光波通信

作者：Takanori Saitoh 译者：方宏aeE光波通信
随着在波分复用（WDM）光通信系统中波长密度和比特率的不断提高，服务质量（QoS）逐渐成为了一个非常关键的指标。光纤布拉格光栅（FBG）传感器以及光网络都需要高速的动态光谱监测，然而传统的测试设备扫描速率比较低或没有足够宽的波长扫描范围，因此不能满足要求。新一代使用微机电系统（MEMS）的测试设备则可以很好地满足高比特率测试的要求，同时降低了成本，减小了设备尺寸。aeE光波通信
在设计一种测试设备时，使用MEMS技术比使用传统技术要优越得多。MEMS可以集成到诸如光谱分析仪（OSA）、WDM光监测器等设备中，以便测试那些使用传统设备无法精确观测的高速率光现象。aeE光波通信
这是技术的自然进步，因为MEMS如今已经成为众多光设备的组成部分。原因很简单：MEMS固有的很多优势是传统技术所不具备的。它将机械组件、传感器、激励源以及电子器件集成在同一块硅基片上。电子器件应用集成电路加工工艺制作，如互补金属氧化物半导体（CMOS）或双极性CMOS。而微机械组件则使用与之兼容的所谓“微机械加工”工艺制作，即选择性地蚀刻掉部分硅芯片或者添加新的结构层，从而制作出机械器件和电动机械器件。aeE光波通信
通常我们将微电子集成电路比作一个系统的“大脑”。而有了MEMS，微系统则可以探测并控制外界环境，正如给系统加上了“眼睛”和“手臂”，使之更具有自己决策的能力。首先传感头通过测试机械的、温度的、生物学的、化学的、光学的以及磁场的各种参数，收集了众多信息，然后由电子器件对这些数据进行处理，并据此通过一种特殊的方法控制激励源。简而言之，只要在这样一个小芯片上加上MEMS器件，就能以相当低的成本极大地增强功能和提高可靠性。aeE光波通信
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MEMS用于光谱分析仪aeE光波通信
MEMS技术可以用在光谱分析仪中，使其能够更加精确地测试WDM信号。光谱分析模块由透镜、法拉第旋光器、衍射光栅、MEMS光扫描仪以及一个光电二极管组成（图1）。首先光通过光纤进入光谱分析模块，经过透镜的校准射到衍射光栅上，衍射光再射到MEMS光扫描仪上并被其反射回衍射光栅。最后，衍射光栅将具有某个特殊波长的光入射到光电二极管上，而这个特殊波长则可以通过旋转MEMS扫描仪连续地改变。aeE光波通信

光谱分析模块由透镜、法拉第旋光器、衍射光栅、MEMS光扫描仪以及光电二极管组成。

将法拉第旋光器合成到模块中的目的是为了消除衍射光栅的偏振依赖性，否则如果一束未知偏振态的光入射进来，就必须首先对其偏振态进行测试。模块驱动器生成信号驱动MEMS光扫描仪。而光电二极管的输出信号则由一个数模转换器转换为数字信号。这就使得输入光的光谱信息得以数字化，从而可以通过电脑显示出测试结果。

图2是MEMS光扫描仪的示意图。它由一个反射镜、两根横梁、一个外框、以及间隔装置和背向电极组成。其制作工艺使用了硅深反应离子蚀刻技术和氢氧化钾各向异性化学蚀刻技术。而反射镜、间隔装置和背向电极都是与硅芯片分离制作的，然后再粘贴在一起形成最后的扫描仪。

MEMS光扫描仪由一个反射镜、两根横梁以及外框、间隔装置、背向电极组成。MEMS的嵌入大大提高了光谱分析仪和WDM光监测仪的测量精度。

为了降低空气衰耗对光扫描仪的影响，在背向电极的中心进行蚀刻，并在导电反射镜和背向电极之间施加电压对反射镜以机械谐振频率进行静电驱动。MEMS的驱动电压和频率分别是200Vp-p和380Hz。扫描仪在空气中的谐振Q值约为400。

当需要测试两个迅速变化的光谱时，在光谱分析模块中使用MEMS的优势就非常明显地表现出来了。比如需要观察一个输出功率为10毫瓦，频率为193.4THz的分布反馈激光器的瞬态频率变化，激光器装备有自动功率反馈控制和自动温度反馈控制电路，图3显示了使用26ms的测量间隔，测量出了分布反馈激光器开机后输出光的瞬态频率变化，可知其达到稳定输出需要936ms。从图中还可以清楚地看到频率和输出功率的明显变化。

使用MEMS光谱分析仪分析分布反馈激光器开机后的瞬态频率变化，测试间隔为26ms。图中清楚地显示该激光器达到稳定需要936ms。

改进后的光谱分析仪也可以用在光纤布拉格光栅应力传感器中。加在传感器上的应力变化是通过观察光栅中心频率的漂移得出的，因此需要使用宽带光源和光谱分析仪。图4显示了当在传感器上施加频率为75Hz的变化应力时的测试结果。结果中显示了100ms内传感器中心波长的漂移。如此高的频率漂移如果使用传统的光谱分析仪很难检测到。

使用MEMS光谱分析仪测试在光纤布拉格光栅上加频率为75Hz的变化应力时谐振波长的漂移情况。

和光谱分析仪一样，在WDM监测器中使用MEMS光扫描仪可以提高对WDM信号的检测精度。目前，WDM监测器作为评价WDM网络性能的一种测试设备，无非有两种设计方案，但这两种设计方案在性价比上都不能满足现场使用的要求。一种设计方案是使用大量的小型光电二极管以足够的分辨率覆盖较宽的波长范围。另一种设计方案是使用一个MEMS可调法布里－珀罗滤波器，这个滤波器由一个固定反射镜和一个可动反射镜构成。这个设计方案虽然在一定程度上使用了MEMS技术，但也不是很有效，因为它并不能足够迅速地移动那个可动反射镜。

新设计方案

使用MEMS的WDM光监测器模块目前正处于研发阶段，它由准值仪、法拉第旋光器、光栅、硅基片上的MEMS光扫描仪、标准具和光电二极管组成。使用了这种模块，WDM光监测器不管在性能上还是在成本上都能很好地满足评价WDM网络性能的需要。

这个模块应用了一种直接测试技术。输入光经透镜校准，通过法拉第旋光器，射到光栅上，光栅将其进行衍射，一次衍射光射到MEMS的发射镜上并被反射回光栅，在光栅上被二次衍射，由此形成立特曼型光滤波器。

这个WDM模块和光谱分析仪模块有很多相似之处。首先，MEMS光扫描仪都是以机械谐振频率被静电驱动的；其次，输入光的波长可以通过MEMS扫描仪角度的旋转连续、循环地改变，而这个旋转角度是可以由用户自行设定的；再次，法拉第旋光器的用途都是为了消除光栅的偏振依赖性。不同的是，WDM监测器模块有一个标准具来补偿测试结果，而光谱分析模块中没有。

通过测试光电二极管的输出电压和MEMS扫描仪的旋转角度，就可以测试出输入WDM信号的光谱。图5显示了一个使用MEMS技术精确测试100GHz间隔的WDM信号的例子。测试速率是5.2ms，使用电脑进行计算，分辨率为0.16纳米。能探测到的光波长间隔比使用传统的光电二极管阵列要小得多。

使用MEMS技术分析100GHz间隔的WDM信号，能探测到的光波长间隔比使用传统的光电二极管阵列要小得多。

除了能改善器件性能使之满足高比特率测试要求以外，MEMS技术还能在缩小器件尺寸和降低成本方面大有作为。缩小器件尺寸的效果是非常显著的，我们可以看到使用了MEMS光扫描仪的WDM模块只有90×40×20mm3。而且因为MEMS不使用大量光电二极管，大大降低了器件的成本。

因为这些设备经常在现场使用，所以尺寸小、成本低就成了非常大的优势。现场技术员们到现场进行服务质量测试时再也不用带着又大又重的设备了，这就能大大提高工作效率。另外，设备价格的低廉也大大降低了维护成本，运营商们因此可以获取更多的利润。

测试需求

随着光通信网络的继续发展，光波长密度和比特率将不断地增加。应用传统测试设备已经再没有能力对这些更宽带宽的信号进行准确的测试了。

MEMS技术提供了一种可行的方案去满足这些测试要求。应用MEMS光谱分析仪和WDM监测器能够以足够的速率和精度测试高速光通信网络。MEMS技术的应用还可以减小设备尺寸、提高测试方案的经济效益，这两点在选择现场测试设备时都是需要着重考虑的关键问题。

Takanori Saitoh：安立公司高级研究工程师

方宏：北京交通大学光波技术研究所

译自：《Lightwave》04年8月13页《MEMS helps measure high-density wavelengths》

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