可调式光衰减器(VOA)在光通讯中的广泛应用

可调式光衰减器(VOA) 在光通讯中的广泛应用

光衰减器主要功能是用来减低或控制光讯号，例如在WDM 网路系统上，用来缩小通道(channel)间的能量差距和维持所有通道讯噪比(S/N)一定，因此光放大器DWDM 模组都会用到。光衰减器有许多种类的制造方式，包括藉由调整空气间隙改变一对光纤端面之间的损失， 或应用滤波器方式影响入射光，这些制造方法皆可用於固定式和可调式光衰减器（Variable Optical Attenuator）。目前固定式光衰减器价格较低，主要装设於通讯系统，用以平衡光能量，但是较不具有弹性；相对地， 可调式光衰减器（VOA）在发展上较具优势，能主动精确平衡光的讯号，并朝向结合各式模组、次系统（如多工／解多工、OADM 光塞取器）发展，未来的发展较受瞩目，因此本文即针对VOA 做探讨。
VOA 技术需求特性
光通讯网路通道数目增加如何影响光放大器和系统其他零组件？举例来说， EDFA 对於光能量的输入相当灵敏，因此在光能量控制上需要让通道数目可程式化，因为在当通道数增加、或减少进入EDFA 的光能量时，这些输入光能量的变化会对EDFA 造成一些不确定的影响，例如：光谱导入的增益偏斜(Gain Tilt)。增益偏斜定义为反转条件改变时非均匀的增益。一般在设计宽频放大器时，为了减低增益偏斜和保持平均反转能量常数，会用到VOA，如此可以减低受激拉曼散射的影响。VOA 应用其损失特性在EDFA 布建上可达成多样化跨距，控制光放大器之间的跨距损失其方式如前所述，在於控制输入光的能量。在许多情况下，设计者需要利用VOA 将网路系统设计成固定跨距，比如说在已经架设完毕系统设备时，或新安装光放大器时 ，若发生系统老化或系统要连结更改时都可用到。VOA 在DWDM 网路中能够动态控制光的能量，在多通道耦合前，提供能量平衡、OADM 波道间的平衡、置於光放大器间，以及进入接收器前的能量控制。
VOA 制造技术
理想的VOA 能精确控制光讯号的损失，一般特性要求包括： 低极化模态色散、低极化相关损失、与波长无关的损失以及低插入损失等。VOA 应用到的制造技术及其特性如下图1 所示。另外，从图1 中可看出三种技术中，液晶(LC)和微机电(MEMs)技术会有较低的插入损失、较低的极化损失与低的色散损失，更进一步的VOA 技术比较可参考表1。

图1　各种制造VOA 的技术

MEMS 技术可运用於单通道和多通道的VOA，其中绕射式MEMS技术相对於步进马达元件、平面波导和其他MEMS 技术(如微镜片或气泡式等)来说，制作更快速、更可靠、较不复杂且比较便宜。
表1 　VOA 技术比较

VOAs 由於内部材料和使用元件较复杂等因素，会导致插入损失和
极化灵敏度等特性的衰减。透过电控式VOA 的设计及应用多层膜的耦
合器技术，提供熔烧层强烈的玻璃模层保护，有利於VOA 的应用，这
样的设计提供高可靠度、低插入损失和低极化相关损失。
VOA 应用导向
a.VOA 用於光源通道能量控制
一个高阶多波道光源平台必须具备良好的特性，这点对於测试线路和未来的EDFA／DWDM 交互连接的应用都很重要，总之，一个高阶多波道光源将整合以下主要的功能：每个通道的极化控制；参照ITU-T 规格的波长， 提供内部和外部调变速率为2.5GHz；高输出功率；每个通道独立的遮光器；光能量量测模组；可遥测通道；VOA；强大的用户介面以及波导多工器等等，提供更多功能与管理性。

b.结合VOA 和光开关增强网路控制运用高速VOA 技术（VOA 材料反应速率接近1 微秒），网路设计者可增进网路节点间的资讯流量控制，且在解多工器处可以得到高插入损失。

c.VOA 模组化和封装小型化发展

一个高阶多波道光源平台必须提供良好的特性，并提供管理元件的功能，其中VOA在此的应用，应特别着重模组化和封装小型化的发展。以结合VOA 和光塞取器增强网路控制的模组为例，因为运用高速VOA 技术，VOA 材料反应速度接近1 微秒，使网路设计者现今能够增进网路节点间的资讯流量控制，不需求助於高价的设备，且在解多工器处可以得到高插入损失。VOA 尚有一些模组化组装的运用，条列如下：

EDFA + VOA = 增益平坦化光放大器

CADM(Configurable Add/Drop Module) + VOA = 增益平坦可配置式光塞取器

ASE 光源 + VOA = 增益控制器

MUX／DEMUX + VOA = 多波道等化器

OA 未来走向
小型化和降低系统的复杂性是未来元件的发展趋势， 对於买主来说，那些功能必须精确的整合在一起是个问题，但是可以确定的是整合是势在必行。此外，如何平顺的控制衰减量，以及达到系统控制面板需求的低电压和电流，并且满足Telcordia 关於VOA 所订定之标准，例如Telcordia GR-910 对於光衰减器的要求标准等，也是待解决的课题。另外，VOA 整合泵激模组(pump module )可以得到出色的光功能特性，包括雷射频率、温度稳定性还有精确的能量灵敏度，相对於传统单一光纤泵激模组，不仅特性更好，基本上还可节省成本。因此，理想的EDFA 泵激光源整合应用设计包括：光交换连接(optical crossconnects)损失补偿；在DWDM 网路上做能量控制和放大；用於高速侦测阵列(highspeeddetector arrays)的光前置放大器阵列；和波导放大器的泵激阵列(pumping of waveguide amplifier arrays) 或光纤雷射传输阵列(lasertransmitter arrays)等，其中当然有VOA 发挥的地方。
ElectroniCast 将光衰减器市场分成下列几个部分：平面底板：固定式（包括bulkhead, connector buildout)光缆组装：固定式（包括跳接线／引线、in-line）可调变的：手动（平面底板／单独直立）、电子式控制根据该公司调查， 2000 年全球光衰减器的销售金额约3 亿1 千万美元，至2005 年复合成长率大约33.9%，市场达到12 亿美元，其中以电信市场占有比例最大，且年复合成长率最高，主要是由於光纤用户回路（FITL）发展，以及长距离DWDM 网路升级的需求。其中可调光衰减器（电子控制方式），包括有磁光、声光和电光，此部份主要由改变电压来控制衰减范围，此部份约占70%；另外，在手动可调式光衰减器约占12%，总体来说2000 年可调式光衰减器，约占全球光衰减器销售金额3 亿1 千万美元的82%，其各类光衰减器分布如表2 所示。

厂商投入脚步
一般VOA阵列的应用包括： DWDM系统中EDFA 的增益等化、路径相关讯号的控制和在接收器端动态饱和的控制。国外投入厂商及其发
展状况如下：
SDL 公司整合VOA 和DWDM技术，目前该公司已被JDSU 并购，SDL 宣称是第一家推出整合40 通道的DWDM 和40 通道的VOA 为单一模组的元件，并以平面光波导线路（Planar Lightguide Circuit；PLC） 整合AWG多工器和热光式VOA。Gemfire 投资6 千3 百万美元，导入VOA 阵列和多埠数泵激光源阵列， Gemfire 是一个积体光通讯公司，据报导其资本额超过8 千5 百万美元， 有Cisco Systems 、Corning 、Finisar 、Intel Capital 、TriQuintSemiconductor 以及创投Hook 合股投资， 先前已投资Gemfire 的包括Eastman Kodak、LG Electronics、Microvision 以及Ricoh Silicon Valley。Gemfire 的多埠VOA 阵列可提供增益等化和动态饱和光讯号控制， VOA阵列元件整合於光积体线路（IC）平台上，运用独特的聚合物波导提供低插入损失、体积小和较少能量损耗，达到电子式控制衰减量的目的。Gemfire 的泵激光源阵列建立在司自有的平面光积体电路平台上，就如同它的电子式积体电路的前身，与单独泵激光源装置相比，每个输出可以用较低的成本传递更多功能，而且所有的功能都可以做在一个小型的封装里。Gemfire 光积体电路980nm 多埠数泵激光源阵列，从小型内嵌的光模组到能提供八个可独立控制的光纤输出都有。至於我国厂商初步投入领域大部份以机械方式调变光衰减器为主，在考量国外厂商发展状况下，国内厂商应该更积极投入不同技术方式，
例如：电控方式的光衰减器(EVOA)等，以跻身国际技术水准之林。