可調式光衰減器乃將光纖傳輸之光訊號依需要而作適度光功率之衰減調整，在光纖網路傳輸系統上，可提供傳輸光訊號的光功率平衡調整、光增益最佳化和網路通訊元件保護等功能...
可調式光衰減器乃將光纖傳輸之光訊號依需要而作適度光功率之衰減調整，在光纖網路傳輸系統上，可提供傳輸光訊號的光功率平衡調整、光增益最佳化和網路通訊元件保護等功能。拜現今光纖網路普遍化、蓬勃化之賜，使可調式光衰減器極具有市場發展及應用潛力。本文將對各式可調式光衰減器作一介紹外，並針對技術層次較高之GLV型與MEMS Torsion mirror型作一較深入之探討說明。
以光訊號同時傳送數據、語音、影像等服務的光纖網路系統不斷地快速發展及普遍化，高速寬頻的傳輸需求與日俱增，在同根光纖傳送多組不同光波長訊號，擴充傳輸容量之DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)系統乃應運而生。而各光訊號在長距離傳輸之後，會造成光訊號的減弱，需藉由EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)光纖放大器在光路上直接作光訊號放大。
而各光波長訊號在EDFA訊號放大、訊號交換(如Optical Switch，OADM)等等過程，往往造成各光訊號之光功率值大小不一，而太低功率的光訊號易產生低雜訊比(Signal to Noise Ratio)，太高功率的光訊號在接收端易造成光檢測器(Detector)的飽和，皆造成輸出訊號之失真。
藉由可調式光衰減器(Variable Optical Attenuator，VOA)將過高之光訊號功率值作適度之光量衰減，即可達到各波長光訊號光功率大小齊化之目的，確保光訊號之傳輸品質。
可調式光衰減器的主要目的是將光纖傳輸之光訊號作適當光功率衰減之光學元件。其工作原理相當多，大致區分下列幾種：
光纖-光纖對耦型：
如圖1(a)、圖1(b)所示，左右兩端各置一根光纖(一端為光發射端，另一端為光接收端)，其中一光纖固定不動，另根光纖以相對於固定光纖作上下/左右或前後方向之移動，由移動量大小作光功率值之大小控制。由於光纖導光區(Core)口徑甚小(如單模光纖只有9um左右)，兩光纖在最大耦光功率時其間距甚小。若欲增大耦光間距，可採用內含聚光鏡(Focus Lens，如Grin Lens)以產生較平行之光束的光纖準直器達成之；見圖2，即一端光纖準直器固定，另端光纖準直器相對於固定端作上下、左右或前後之移動，作光功率值之適當衰減與控制。現亦有光纖頭端作成透鏡型式之透鏡光纖(Lensed Fiber)之產品，功能似同光纖準直器產生較平行之光束來增長耦光距離，如圖3所示，藉由兩透鏡光纖之相對運動，亦可達到光功率值適當衰減之目的。
光路遮板型：
如圖4所示，左右兩端各有一光纖準直器(一端為光發射端，另一端為光接收端)，在傳輸光路上藉由一擋板機構(例如由微機電技術操控之)作若干部份光訊號之遮蔽，以達光功率值衰減控制之目的。另外，擋板機構亦可由一光學玻璃板在不同位置鍍上不同光衰減值之金屬膜層所形成之光衰減片取代之。
光纖-光纖型：
如圖5所示，由兩光纖(一端為光發射端，另端為光接收端)與一反射鏡(例如由微機電技術製成之小型化反射鏡)所組成，藉由鏡面之角度轉動或線性位移，作光功率值衰減之變化與控制。另外，亦有藉由MEMS反射鏡與光波導(Waveguide)之組合亦可達相同之功能，如圖6所示，輸入波導(Input Waveguide)與輸出波導(Output Wave-guide)與鏡面間有一間距，藉由鏡面之角度轉動或線性位移，作光功率值衰減之變化與控制。
雙心光纖準直器型：
如圖7所示，係由雙心光纖準直器(準直器內含雙光纖，一光纖為光發射端，另根光纖為光接收端)，與一反射鏡所組成，藉由鏡面角度之旋轉來達到光功率衰減控制之目的。另外，如圖8，雙心光纖準直器亦可與鏡面作線性移位作光功率衰減控制。
曲率變化型：
如圖9所示，其結構係由一可變曲率之反射膜與雙光纖準直器所組成。反射膜未變形時，光束可由光發射端光纖傳至光接收端光纖，當反射膜曲率改變時(如熱效應或電磁力效應產生)，光功率值發生程度上的變化達到光功率衰減之目的。
其架構如圖10所示，係由Si基材(Substrate)、間隙(Gap)與調變膜(Tunable Membrane)所組成之Fabry-Perot共振腔(Resonator)結構。由施加電壓產生之靜電力(Electric–Static Force)大小來改變調變膜之位置(改變Si基材與調變膜間之間隙大小)，使建設性干涉與破壞性干涉間產生反射率改變，作光功率之變化，如間隙為λ/4(λ為光訊號波長)，元件呈高反射之面鏡功能，如間隙為2λ/4，元件呈無反射之功能，由反射率之不同，執行光功率衰減量大小控制。
圖11係由二組3dB Coupler(即分光比為1：1之coupler)組合之VOA，為Mach-Zehnder干涉型架構，傳輸光路內含兩Thermo-optic(MO) Phase Shifter。左上側input入射光行經上下兩傳輸光路後，依基本光學干涉理論，由上下兩光路其所累積相位差之不同，造成右上側output輸出端光功率值的改變。圖中在上下兩光路各鍍一heater film(金屬膜)作phase shifter用。當有外接電功率(Electric Power)作用於heater film時，傳輸光路因熱效率造成折射率(Refractive Index)的改變(即Thermo–optic效應)；進而造上下兩光路有光程(相位)差變化，干涉結果亦隨之改變，造成output輸出端發生光功率的變化。亦即藉由施加電功率大小值的調整作光功率的衰減量控制。
隨著技術演進及需求，MO搭配Mach-Zehnder型VOA常以PLC(Planar Lightwave Circuit)技術製作之，參考圖12。
另外，MO型VOA亦有將光纖之cladding作研磨(polish)處理至接近core附近，磨掉部分由適當折射率的MO物質取代之，藉由外加之溫度變化控制，造成MO物質折射率產生變化，作光功率衰減量的控制。
如圖13所示，在入射Colli-mator與接收Collimator之間置一特殊E-O物質，利用施加於E-O物質的電場(Electric-field)大小，改變E-O物質本身的折射率，進而改變通過E-O物質的光功率值，達到光功率衰減變化的目的。
光柵式光閥(Grating Light Valve，GLV)為美國史丹福大學(Stanford University) Bloom教授與Silicon Light Machines公司共同研發的專利技術。係一微機電的光調制器(Optical Modulator)元件，除了可應用於在顯示(Display)及成像(Imaging)系統外，亦可衍用於光通信元件上。其GLV原理架構如圖14所示，係由多組相互平行排列的條板(Ribbon)組合而成。每個條板寬3～6μm，長100～500μm，但只有約125nm厚，材料是氮化矽(Silicon Nitride)。條板的表面鍍上鋁膜，呈現具有反射鏡與導電板之功能。這些條板懸在很薄的空氣層上(約只有650nm厚)，使這些帶狀物可以向下移動，條板下方之基材(Substrate)亦鍍有一導電板(Common Electrode)。見圖14，平行並排之條板依序形成固定條板(Fixed Ribbon)、可動條板(Moving Ribbon)，交錯排列，而每一個固定條板及可動條板則構成一組條板對(Ribbon Pair)。一般應用上，三個條板對即可提供操作所需之高對比度(Contrast)。各條板間有一小間隙，使得條板可獨立運動，間隙大小在1.2～0.35μm之間，較小的間隙設計，擁有較高的光柵填滿係數(Fill-Factor)，使得繞射效率提高，以0.6μm的間隙為例，光柵最大的初階(First Order)繞射效率可達70%。
在無靜電力的情況下，這些條板並不會變形移動，並且處在一繃緊的狀態，形成一平坦表面，作用如同鏡面，可將投射光源直接反射，如圖15左圖所示，此時為暗狀態。但當電壓(Bias Voltage)施加於可動條板時(可動條板與基材間有一電壓差)，由於靜電力使得可動條板往下偏移，而形成繞射光柵，產生了使光線偏折的物理繞射(Diffraction)效應，如圖15右圖所示。參考圖16，由理論推導，其在初階(First Order)繞射位置之光功率值I1為：
(詳細請見新通訊52期6月號)
其中Imax為初階繞射光束之最大光功率，d為可動板條偏移之距離，λ為入射光波長。見圖17，藉由變化可動條板之施加電壓，來改變可動板條之偏移量d，如可動條板由起初未偏移位置(d=0)，逐漸偏移到λ/4位置(即d=λ/4)，在特定初階繞射位置上，光強度可由無訊號變成最大光訊號；亦即藉電壓施加之大小來達到光功率變化衰減之目的。
由於可調式光衰減器應用原理架構相當廣泛，除上述介紹說明之外，尚有利用磁光效應等等方法達到光功率衰減功能，相當廣泛，本文僅列舉數端作為說明。
在現今講求短小輕薄之技術潮流中，應用MEMS、PLC或其他方式製作小型化產品無疑成為當前之技術主流走向。上述各種VOA架構中，以微機電(MEMS)技術製成之商品化產品有如JDSU公司之穿透式光路遮板型光衰減器；Dicon公司之反射式雙光纖準直器─旋轉鏡面(即Tosion mirror)型之光衰減器。如NEL公司以PLC技術搭配MO方式製作之光衰減器；SLM公司之GLV型光衰減器，BATI公司以E-O材料搭配準直器之光衰減器等等；可謂百花爭鳴，各據一方，本文將針對GLV型與MEMS Torsion mirror型的VOA，來作一說明。
GLV是呈現週期性結構的光學元件，其繞射理論，可以由Fraunhofer的單狹縫公式得到一個pixel(一個pixel包括三組條板)之近似式，表示如下：
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‧I：光強度、θ：繞射角度、β：干涉相位、γ：繞射相位、b：狹縫寬度、D：光柵週期。
利用商用軟體的模擬，將模擬分為兩個部分：近場及遠場的分析。在近場之分析使用Finite-Difference-Time-Domain(FDTD)的演算法，在遠場的分析使用Fast-Fourier-Transform(FFT)方法，來計算光的傳遞。如圖18所示，為在光柵式光閥條板的寬度3μm、間距0.6μm之繞射能量分佈。由模擬結果可以推測所設計的光柵式光閥的繞射能量分佈，如圖18(a)所示，在光柵式光閥條板尚未變形前，能量主要分布在零階(Zero order)光譜位置；會有少許的繞射光分散於非零階的位置，而條板當下移至λ/4時，見圖18(b)，繞射光會集中於正負初階位置。圖18(c)為條板在0、λ/8、λ/4諸不同偏移量之能量分布圖。此外，見圖19，利用商用軟體來計算光柵式光閥條板的寬度與間距的最佳的比例，可發現在條板間距為0.6μm時有最好的對比度。這也是為什麼要選擇條板寬度3μm、間距0.6μm的光柵式光閥。
在製作光柵式光閥(GLV)製程考量上，次微米(Submicron)級的線寬圖形定義製作，以及良好的膜厚控制能力，是製程上首要的考量。愈小的線寬製作能力，可縮短條板之間隙(Inter-ribbon gap)，可明顯提升光柵式光閥的繞射效率。此外，準確的薄膜厚度控制，可確保每個條板的機電特性相同，提升光閥繞射效率。因此，利用標準的半導體CMOS製程(次微米級製程能力)與微機電技術整合，提供了上述光柵式光閥良好的設計製作平台。由於微機械結構部分將與電子電路的部分同時設計製作，因此GLV後製程(post-CMOS process)的處理設計上需配合標準IC製程與週遭電子電路情況。而標準IC製程加上微機電後製程處理產出的元件體積小、重量輕、反應速度快，能完全整合微機械元件、控制電路、訊號處理，能發揮高整合度的SOC(System on Chip)的優點，加上台灣晶圓代工的強項，將可達成低成本高效能的目的。
以TSMC 0.35μm mixed signal two-poly and four-metal polycide的CMOS標準製程，利用CMOS後段製程之多重內連線技術(Multilevel Interconnection Technology)來製作GLV，如圖20所示為單一條板製程結構示意圖。圖中之M1、M2、M3、M4為四金屬層，其材質為鋁矽銅合金，最上層之金屬層M4為條板作用。在CMOS製程中，M1、M2、M3、M4間之不同金屬層中，皆有高度為1μm之鎢插塞(Tungsten Plug)作為各層金屬層之連接用，使得不同的金屬層結構得以固定在矽基材上。M1、M2、M3及其間的三層鎢插塞之組成謂之支柱(anchor)，如圖20所示之圓框區域。而填充各金屬層及鎢插塞之間的材料則為氧化矽SiOx，作為微機電結構之犧牲層。重複多組如圖20所示之單條板結構即可構成光柵式光閥結構。不需要額外的光罩，將經CMOS製程後之晶片直接放入蝕刻液中，去除犧牲層(氧化矽)而達成釋放結構的目的，圖21為一維陣列光柵式光閥的電子顯微鏡照片。
MEMS Torsion mirror型VOA即圖7所說的以雙心準直器與以MEMS技術製成之轉動反射鏡(Torsion Mirror)所組合之VOA。以微轉動鏡面方式來達成光衰減調變功能。依照模擬與實驗結果，若微鏡面轉動0.3°，則光功率值可控制至35dB的衰減量。圖22為整個微元件的外型，上層為反射鏡面(由SOI晶片製作而成)，下層為驅動電極。鏡面轉動角度將決定於轉動鏡面之懸絲(Beam)機械力與電極板間靜電力的平衡。鏡面(2條懸絲所固定)轉動懸絲的機械力可由下式決定：
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此處G剪力模數(shear modulus)，c為懸絲外型因子(shape factor)，(t，w，l)代表轉動鏡面之懸絲(Beam)的厚度、寬度、長度，而θ即為轉動角度(Torsion angle)。非平行板靜電力部分，有學者Hornbeck提出以下之方程式：
(詳細請見新通訊52期6月號)
其中V為驅動電壓，g0為鏡面與電極之初始間距。圖23為不同尺寸之扭力的懸絲對應不同驅動電壓結果。
除了需考慮驅動電壓之外，元件的反應時間(Response Time)與第一共振頻(1st Resonance Frequency)也是考量重點，在光通訊所需規格，反應時間應在5ms以下，如圖24所示，而第一共振頻應在2kHz以上，其懸絲之尺寸如表1所示。.
MEMS Torsion mirror之製作流程如圖25所示，此轉動元件有兩個部分，其一為轉動鏡面，其二為驅動電極。
轉動鏡面部分如圖25之左圖，由SOI(由Device、Buffer、Handling Layer三層結構堆疊而成)晶片製作成。將Handling Layer開孔並利用ICP乾蝕刻至Buffer Layer，之後利用氫氟酸濕蝕刻Buffer Layer。將Handling Layer與Buffer Layer處理後，在Device Layer利用黃光製程將鏡面外型定義之，並利用ICP蝕刻穿孔。轉動鏡面周圍的開孔流道將用以與驅動電極部分以焊料做接合。待鏡面製作完成，將其正反表面都鍍上金之後，此轉動鏡面即完成。雙面鍍金可用以平衡應力，使鏡面可以保持較佳之鏡面平坦狀態。
圖25之右圖為驅動電極部分，使用一般的矽晶片即可。利用黃光製程定義出開孔位置與形狀，並用ICP蝕刻出所需深度(此處深度影響驅動電壓甚鉅)﹔隨後沉積絕緣層(作與鏡面絕緣用)﹔定義出驅動下電極與焊料位置，沉積下電極金屬並電鍍焊料至所需高度，此電鍍高度需控制得宜，否則將會造成接合的誤差。
將完成之轉動鏡面與驅動電極切割，利用覆晶機台將兩者接合，並將之放置在適當封裝基板上，打線連接訊號，即可用以驅動。
依不同技術原理之可調式光衰減器其功能規格比較可參考表二。今以目前商品化之微機電型式可調變式光衰減器為例，作產品規格參考說明。
‧操作波長範圍(Operating Wavelength Range)：
─C band(1525～1575nm)
─L band(1570～1610nm)
‧可達到衰減值(Attenuation)：30dB(20dB min)
‧插入損失(Insertion Loss)：0.5dB(0.8dB max)
‧波長相關損失(Wavelength Dependence Loss)：
─遮板式：0.2dB(0.3max)
─鏡面旋轉式：0.4dB max(0-15dB)，0.7dB max(15～20dB)
‧極化相關損失(Polarization Dependence Loss):
─遮板式：0～10dB：0.1dB，10～20dB：0.2dB，20～30dB：0.3dB
─鏡面旋轉式：0～15dB：0.15dB，15～20dB：0.2dB
‧可容許光功率(Optical Power)：300mW
‧極化模分散(Polarization Mode Dispersion)：0.1ps
‧反射損失(Return Loss)：55dB
可調式光衰減器在光纖通信網路之應用為多波長之光功率平坦化，如圖26(a)所示之DWDM傳輸系統示意說明。在左側同根光纖傳輸之多波長光訊號經DEMUX元件(DWDM元件)以分光(De-Multiplexer)方式將不同之光訊號分別傳輸至不同光纖後，中間經OADM(作光訊號之Drop/擷取，Add/外加動作)等過程後，傳輸之各光訊號呈現光功率值大小不之現象，如圖26(b)所示；分別經由串接之VOA將不等大小之光訊號作如圖26(c)之光功率齊化調整(如在光纖網路之某A位置)；再由MUX元件(DWDM元件)以合光(Multiplexer)方式射入右側之單光纖中作光訊號之傳輸。
可調式光衰減器無論在WDM光纖通訊網路中EDFA光訊號放大增益控制的調整，或確保Receiver端的接收品質，避免承受過高之光功率情況，皆有其存在與應用。另外，實驗室之光功率測試、光路保護(Overload Protection)應用，以及儀器製造商之測試設備，皆有廣泛的使用。本文針對可調式光衰減器做了一個整體性的介紹。透過本文，希望能夠引起讀者及產官學界對於可調式光衰減器技術的真實面貌有一個深刻的認識，進而促進與提昇相關產業之開發與應用研究。