平面波導(dǎo)型和熔融拉錐型光分路器

1、隨著通訊市場新增值業(yè)務(wù)如可視電話、IPTV、網(wǎng)絡(luò)游戲等的不斷推出，用戶對(duì)帶寬的要求不斷提高，現(xiàn)有的以銅纜為主的XDSL網(wǎng)絡(luò)已不能適應(yīng)用戶的需求。光進(jìn)銅退已是大勢所趨，特別一些發(fā)達(dá)國家如日本、美國、韓國等已將光纖到戶（FTTH）作為國家戰(zhàn)略加以鼓勵(lì)發(fā)展。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）已經(jīng)成為各國FTTH的首選接入方案。光分路器（splitter）作為連接光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的核心光器件，其質(zhì)量性能成為網(wǎng)絡(luò)是否可靠安全的最關(guān)鍵器件之一。目前，光分路器主要有平面光波導(dǎo)技術(shù)和熔融拉錐技術(shù)兩種，熔融拉錐技術(shù)又可以分為一次熔錐光分路器和多個(gè)1X2串接式光分路器。三種結(jié)構(gòu)的原理圖見圖1。下面對(duì)二

2、種產(chǎn)品技術(shù)作簡要介紹平面波導(dǎo)型光分路器（PLCSplitter）此種器件內(nèi)部由一個(gè)光分路器芯片和兩端的光纖陣列耦合組成。芯片采用半導(dǎo)體工藝在石英基底上生長制作一層分光波導(dǎo)，芯片有一個(gè)輸入端和N個(gè)輸出端波導(dǎo)。然后在芯片兩端分別耦合輸入輸出光纖陣列，封上外殼，組成一個(gè)有一個(gè)輸入和N個(gè)輸出光纖的光分路器。（見圖2a、圖2b）根據(jù)用戶需要，可以將輸入輸出為裸光纖的器件，封裝在各式封裝盒中，輸入輸出光纖用松套管保護(hù)，并可以外接各種連接器。（見圖2c）該技術(shù)由于采用半導(dǎo)體技術(shù)，工藝穩(wěn)定性、一致性好，損耗與光波長不相關(guān)，通道均勻性好，結(jié)構(gòu)緊湊體積小，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟，已經(jīng)被日本、美國、韓國、法國等多數(shù)國

3、家指定采用技術(shù)。常用的光分路器有1XN和2XN（N=4，8，16，32，64）熔融拉錐光纖分路器（FBTSplitter）熔融拉錐技術(shù)是將兩根或多根光纖捆在一起，然后在拉錐機(jī)上熔融拉伸，拉伸過程中監(jiān)控各路光纖耦合分光比，分光比達(dá)到要求后結(jié)束熔融拉伸，其中一端保留一根光纖（其余剪掉）作為輸入端，另一端則作多路輸出端。圖3是兩根光纖熔融拉伸后光纖模場截面示意圖。一次拉錐技術(shù)是將多根光纖捆在一起（見圖1b），在特制的拉錐機(jī)上同時(shí)熔融拉伸，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各路光纖的損耗。目前成熟的一次拉錐工藝已能一次1X4以下器件。實(shí)驗(yàn)室有1X8的記錄，但批量生產(chǎn)工藝還未成熟。目前國外FTTH工程中，低分路光分路器（1X4

4、以下）常采用一次拉錐技術(shù)器件。（圖4a為1X2實(shí)物圖）串接式熔錐1XN分路器件都是由（N-1）個(gè)1X2拉錐單元串聯(lián)熔接一個(gè)封裝盒內(nèi)（圖1C為原理圖，圖4b為1X8封裝盒內(nèi)實(shí)物圖片）。由于單元之間光纖需要熔接，而光纖需要有最小彎曲半徑，通常體積會(huì)較大，例如：1X8光分路器由7個(gè)1X2單元熔接而成，封裝尺寸通常為100X80X9mm。兩種器件性能的比較1、工作波長平面波導(dǎo)型光分路器對(duì)工作波長不敏感，也就是說不同波長的光其插入損耗很接近，通常工作波長達(dá)到12601650nm,覆蓋了現(xiàn)階段各種PON標(biāo)準(zhǔn)所需要的所有可能使用的波長以及各種測試監(jiān)控設(shè)備所需要的波。拉錐型光分路器，由于拉錐過程產(chǎn)生的光纖模場

5、的變化，需要根據(jù)需要調(diào)整工藝監(jiān)控工作窗口，根據(jù)需要可將工作波長調(diào)整到1310nm,1490nm,1550nm等工作波長（俗稱工作窗口）。通常單窗口和雙窗口的器件工藝控制較成熟，三窗口工藝較復(fù)雜。工藝控制不好的情況下，隨著工作時(shí)間延長和溫度的不斷變化，插入損耗會(huì)發(fā)生變化。2、分光均勻性平面波導(dǎo)器件的分光比由設(shè)計(jì)掩膜版時(shí)決定的。目前常用的器件分光比都是均勻的。由于半導(dǎo)體工藝的一致性高，器件通道的均勻性非常好?？梢员ＷC輸出光的大小一致性好。拉錐型分路器的分光比可根據(jù)需要現(xiàn)場控制，如果要求1XN均分器件，則用N-1個(gè)均分1X2組合而成。因?yàn)槊總€(gè)1X2器件不可能做到完全均分，所以串接而成的1XN器件最終

6、的各通道輸出光不均勻性被乘積放大，級(jí)數(shù)越多，均勻性越差。如果要求均勻性好，需要經(jīng)過精確計(jì)算配對(duì)。拉錐型分路器分光比可變是此器件的最大優(yōu)勢。有時(shí)，由于用戶數(shù)量和距離的不一致性，需要對(duì)不同線路的光功率進(jìn)行分配，需要不同分光比的器件，由于平面波導(dǎo)器件不能隨時(shí)變化分光比，只能采用拉錐型分路器。圖5中，是兩種1X8器件用12701600nm寬帶光源掃描測試的插入損耗，淺色的PLC器件，深色的是拉錐型分路器，其中每一條曲線是某一通道的插入損耗掃描圖。從圖中可以看出，PLC的8個(gè)通道的損耗隨著波長的變化很小，通道的均勻性也很好；拉錐型的分路器隨著波長的變化損耗變化很大，只要1310和1490附近損耗較小，同

7、時(shí)，圖5，1X8PLC與FBT測試比較均勻性較差。3、溫度相關(guān)性TDL（TemperatureDependentLoss）平面波導(dǎo)器件工作溫度在-40+85C，插入損耗隨溫度變化而變化量較小；拉錐型分路器通常工作溫度在-5+75C，插入損耗隨溫度變化的變化較大，特別是在低溫條件下（-10C），插入損耗不穩(wěn)定。我們測試1X8PLCSplitter從-40+85C插入損耗變化量在0.25dB,從-5+75C插入損耗的變化量約土0.15dB1X8FBTSplitter從-5+75C插入損耗的變化量約土0.45dB4、偏振相關(guān)損耗PDL（PolarisationDependentLoss）PLC偏振相

8、關(guān)損耗很小，1X32以下通常在0.10.2dBlX2FBTPDL在0.15dB左右，隨著串接的器件越多，PDL也會(huì)疊加，1X8的將近0.45dB左右。5、體積PLC的器件體積很小，博創(chuàng)1X32的器件體積50X7X4mm，多分路拉錐的器件由于需要多個(gè)器件熔接，光纖彎曲要求最小直徑30mm,通常1X8器件直徑在100X80X9mm。在實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)體積一般不會(huì)成為主要問題，但在大規(guī)模組網(wǎng)時(shí)，考慮到集成布網(wǎng)的空間，體積顯得非常重要。6、成本PLC的主要成本主要是設(shè)備成本和材料成本（芯片和光纖陣列）。該器件的生產(chǎn)設(shè)備昂貴,但這是一次性投入，隨著生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，產(chǎn)量越大，通道數(shù)越多，平均分?jǐn)偟矫總€(gè)通道的成本

9、越低。拉錐器件成本主要是人工成本和合格率成本。原材料成本很低（石英基板，光纖，熱縮管，不銹鋼管等），低分路器的成本很低，高分路器件成品率較低，高分路器件成本較高。按目前的生產(chǎn)成本，PLC與三窗口拉錐分路器相比，1X8是臨界點(diǎn)，1X16以上PLC性價(jià)比明顯占優(yōu)，1X4以下拉錐型分路器性價(jià)比占優(yōu)。7、可靠性無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）比有源光網(wǎng)絡(luò)（AON）的最大優(yōu)勢就在于無源光網(wǎng)絡(luò)除局端和用戶端外,中間線路全部是無源設(shè)備，可靠性好，運(yùn)營維護(hù)成本低。平面波導(dǎo)器件與拉錐型分路器比較，其可靠性占有明顯優(yōu)勢，主要有以下三點(diǎn)：（1）故障點(diǎn)不一樣：平面波導(dǎo)器件理論上只在芯片和兩個(gè)光纖陣列之間有兩個(gè)交接面存在故障點(diǎn)，而

10、1XN拉錐型分路器有2N-3個(gè)故障點(diǎn)（N-1個(gè)單元，N-2個(gè)熔接點(diǎn)）。故障點(diǎn)的增多,可靠性就會(huì)降低。如下圖6，1X8兩種器件比較o1X8拉錐器件有13個(gè)故障點(diǎn)，PLC器件只有兩個(gè)。分光比是否變化：平面波導(dǎo)器件分光比由芯片決定，芯片本身不會(huì)變，同時(shí)芯片與光纖陣列耦合面是面接觸，面接觸很穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生位移。博創(chuàng)科技到2007年已出貨20多萬只各類型號(hào)器件，未發(fā)生一只分光比變化超標(biāo)。拉錐型光分路器工藝控制不好的情況下，分光比會(huì)因時(shí)間變化而發(fā)生變化。拉錐型分路器由于節(jié)點(diǎn)多，光纖拉伸過程中容易發(fā)生劃痕等微觀缺陷，因此，其抗機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)性能較差。使用時(shí)不能劇烈撞擊或跌落?？偨Y(jié)綜上所述，平面波導(dǎo)和拉錐

11、型兩種光分路器各有優(yōu)缺點(diǎn)，拉錐型器件由于產(chǎn)品生產(chǎn)歷史長，工藝比較普及，設(shè)備成本較低。在成本方面有明顯優(yōu)勢。低分路情況下其技術(shù)指標(biāo)與平面波導(dǎo)型相差不明顯。因此，低分路（IX4以下）有明顯優(yōu)勢。在高分路情況下，由于其成本優(yōu)勢不明顯，加上技術(shù)指標(biāo)均勻性較差，工作波長限制，以及可靠性等方面有明顯劣勢。平面波導(dǎo)光分路器由于生產(chǎn)設(shè)備較貴，工藝技術(shù)水平較高，有一定的技術(shù)和資金門檻，成本相對(duì)較貴。由于芯片制作具體大批量、規(guī)?；攸c(diǎn)，器件的成本攤薄到每路成本，多分路器件的成本相對(duì)低，低分路相對(duì)較高。產(chǎn)品性能、可靠性方面，平面波導(dǎo)分路器具有明顯的優(yōu)勢。現(xiàn)在市場上拉錐型分路器供應(yīng)商比較多，如果按照Telecordia標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格進(jìn)行各種老化等工藝，成本比較高。但現(xiàn)在有很多公司只有一臺(tái)拉錐機(jī)，沒有試驗(yàn)老化設(shè)備，更沒有凈化車間等硬件條件，用的材料也是低質(zhì)品，成本很低。這些產(chǎn)品主要有以下問題：分光比不穩(wěn)定，時(shí)間長了會(huì)發(fā)生劣化；撞沖擊能力差，拉錐單元內(nèi)光纖易斷；耐高低溫能力差，經(jīng)過冷熱變化，會(huì)發(fā)生斷纖等現(xiàn)象。隨著使用P0N技術(shù)的FTTH在全球的迅速擴(kuò)張，光分路器用量迅速膨脹,PLCSplitter的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮，隨著產(chǎn)量的急劇擴(kuò)大，其成本也快速下降，其性價(jià)比已明顯優(yōu)于拉錐型分路器。美國、韓國、歐洲法國等國均指定使用PL