MEMS（Micro Electro Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，MEMS技術(shù)與光學(xué)技術(shù)的結(jié)合，通常稱作MOEMS技術(shù)。最為常用的MOEMS器件包括光衰減器VOA、光開關(guān)OS、可調(diào)光學(xué)濾波器TOF、動態(tài)增益均衡器DGE、波長選擇開關(guān)WSS和矩陣光開關(guān)OXC。

VOA在光纖通信系統(tǒng)中常用于光功率均衡，在各種技術(shù)方案中，MEMS VOA具有尺寸小、成本低和易于制造的優(yōu)勢。最常用的MEMS VOA有兩類：MEMS Shutter型和MEMS微鏡型，前者通常以熱效應(yīng)驅(qū)動，后者通常以靜電力驅(qū)動。

MEMS Shutter型VOA

基于MEMS Shutter的VOA結(jié)構(gòu)如圖1所示，MEMS Shutter被插入兩根光纖之間的光路，衰減量取決于被阻擋的光束截面大小。在實(shí)際應(yīng)用中，這種VOA也可以設(shè)計(jì)成反射型。

圖1. 基于MEMS shutter的VOA結(jié)構(gòu)

MEMS微鏡型VOA

如圖2所示為基于MEMS扭鏡的VOA結(jié)構(gòu)，它以雙光纖準(zhǔn)直器的兩根尾纖作為輸入/輸出端口，準(zhǔn)直光束被MEMS微鏡反射偏轉(zhuǎn)，從而聯(lián)通輸入/輸出端口之間的光路。扭動微鏡讓光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光功率的衰減。

圖2. 基于MEMS扭鏡的VOA結(jié)構(gòu)

MEMS扭鏡通常有兩種結(jié)構(gòu)，即平板電極和梳齒電極，如圖3所示。考慮0~20dB的衰減范圍，前者通常需要》10V的驅(qū)動電壓，后者可將驅(qū)動電壓降至5V以下。然而，僅僅一個(gè)微小的粉塵顆粒就會卡住梳齒電極，因此其生產(chǎn)良率較低。采用梳齒電極的MEMS微鏡，通常需要在超凈環(huán)境下封裝。

圖3. 兩類MEMS扭鏡：平板電極和梳齒電極

MEMS微鏡型VOA中的WDL問題

基于MEMS shutter和MEMS微鏡的VOA均有廣泛應(yīng)用，前者性能指標(biāo)較好，但裝配工藝相對復(fù)雜；后者易于裝配但WDL（波長相關(guān)損耗）相對較大。在寬帶應(yīng)用中，此類VOA會對不同波長產(chǎn)生不同的衰減量，此現(xiàn)象定義為WDL。寬帶應(yīng)用中，要求WDL指標(biāo)越小越好。

WDL問題源于單模光纖SMF中的模場色散，我們知道，光纖中的不同波長具有不同的模場直徑，長波的模場直徑更大一些。圖4所示為光纖中模場的色散情況。

圖4. 光纖中模場色散情況

如圖4所示，光束被MEMS微鏡反射偏轉(zhuǎn)，不同波長的的光斑均偏離出射光纖的纖芯。在未經(jīng)優(yōu)化的VOA中，所有波長的光斑具有相同的偏移量。如式（1），衰減量A取決于偏移量X和模場半徑ω。

（1）

在一個(gè)相對有限的波長范圍內(nèi)，如C波段（1.53~1.57μm），單模光纖中的模場色散情況可以式（2）作線性近似處理［3］。

（2）

對于常用的康寧公司SMF-28型單模光纖，上式中的系數(shù)為a=5.2μm、b=3.11@λc=1.55μm。當(dāng)中心波長λc處的衰減量Ac給定時(shí)，得到光斑的偏移量Xc如式（3）。

（3）

綜合式（1-3）可得到波長范圍λs~λl內(nèi)的WDL如式（4），其中下標(biāo)s， c， l分別代表波段范圍內(nèi)的短波、中波和長波。

（4）

根據(jù)式（4），當(dāng)VOA的衰減量Ac設(shè)置越大時(shí)，光斑的偏移量Xc也越大，因此會產(chǎn)生更大的WDL，如圖5， 圖6所示。根據(jù)圖6，在衰減范圍0~20dB和波長范圍1.53~1.57μm之內(nèi)，最大WDL可達(dá)0.96dB。商用MEMS VOA可測得最大WDL為1.5dB，這是因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)色散的影響，造成不同波長的光斑在輸出光纖端面的偏移量不同。這種情況與圖4所示情況不同，在圖4中，所有光斑具有相同的偏移量。

圖5. 對應(yīng)不同衰減水平的WDL

圖6. 對應(yīng)不同衰減水平的WDL

MEMS微鏡型VOA的WDL優(yōu)化

MEMS微鏡型VOA中的WDL源于兩個(gè)因素：模場色散和光學(xué)系統(tǒng)色散，兩個(gè)因素的影響累加起來，讓最大WDL達(dá)到1.5dB。那么這兩個(gè)因素的影響能否相互抵消，以助于減小WDL呢？答案是可以，但需要精細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。

根據(jù)式（1），長波具有更大的模場直徑，因此其衰減量更小。如圖4.16所示，如果光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)﹂L波的光斑產(chǎn)生更大的偏移量，就可以增加長波的衰減量，從而對衰減譜線產(chǎn)生均衡作用。

圖7. 光學(xué)系統(tǒng)的色散與模場色散相互抵消情況

然而，根據(jù)式（4），因兩個(gè)因素產(chǎn)生的WDL，只能在某個(gè)特定的衰減水平Ac下完全相互抵消。當(dāng)VOA器件的衰減量被設(shè)置為一個(gè)異于Ac的數(shù)值時(shí)，將會存在剩余WDL，如圖8所示。

從圖8中看到，在優(yōu)化之前，最大WDL產(chǎn)生于衰減量為20dB時(shí)。如果通過優(yōu)化，將衰減量為20dB時(shí)的WDL完全抵消，則最大WDL產(chǎn)生于衰減量為4dB時(shí)。 如果將衰減量為13dB時(shí)的WDL完全抵消，則在0~20dB的衰減范圍內(nèi)，最大WDL將《0.2dB。

圖8. 兩個(gè)引起WDL的因素相互抵消情況

目前已有各種方案，可通過光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生相反的色散。在圖9中，準(zhǔn)直透鏡與MEMS微鏡之間插入了一個(gè)棱鏡，因而光學(xué)系統(tǒng)的色散與模場色散相互抵消。然而，額外加入的棱鏡會增加VOA器件的成本和復(fù)雜度。圖10展示了另一個(gè)解決方案，該方案要求制造準(zhǔn)直透鏡的玻璃材料具有很高的色散，并且透鏡前端面傾角》10°（在現(xiàn)有器件中，這個(gè)角度通常為8°）［4］。

圖9 通過引入棱鏡來優(yōu)化WDL ； 圖10 通過高色散的準(zhǔn)直透鏡來優(yōu)化WDL

基于對光學(xué)系統(tǒng)色散的透徹分析，華中科技大學(xué)的萬助軍等人提出了第三種解決方案，準(zhǔn)直透鏡的材料為常用的N-SF11玻璃，透鏡的曲率半徑也是常用的R=1.419mm。為了優(yōu)化WDL指標(biāo)，得到準(zhǔn)直透鏡的其他參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)曲線如圖4.20所示，曲線上任意一點(diǎn)給出準(zhǔn)直透鏡的一組參數(shù)：端面角度φ和透鏡長度L。基于這些參數(shù)加工準(zhǔn)直透鏡，VOA器件的WDL指標(biāo)將得到優(yōu)化。注意圖11中的端面角度φ均為負(fù)值，因此雙光纖插針與準(zhǔn)直透鏡需要按照圖12（d）中的方向進(jìn)行裝配，而非如圖12（c）中的現(xiàn)有MEMS VOA裝配方式。他們最終裝配的MEMS微鏡VOA如圖13所示，據(jù)報(bào)道，在衰減范圍0~20dB和波長范圍1.53~1.57μm之內(nèi)，測得最大WDL《0.4dB。

圖11. WDL優(yōu)化之后準(zhǔn)直透鏡參數(shù)之間的關(guān)系

圖12. 通過調(diào)整準(zhǔn)直透鏡端面角度優(yōu)化WDL指標(biāo)

圖13. MEMS微鏡VOA樣品

隨著DWDM技術(shù)的快速發(fā)展，MEMS VOA的在光通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將越來越廣泛。億源通立足于現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需求以及面向未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，推出了一系列自主研發(fā)的MEMS技術(shù)產(chǎn)品， 包括1×48通道的光開關(guān)， 與 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光開關(guān)模塊，以及MCS模塊等。

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