原创 光通信系统中反射式MEMS VOA的应用

  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。

      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。

　　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，绵阳超光通信制作的MEMS VOA器件外形尺寸仅为5.5×22mm（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）等绵阳超光通信制造的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，超光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&18V）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。

表1绵阳超光通信 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，超光通信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。

       MEMS VOA的模块级应用

       1.低成本OADM模块

       2. VMUX模块

       3. 增益可调EDFA模块

      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。

　　当MEMS技术更趋成熟时，芯片的制造成本也会急剧下降，将不再是器件的主要成本因素。由于MEMS器件的封装需要在净化的防静电环境下进行，且封装工艺精密复杂，因此设法降低MEMS VOA的封装成本将是各器件制造商应该考虑的关键问题。