T el :0571******** Email :zhui @coer. 收稿日期:20031116
曹钟慧 晏辉鸣 吴兴坤
(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江大学光及电磁波研究中心，杭州310027)
摘 要 设计制成一种数字化电磁驱动微机械M OE MS 可调光衰减器1与传统可调光衰减器相比,
该器件不仅可实现光衰减量数字化电控调节，并且可通过器件结构的优化设计，对光衰减量的非线性进行补偿，最终得到线性衰减1器件性能测试表明，插入损耗I L <0.3dB ，偏振相关损耗PD L <0.1dB ，波长相关损耗W D L <0.2dB ，衰减范围0～40dB ，回波损耗R L >50dB 1关键词 微光机电系统(M OE MS )；可变光衰减器；电磁驱动；微位移驱动器 中图分类号 T N253 文献标识码 A
0 引言
可调光衰减器(Variable Optical Attenuator :VOA )广泛应用于波分复用(W DM/DW DM )系统中的信道均
衡和器件保护，是光通信网络中的一种重要光纤无源器件1可调光衰减器的实现方法有很多，包括机械型，波导型，液晶型，压电型，和微机械型等1尤其近年来利用微机械技术制造的M OE MS (微光机电系统:Micro 2Optical 2Electro 2Mechanical Systems )可调光衰减器，具有体积小，质量轻，能耗小，加工工艺稳定，成本低，可在单片上制造阵列并且各路集成在一起等优点，开辟了光衰减器设计及生产的新方法[1～4]1但现有的可调光衰减器结构通常都不能达到线性衰减，需要在这些器件应用于功率调节机构前加校正装置[5]1这种复杂性会导致光学性能经过一些时间而下降1并导致较高的插入损耗及偏振敏感性1
我们成功地设计制成了一种电磁线圈驱动的数字化M OE MS 可变光衰减器，该衰减器通过电磁脉冲驱动微加工部件实现挡光片的步进微动，对单模光纤中光传输功率进行数字化衰减1该结构并可通过改变驱动轮的形状以及挡光片刀口的形状，对光衰减量的非线性进行补偿，最终得到输入驱动脉冲个数与输出光衰减量之间的线性关系1本文将着重介绍这种微机械式可调光衰减器的线性衰减设计以及器件性能测试1 1 器件结构和制作
该M OE MS 可变光衰减器照片如图1所示，两个
输入输出光纤准直器固定于基板上，中间设置弹性连接的挡光片，挡光片尾端在弹性片作用下，与装
在转轴上的偏心轮点接触，并且挡光片所在平面穿过
转轴的轴心，齿轮和偏心轮是由微加工制成的一整体零件，可绕垂直固定在基板上的转轴转动
1
图1 数字化M OE MS 可变光衰减器Fig.1 Photograph of the ME MS DVOA
位移驱动器由驱动线圈，铁芯，铁镍薄片组成1当向横向位移驱动器输入驱动电压时，横向弹性片带动一微加工齿条作横向运动，同时带动齿轮转动过一个齿距1此时，向纵向位移驱动器输入驱动电压，
带动纵向弹性片，使齿条脱离与齿轮的啮合1然后撤销横向位移驱动器两端电压，则横向位移驱动器带动齿条回到初始位置，而由于齿条未与齿轮啮合，齿轮保持位置不变1再撤销纵向位移驱动器两端电压，纵向弹性片回到初始位置，齿条与齿轮啮合，实现自锁1重复这个过程，可以使齿轮不断转动，且每次转动为一个齿距，齿轮的转动将带动偏心轮转动1由于挡光片末端在弹性片作用下与偏心轮保持点接触，偏心轮转动，推动挡光片作水平前进或后退1在连续电脉冲的作用下，挡光片在光路中步进移动，实现对输入光功率的数字化衰减1
器件以电磁线圈作位移驱动器，不仅驱动功率低，且采用电脉冲驱动，无须稳恒电压维持其工作状态，由此可降低器件功率，避免因功率损耗产生热量在器件内部积蓄，提高工作稳定性；同时器件具有自锁功能，掉电后衰减值可锁存，使器件的可靠性、稳定性更具优势1整个器件结构紧凑，外形尺寸仅为(30×29×6)mm 31器件制作利用非硅基M OE MS 微加工技术，实现微型齿轮、齿条、转轴和基板一体
第33卷第7期2004年7月 光 子 学 报
ACT A PH OT ONIC A SI NIC A
V ol.33N o.7
July 2004
化加工，工艺简单，可复制性好，有利于大批量生产1目前，这种光衰减器的结构设计已申请专利1
2 光衰减量的线性补偿
大多数可调光衰减器输出通常不能实现衰减(dB)与驱动电压信号的线性关系，如以压电陶瓷作微位移驱动机构的光衰减器，压电陶瓷的位移量不仅是电压的高次函数，而且还存在滞回路，所以要得到光衰减量同施加电压的简单函数如线性关系从而施以简单开环调节有很大难度，而必须采取闭环调节[6]1我们设计的光衰减器可通过改变器件偏心轮的形状及挡光片挡光刀口的形状，对光衰减量的非线性进行自我补偿1
2.1 偏心轮补偿
线性补偿的最终目的是得到输入驱动脉冲个数(driving pulse number)与光衰减量(Attenuation)之间的线性关系1为了达到这个目的，我们对偏心轮的形状进行了优化设计1首先，由实验测试可知，当挡光片挡光刀口为直刀口，偏心轮为普通的圆形偏心轮时，挡光片行程(Displacement)与光衰减量之间存在非线性关系，当挡光片的位置由0mm移动到0.4mm时，光信号的衰减量从0.3dB变化到40dB，在高衰减量时曲线斜率逐渐增大1因此通过调节输入驱动脉冲个数与档光片行程之间的关系，来补偿挡光片行程与光衰减量之间的非线性，最终达到输入驱动脉冲个数与光衰减量之间的线性关系1再次，根据实际应用需要和输入驱动脉冲个数与光衰减量的线性关系，确定线性斜率为0.4，即每经过一个脉冲
光衰减量增加0.4dB，经过100个脉冲后光衰减量从0dB增加为40dB1由实际测得的挡光片行程与光衰减量的单调曲线关系，每个挡光片行程值对应一个光衰减量，就可以得出每个挡光片行程值对应的输入驱动脉冲个数值1图2给出了优化前后驱动脉冲个数与挡光片行程之间的关系曲线1图中三角点线给出优化前输入驱动脉冲个数与挡光片行程之间关系；方点线给出优化后输入脉冲个数与挡光片行程之间补偿曲线关系，其拟合函数为
D=
abN1-c
1+bN1-c
(1)
式中D为挡光片行程,N为输入驱动脉冲个数1图2中的最佳函数参数:a=3109926,b=010154,c= 0151751
因此，通过将偏心轮外形加工成拟合曲线的形状，可使得输入驱动脉冲与挡光片行程之间关系符合如图2中方点线所示的补偿曲线，从而实现输入驱动脉冲个数和输出光衰减量之间的线性依赖关系
1
图2 优化前后驱动脉冲个数与挡光片行程的关系
Fig.2 Displacement of shutter as a function of number
of driving pulse
2.2 挡光片挡光刀口补偿
输入驱动脉冲个数与输出光衰减量之间的非线性关系，还可以进一步通过改变挡光刀口的形状的方法
进行校正1对于挡光片式光衰减器，光束在准直器的耦合区内经过挡光，耦合入后续光路，总的光衰减损耗由直接挡光能量衰减(L1)，模场失配衰减(L2)两部分构成1
入射在接收光纤准直器端面上的光场分布，可用高斯分布近似，在近轴光束范围内，如果光纤横截面近场分布为高斯分布，则远场分布也一定为高斯型1因此在弱导近似条件下，对接的两根光纤准直器中的入射光场分布可用下式表示
φ=2
π
1
ω
e-x
2
+y2
ω2
e i kz=φ0(2)
当准直器耦合区内的光束被挡住一部分时，耦合进光纤的光场分布发生变化1如挡光片刀口在任意点处的挡光位置函数为
M(x,y)=
1x,y∈R(x,y)
0x,y|R(x,y)
(3)
φ=φ
M(x)=φ1(4)据模场耦合理论[7]，耦合效率由两场交叠积分求得，直接挡光能量衰减值(dB)为
L1=-10log
|∫
2π
dθ∫
∞
φ
φ3
1
r d r|2
∫
2π
dθ∫
∞
|φ0|2r d r∫
2π
dθ∫
∞
|φ1|2r d r
(5)
输入光束经挡光片挡光后，经过距离z传输到第二根光纤的端面时，由于挡光片刀口衍射，被挡光束光场分布会展宽，模场直径发生变化，再与第二根光纤准直器耦合时，将带来模场失配产生的能量损失1该衰减称为模场失配衰减1
当挡光片存在时，必然对原来入射波产生扰动，特别是在挡光片边缘附近，入射波受到的扰动比较大，但当挡光片尺寸远大于波长时，光场大部分面积的场所受到的扰动不大，因此假设未被挡光部分的φ和5φ/5n等于原来入射波的值不会导致很大误差；同时在挡光片右侧，实际上只有在小孔边缘附近
728
7期曹钟慧等1可调光衰减器的光衰减量线性补偿
处φ和5φ/5n 才可能显著地不为零，因此假设被挡
光部分的φ和5φ/5n 等于零1即被挡后光束可用式(4)表示1
根据基尔霍夫衍射公式 φ(x ,y ,z )=-14πϕS [φ(x ′,y ′,z ′) ′e i kr r -e i kr
r
· ′φ(x ′,y ′,z ′)]d S ′=-14πϕS e i kr
r
n [ ′φ(x ′,y ′,z ′)+(i k -1r
)r
r
φ(x ′,y ′,z ′
)
]d S ′(6)波源强度由x ′点上的φ和5φ/5n 值确定，因子e
i kr
r
表示由曲面S 上的点x ′向V 内x 点传播的波,n
是指向区域V 内的法线1其中
r =
(x -x ′)2+(y -y ′)2+(z -z ′)2
(7)
被挡光束的高斯场经过距离z 传输到第二根光纤的端面时，模场分布发送变化为φ=-14πϕS e i kr r i k φ1+e i kr r i k -1
r
z
r φ1
d S ′=φ3(8)与第二根光纤准直器对接模场失配衰减为
L 2=-10log
|∫2
π0
d θ∫
∞
φ0φ33r d r |2∫2
π0
d θ∫∞
|φ0|2
r d r ∫2π0
d θ∫∞
|φ3|2
r d r
(9)
从而得到总的光衰减量为
L =L 1+L 2
(10)
在工作波长1550nm ，我们选用的光纤准直器光束在耦合区内的直径实际测量为0.44mm 1根据以上过程，可以计算得到不同挡光片行程值下的光衰减量1
如器件采用普通的偏心轮，根据已得出的输入脉冲个数与挡光片行程的关系(图3点线)，可作出输入脉冲个数与光衰减量的关系曲线1分析改变挡光片刀口的挡光位置函数，可以得到不同的关系曲线1图3是计算得到的三种挡光片关于光衰减量与挡光片行程之间的不同关系曲线1也可以将偏心轮形状补偿与挡光片刀口形状补偿两种方式结合运用，达到最
图3 挡光片行程与光衰减量之间的关系曲线Fig.3 Attenuation versus displacement of shutter
佳的光衰减量与输入脉冲个数的线性关系1
3 性能测试实例
我们对一个经过优化设计的光衰减器实例进行了性能测试1该衰减器的挡光片刀口采用直刀口,
偏心轮外形制成拟合曲线的形状，使输入驱动脉冲与挡光片行程之间关系符合如图3中方点线所示的补偿曲线1
初始状态时，器件挡光片没有进入光路，输入光束从输入光纤准直器直接耦合进输出光纤准直器，器件原始插入损耗很小，仅与光纤准直器的插入损
耗有关，测得器件在1.55μm 工作波长时原始插入损耗<0.3dB 1在连续电脉冲的作用下，齿轮逐齿转动从而步进旋转偏心轮，使挡光片在输入输出光纤准直器之间的耦合光路中剪切光径，实现对输入光功率的数字化衰减，如图4所示，对于每一个特定的衰减量，都有特定的控制脉冲与之对应1图4显示优化后(实点线)与优化前(虚点线)驱动脉冲个数与光衰减量之间关系的结果比较，可知器件的光衰减量非线性得到了极好地校正1该器件的最大衰减量可以达到40dB 以上1
图4 驱动脉冲个数与光衰减量之间的关系曲线Fig.4
Attenuation as a function of driving pulse number at the wavelength of 1.55μm
用宽带光源对器件在不同的衰减量时进行宽带响应测试，图5是光衰减器处于六个不同衰减量时的光谱响应1在1535nm ～1565nm 波长范围内，光衰减量为30dB 以下只有±0.19dB 的偏差，波长相关损耗W D L <0.2dB ，器件具有相当平稳的衰减曲线1
图5 DVOA 宽带响应测试
Fig.5 S pectral response of the DVOA
828光 子 学 报33卷
另外，器件的回波损耗R L 实测为-50.5dB ，偏振相关损耗PD L0.15dB 1
4 结论
利用非硅基底M OE MS 微加工技术设计制作了
一种能够对光衰减量进行数字化电控可调光衰减器，这种设计可以通过器件中偏心轮和挡光片的结构优化，对光衰减量的非线性进行补偿，最终得到线性衰减1实例器件性能测试表明，通过对器件的线性补偿优化设计，能极好地实现线性衰减，并且器件性能稳定，结构紧凑1参考文献
1 Li Q ,Amy A ,Lin C H ,et al.An efficient all 2fiber variable
optical attenuator via acoustooptic m ode coupling.IEEE Photonics Technology Letter s ,2002,14(11):1563～1565
2Cao Z H ,Y uan Y,Bao J F ,et al.A micromechanical variable
optical attenuator based on E DM micromachining.Proceedings o f S PIE ,2002,4928:225～227
3 陈益新1光纤通信中光电器件新进展1光子学报,2000,
29(1):1～7
Chen Y X.Acta Photonica Sinica ,2000,29(1):1～7
4 左玉华，毛容伟，黄昌俊，等1镜面起伏对1155μm S i 基ME MS 光滤波器的影响1光子学报,2003,32(6):661～664Zuo Y H ,Mao R W ,Huang C J ,et al.Acta Photonica Sinica ,2003,32(6):661～664
5 N oell W ,Clerc P A ,Dellmann L ,et al.Applications of S OI 2
Based optical ME MS.IEEE J Select Top Quantum Electron ,2002,8(1):148～154
6 Liu GQ ,Ruan Y,Liu M ,et al.The development of a new type
of electrically 2controlled variable optical attenuator (E VOA ).Optoelectronic Technology and Information ,2002,15(6):12～
15
7 K ogelnik H.C oupling and conversion coefficients for optical
m odes 1Proc Symp Quasi 2Optics ,1964,14:333～347
The Linearity Compensation of a Digital Micro 2machining
B ased V ariable Optical Attenuator
Cao Zhonghui ,Y an Hunming ,Wu X ingkun
State K ey Laboratory o f Modern Optical Instrumentation ,Center for Optical and Electromagnetic Reasearch ,
Department o f Optical Engineering Zhejiang Univer sity ,Hangzhou 310027
Received date :20031116
Abstract A novel micro 2machining based digital M OE MS variable optical attenuator (VOA )was presented.The design of the VOA was optimized to achieve a linear response and digitized variation of attenuation.The characteristics of the device were analyzed with a scalar wave theory based num
erical simulation.The performance test of the device showed a low insertion loss (0.3dB ),wave dependent loss (0.1dB ),return loss (>50dB ),and wide dynamic response (0～40dB ).
K eyw ords M OE MS (Micro 2Optical 2Electro 2Mechanical Systems );Digital variable optical attenuator (DVOA );Electromagnetic m oving ;Micro displacement
actuator
C ao Zhonghui was born in Zhejiang ,China 1She received her B. E.in Optical Engineering at Zhejiang University.Currently she is a doctoral graduate student in the Center of Optical and Electromagnetic Research at Zhejiang University and is engaged in research of ME MS optical switch and VOA.
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287期曹钟慧等1可调光衰减器的光衰减量线性补偿
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