基于SFP封装的数字可调光衰减器设计

我是MT

[导读] 可调光衰减器（VOA）是光纤通信系统中的一种重要的光纤动态器件，主要用于密集波分复用（DWDM）系统中信道的功率平衡，实现增益平坦、动态增益平衡及传输功率均衡。而数字可调光衰减器由于控制简单、体积小，较好的光学性能而得到了较大的发展。
关键词：可调光衰减器SFPMEMS

　　可调光衰减器（VOA）是光纤通信系统中的一种重要的光纤动态器件，主要用于密集波分复用（DWDM）系统中信道的功率平衡，实现增益平坦、动态增益平衡及传输功率均衡。而数字可调光衰减器由于控制简单、体积小，较好的光学性能而得到了较大的发展。
　　目前可调光衰减器已经广泛应用于光通信领域的通信设备中，通用的做法是在设备中集成了数字可调光衰减器，通过设备的软件根据系统的需要对可调光衰减器的衰减量进行调节，由于VOA集成到了设备中，光路也必须集成在设备中，并固定下来，这使得光路系统不能灵活的配置，而在DWDM系统中，不同的站点，不同传输容量都需要根据实际的网络情况进行灵活的配置，而VOA作为系统中重要的可配置器件，不能随着系统的配置而灵活的取舍，使系统设备的灵活性变差，增加了系统成本。
　　在光通信领域中，SFP收发模块作为标准的可插拔器件，由于其体积小、机械和光电接口标准统一、可插拔等灵活可配置特性，已广泛在系统设备中得到应用。为了使VOA模块也能像SFP收发模块一样灵活可配置的应用到系统设备中，本文提出了一种将VOA模块集成到SFP封装中，采用SFP标准的机械和光电接口，使VOA模块也能像SFP收发模块一样即插即用，非常方便的实现光衰减功能的取舍。
　　由于采用SFP封装，体积受到了很大的限制，而基于微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems， MEMS）技术的VOA的相对其他类型的VOA的突出特点就是体积小，控制简单，而且具有较好的光学性能。因此，本文采用MEMS VOA模块实现SFP封装的数字可调衰减器。
　　1 数字式MEMS VOA原理
　　常见MEMS VOA有反射镜旋转型和位移遮挡型等。无论采用哪种类型实现光功率的衰减，都是通过光衰减量与MEMS芯片中机械片的旋转或移动呈一一对应的关系，而芯片中机械片的旋转或移动又与加在上下电极板上的电压呈一一对应关系，因此，衰减量与电压呈一一对应关系，但是衰减量与驱动电压不是线性关系。为了实现数字化的衰减控制，需要增加控制电路，预先将衰减电压曲线数据保存在电路中，通过客户发送的衰减量自动查找对应的衰减的电压，再发送给VOA驱动电路，驱动电路再输出对应的电压给VOA，从而实现对应的衰减，这样便达到了数字式控制的目的。
　　2 基于SFP封装的可调光衰减器的实现
　　基于SFP封装的可调光衰减器由结构部分、光学模块MEMS VOA、LC光口、电控制单元CU、电接口等部分组成，其结构和组成示意图如图1所示。

　　在结构方面，采用了标准的SFP封装，外形结构如图2所示。

　　在电控制单元部分CU主要由SFP电接口、可编程逻辑器件CPLD、D/A转换、放大器和MEMS VOA组成，如图3所示。

　　SFP电接口主要包括I2C接口和电源接口。I2C接口实现上位机及可调光衰减器的通信，包括读取存储单元的相关信息、读取存储的电压衰减数据，下发衰减命令等；CPLD功能模块主要实现I2C 接口驱动、数据存储和相关控制功能，I2C接口驱动实现与上位机的通信连接，控制单元接收上位机的命令，解码相关的协议数据并进行相应的操作，如果是衰减控制命令，则获取衰减量数据，从存储模块调取衰减电压数据，经过算法计算后，输出精确的电压数据给D/A转换器，D/A转换器对电压的数字信号转换为模拟信号经过放大器放大后驱动MEMS VOA，使其达到相应的衰减。
　　在SFP标准中，对电接口进行了详细的规定，包括电接口的管脚数、管脚定义、机械尺寸等，在SFP VOA中，收发模块功能管脚都不需要使用，只保留I2C通信的相关管脚（PIN4/PIN5）、电源管脚（PIN15/PIN16/PIN20）及状态管脚（PIN6）。在光路方面，主要由LC光口和MEME VOA组成，为了减小体积，降低耦合损耗，采用VOA直接与LC光口耦合方式。
　　3 基于SFP封装的可调光衰减器的应用
　　基于SFP封装的可调光衰减器性能指标与MEMS数字式可调光衰减器的指标相似，具有反应速度快、线性度好、高稳定性、高衰减等光学性能，同时由于采用了 SFP封装，使数字式可调衰减器成为了一个独立的光学模块，支持热插拔和即插即用，不需要集成到设备内部，设备只要预留出SFP接口，即可根据系统需要，灵活的配置需要的可调衰减器，使光路系统变得灵活和简单，同时，由于其灵活性的配置，节省了由于系统布网变化带来的成本增长，从而降低了光网络设备整体成本。
　　4 结语
　　基于SFP封装的可调光衰减器符合光学设备中倾向于可插拔光学装置的趋势，具备了SFP模块的便携灵活特点，同时又具备了传统可调光衰减器类似的光学性能，非常适合应用于复杂的波分复用系统设备，灵活的组成各种网络应用，因此具有广泛的应用前景。