1、基于液晶的可调光衰减器的研究摘 要可调光衰减器（VOA）是广泛应用于光通信网络及光纤实验系统中的光无源器件。对可调光衰减器的发展历史和各主要技术形式的原理、特点以及目前国内外市场的发展和应用状况分析和研究， 最后实验制作液晶 VOA，调光衰减器（VOA）在光纤通信、光电检测等领域具有广泛的应用前景。 关键词可调光衰减器，VOA，发展历史，研究 中图分类号：O753+.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0153-01 一、概述 可调光衰减器（VOA）在光通信中具有广泛的应用，其主要功能是用来减低或控制光信号。光网络的最基本的特性应该是可调，特别是随着DWDM 传输
2、系统和 EDFA 在光通信中的应用，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端要进行动态饱和的控制，光网络中也还需要对其它信号进行控制，这些都使得 VOA 成为其中不可或缺的关键器件。 二、可调光衰减器（VOA）的发展历史 根据美国 ElectroniCast 公司的市场分析报告：2000 年全球光衰减器的销售金额约 3.1 亿美元，其中可调光衰减器部分市场约占全球光衰减器销售金额的 82%。在性能上，理想的 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，插入损耗要求小于 ldB，可调衰减范围在 20dB 左右，对于偏振相关损耗 PDL 和偏振模
3、色散 PMD 等参数也有相关的要求.目前，VOA 光衰减器技术已有多种类型的制造术，大致可分为分立微光元件技术、MEMS 技术及光波导技术等。而分立微光元件技术又可分为机械、磁光效应、热光效应、电光效应、声光效应等诸多型式。本文将就这几种技术分别加以讨论。 2.1 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
4、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。 2.2 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。 2.3 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。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
5、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。 2.4 MEMS 式 VOA MEMS 式 VOA 有反射式 VOA 和衍射式 VOA。 反射式 VOA 是在硅基上制作一块微反射镜。光
6、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。 2.5 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
7、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。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。 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。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。 2.6 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
8、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。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组件，然后从输出准直器输出。调节加在光电材料组件上的电压，使得它的折射率发生改变，从而实现衰减。 三、可调光衰减器（VOA）的市场分析 3.1 光衰减器之市场 整体而言光衰减器之应用领域，主要用在吸收经光放大器后过高的功率、在 DWDM 系统中平衡多波长的功率以及测来过那光纤系统的灵敏度等。进一步以 VOA 为例，其主要应用在三个方面，一是在传送器之后、接收器之前，控制光的功率，二是在光放大器之中，做增益的控制，三是在 OADM 之中，调整光讯号之大小。 3.
9、2 未来发展 光衰减器之发展方向，将朝向小型化、模块化与低价化发展。现有的光衰减器体积过大，并不适合在日益拥挤的机房空间内使用，因此产品尺寸需走向小型化，甚至会向手指大小。而小型化后另一个方向是往模块化发展，配合 DWDM 与 OADM 等模块，以提供稳定之增益与功率控制。而 VOA 方面，目前单价高但需求量仍小，且有多种技术在竞逐，包括液晶、微机电等。至于何种技术会胜出，则取决于可靠度与整合性。 四、研究方向及该方向发展趋势 基于液晶的电控双折射效应，在光路上设计液晶 VOA ，并详细分析其工作原理。在理论上利用琼斯矩阵法推导出液晶 VOA 的光功率传输矩阵，进而得出光功率衰减与电压关系的表达式，并在理论上进行仿真。最后实验制作液晶 VOA 。由于液晶器件具有体积小、电光系数大、电压驱动低、功耗低、制作成本低和无运动部件的实现动态调节等优点，其在光通信领域将具有一定的发展前景。 参考文献 1 金锡哲，王曦.可调光衰减器（VOA）技术发展综述.光通信技术，2003， （27）：29-32.
