平面波导型和熔融拉锥型光分路器

1、随着通讯市场新增值业务如可视电话、IPTV、网络游戏等的不断推出，用户对带宽的要求不断提高，现有的以铜缆为主的XDSL网络已不能适应用户的需求。光进铜退已是大势所趋，特别一些发达国家如日本、美国、韩国等已将光纤到户（FTTH）作为国家战略加以鼓励发展。无源光网络（PON）已经成为各国FTTH的首选接入方案。光分路器（splitter）作为连接光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）的核心光器件，其质量性能成为网络是否可靠安全的最关键器件之一。目前，光分路器主要有平面光波导技术和熔融拉锥技术两种，熔融拉锥技术又可以分为一次熔锥光分路器和多个1X2串接式光分路器。三种结构的原理图见图1。下面对二

2、种产品技术作简要介绍平面波导型光分路器（PLCSplitter）此种器件内部由一个光分路器芯片和两端的光纤阵列耦合组成。芯片采用半导体工艺在石英基底上生长制作一层分光波导，芯片有一个输入端和N个输出端波导。然后在芯片两端分别耦合输入输出光纤阵列，封上外壳，组成一个有一个输入和N个输出光纤的光分路器。（见图2a、图2b）根据用户需要，可以将输入输出为裸光纤的器件，封装在各式封装盒中，输入输出光纤用松套管保护，并可以外接各种连接器。（见图2c）该技术由于采用半导体技术，工艺稳定性、一致性好，损耗与光波长不相关，通道均匀性好，结构紧凑体积小，大规模产业化技术成熟，已经被日本、美国、韩国、法国等多数国

3、家指定采用技术。常用的光分路器有1XN和2XN（N=4，8，16，32，64）熔融拉锥光纤分路器（FBTSplitter）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，拉伸过程中监控各路光纤耦合分光比，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。图3是两根光纤熔融拉伸后光纤模场截面示意图。一次拉锥技术是将多根光纤捆在一起（见图1b），在特制的拉锥机上同时熔融拉伸，并实时监控各路光纤的损耗。目前成熟的一次拉锥工艺已能一次1X4以下器件。实验室有1X8的记录，但批量生产工艺还未成熟。目前国外FTTH工程中，低分路光分路器（1X4

4、以下）常采用一次拉锥技术器件。（图4a为1X2实物图）串接式熔锥1XN分路器件都是由（N-1）个1X2拉锥单元串联熔接一个封装盒内（图1C为原理图，图4b为1X8封装盒内实物图片）。由于单元之间光纤需要熔接，而光纤需要有最小弯曲半径，通常体积会较大，例如：1X8光分路器由7个1X2单元熔接而成，封装尺寸通常为100X80X9mm。两种器件性能的比较1、工作波长平面波导型光分路器对工作波长不敏感，也就是说不同波长的光其插入损耗很接近，通常工作波长达到12601650nm,覆盖了现阶段各种PON标准所需要的所有可能使用的波长以及各种测试监控设备所需要的波。拉锥型光分路器，由于拉锥过程产生的光纤模场

5、的变化，需要根据需要调整工艺监控工作窗口，根据需要可将工作波长调整到1310nm,1490nm,1550nm等工作波长（俗称工作窗口）。通常单窗口和双窗口的器件工艺控制较成熟，三窗口工艺较复杂。工艺控制不好的情况下，随着工作时间延长和温度的不断变化，插入损耗会发生变化。2、分光均匀性平面波导器件的分光比由设计掩膜版时决定的。目前常用的器件分光比都是均匀的。由于半导体工艺的一致性高，器件通道的均匀性非常好。可以保证输出光的大小一致性好。拉锥型分路器的分光比可根据需要现场控制，如果要求1XN均分器件，则用N-1个均分1X2组合而成。因为每个1X2器件不可能做到完全均分，所以串接而成的1XN器件最终

6、的各通道输出光不均匀性被乘积放大，级数越多，均匀性越差。如果要求均匀性好，需要经过精确计算配对。拉锥型分路器分光比可变是此器件的最大优势。有时，由于用户数量和距离的不一致性，需要对不同线路的光功率进行分配，需要不同分光比的器件，由于平面波导器件不能随时变化分光比，只能采用拉锥型分路器。图5中，是两种1X8器件用12701600nm宽带光源扫描测试的插入损耗，浅色的PLC器件，深色的是拉锥型分路器，其中每一条曲线是某一通道的插入损耗扫描图。从图中可以看出，PLC的8个通道的损耗随着波长的变化很小，通道的均匀性也很好；拉锥型的分路器随着波长的变化损耗变化很大，只要1310和1490附近损耗较小，同

7、时，图5，1X8PLC与FBT测试比较均匀性较差。3、温度相关性TDL（TemperatureDependentLoss）平面波导器件工作温度在-40+85C，插入损耗随温度变化而变化量较小；拉锥型分路器通常工作温度在-5+75C，插入损耗随温度变化的变化较大，特别是在低温条件下（-10C），插入损耗不稳定。我们测试1X8PLCSplitter从-40+85C插入损耗变化量在0.25dB,从-5+75C插入损耗的变化量约土0.15dB1X8FBTSplitter从-5+75C插入损耗的变化量约土0.45dB4、偏振相关损耗PDL（PolarisationDependentLoss）PLC偏振相

8、关损耗很小，1X32以下通常在0.10.2dBlX2FBTPDL在0.15dB左右，随着串接的器件越多，PDL也会叠加，1X8的将近0.45dB左右。5、体积PLC的器件体积很小，博创1X32的器件体积50X7X4mm，多分路拉锥的器件由于需要多个器件熔接，光纤弯曲要求最小直径30mm,通常1X8器件直径在100X80X9mm。在实验室测试时体积一般不会成为主要问题，但在大规模组网时，考虑到集成布网的空间，体积显得非常重要。6、成本PLC的主要成本主要是设备成本和材料成本（芯片和光纤阵列）。该器件的生产设备昂贵,但这是一次性投入，随着生产规模扩大，产量越大，通道数越多，平均分摊到每个通道的成本

9、越低。拉锥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，光纤，热缩管，不锈钢管等），低分路器的成本很低，高分路器件成品率较低，高分路器件成本较高。按目前的生产成本，PLC与三窗口拉锥分路器相比，1X8是临界点，1X16以上PLC性价比明显占优，1X4以下拉锥型分路器性价比占优。7、可靠性无源光网络（PON）比有源光网络（AON）的最大优势就在于无源光网络除局端和用户端外,中间线路全部是无源设备，可靠性好，运营维护成本低。平面波导器件与拉锥型分路器比较，其可靠性占有明显优势，主要有以下三点：（1）故障点不一样：平面波导器件理论上只在芯片和两个光纤阵列之间有两个交接面存在故障点，而

10、1XN拉锥型分路器有2N-3个故障点（N-1个单元，N-2个熔接点）。故障点的增多,可靠性就会降低。如下图6，1X8两种器件比较o1X8拉锥器件有13个故障点，PLC器件只有两个。分光比是否变化：平面波导器件分光比由芯片决定，芯片本身不会变，同时芯片与光纤阵列耦合面是面接触，面接触很稳定，不会发生位移。博创科技到2007年已出货20多万只各类型号器件，未发生一只分光比变化超标。拉锥型光分路器工艺控制不好的情况下，分光比会因时间变化而发生变化。拉锥型分路器由于节点多，光纤拉伸过程中容易发生划痕等微观缺陷，因此，其抗机械冲击、机械振动性能较差。使用时不能剧烈撞击或跌落。总结综上所述，平面波导和拉锥

11、型两种光分路器各有优缺点，拉锥型器件由于产品生产历史长，工艺比较普及，设备成本较低。在成本方面有明显优势。低分路情况下其技术指标与平面波导型相差不明显。因此，低分路（IX4以下）有明显优势。在高分路情况下，由于其成本优势不明显，加上技术指标均匀性较差，工作波长限制，以及可靠性等方面有明显劣势。平面波导光分路器由于生产设备较贵，工艺技术水平较高，有一定的技术和资金门槛，成本相对较贵。由于芯片制作具体大批量、规模化特点，器件的成本摊薄到每路成本，多分路器件的成本相对低，低分路相对较高。产品性能、可靠性方面，平面波导分路器具有明显的优势。现在市场上拉锥型分路器供应商比较多，如果按照Telecordia标准严格进行各种老化等工艺，成本比较高。但现在有很多公司只有一台拉锥机，没有试验老化设备，更没有净化车间等硬件条件，用的材料也是低质品，成本很低。这些产品主要有以下问题：分光比不稳定，时间长了会发生劣化；撞冲击能力差，拉锥单元内光纤易断；耐高低温能力差，经过冷热变化，会发生断纤等现象。随着使用P0N技术的FTTH在全球的迅速扩张，光分路器用量迅速膨胀,PLCSplitter的优点得到充分发挥，随着产量的急剧扩大，其成本也快速下降，其性价比已明显优于拉锥型分路器。美国、韩国、欧洲法国等国均指定使用PL