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1、光分路器简介,Writer：Renpeng 2012/8/1,光分路器的功能及用途,光网络系统需要将光信号进行耦合、分支、分配，实现这些功能的是光分路器（Splitter）或耦合器（coupler）。光分路器又称光功率（Optical power）分配器或分光器，是光纤链路中最重要的光无源器件（Optical Passive Devices）之 一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用MN来表示一个分路器有M个输入端和N个输出端。在光纤CATV系统中使用的光分路器一般都是 12、13以及由它们组成的1N光分路器。光分路器主要是作为连接OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)的核心
2、元器件。,光分路器的类型,光分路器按原理可以分为熔融拉锥型(FBT)和平面波导型（PLC）两种；从端口形式可以划分，包括X形（2x2）耦合器、Y形（1x2）耦合器、星形（NxN,N2）耦合器以及树形（1xN，N2）耦合器等，按分光比可分为均分器件和非均分器件。熔融拉锥型 1X5 平面波导型 1X8,熔融拉锥光分路器（Fused Fiber Splitter）,熔融拉锥光分路器（Fused Fiber Splitter）将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器（comb
3、iner）。熔融拉锥法就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方法靠扰，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例。最后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内，这就是光分路器。熔融拉锥技术是将两根或多根光纤捆在一起，然后在拉锥机上熔融拉伸，并实时监控分光比的变化，分光比达到要求后结束熔融拉伸，其中一端保留一根光纤（其余 剪掉）作为输入端，另一端则作多路输出端。目前成熟拉锥工艺一次只能拉14以下。14以上器件，则用多个12连接在一起，例如1x8可以由7个1x2构成，然后再封装即可。,熔融拉锥
4、型分路器生产工艺,熔融拉锥系统示意图,光纤熔融拉锥机,基本原理：利用火焰产生高温。将光纤两根或多根光纤熔在一起。使光可以从一根光纤耦入另一根光纤，实现分光原理，同时可以根据监控熔融过程实现自由的控制两根光纤的分光比值。如：1：99或50：50。,平面光波导型分路器Planar Lightwave Circuit Splitter,PLC分路器采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影等技术）制作。光波导阵列位于芯片的上表面，分路功能集成在芯片上，也就是在一只芯片上实现1XN分路；然后，在芯片两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列(fiber array)并进行封装。PLC基于平面技术的集成光学器件
5、，与熔融拉锥技术（FTB）相比，平面波导技术具有性能稳定、成本低廉、适于规模化生产等显著特点。所以，今后在光纤到户系统中将不再使用光纤融熔拉锥光分路器件，而平面波导为高性能、低成本接入网用光器件的生产提供了一条有效的途径。,PLC产业链介绍,基于PLC技术的光器件结构和封装形式如图1所示，其生产链可分为三个主要环节：PLC芯片、光纤阵列和器件封装。,图1.PLC光分路器结构,1、PLC芯片 PLC光分路器芯片通常以二氧化硅光波导和玻璃光波导两种工艺制作，两种工艺的制作流程分别如图2和图3所示；制作好光波导的圆片如图4所示，划片之后的芯片如图5所示；光分路器芯片由多个Y分支串联而成，如图6所示。
6、,图2.二氧化硅光波导的制作工艺,图3.玻璃光波导的的制作工艺,图4.光波导圆片,图5.光波导芯片,图6.PLC光分路器芯片,到目前为止，国内企业大多是进口PLC芯片进行封装，国产PLC芯片可以提供的有四川飞阳科技有限公司。,2、光纤阵列,不同于PLC芯片，光纤阵列（Fiber Array，FA）属于劳动密集型产品，其生产环节正在逐步向国内转移。光纤阵列中的关键技术有两个：高精度的V或U型槽和高可靠性的胶水。高精度的V型槽一般采用温度特性好的石英玻璃材料，通过机械精加工制作而成。在PLC光分路器的输入端还需要一个单通道的光纤阵列。,V型槽和U型槽端面,V型槽和U型槽芯片,用于光纤阵列的胶水应具
7、有耐高温高湿特性，而且需要足够的硬度以便于光纤阵列的端面研磨。,3、器件封装,PLC光分路器技术除了芯片和光纤阵列外，另一项关键技术就是芯片与光纤间的耦合和封装，他涉及到光纤阵列与光波导的六维紧密对准。与光纤阵列相比，PLC器件封装的劳动力成本相对较低，但是也属于劳动密集型工作，其生产环节也在逐步向国内转移。PLC分路器的封装是指将平面波导分路器上的各个导光通路(即波导通路)与光纤阵列中的光纤一一对准，然后用特定的胶(如环氧胶)将其粘合在一起的技术。其中PLC分路器与光纤阵列的对准精确度是该项技术的关键，封装过程包括耦合对准和粘接等操作。PLC分路器芯片与光纤阵列的耦合对准有手工和自动两种，它
8、们依赖的硬件主要有六维精密微调架、光源、功率计、显微观测系统等，而最常用的是自动对准，它是通过光功率反馈形成闭环控制，因而对接精度和对接的耦合效率高。PLC器件封装中的关键技术有两个：高精度的PLC自动对准封装系统和高可靠性的胶水。用于PLC器件对准的调节架，应具有六个调节维度，调节精度要求为亚微米级，如图7所示。,图7.六维调整架,久下精机的PLC自动对准封装系统,PLC封装流程,PLC分路器封装主要流程如下(1X8)：（1）耦合对准的准备工作：先将波导清洗干净后小心地安装到波导架上；再将光纤清洗干净，一端安装在入射端的精密调整架上，另一端接上光源（先接632.8nm的红光光源，以便初步调试
9、通光时观察所用）。（2）借助显微观测系统观察入射端光纤与波导的位置，并通过计算机指令手动调整光纤与波导的平行度和端面间隔。（3）打开激光光源，根据显微系统观测到的X轴和Y轴的图像，并借助波导输出端的光斑初步判断入射端光纤与波导的耦合对准情况，以实现光纤和波导对接时良好的通光效果。（4）当显微观测系统观察到波导输出端的光斑达到理想的效果后，移开显微观测系统。（5）将波导输出端光纤数组（FA）的第一和第八通道清洗干净，并用吹气球吹干。再采用步骤(2)的方法将波导输出端与光纤数组连接并初步调整到合适的位置。然后将其连接到双通道功率计的两个探测接口上。（6）将光纤数组入射端6.328微米波长的光源切换
10、为1.310/1.550微米的光源，启动光功率搜索程序自动调整波导输出端与光纤数组的位 置，使波导出射端接收到的光功率值最大，且两个采样通道的光功率值应尽量相等（即自动调整输出端光纤数组，使其与波导入射端实现精确的对准，从而提高整体 的耦合效率）。图8分支PLC分路器芯片封装结构（7）当波导输出端光纤数组的光功率值达到最大且尽量相等后，再进行点胶工作。（8）重复步骤（6），再次寻找波导输出端光纤数组接收到的光功率最大值，以保证点胶后波导与光纤数组的最佳耦合对准，并将其固化，再进行后续操作，完成封装。,由PLC自动对准封装系统完成的产品被称为裸分路器，其输出端是带状光纤，需要通过一个扇出连接器进
11、行分离并穿入900m的保护套管，然后制作连接头。这种带连接头的光分路器也不能直接交给FTTH施工队使用，需要进一步封装成机箱式光分路器。在某些应用场合，为了减小安装尺寸，也可以由裸分路器直接封装成模块式结构并制作连接头，其主体部分由一个ABS盒保护起来。各种光分路器封装结构如图9所示。,图9.PLC光分路器的封装形式,不同于传统光无源器件中的胶水，用于PLC器件封装的胶水，存在于光纤阵列和PLC芯片之间的光路中，要求热膨胀系数和折射率均匹配较好，而且具有很好的耐高温高湿特性。,光分路器常用指标 1,（1）插入损耗（IL）光分路器的插入损耗是指每一路输出相对于输入光损失的dB数，其数学表达式为：
12、Ai=-10lg Pouti/Pin，其中Pouti是指第i个输出口的插入损耗；Pouti是第i个输出端口的光功率；Pin是输入端的光功率值。(2)回波损耗（RL）：光器件的回波损耗是指从器件或系统反回输入端口的光相对于输入光的dB数，其数学表达式为：RL=-10lg Pril/Pin，Pril是从器件或系统反回输入端口的光功率；Pin是输入端的光功率值（3）附加损耗（Additional loss）附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于输入光功率损失的DB数。值得一提的是，对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的 是器件制作过程的固有损耗，这个损耗越小越好，是制作质
13、量优劣的考核指标。而插入损耗则仅表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑 了分光比的影响。因此不同的光纤耦合器之间，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣。对于1*N单模标准型光分路器附加损耗如下表所示：分路数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 16 附加损耗DB 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2,光分路器常用指标 2,（4）分光比(Light splitting ratio)分光比定义为光分路器各输出端口的输出功率比值，在系统应用中，分光比的确是根据实际系统光节点所需的光功率的多少，确定
14、合适的分光比（平均分配的除 外），光分路器的分光比与传输光的波长有关，例如一个光分路在传输1.31 m的光时两个输出端的分光比为50：50；在传输1.5m的光时，可能变为70：30（之所以出现这种情况，是因为光分路器都有一定的带宽，即分光比基 本不变时所传输光信号的频带宽度）。（5）隔离度(Isolation degree)隔离度是指光分路器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。在以上各指标中，隔离度对于光分路器的意义更为重大，在实际系统应用中往往需要隔离度达到40dB以上的器件，否则将影响整个系统的性能。另外光分路器的稳定性也是一个重要的指标，所谓稳定性是指在外界温度变化，其它器件的工作
15、状态 变化时，光分路器的分光比和其它性能指标都应基本保持不变，实际上光分路器的稳定性完全取决于生产厂家的工艺水平，不同厂家的产品，质量悬殊相当大。此外，均匀性、方向性、PDL都在光分路器的性能指标中也占据非常重要的位置。,两类光分路器间的对比,熔融拉锥型光分路器的优点（1）拉锥耦合器已有二十多年的历史和经验,许多设备和工艺只需沿用而已。（2）原材料只有很容易获得的石英基板,光纤,热缩管,不锈钢管和少些胶,而机器和仪器的投资折旧费用更少，12、14等低通道分路器成本低。（3）分光比可以根据需要实时监控，可以制作不等分分路器。PLC光分路器的优点（1）损耗对光波长不敏感，可以满足不同波长的传输需要
16、。（2）分光均匀，可以将信号均匀分配给用户。（3）结构紧凑，体积小，可以直接安装在现有的各种交 接箱内，不需留出很大的安装空间。（4）单只器件分路通道很多，可以达到32路以上。（5）多路成本低，分路数越多，成本优势越明显。,PLC光分路器相对于熔融拉锥式的优点,与传统的采用光纤熔融拉锥(FBT 或 Fused Biconical Taper)工艺制作的器件相比,PLC光分路器具有工作波长宽,通道损耗均匀性好,体积小,工作温度范围宽,可靠性高等特点,目前是PON接入网中连接 OLT和ONU并实现光信号功率分配的首选.传统的FBT分路器由于工作原理和制作工艺上的限制,一般可以满足最多三个不同工作波
17、长的传输,即称为三窗口光分路器.而PLC光分路器在一个很宽的波长 范围内(1260-1650nm)其损耗都很低,因此除了满足常用的三个工作窗口外,还可用于更多工作波长的传输和管理,所以被称为全波段分路器.目前EPON和GPON标准要求的工作 波长是1310,1490和 1550nm,下一代 PON 标准(如WDM-PON)则会要求更多的工作波长.因此使用PLC光分路器可以更好的适应将来网络升级发展的需要.,专业词汇英汉对照,Splitter：分路器Coupler：耦合器Optical Passive Devices：光无源器件OLT(optical line terminal):光线路终端ON
18、U(Optical Network Unit):光网络节点FBT(Fused Biconical Taper):熔融拉锥Fused Fiber Splitter:熔融拉锥光分路器PLC(Planar Lightwave Circuit):平面光波导Fiber array:光纤阵列IL(Insertion loss):插入损耗RL(return loss):回波损耗PDL(Polarization Dependent Loss):偏振相关损耗WDM-PON(Wavelength Division Multiplexing PON):波分复用无源光网络 CATV(Community Antenna Television):有线电视网,
