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Variable optische Dämpfungsglieder (VOA) finden in der optischen Kommunikation vielfältige Anwendung; ihre Hauptfunktion besteht darin, das optische Signal zu reduzieren oder zu steuern.
Die grundlegenden Eigenschaften von Glasfasernetzen sollten variabel sein. Insbesondere bei der Anwendung von DWDM-Übertragungssystemen und EDFA in der optischen Kommunikation muss die Verstärkungsglättung oder -entzerrung mehrerer optischer Signale im Übertragungskanal sowie die Kanalleistung im optischen Empfänger dynamisch geregelt werden. Optische Netze müssen auch andere Signale steuern, wodurch der VOA zu einer unverzichtbaren Schlüsselkomponente wird. Darüber hinaus kann der VOA mit anderen optischen Kommunikationskomponenten kombiniert werden, was ihn zu einem Modul höherer Ebene macht.
In den letzten Jahren sind viele Technologien zur Herstellung variabler optischer Dämpfungsglieder entstanden, darunter mechanische VOAs, magnetooptische VOAs, LCD-VOAs, MEMS-VOAs, thermooptische VOAs und akustooptische VOAs.
VOA-Typen
Mechanische VOA
Das Prinzip besteht darin, einen Schrittmotor-gesteuerten, neutralen Gradientenfilter zu verwenden. Dessen optische Ausgangsleistung ändert sich gemäß einer vorgegebenen Dämpfungsregel, wenn der Lichtstrahl den Filter an verschiedenen Positionen durchläuft. Dadurch lässt sich die Dämpfung anpassen. Es gibt auch einen mechanischen polarisierenden optischen Dämpfungsregler. Dessen Grundprinzip ist, dass der vom Eintrittsanschluss emittierte Lichtstrahl von einer Reflektorfolie zum Anschluss reflektiert wird. Die Kopplungseffizienz zwischen den beiden Anschlüssen wird durch den Neigungswinkel der Reflektorfolie gesteuert, wodurch die Lichtdämpfung angepasst werden kann. Die Neigung der Reflektorfolie kann durch verschiedene Mechanismen gesteuert werden. Mechanische optische Dämpfungsregler sind eine traditionellere Lösung. Bisher wird in VOA-Systemen meist die mechanische Methode zur Dämpfung eingesetzt. Dieser Dämpfungsreglertyp zeichnet sich durch ausgereifte Technologie, gute optische Eigenschaften, geringe Einfügungsdämpfung, polarisationsabhängige Dämpfung und den Verzicht auf Temperaturregelung aus. Zu den Nachteilen zählen die größeren und komplexeren Strukturkomponenten, die geringe Reaktionsgeschwindigkeit und die Schwierigkeit der Automatisierung der Produktion, was die Integration erschwert.
Magneto-optische VOA
Magnetooptische optische Dämpfungsglieder (VOA) nutzen Substanzen im Magnetfeld, deren optische Eigenschaften sich ändern. Beispielsweise kann durch den magnetischen Rotationseffekt (Faraday-Effekt) eine Dämpfung der Lichtenergie erreicht werden, um so das optische Signal anzupassen. Durch die Kombination des magnetooptischen Effekts mit anderen Techniken lassen sich leistungsstarke, kompakte, schnell reagierende und relativ einfach aufgebaute optische Dämpfungsglieder realisieren. Die Verwendung diskreter Technologie zur Herstellung optischer Dämpfungsglieder stellt eine Weiterentwicklung dieses Gebiets dar.
LCD VOA
Die Nutzung der Brechungsindexanisotropie von Flüssigkristallen führt bei optischen Flüssigkristall-Abschwächern (VOA) zu Doppelbrechung. Beim Anlegen eines externen elektrischen Feldes ändert sich die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle, was eine Änderung der Transmissionseigenschaften zur Folge hat. Die Dämpfung kann durch Änderung der Lichtintensität mittels Spannungssteuerung an den beiden Elektroden im Flüssigkristall erreicht werden. Optische Flüssigkristall-Abschwächer (VOA) ermöglichen Miniaturisierung und hohe Empfindlichkeit. Allerdings weisen die Flüssigkristallmaterialien höhere Verluste auf, der Herstellungsprozess ist relativ komplex und insbesondere anfällig für Umwelteinflüsse. Ihr Vorteil liegt in den geringen Kosten und der Möglichkeit der kommerziellen Serienfertigung.
MEMS VOA
MEMS ist die Technologie der neuen Anwendungen in diesem Bereich. Nach jahrelanger Entwicklung ist der MEMS-Chip-Produktionsprozess ausgereifter geworden und hat die Anwendung von MEMS-optischen Dämpfungsgliedern maßgeblich vorangetrieben. Auch in optischen Netzwerken bieten MEMS-basierte Produkte deutliche Preis- und Leistungsvorteile. MEMS-optische Dämpfungsglieder sind bereits sehr ausgereift und werden in Massenproduktion und großem Maßstab eingesetzt. Aufgrund von Ausbeuteproblemen besteht jedoch auch preisliche Herausforderung. Zudem ist die Zuverlässigkeit mikroelektromechanischer Komponenten mitunter suboptimal. Frühere MEMS-optische Dämpfungsglieder wurden mittels Laserschweißen zu größeren Bauteilen zusammengefügt, was die Produktionseffizienz verringerte und hohe Montagekosten verursachte. Mittlerweile ist auf dem Markt auch eine Kunststofftechnologie für MEMS-optische Dämpfungsglieder verfügbar, die eine gute Lösung für dieses Problem darstellt.
Thermooptische VOA
Thermooptische optische Antennen (VOA) nutzen hauptsächlich die Änderung der optischen Eigenschaften bestimmter Materialien in Abhängigkeit vom Temperaturfeld, beispielsweise die Änderung des Brechungsindex aufgrund von Temperaturänderungen. Je nach Aufbau lassen sie sich in zwei Kategorien einteilen: VOA mit Lecklicht und VOA mit offenem Licht. Aufgrund der komplexen Heiz- und Kühlvorrichtungen sowie der komplexen mathematischen Beziehung zwischen Temperaturfeld und Brechungsindex des photoleitenden Mediums ist die genaue Quantifizierung und Steuerung schwierig. Insbesondere die lange Ansprechzeit behindert ihren Einsatz in der modernen optischen Kommunikation.
Akustooptische VOA
Das Grundprinzip besteht darin, die zyklische Dehnung zu nutzen, die eine periodische Änderung des Brechungsindex bewirkt. Dadurch entsteht ein Phasengitter für den akustooptischen Kristall, das unter Einwirkung von Ultraschallwellen erzeugt wird und sich somit mit einem Rasterstrahl modulieren lässt. Einige Unternehmen behaupten bereits, einen akustooptischen Kristall mit variabler Dämpfung (AVOA) entwickelt zu haben. Die Beschaffung des akustooptischen Kristallmaterials ist unproblematisch, die Gesamtkosten sind jedoch derzeit mit etwa 4-5 noch hoch.
Abschluss:
Variable optische Dämpfungsglieder (VOAs) gehören zu den wichtigsten optischen Bauelementen in optischen Kommunikationssystemen. Lange Zeit beschränkten sie sich auf mechanische Lösungen. Aufgrund ihrer geringen Größe eignen sie sich im Allgemeinen nur für die Dämpfung einzelner Kanäle. Mit der Entwicklung von DWDM-Systemen und der potenziell enormen Nachfrage nach flexiblen, rekonfigurierbaren optischen Add-Drop-Multiplexern (ROADM) besteht ein Bedarf an mehr Kanälen und kleineren VOA-Arrays, insbesondere an integrierten VOA-Produkten. Traditionelle mechanische Methoden können diese Probleme nicht lösen. Mit dem Ausbau von Glasfasernetzen zielen die Entwicklungstrends für VOAs auf niedrige Kosten, hohe Integration, schnelle Reaktionszeiten und die Integration in Hybridsysteme mit anderen optischen Kommunikationsgeräten ab.
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