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光電材料可變光設(shè)計(jì)的新突破

2017-4-27

: 3709 作者:未知

這種固體技術(shù)能很快地在光網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信號衰減功能并且有希望應(yīng)用于其它有源器件中。對于在光網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行精確、全面控制的有源光器件的要求,隨著DWDM系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的持續(xù)更新而逐步升級。設(shè)備供應(yīng)商已對發(fā)展光開關(guān)可調(diào)光濾波器,光all/drop復(fù)用器之類器件做出了巨大的投資以提升系統(tǒng)的速度、容量和可靠性。

　　在光網(wǎng)絡(luò)光信號流量水平控制中起決定作用的可變量光衰減器（VOAS）領(lǐng)域的發(fā)展印證了這個(gè)趨勢。通過改變在電領(lǐng)域應(yīng)用的光一電（EO）材料的折射系數(shù)來控制光衰減水平。這些器件可以提供優(yōu)異的光學(xué)性能和瞬時(shí)反應(yīng),進(jìn)一步講包含VOA技術(shù)的光--電材料技術(shù)能應(yīng)用于別的有源器件領(lǐng)域,如光開關(guān)和光濾波器。

　　巨大的VOA需求：

　　在過去的幾年里,設(shè)計(jì)師已開始廣泛應(yīng)用VOAS技術(shù),兩個(gè)主要的系統(tǒng)應(yīng)用已呈現(xiàn)清晰：數(shù)據(jù)通道的均衡性；在摻鉺光纖放大器各階段之間的多重波長同時(shí)衰減。

　　在DWDM系統(tǒng)中,需要嚴(yán)格地平衡各通道的光能量,通過直接控制Laser驅(qū)動電流來調(diào)整輸出是不現(xiàn)實(shí)的,然而,這些改變將產(chǎn)生不可接受的波長漂移,在今天的城域網(wǎng),絕對的,不使用EDFA的laser輸出是受到保護(hù)的以覆蓋系統(tǒng)中較遙遠(yuǎn)的終端。

　　在EDFA各階段中同時(shí)進(jìn)行多重波長的衰減,必須使可調(diào)放大器能滿足下列特定的長度/衰減范圍。它也能降低由EDFA在光功率變化時(shí)引發(fā)的光譜增益偏移（也就是說,增加或減少通道）。除了系統(tǒng)應(yīng)用之外,儀器生產(chǎn)商趨向于增加VOA應(yīng)用來加強(qiáng)測試設(shè)備的性能。例如,VOAS通過施加平滑微差游標(biāo)調(diào)節(jié)來控制Laser輸出功率以便提高可調(diào)Laser儀器性能。VOAS同時(shí)也能在一定范圍波長掃描時(shí)保持恒定輸出功率。

　　不同的approaches to衰減：

　　目前大多數(shù)工業(yè)中的VOAS應(yīng)用機(jī)械方法影響的衰減,這是通過分離或定位光纖endfaces、光纖微曲,或大多數(shù)時(shí)候,通過步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動葉片或?yàn)V波器對光通量進(jìn)行機(jī)械控制。這些設(shè)計(jì)提供良好的光性能,但有時(shí)權(quán)衡利弊,一種方法是降低衰減速度,典型的衰減速度是在100-500微秒,衰減10dB；另一種方法包括由啟動驅(qū)動馬達(dá)的浪涌電流的噪聲和機(jī)械磨損故障的可能性來影響的衰減。當(dāng)處于考慮電的影響在光纖系統(tǒng)中起主要作用時(shí),機(jī)械設(shè)備看起來就不適合了。

　　為了打破這些限制,不同設(shè)計(jì)概念的非機(jī)械VOAS現(xiàn)在已投放市場。熱敏光設(shè)備具有折射系數(shù)隨材料溫度變化而變化的性能。在Mach-zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)中,可以通過加熱而形成不同的光通道長度的差異,輸出光功率取決于2個(gè)通道的溫度差異,好幾家公司已成功生產(chǎn)出這類設(shè)備,除了光纖/襯底下聯(lián)結(jié)處導(dǎo)致的插入損耗高于2dB之外的不足。

　　另一種熱--光效應(yīng)是基于靠近光纖纖芯的聚合物的折射率可隨溫度而變化的邊緣研磨光纖將影響到光通量。雖然其光纖性能非常具有吸引力,但其響應(yīng)時(shí)間很慢,可靠性也未得到證實(shí)。

　　第三種替代方法是類似于可變隔離器的光--磁效應(yīng)。將一個(gè)金剛砂磁盤放置于兩個(gè)平行光管（collimator）之間,就象在一個(gè)隔離器和一個(gè)電線圈繞組用來調(diào)節(jié)磁場,這些設(shè)備具有高速響應(yīng)〈1微秒響應(yīng)時(shí)間〉和良好的光學(xué)性能。

　　另一種技術(shù)趨勢是摻入銀酸鹽（LiNbO3）。這種組成可以更好利用極化laser輸入光和在均衡DWDM系統(tǒng)中各通道光量中非常有用。由于單極性限制和高耦合損耗,VOAS技術(shù)不能有效地應(yīng)用于多波長能量控制,或者在單波長控制時(shí)不能立即在鐳射光源和LiNbO3模塊切換。

　　過去5年里,伴隨著材料技術(shù)的進(jìn)步,VOAS技術(shù)也能完成人們希望的高可靠性和速度的優(yōu)異性能,這些成就都是應(yīng)用機(jī)械可控的光--電材料的結(jié)果。

　　光--電材料在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用已不是什么新鮮事。今天,LiNbO3模塊為光網(wǎng)絡(luò)作出了顯著的貢獻(xiàn)。這些設(shè)備由于高模塊化和卓越的可靠性而被廣泛接受。

　　VOAS已由具有比LiNbO3高的光--電系數(shù)的并由此導(dǎo)致極其重要的不同性能的材料制成。LiNbO3裝置僅僅在平面波導(dǎo)Mach-zehnde干涉儀應(yīng)用。因?yàn)槠涞凸?-電系數(shù)使厘米級的交擾長度成為必要。這個(gè)設(shè)計(jì)顯示出相對高的插入損耗（4到5dB）并且僅僅適合于線性極性光。

　　相反,具有高光--電系數(shù)的材料能進(jìn)行自由空間設(shè)計(jì),光垂直入射到EO材料表面,能實(shí)現(xiàn)低插入損耗和抗極性操作,類似于隔離器,一個(gè)簡單易懂的系統(tǒng)部件（見FIG,2）。光通過輸入瞄準(zhǔn)器進(jìn)入,通過EO器件再從一個(gè)瞄準(zhǔn)器輸出,通過調(diào)控EO器件內(nèi)的電場來改變材料的折射系數(shù)控制光輸出水平。

　　顯著結(jié)果：

　　數(shù)據(jù)結(jié)果很顯著。VOAS技術(shù)利用260mm2（0.4 inch2）面積提供25dB的變化范圍。將來,這些微型化的創(chuàng)新將應(yīng)用于別的器件上。典型的Wavelength-dependent損耗和Polarization-dependent損耗是0.25dB（當(dāng)衰減器為15dB時(shí)）,當(dāng)插入損耗少于1dB時(shí),這種技術(shù)進(jìn)步將產(chǎn)生更好的光學(xué)結(jié)果。

　　VOAS材料的基本響應(yīng)時(shí)間小于1微秒。這種能帶來基于real-time光強(qiáng)度和不依靠溫度的精確光衰減設(shè)置的利益的高速響應(yīng),為實(shí)施閉環(huán)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間控制提供了可能。輸出接頭Coupler為控制極提供能對系統(tǒng)使用者所期望的數(shù)值進(jìn)行比較的real-time信息。然后驅(qū)動電極自動調(diào)節(jié)施加于VOA的控制電壓。在這種運(yùn)行過程中,輸出功率受控于呈線性的0-5V的控制信號。另一種方法是,用一個(gè)雙接頭的耦合器系統(tǒng)（一個(gè)在VOA前,一個(gè)在VOA后）提供衰減控制--第一個(gè)接頭的信號在第二個(gè)輸出口被分配以產(chǎn)生real-time衰減刻度范圍。然后電極調(diào)節(jié)施加于EO元件的電壓,以使由控制電壓設(shè)置的衰減達(dá)到期望的水平。

　　兩種控制系統(tǒng)有從10%衰減到90%的響應(yīng)時(shí)間小于500毫秒。兩種系統(tǒng)的重復(fù)性都很好；經(jīng)過2千萬次從最小插入損耗到20dB的衰減循環(huán)。相對于衰減曲線的控制值精確地保持在0.01dB之下。從-5℃到+65℃溫度變化時(shí),其衰減值變化小于0.3dB。

　　在所有的通信系統(tǒng)中,設(shè)備的可靠性是極端重要的。在基于光電材料技術(shù)的VOAS結(jié)構(gòu)和光隔離器結(jié)構(gòu)之間的極端相似性為其它良好的可靠性提供了一個(gè)已被證實(shí)的路徑。依據(jù)Bellcore 1209和1211協(xié)議對VOAS的測試結(jié)果非常優(yōu)異。將部件置于85℃,85%的相對濕度的環(huán)境下進(jìn)行1000小時(shí)的老化試驗(yàn),得出其偏移的插入損耗值小于0.15dB。類似地,在-40℃到+70℃的溫度變化中做100次循環(huán)實(shí)驗(yàn)只測得極小的插入損耗偏移值。

　　下一步的新領(lǐng)域：

　　VOAS技術(shù)正在為通信網(wǎng)的建設(shè)添磚加瓦。在將來,這技術(shù)能進(jìn)一步應(yīng)用于包括具有內(nèi)置光分歧器的緊湊設(shè)備。另外,VOA的排列形成的系列的通道能直接應(yīng)用。應(yīng)用VOAS能節(jié)省設(shè)備空間以便于應(yīng)用于其它的功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備。VOA技術(shù)也可應(yīng)用于對極性不敏感的光模塊、可調(diào)濾波器和關(guān)開關(guān)。在新的多功能高速光波系統(tǒng)也有EO設(shè)備的身影。高光一電系數(shù)材料既能調(diào)節(jié)光能量,又能實(shí)施精確衰減控制。這種重要的技術(shù)平臺已廣泛應(yīng)用于光波信號的控制和發(fā)送。

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