可調式光衰減器(VOA) 在光通訊中的廣泛應用

光衰減器主要功能是用來減低或控制光訊號，例如在WDM 網路系統上，用來縮小通道(channel)間的能量差距和維持所有通道訊噪比(S/N)一定，因此光放大器DWDM 模組都會用到。光衰減器有許多種類的制造方式，包括藉由調整空氣間隙改變一對光纖端面之間的損失， 或應用濾波器方式影響入射光，這些制造方法皆可用於固定式和可調式光衰減器（Variable Optical Attenuator）。目前固定式光衰減器價格較低，主要裝設於通訊系統，用以平衡光能量，但是較不具有彈性；相對地， 可調式光衰減器（VOA）在發展上較具優勢，能主動精確平衡光的訊號，并朝向結合各式模組、次系統（如多工／解多工、OADM 光塞取器）發展，未來的發展較受矚目，因此本文即針對VOA 做探討。
VOA 技術需求特性
光通訊網路通道數目增加如何影響光放大器和系統其他零組件？舉例來說， EDFA 對於光能量的輸入相當靈敏，因此在光能量控制上需要讓通道數目可程式化，因為在當通道數增加、或減少進入EDFA 的光能量時，這些輸入光能量的變化會對EDFA 造成一些不確定的影響，例如：光譜導入的增益偏斜(Gain Tilt)。增益偏斜定義為反轉條件改變時非均勻的增益。一般在設計寬頻放大器時，為了減低增益偏斜和保持平均反轉能量常數，會用到VOA，如此可以減低受激拉曼散射的影響。VOA 應用其損失特性在EDFA 布建上可達成多樣化跨距，控制光放大器之間的跨距損失其方式如前所述，在於控制輸入光的能量。在許多情況下，設計者需要利用VOA 將網路系統設計成固定跨距，比如說在已經架設完畢系統設備時，或新安裝光放大器時 ，若發生系統老化或系統要連結更改時都可用到。VOA 在DWDM 網路中能夠動態控制光的能量，在多通道耦合前，提供能量平衡、OADM 波道間的平衡、置於光放大器間，以及進入接收器前的能量控制。
VOA 制造技術
理想的VOA 能精確控制光訊號的損失，一般特性要求包括： 低極化模態色散、低極化相關損失、與波長無關的損失以及低插入損失等。VOA 應用到的制造技術及其特性如下圖1 所示。另外，從圖1 中可看出三種技術中，液晶(LC)和微機電(MEMs)技術會有較低的插入損失、較低的極化損失與低的色散損失，更進一步的VOA 技術比較可參考表1。

圖1　各種制造VOA 的技術

MEMS 技術可運用於單通道和多通道的VOA，其中繞射式MEMS技術相對於步進馬達元件、平面波導和其他MEMS 技術(如微鏡片或氣泡式等)來說，制作更快速、更可靠、較不復雜且比較便宜。
表1 　VOA 技術比較

VOAs 由於內部材料和使用元件較復雜等因素，會導致插入損失和
極化靈敏度等特性的衰減。透過電控式VOA 的設計及應用多層膜的耦
合器技術，提供熔燒層強烈的玻璃模層保護，有利於VOA 的應用，這
樣的設計提供高可靠度、低插入損失和低極化相關損失。
VOA 應用導向
a.VOA 用於光源通道能量控制
一個高階多波道光源平臺必須具備良好的特性，這點對於測試線路和未來的EDFA／DWDM 交互連接的應用都很重要，總之，一個高階多波道光源將整合以下主要的功能：每個通道的極化控制；參照ITU-T 規格的波長， 提供內部和外部調變速率為2.5GHz；高輸出功率；每個通道獨立的遮光器；光能量量測模組；可遙測通道；VOA；強大的用戶介面以及波導多工器等等，提供更多功能與管理性。

b.結合VOA 和光開關增強網路控制運用高速VOA 技術（VOA 材料反應速率接近1 微秒），網路設計者可增進網路節點間的資訊流量控制，且在解多工器處可以得到高插入損失。

c.VOA 模組化和封裝小型化發展

一個高階多波道光源平臺必須提供良好的特性，并提供管理元件的功能，其中VOA在此的應用，應特別著重模組化和封裝小型化的發展。以結合VOA 和光塞取器增強網路控制的模組為例，因為運用高速VOA 技術，VOA 材料反應速度接近1 微秒，使網路設計者現今能夠增進網路節點間的資訊流量控制，不需求助於高價的設備，且在解多工器處可以得到高插入損失。VOA 尚有一些模組化組裝的運用，條列如下：

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 未來走向
小型化和降低系統的復雜性是未來元件的發展趨勢， 對於買主來說，那些功能必須精確的整合在一起是個問題，但是可以確定的是整合是勢在必行。此外，如何平順的控制衰減量，以及達到系統控制面板需求的低電壓和電流，并且滿足Telcordia 關於VOA 所訂定之標準，例如Telcordia GR-910 對於光衰減器的要求標準等，也是待解決的課題。另外，VOA 整合泵激模組(pump module )可以得到出色的光功能特性，包括雷射頻率、溫度穩定性還有精確的能量靈敏度，相對於傳統單一光纖泵激模組，不僅特性更好，基本上還可節省成本。因此，理想的EDFA 泵激光源整合應用設計包括：光交換連接(optical crossconnects)損失補償；在DWDM 網路上做能量控制和放大；用於高速偵測陣列(highspeeddetector arrays)的光前置放大器陣列；和波導放大器的泵激陣列(pumping of waveguide amplifier arrays) 或光纖雷射傳輸陣列(lasertransmitter arrays)等，其中當然有VOA 發揮的地方。
ElectroniCast 將光衰減器市場分成下列幾個部分：平面底板：固定式（包括bulkhead, connector buildout)光纜組裝：固定式（包括跳接線／引線、in-line）可調變的：手動（平面底板／單獨直立）、電子式控制根據該公司調查， 2000 年全球光衰減器的銷售金額約3 億1 千萬美元，至2005 年復合成長率大約33.9%，市場達到12 億美元，其中以電信市場占有比例最大，且年復合成長率最高，主要是由於光纖用戶回路（FITL）發展，以及長距離DWDM 網路升級的需求。其中可調光衰減器（電子控制方式），包括有磁光、聲光和電光，此部份主要由改變電壓來控制衰減范圍，此部份約占70%；另外，在手動可調式光衰減器約占12%，總體來說2000 年可調式光衰減器，約占全球光衰減器銷售金額3 億1 千萬美元的82%，其各類光衰減器分布如表2 所示。

廠商投入腳步
一般VOA陣列的應用包括： DWDM系統中EDFA 的增益等化、路徑相關訊號的控制和在接收器端動態飽和的控制。國外投入廠商及其發
展狀況如下：
SDL 公司整合VOA 和DWDM技術，目前該公司已被JDSU 并購，SDL 宣稱是第一家推出整合40 通道的DWDM 和40 通道的VOA 為單一模組的元件，并以平面光波導線路（Planar Lightguide Circuit；PLC） 整合AWG多工器和熱光式VOA。Gemfire 投資6 千3 百萬美元，導入VOA 陣列和多埠數泵激光源陣列， Gemfire 是一個積體光通訊公司，據報導其資本額超過8 千5 百萬美元， 有Cisco Systems 、Corning 、Finisar 、Intel Capital 、TriQuintSemiconductor 以及創投Hook 合股投資， 先前已投資Gemfire 的包括Eastman Kodak、LG Electronics、Microvision 以及Ricoh Silicon Valley。Gemfire 的多埠VOA 陣列可提供增益等化和動態飽和光訊號控制， VOA陣列元件整合於光積體線路（IC）平臺上，運用獨特的聚合物波導提供低插入損失、體積小和較少能量損耗，達到電子式控制衰減量的目的。Gemfire 的泵激光源陣列建立在司自有的平面光積體電路平臺上，就如同它的電子式積體電路的前身，與單獨泵激光源裝置相比，每個輸出可以用較低的成本傳遞更多功能，而且所有的功能都可以做在一個小型的封裝里。Gemfire 光積體電路980nm 多埠數泵激光源陣列，從小型內嵌的光模組到能提供八個可獨立控制的光纖輸出都有。至於我國廠商初步投入領域大部份以機械方式調變光衰減器為主，在考量國外廠商發展狀況下，國內廠商應該更積極投入不同技術方式，
例如：電控方式的光衰減器(EVOA)等，以躋身國際技術水準之林。