一，可變光衰減器的原理分類

可變光衰減器包括機械式技術、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。

機械式VOA

該種類型的VOA也有多種具體的實現方式。圖1是擋光型光衰減器的原理圖，驅動擋光元件攔在兩個準直器之間，實現光功率的衰減。擋光元件可以是片狀或者錐形，后者可通過旋轉來推進，而前者需平推或者通過一定機械結構實現旋轉至平推動作的轉換。擋光型光衰減器可以制成光纖適配器結構，也可以制成圖所示的在線式結構。

與上面提到的擋光型VOA類似，也有一種機械一電位器形式的EVOA方案。其原理是用步進電機拖動中性梯度濾光片，當光束通過濾光片不同的位置時其輸出光功率將按預定的衰減規律變化，從而達到調節衰減量的目的。還有一種機械偏光式光衰減器。其基本原理是從入端口射出的光束被反射片反射到出端口，兩端口之間的反射耦合效率由反射片的傾斜角度來控制，從而實現光衰減的調節。而反射片的傾斜則由多種不同的機理來控制。

機械型光衰減器是較為傳統的解決方案，到目前為止，已在系統中應用的VOA大多是用機械的方法來達到衰減。該類型的光衰減器具有工藝成熟、光學特性好、低插損、偏振相關損耗小、無需控溫等優點；而其缺點在于體積較大、組件多結構復雜、響應速度不高、難以自動化生產、不利于集成等。

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?？?，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。

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

二，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。

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。

MEMSVOA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?？斓膬烖c，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。

審核編輯：湯梓紅