Variabler optischer Dämpfer VOA – Einführung

Variable optische Dämpfungsglieder (VOA) haben ein breites Anwendungsspektrum in der optischen Kommunikation und ihre Hauptfunktion besteht in der Reduzierung oder Steuerung des optischen Signals.

Die grundlegenden Eigenschaften von Glasfasernetzen sollten variabel sein . Insbesondere bei der Anwendung von DWDM-Übertragungssystemen und EDFA in der optischen Kommunikation muss die Verstärkung mehrerer optischer Signale auf dem Übertragungskanal abgeflacht oder entzerrt und die Kanalleistung im optischen Empfänger angepasst werden. Neben der dynamischen Sättigungsregelung müssen optische Netzwerke auch andere Signale steuern, was VOA zu einer unverzichtbaren Schlüsselkomponente macht. Darüber hinaus kann VOA auch mit anderen optischen Kommunikationskomponenten kombiniert werden, was die Eigenschaften von High-Level-Modulen verbessert.

In den letzten Jahren sind viele Technologien zur Herstellung variabler optischer Dämpfungsglieder aufgetaucht, darunter mechanische VOA, magnetooptische VOA, LCD-VOA, MEMS-VOA, thermooptische VOA und akustooptische VOA.

Mechanischer VOA:
Das Prinzip basiert auf der Verwendung eines neutralen Gradientenfilters mit Schrittmotor. Seine optische Ausgangsleistung ändert sich mit einem vorgegebenen Dämpfungsverhältnis, wenn der Lichtstrahl den Filter an verschiedenen Positionen passiert, um die Dämpfung anzupassen. Es gibt auch mechanische polarisierte optische Dämpfungsglieder. Ihr Grundprinzip besteht darin, dass der vom Eingangsanschluss emittierte Lichtstrahl von der Reflexionsfolie zum Anschluss reflektiert wird. Die Kopplungseffizienz des Reflektors zwischen den beiden Anschlüssen wird durch den Neigungswinkel der Reflexionsfolie gesteuert, wodurch die Lichtdämpfung angepasst werden kann. Die Neigung der Reflexionsfolie lässt sich über verschiedene Mechanismen steuern. Mechanische optische Dämpfungsglieder sind traditionelle Lösungen. Bisher wurde in VOA-Systemen meist eine mechanische Dämpfungsmethode eingesetzt. Optische Dämpfungsglieder zeichnen sich durch ausgereifte Technologie, optische Eigenschaften, geringe Einfügungsdämpfung, polarisationsabhängige Dämpfung und fehlende Temperaturregelung aus. Nachteile sind größere und komplexere Komponenten, eine geringe Reaktionszeit, eine schwierige Automatisierung der Produktion und eine mangelnde Integration.

Magnetooptische VOA:
Magnetooptische VOA nutzt bestimmte Substanzen im Magnetfeld, um optische Eigenschaften zu verändern, wie z. B. den magnetischen Rotationseffekt (Faraday-Effekt). Dadurch kann auch die Lichtenergie gedämpft und das optische Signal angepasst werden. Der magnetooptische Effekt des Materials und die Kombination mit anderen Techniken ermöglichen die Herstellung eines leistungsstarken, kompakten, schnell reagierenden und relativ einfach aufgebauten optischen Dämpfungsglieds. Dieses LLL-Gerät nutzt diskrete Technologie zur Herstellung optischer Dämpfungsglieder und stellt eine Weiterentwicklung dieses Bereichs dar.

LCD VOA
nutzt einen Flüssigkristall mit Brechungsindexanisotropie. Der Flüssigkristall VOA weist Doppelbrechung auf. Durch Anlegen eines externen elektrischen Felds wird die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle verändert, was zu einer Änderung der Transmissionseigenschaften führt. Die Dämpfung kann durch Änderung der Lichtintensität oder durch Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden im Flüssigkristall erreicht werden. Der optische Flüssigkristall-Abschwächer VOA ermöglicht Miniaturisierung und hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Gleichzeitig weist das Flüssigkristallmaterial jedoch einen höheren Verlust auf, der Herstellungsprozess ist vergleichsweise komplexer und wird insbesondere von Umweltfaktoren beeinflusst. Der Vorteil liegt in den niedrigen Kosten und der Verfügbarkeit kommerzieller Chargen.

MEMS VOA
MEMS ist die Technologie für neue Anwendungen in diesem Bereich. Nach mehreren Jahren der Entwicklung ist der Produktionsprozess von MEMS-Chips ausgereifter geworden, was der Anwendung optischer MEMS- Dämpfungsglieder einen starken Impuls verleiht. In optischen Netzwerkanwendungen bieten auf MEMS-Technologie basierende Produkte zudem klare Preis-Leistungs-Vorteile. MEMS VOA ist sehr ausgereift und wird in Massenproduktion und im großen Maßstab eingesetzt. Aufgrund von Produktionsproblemen gibt es auch preisliche Herausforderungen. Darüber hinaus ist die Zuverlässigkeit mikroelektromechanischer Komponenten manchmal nicht optimal. Die frühen MEMS-VOA-Verfahren werden mittels Laserschweißen zu größeren Geräten hergestellt, was die Produktionseffizienz niedrig und die Montagekosten hoch macht. Aktuell ist auch die auf den Markt gebrachte Kunststofftechnologie für MEMS VOA eine gute Lösung für dieses Problem.

Thermooptische VOA
Thermooptische VOA nutzen hauptsächlich die Eigenschaften einiger Materialänderungen in den optischen Eigenschaften des Temperaturfelds, wie z. B. die durch Temperaturänderungen verursachte Änderung des thermooptischen Brechungsindex. Je nach Struktur unterscheidet man zwischen Leck- und Freilicht-VOA. Thermooptische VOA sind aufgrund der Heizungs- und Kühlvorrichtung relativ komplex. Die mathematische Beziehung zwischen Temperaturfeld und Brechungsindex des photoleitenden Mediums ist komplex und schwer genau zu quantifizieren und zu steuern, insbesondere die längere Reaktionszeit erschwert ihre Anwendung in der modernen optischen Kommunikation.

Das Grundprinzip des akustooptischen VOA
besteht in der Nutzung zyklischer Spannungen, die zu einer periodischen Änderung des Brechungsindex führen. Dies führt zur Bildung eines Phasengitters für den akustooptischen Kristall, das unter Einwirkung von Ultraschallwellen erzeugt wird und so den Rasterstrahl modulieren kann. Einige Unternehmen behaupten bereits, einen variablen Dämpfungsverstärker für akustooptische Kristalle (AVOA) entwickelt zu haben. Die Beschaffung des akustooptischen Kristallmaterials ist zwar kein Problem, die Gesamtkosten sind jedoch derzeit mit etwa 4–5 % recht hoch.

Abschluss:

Variable optische Dämpfungsglieder sind ein wichtiges optisches Gerät in optischen Kommunikationssystemen. Über die Jahre hinweg waren sie auf mechanischer Ebene gefangen. Da ihre Größe die Integration nicht begünstigt, eignen sie sich im Allgemeinen nur für die Dämpfung einzelner Kanäle. Mit der Entwicklung von DWDM-Systemen und der potenziell enormen Nachfrage nach flexiblen, aufrüstbaren rekonfigurierbaren optischen Add-Drop-Multiplexern (ROADM) besteht ein Bedarf an mehr Kanälen und kleineren Arrays variabler optischer Dämpfungsglieder, insbesondere an integrierten VOA-Produkten. Herkömmliche mechanische Methoden können diese Probleme nicht lösen. Mit der Entwicklung von Glasfasernetzen gehen die Entwicklungstrends von VOA in Richtung niedriger Kosten, hoher Integration, schneller Reaktionszeit und der Integration von Hybriden mit anderen optischen Kommunikationsgeräten.