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光电材料可变光设计的新突破

2017-4-27

: 3767 作者:未知

这种固体技术能很快地在光网络中进行信号衰减功能并且有希望应用于其它有源器件中。对于在光网络中进行精确、全面控制的有源光器件的要求,随着DWDM系统对通信系统的持续更新而逐步升级。设备供应商已对发展光开关可调光滤波器,光all/drop复用器之类器件做出了巨大的投资以提升系统的速度、容量和可靠性。

　　在光网络光信号流量水平控制中起决定作用的可变量光衰减器（VOAS）领域的发展印证了这个趋势。通过改变在电领域应用的光一电（EO）材料的折射系数来控制光衰减水平。这些器件可以提供优异的光学性能和瞬时反应,进一步讲包含VOA技术的光--电材料技术能应用于别的有源器件领域,如光开关和光滤波器。

　　巨大的VOA需求：

　　在过去的几年里,设计师已开始广泛应用VOAS技术,两个主要的系统应用已呈现清晰：数据通道的均衡性；在掺铒光纤放大器各阶段之间的多重波长同时衰减。

　　在DWDM系统中,需要严格地平衡各通道的光能量,通过直接控制Laser驱动电流来调整输出是不现实的,然而,这些改变将产生不可接受的波长漂移,在今天的城域网,绝对的,不使用EDFA的laser输出是受到保护的以覆盖系统中较遥远的终端。

　　在EDFA各阶段中同时进行多重波长的衰减,必须使可调放大器能满足下列特定的长度/衰减范围。它也能降低由EDFA在光功率变化时引发的光谱增益偏移（也就是说,增加或减少通道）。除了系统应用之外,仪器生产商趋向于增加VOA应用来加强测试设备的性能。例如,VOAS通过施加平滑微差游标调节来控制Laser输出功率以便提高可调Laser仪器性能。VOAS同时也能在一定范围波长扫描时保持恒定输出功率。

　　不同的approaches to衰减：

　　目前大多数工业中的VOAS应用机械方法影响的衰减,这是通过分离或定位光纤endfaces、光纤微曲,或大多数时候,通过步进马达驱动叶片或滤波器对光通量进行机械控制。这些设计提供良好的光性能,但有时权衡利弊,一种方法是降低衰减速度,典型的衰减速度是在100-500微秒,衰减10dB；另一种方法包括由启动驱动马达的浪涌电流的噪声和机械磨损故障的可能性来影响的衰减。当处于考虑电的影响在光纤系统中起主要作用时,机械设备看起来就不适合了。

　　为了打破这些限制,不同设计概念的非机械VOAS现在已投放市场。热敏光设备具有折射系数随材料温度变化而变化的性能。在Mach-zehnder干涉仪结构中,可以通过加热而形成不同的光通道长度的差异,输出光功率取决于2个通道的温度差异,好几家公司已成功生产出这类设备,除了光纤/衬底下联结处导致的插入损耗高于2dB之外的不足。

　　另一种热--光效应是基于靠近光纤纤芯的聚合物的折射率可随温度而变化的边缘研磨光纤将影响到光通量。虽然其光纤性能非常具有吸引力,但其响应时间很慢,可靠性也未得到证实。

　　第三种替代方法是类似于可变隔离器的光--磁效应。将一个金刚砂磁盘放置于两个平行光管（collimator）之间,就象在一个隔离器和一个电线圈绕组用来调节磁场,这些设备具有高速响应〈1微秒响应时间〉和良好的光学性能。

　　另一种技术趋势是掺入银酸盐（LiNbO3）。这种组成可以更好利用极化laser输入光和在均衡DWDM系统中各通道光量中非常有用。由于单极性限制和高耦合损耗,VOAS技术不能有效地应用于多波长能量控制,或者在单波长控制时不能立即在镭射光源和LiNbO3模块切换。

　　过去5年里,伴随着材料技术的进步,VOAS技术也能完成人们希望的高可靠性和速度的优异性能,这些成就都是应用机械可控的光--电材料的结果。

　　光--电材料在光网络中的应用已不是什么新鲜事。今天,LiNbO3模块为光网络作出了显著的贡献。这些设备由于高模块化和卓越的可靠性而被广泛接受。

　　VOAS已由具有比LiNbO3高的光--电系数的并由此导致极其重要的不同性能的材料制成。LiNbO3装置仅仅在平面波导Mach-zehnde干涉仪应用。因为其低光--电系数使厘米级的交扰长度成为必要。这个设计显示出相对高的插入损耗（4到5dB）并且仅仅适合于线性极性光。

　　相反,具有高光--电系数的材料能进行自由空间设计,光垂直入射到EO材料表面,能实现低插入损耗和抗极性操作,类似于隔离器,一个简单易懂的系统部件（见FIG,2）。光通过输入瞄准器进入,通过EO器件再从一个瞄准器输出,通过调控EO器件内的电场来改变材料的折射系数控制光输出水平。

　　显著结果：

　　数据结果很显著。VOAS技术利用260mm2（0.4 inch2）面积提供25dB的变化范围。将来,这些微型化的创新将应用于别的器件上。典型的Wavelength-dependent损耗和Polarization-dependent损耗是0.25dB（当衰减器为15dB时）,当插入损耗少于1dB时,这种技术进步将产生更好的光学结果。

　　VOAS材料的基本响应时间小于1微秒。这种能带来基于real-time光强度和不依靠温度的精确光衰减设置的利益的高速响应,为实施闭环系统反应时间控制提供了可能。输出接头Coupler为控制极提供能对系统使用者所期望的数值进行比较的real-time信息。然后驱动电极自动调节施加于VOA的控制电压。在这种运行过程中,输出功率受控于呈线性的0-5V的控制信号。另一种方法是,用一个双接头的耦合器系统（一个在VOA前,一个在VOA后）提供衰减控制--第一个接头的信号在第二个输出口被分配以产生real-time衰减刻度范围。然后电极调节施加于EO元件的电压,以使由控制电压设置的衰减达到期望的水平。

　　两种控制系统有从10%衰减到90%的响应时间小于500毫秒。两种系统的重复性都很好；经过2千万次从最小插入损耗到20dB的衰减循环。相对于衰减曲线的控制值精确地保持在0.01dB之下。从-5℃到+65℃温度变化时,其衰减值变化小于0.3dB。

　　在所有的通信系统中,设备的可靠性是极端重要的。在基于光电材料技术的VOAS结构和光隔离器结构之间的极端相似性为其它良好的可靠性提供了一个已被证实的路径。依据Bellcore 1209和1211协议对VOAS的测试结果非常优异。将部件置于85℃,85%的相对湿度的环境下进行1000小时的老化试验,得出其偏移的插入损耗值小于0.15dB。类似地,在-40℃到+70℃的温度变化中做100次循环实验只测得极小的插入损耗偏移值。

　　下一步的新领域：

　　VOAS技术正在为通信网的建设添砖加瓦。在将来,这技术能进一步应用于包括具有内置光分歧器的紧凑设备。另外,VOA的排列形成的系列的通道能直接应用。应用VOAS能节省设备空间以便于应用于其它的功能强大的网络系统设备。VOA技术也可应用于对极性不敏感的光模块、可调滤波器和关开关。在新的多功能高速光波系统也有EO设备的身影。高光一电系数材料既能调节光能量,又能实施精确衰减控制。这种重要的技术平台已广泛应用于光波信号的控制和发送。

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