L'attenuatore ottico variabile (VOA) ha una vasta gamma di applicazioni nelle comunicazioni ottiche. Negli ultimi anni sono emerse una varietà di tecnologie per la produzione di attenuatori ottici variabili, tra cui VOA meccanico, VOA magneto-ottico, VOA a cristalli liquidi, VOA MEMS, VOA ottico termico e VOA acusto-ottico, ecc.
L'attenuatore ottico variabile (VOA) ha una vasta gamma di applicazioni nelle comunicazioni ottiche e la sua funzione principale è ridurre o controllare i segnali ottici. La caratteristica più basilare della rete ottica dovrebbe essere regolabile, in particolare con l'applicazione del sistema di trasmissione DWDM e EDFA nella comunicazione ottica, l'appiattimento del guadagno o l'equalizzazione della potenza del canale devono essere eseguiti su più canali di trasmissione del segnale ottico. L'estremità deve portare avanti il controllo dinamico della saturazione, la rete ottica deve anche controllare altri segnali, tutti questi fanno del VOA un componente chiave indispensabile tra loro. Inoltre, i prodotti VOA hanno anche le caratteristiche di combinarsi con altri componenti di comunicazione ottica e spingerli verso moduli di fascia alta.
VOA meccanico
Esistono anche molte implementazioni specifiche per questo tipo di VOA. La Figura 1 è un diagramma schematico di un attenuatore in fibra di blocco della luce. L'elemento di blocco della luce è guidato per essere bloccato tra due collimatori per ottenere l'attenuazione della potenza ottica. L'elemento di blocco della luce può essere a forma di foglio oa forma di cono, quest'ultimo può essere azionato mediante rotazione e il primo deve essere spinto orizzontalmente o attraverso una determinata struttura meccanica per realizzare la conversione dall'azione di rotazione a spinta orizzontale. Il blocco della luce fibra ottica attenuatore può essere trasformato in una struttura di adattatore per fibra ottica, oppure può essere trasformato in una struttura in linea come mostrato in FIG. 1.
Simile al VOA che blocca la luce sopra menzionato, esiste anche una soluzione EVOA sotto forma di potenziometro meccanico. Il principio è utilizzare un motore passo-passo per trascinare un filtro a gradiente neutro e quando il raggio di luce passa attraverso diverse posizioni del filtro, la sua potenza luminosa in uscita cambierà secondo una legge di attenuazione predeterminata, in modo da raggiungere lo scopo di regolare il attenuazione. C'è anche un attenuatore in fibra polarizzata meccanicamente. Il principio di base è che il raggio di luce emesso dalla porta di ingresso viene riflesso dal riflettore alla porta di uscita e l'efficienza di accoppiamento della riflessione tra le due porte è controllata dall'angolo di inclinazione del riflettore, realizzando così la regolazione dell'attenuazione della luce . L'inclinazione del riflettore è controllata da una varietà di meccanismi differenti.
Gli attenuatori meccanici in fibra sono una soluzione più tradizionale. Finora, la maggior parte dei VOA utilizzati nei sistemi utilizza metodi meccanici per ottenere l'attenuazione. Questo tipo di attenuatore in fibra ottica presenta i vantaggi di una tecnologia matura, buone caratteristiche ottiche, bassa perdita di inserzione, bassa perdita correlata alla polarizzazione e nessuna necessità di controllo della temperatura; ma i suoi svantaggi sono le grandi dimensioni, la struttura complessa dei componenti, la bassa velocità di risposta e la difficoltà nella produzione automatizzata, non favorisce l'integrazione e così via.
VOA magneto-ottico
La VOA magneto-ottica utilizza i cambiamenti nelle proprietà ottiche esibite da alcune sostanze sotto l'azione di un campo magnetico. Ad esempio, l'effetto di rotazione magneto-ottico (effetto Faraday) può anche ottenere l'attenuazione dell'energia luminosa, raggiungendo così lo scopo di regolare il segnale ottico. Una tipica struttura VOA magneto-ottica indipendente dalla polarizzazione è mostrata nella Figura 2.
Nella Figura 2, (a) è il percorso ottico effettivo. Per spiegare meglio il suo principio, usiamo il percorso ottico speculare in (b). Quando la luce entra da un'estremità della fibra dual-core, viene collimata dalla lente (omettendo lo spessore del fascio), entra nel cristallo birifrangente (il suo asse ottico è perpendicolare alla carta) e si divide in due fasci di luce O e luce E, quindi entrando nel rotatore di Faraday, la luce esce dal rotatore di Faraday e viene riflessa dallo specchio a riflessione totale, quindi passa attraverso il rotatore di Faraday, il cristallo birifrangente e la lente a turno, e infine esce dall'altra estremità della fibra dual-core. Pertanto, modulando la tensione per controllare il campo magnetico, è possibile ruotare lo stato di polarizzazione della luce polarizzata che entra nel rotatore di Faraday. Quando l'angolo di rotazione di Faraday è 0 gradi, la luce O è ancora luce O e la luce E è ancora luce E. Le due travi non sono parallele e non possono essere combinate. Come mostrato dalla linea tratteggiata, il grado di attenuazione è il più grande in questo momento; nella rotazione di Faraday Quando l'angolo è di 45 gradi, l'angolo totale di rotazione di Faraday è di 90 gradi, la luce O diventa luce E e la luce E diventa luce O. I due raggi sono paralleli e combinati dopo essere stati messi a fuoco dall'obiettivo. In questo momento, il grado di attenuazione è minimo. Quando l'angolo di rotazione di Faraday viene controllato per cambiare continuamente tra 0 gradi e 45 gradi, è possibile ottenere una regolazione continua dell'attenuazione.
Utilizzando l'effetto magneto-ottico del materiale e combinandolo con altre tecnologie, è possibile produrre un attenuatore ottico con prestazioni elevate, dimensioni ridotte, risposta elevata e struttura relativamente semplice. Questa è un'area da sviluppare ulteriormente nell'uso della tecnologia dei dispositivi micro-ottici discreti per realizzare attenuatori ottici.
LCD VoA
Il VOA a cristalli liquidi utilizza l'effetto di birifrangenza mostrato dall'anisotropia dell'indice di rifrazione dei cristalli liquidi. Quando viene applicato un campo elettrico esterno, l'orientamento delle molecole di cristalli liquidi verrà riorganizzato, il che cambierà le sue caratteristiche di trasmissione della luce. Il suo principio di funzionamento è mostrato nella Figura 3.
L'implementazione specifica del VOA a cristalli liquidi è mostrata nella Figura 4. La luce incidente dalla fibra incidente viene collimata dal collimatore, entra nel cristallo birifrangente ed è divisa in luce O e luce E i cui stati di polarizzazione sono perpendicolari tra loro. Dopo aver attraversato il cristallo liquido, la luce O diventa luce E e la luce E diventa luce O. Il raggio viene combinato da un altro cristallo birifrangente e infine emesso dal collimatore. Quando viene applicata una tensione V agli elettrodi trasparenti ad entrambe le estremità del materiale a cristalli liquidi, sia la luce O che la luce E cambiano di un certo angolo dopo essere passate attraverso il cristallo liquido. Dopo il secondo cristallo birifrangente, ogni luce è divisa in luce O e luce E, formando 4 due raggi di luce, i due raggi centrali vengono infine combinati in un raggio per uscire dal secondo cristallo birifrangente e ricevuti dal collimatore, e l'altro due fasci non vengono ricevuti dal collimatore dopo essere usciti dal secondo cristallo birifrangente, ottenendo così l'attenuazione. Pertanto, applicando tensioni diverse sui due elettrodi del cristallo liquido per controllare il cambiamento di intensità della luce, è possibile ottenere attenuazioni diverse.
Il VOA a cristalli liquidi può realizzare la miniaturizzazione e l'elevata risposta dell'attenuatore ottico. Ma allo stesso tempo, la perdita di inserzione del materiale a cristalli liquidi è relativamente grande e il processo di fabbricazione è relativamente complicato, soprattutto a causa della maggiore influenza dei fattori ambientali. Il suo vantaggio è il basso costo ed è stato commercializzato in lotti. Esistono altri materiali funzionali che cambiano anche le loro proprietà ottiche sotto l'azione di un forte campo elettrico, come l'effetto elettro-ottico dei cristalli di niobato di litio (LiNbO3), quindi anche questo è un possibile modo di utilizzo. Tuttavia, poiché effetti elettro-ottici come questo di solito richiedono un forte campo elettrico di diverse migliaia di volt o addirittura decine di migliaia di volt, la loro applicazione nel campo dei dispositivi passivi per le comunicazioni ottiche ha alcune limitazioni e finora ci sono poche informazioni rilevanti .
MEMS VOA
MEMS è una tecnologia applicativa relativamente nuova in questo campo. Dopo diversi anni di sviluppo, il processo di produzione di MEMS Chip è diventato maturo, il che ha fortemente promosso l'applicazione di MEMS VOA. Nell'applicazione della rete ottica, anche i prodotti basati sulla tecnologia MEMS presentano evidenti vantaggi in termini di prezzo e prestazioni. MEMS VOA ha un VOA riflettente e un VOA diffrattivo, come mostrato nella Figura 5.
Il principio di funzionamento del VOA riflettente è mostrato nella Figura 5 (a), che consiste nel fabbricare un micro-specchio su un substrato di silicio. Prendi lo sblocco VOA come esempio. La luce entra attraverso un'estremità del collimatore a doppia fibra e incide sul microspecchio con una certa angolazione. Quando viene applicata una tensione, il microspecchio viene attorcigliato sotto l'azione dell'elettricità statica, l'angolo di inclinazione cambia e l'angolo di incidenza della luce incidente cambia. Dopo che la luce è stata riflessa, l'energia non può essere completamente accoppiata all'altra estremità del collimatore dual-core per raggiungere lo scopo di regolare l'intensità della luce; quando non viene applicata alcuna tensione, il micro-specchio è in uno stato orizzontale e l'energia è completamente accoppiata all'altra estremità del collimatore dual-core dopo la riflessione della luce.
Il VOA diffrattivo si basa sulla tecnologia del reticolo di diffrazione dinamica, come mostrato nella Figura 5 (b). Questo tipo di reticolo di diffrazione dinamica è composto da un array di barre micro-grid parallele. La superficie superiore della barra micro-grid è rivestita con una pellicola di alluminio spessa 200~300 nm, che svolge il duplice ruolo di elettrodo e luce riflessa. La superficie inferiore è appositamente progettata e formata da una pellicola di Si3N4 e SiO2. La struttura a doppia molla fornisce forza elastica e lo spessore del traferro inciso sotto è correlato alla banda spettrale desiderata. Quando viene applicato un segnale di tensione, sotto l'azione della forza elettrostatica, le posizioni dei reticoli mobili distanziati si spostano verso il basso per produrre un effetto di reticolo di diffrazione. Lo stato di funzionamento è mostrato nella Figura 5 (b). La luce diffratta del primo ordine viene controllata regolando la tensione per raggiungere lo scopo di regolare l'attenuazione del segnale ottico. Questo tipo di reticolo di diffrazione dinamica è stato applicato per la prima volta nella tecnologia di imaging e visualizzazione. Ha le caratteristiche di velocità di risposta rapida, elevata precisione di controllo dell'attenuazione, elevato coefficiente di estinzione, resistenza alla fatica, ecc. E può essere utilizzato per realizzare molti altri dispositivi di comunicazione ottica. Componenti principali, come array di interruttori ottici, ecc.
MEMS VOA è molto maturo ed è stato prodotto in serie e applicato su larga scala. Allo stesso tempo, a causa del problema del rendimento, anche il prezzo deve affrontare delle sfide. Inoltre, a causa dei componenti microelettromeccanici, l'affidabilità a volte non è ideale. I primi MEMS VOA utilizzavano la saldatura laser, che richiedeva un grande investimento in attrezzature, bassa efficienza produttiva e costi di assemblaggio elevati. Allo stato attuale, il mercato ha anche introdotto il processo MEMS VOA all-glue, che ha risolto bene questo problema.
Attualmente, i produttori stranieri che possono produrre in serie MEMS VOA includono principalmente: Lightconnect (acquisita da Neophotonics), JDSU, Oplink, Avanex, Santec, Lightwave2020, AFOP, ecc. In Cina, Gaoyi Communication Co., Ltd. ha la capacità di produrre in serie produce MEMS VOA e dispone di una piattaforma tecnologica per la saldatura laser e l'all-glue. I prodotti principali includono dispositivi VOA singoli, moduli VOA a 4 e 8 canali, come mostrato nella Figura 6.
VOA termo-ottica
La VOA termo-ottica utilizza principalmente le proprietà ottiche di alcuni materiali nel campo della temperatura, come la variazione dell'indice di rifrazione dei materiali termo-ottici causata dalle variazioni di temperatura. Secondo la diversa struttura, può essere suddiviso in due categorie principali, tipo di perdita e tipo di interruttore VOA.
Il principio del VOA termo-ottico che perde è mostrato nella Figura 7 (a). Il principio è rimuovere parte della guaina esterna originale della fibra ottica e sostituirla con materiali termo-ottici per formare la guaina esterna. Quando viene applicata una variazione di temperatura allo strato esterno del materiale termo-ottico, la caratteristica di trasmissione ottica originale, vale a dire la variazione del diametro del campo modale (MFD) dovuta alla variazione del suo indice di rifrazione, causerà una parte del energia del segnale ottico per fuoriuscire da lì (Radiazione luminosa), in modo da raggiungere lo scopo di regolare la quantità di attenuazione della luce controllando la temperatura.
Il più tipico VOA termo-ottico di tipo a luce aperta si basa sul principio dell'interferometro di Mach-Zehnder (MZI) e la sua struttura specifica è mostrata nella Figura 7 (b). Il metodo di lavoro principale consiste nell'aggiungere materiale termo-ottico su uno dei bracci di interferenza dell'interferometro di Mach-Zehnder e posizionare il materiale termo-ottico sul riscaldatore a film sottile. L'effetto termo-ottico viene utilizzato per modificare l'indice di rifrazione del materiale, modificando così la lunghezza del braccio di interferenza dell'MZI, in modo che i due bracci producano differenze di percorso ottico diverse, che modificano ulteriormente l'intensità della luce di interferenza del doppio raggio , e realizza il controllo dell'attenuazione della luce. . La guida d'onda ottica planare MZI VOA è di piccole dimensioni, il che è positivo per un'elevata integrazione, ma la sua tecnologia è ancora in fase di sviluppo e miglioramento. Questo metodo deve dividere e accoppiare il raggio, il che introdurrà una maggiore perdita di inserzione, quindi le prestazioni di questo tipo di VOA sono ancora scarse e l'imballaggio è difficile.
Il VOA termo-ottico ha dispositivi di riscaldamento e raffreddamento relativamente complicati e la relazione della funzione matematica tra il campo di temperatura e l'indice di rifrazione del mezzo di guida ottica è complicata e difficile da quantificare e controllare con precisione. In particolare, il suo lungo tempo di risposta ne ostacola l'applicazione nelle moderne comunicazioni ottiche.
Suono e luce VOA
Il principio di base di questo tipo di attenuatore è quello di utilizzare la deformazione periodica prodotta dal cristallo acusto-ottico sotto l'azione delle onde ultrasoniche per provocare la variazione periodica dell'indice di rifrazione, che equivale alla creazione di un reticolo di fase. modulazione.
Alcune aziende hanno già affermato di aver sviluppato un attenuatore ottico variabile (chiamato AVOA) utilizzando cristalli acusto-ottici. Resta inteso che non vi è alcun problema nell'ottenere materiali cristallini acusto-ottici, ma in questa fase il costo complessivo è relativamente elevato, rappresentando circa il 4-5%.
Osservazioni conclusive
L'attenuatore ottico variabile (VOA) è uno dei dispositivi ottici importanti nei sistemi di comunicazione ottica. Per molto tempo è rimasto a livello meccanico, perché le sue grandi dimensioni non favoriscono l'integrazione ed è generalmente adatto solo per l'attenuazione a canale singolo. Con lo sviluppo dei sistemi DWDM e la domanda potenzialmente enorme del mercato di multiplexer ottici add/drop riconfigurabili flessibili e aggiornabili, vi è una crescente necessità di array di attenuatori ottici variabili con un numero elevato di canali e un volume ridotto. Soprattutto alcuni prodotti VOA integrati. I metodi meccanici tradizionali non possono più risolvere questi problemi. Con lo sviluppo delle reti in fibra ottica, la tendenza allo sviluppo di VOA è: basso costo, elevata integrazione, tempi di risposta rapidi e integrazione ibrida con altri dispositivi di comunicazione ottica.
