微秒级。

　　磁光VOA

　　磁光VOA是利用一些物质在磁场作用下所表现出的光学性质的变化，例如利用磁致旋光效应(法拉第效应)实现光能量的衰减，从而达到调节光信号的目的。一种典型的偏振无关磁光VOA结构如图2左图所示。

　　偏振无关磁光VOA结构和光路。

　　图2右图将左图中的镜像光路画在右侧，以利于原理的分析解释。当光从双芯#p#分页标题#e#光纤的一端入射，经透镜准直后(略去光束的厚度)，进入到双折射晶体(其光轴垂直于纸面)，被分成O光和E光两束光，然后进入法拉第旋转器，光从法拉第旋转器出射后被全反射镜反射，再依次通过法拉第旋转器、双折射晶体和透镜，最后从双芯光纤的另一端输出。因此，通过调制电压控制磁场，可以使进入法拉第旋转器的偏振光的偏振态发生旋转。在法拉第旋转角为0度的情况下，O光仍然是O光，E光仍然是E光，两束光不平行，不能合在一起，如图虚线所示，此时衰减程度最大;在法拉第旋转角为45度的情况下，总的法拉第旋转角为90度，O光变成E光，E光变成O光，两束光平行，通过透镜聚焦后合在一起，此时衰减程度最小。

　　液晶VOA

　　液晶VOA利用了液晶折射率各向异性而显示出的双折射效应。当施加外电场时，液晶分子取向重新排列，将会导致其透光特性发生变化(图3)。

　　液晶加电前后透光性的变化。

　　如图4所示，由入射光纤入射的光经准直器准直后，进入双折射晶体，被分成偏振态相互垂直的O光和E光，经液晶后，O光变成E光，E光变成O光，再由另一块双折射晶体合束，最后从准直器输出。当液晶材料加载电压V时，O光和E光经过液晶后都改变一定的角度，经第二块双折射晶体，每束光又被分成O光和E光，形成了4束光，中间两束最后合成一束从第二块双折射晶体出射，由准直器接收，另外两束从第二块双折射晶体出射后未被准直器接收，从而实现衰减。因此，通过在液晶的两个电极上施加不同的电压控制光强的变化，可以实现不同的衰减。

　　液晶VOA原理。

　　MEMSVOA

　　MEMSVOA有反射式VOA和衍射式VOA(图5)。

　　MEMSVOA的结构。

　　反射式VOA是在硅基上制作一块微反射镜。光经双芯准直器的一端进入，以一定角度入射到微反射镜上，当施加电压时，微反射镜在静电作用下被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，光反射后能量不能完全耦合进双芯准直器的另一端，达到调节光强的目的;而未加电压时，微反射镜呈水平状态，光反射后能量完全耦合进双芯准直器的另一端。

　　衍射式VOA基于动态衍射光栅技术。当施加电压时，在静电作用下相同间隔的动栅条位置向下移动产生衍射光栅效应，通过电压调节来控制一级衍射光从而达到调节光信号衰减量的目的。

　　#p#分页标题#e#平面光波导VOA

　　平面光波导VOA也有两种。

　　一种是基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)原理，并利用热光效应，使材料的折射率发生变化，从而改变MZI的干涉臂的长度，使两臂产生不同的光程差，实现对光衰减量的控制(图6)。这种方法必须对光束进行分束和耦合，这就会引入较大的插入损耗。

　　基于MZI原理的平面光波导VOA

　　另一种直接基于电吸收(EA)调制，利用载流子注入改变吸收系数来实现光功率的衰减。如图7所示，在PN结之间加入一层单模光波导层，当未加电时，从光纤出射的单模光，进入单模光波导层后，仍然是传导模，被限制在这一层中继续传播，并从另一光纤输出;当加载电压时，由于载流子的注入，单模光波导的吸收系数增大，从而部分光被吸收掉。并且随着电压的增加，流过PN结的电流也随着增加，使得更多的光子被吸收，衰减增大。

　　利用电吸收调制的平面光波VOA

　　高光电系数材料VOA

　　这种VOA采用的是特殊的陶瓷光电材料，类似铌酸锂(LiNbO3),不过比铌酸锂有更大的光电系数。利用这种光电系数足够大的材料制作VOA，不需要做成波导，可以做成自由空间结构，就像隔离器那样。如图8所示，光经由输入准直器端导入，通过由特殊光电材料做成的一块元件，然后从输出准直器输出。调节加在光电材料元件上的电压，使得它的折射率发生改变，从而实现衰减。

　　使用高光电系数材料制作VOA

　　各种技术的比较

　　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高。VOA应能精确地控制光信号的功率，为所有通信波长提供稳定的衰减量;在超长距离DWDM系统中，VOA还必须对随环境影响而逐渐变化的信号有反应;在动态网络节点上，VOA的响应时间应在ms级。VOA的技术指标主要包括：工作波长范围、动态范围、插入损耗、偏振相关损耗、响应时间、温度特性、工作温度等。下面就各种技术做一简单比较，见表1。#p#分页标题#e#

　　高分子可调衍射光栅VOA阵列的制作工艺简单，性能好，动态范围可达20dB，插损小，响应时间快，受环境温度影响小，无须温度补偿，并且带有光功率监控，具有较高的性价比。

　　磁光VOA由于磁光晶体对光束偏振态的改变受环境温度的影响，温度特性较差，需要温度补偿。另外，在磁光晶体的磁化没有达到饱和时，磁光晶体里面会产生许多磁畴。磁畴的存在造成可变光衰减器的衰减效果的可重复性变差，即使能够保持良好的可重复性，也难以产生衰减的平稳变化;还由于磁畴边界表面散射的存在，使得衰减较难控制。目前市场上能提供这一类产品的公司较少，它的优点是响应时间非常快，已有小批量商用。

　　液晶VOA由于液晶很容易受环境温度的影响，因而温度特性很差，使用时需要辅以温度校准，另一个缺点是它在低温时响应时间很慢。它的优点是成本低，已有批量商用。

　　MEMS　VOA已经很成熟，并已大量生产和规模应用。该产品受环境温度的影响也较大，需温度补偿。同时因为成品率的问题，在价格方面面临着挑战，另外由于是微机电部件，可靠性有时不够理想。

　　MZI型平面光波导VOA体积小，利于高度集成，但是目前其工艺还处于发展和完善中，性能还较差，封装难度大。EA型平面光波导VOA要求对载流子浓度的改变很大，调制区域很长，所以会增加器件的体积和功耗，并且这种VOA也是温度相关的，但它有响应时间非常快的优点，甚至能够当低速调制器使用。并且由于集成化的巨大优势，随着技术的发展和成熟，相信平面光波导VOA将会被越来越被广泛地应用。

　　自由空间光电材料VOA响应时间很快，能承受大功率，现已得到了一些应用。由于其可以做成自由空间的结构，可以很好的利用目前比较成熟的微光学器件平台。但因为它采用的材料较特殊，目前价格比较高。

　结束语

　　可变光衰减器(VOA)是光通信系统中重要的光器件之一。长期以来，它一直停留在机械式水平，因为体积大不利于集成，它一般只适合于单通道衰减方式。随着DWDM系统的发展，以及市场对可灵活升级的可重构光分插复用器(ROADM)的潜在的巨大需求，越来越需要通道数多而体积小的可变光衰减器阵列。传统的机械方式已不能解决这些难题。随着光纤网络的发展，VOA的发展趋势是：低成本、高集成、响应时间快以及和其他光通信器件的混合集成。

　　目前，生产VOA的国外厂家主要有：Lightconnect、JDSU、Avanex、Dicon、NTT、Bookham、Kotura、Oplink、BATI、Dupont、Lightwave2020、AFOP等。在国内，光迅科技能生产并提供多种类型的VOA，另外还有一些公司也在开发不同类型的VOA。为了适应市场对VOA阵列的需求，光迅最近已经成功开发出4通道的高分子衍射光栅VOA阵列。

（ 本文作者：周日凯、刘文、罗勇、胡强高、孙莉萍、吴晓平　光迅科技股份有限公司 ）