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光分路器基础知识

发布时间:2016-07-22 点击数:2091
光分路器又称分光器,是光纤链路中重要的无源器件之一,光纤分路器是用来实现光波能量的分路与合路的器件。它将一根光纤中传输的光能量按照既定的比例分配给两根或者是多根光纤,或者将多根光纤中传输的光能量合成到一根光纤中。光纤分路器广泛应用于光纤通信系统,光纤CATV系统,光纤局域网,广电网络等领域。

光分路器特点
1、附加损耗低
2、方向性好
3、偏振敏感性低
4、高性价比
5、环境和机械稳定性高

光分路器的分光原理
光分路器是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件。光分路器按分光原理可以分为熔融拉锥型和平面波导型(PLC型)两种。熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成;平面波导型是微光学元件型产品,采用光刻技术,在介质或半导体基板上形成光波导,实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似,它们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。熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体,而且可以耐孚机械振动和温度变化等优点,目前成为市场的主流制造技术。
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。这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不锈钢管的不一致,在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致,此种情况容易导致光分路器损坏,尤其把光分路放在野外的情况更甚,这也是光分路容易损坏得最主要原因。对于更多路数的分路器生产可以用多个二分路器组成。
而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1、1等分路;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并进行封装。
与熔融拉锥式分路器相比,PLC分路器的优点有:(1)损耗对光波长不敏感,可以满足不同波长的传输需要。(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。
同时,PLC分路器的主要缺点有:(1)器件制作工艺复杂,技术门槛较高,目前芯片被国外几家公司垄断,国内能够大批量封装生产的企业很少。(2)相对于熔融拉锥式分路器成本较高,特别在低通道分路器方面更处于劣势。
与同轴电缆传输系统一样,光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配,这就需要光分路器来实现。光分路器常用M×N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1×2、1×3以及由它们组成的1×N光分路器。
用于PON网络的光分路器按功率分配形成规格来看,光分路器可表示为M×N,也可表示为M:N。M表示输入光纤路数,N表示输出光纤路数。在FTTx系统中,M可为1或2,N可为2、4、8、16、32、64、128等。本标准统一用M×N表示。

光分路器的常用技术指标
(1) 插入损耗。
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:Ai=-10lg Pouti/Pin ,其中Ai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) 分光比。
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 微米的光时两个输出端的分光比为50:50;在传输1.5μm的光时,则变为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)。所以在订做光分路器时一定要注明波长。
(3) 隔离度。
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。在实际应用中,本人也确实碰到很多质量低劣的光分路器,不仅性能指标劣化快,而且损坏率相当高,作于光纤干线的重要器件,在选购时一定加以注意,不能光看价格,工艺水平低的光分路价格肯定低。
此外,均匀性、回波损耗、方向性、PDL都在光分路器的性能指标中占据非常重要的位置。


(4) 附加损耗。
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


PLC分路器封装技术
PLC分路器内部结构。
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逐一对准,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。PLC分路器的封装涉及到光纤阵列与光波导的六维紧密对准,难度较大。当采用人工操纵时,其缺点是效率低,重复性差,人为因素多且难以实现规模化的生产等。
PLC分路器实物照片。
PLC分路器的制作
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1、1等分路;然后,在芯片两端分别耦合输进端以及输出真个多通道光纤阵列并进行封装。其内部结构和实物照片分别如图1、2所示。
与熔融拉锥式分路器相比,PLC分路器的优点有:(1)损耗对光波长不敏感,可以满足不同波长的传输需要。(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)多路本钱低,分路数越多,本钱上风越明显。
同时,PLC分路器的主要缺点有:(1)器件制作工艺复杂,技术门槛较高,目前芯片被国外几家公司垄断,国内能够大批量封装生产的企业很少。(2)相对于熔融拉锥式分路器本钱较高,特别在低通道分路器方面更处于劣势。
PLC分路器封装技术
PLC分路器的封装过程包括耦合对准和粘接等操纵。PLC分路器芯片与光纤阵列的耦合对准有手工和自动两种,它们依靠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分路器封装主要流程如下:
(1)耦合对准的预备工作: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,一端安装在进射真个精密调整架上,另一端接上光源(先接6.328微米的红光光源,以便初步调试通光时观察所用)。
(2)借助显微观测系统观察进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,并借助波导输出真个光斑初步判定进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真个光斑达到理想的效果后,移开显微观测系统。
(5)将波导输出端光纤阵列(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阵列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)将光纤阵列进射端6.328微米波长的光源切换为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阵列的位置,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阵列,使其与波导进射端实现精确的对准,从而进步整体的耦合效率)。



图3.1分支PLC分路器芯片封装结构
(7)当波导输出端光纤阵列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阵列接收到的光功率最大值,以保证点胶后波导与光纤阵列的最佳耦合对准,并将其固化,再进行后续操纵,完成封装。
在上面的耦合对准过程中,PLC分路器有8个通道且每个通道都要精确对准,由于波导芯片和光纤阵列(FA)的制造工艺保证了各个通道间的相对位置,所以只需把PLC分路器与FA的第一通道和第八通道同时对准,便可保证其他通道也实现了对准,这样可以减少封装的复杂程度。在上面的封装操纵中最重要、技术难度最高的就是耦合对准操纵,它包括初调和精确对准两个步骤。其中初调的目的是使波导能够良好的通光;精确对准的目的是完成最佳光功率耦合点的精确定位,它是靠搜索光功率最大值的程序来实现的。对接光波导需要6个自由度;3个平动(X、Y、Z)和3个转动(α、β、g),要使封装的波导器件性能良好,则对准的平动精度应控制在0.5微米以下,转动精度应高于0.05度。
1×8分支PLC分路器的封装
对1分支PLC分路器进行封装,封装的耦合对准过程采用上面先容的封装工艺流程。对准封装后的结构如图3所示,封装的组件由PLC分路器芯片和光纤阵列组成。在PLC分路器芯片的连接部位,为了确保连接的机械强度和长期可靠性,对玻璃板整片用胶粘住。光纤阵列是用机械的方法在玻璃板上以250微米间距加工成V形沟槽,然后将光纤阵列固定在此。制作8芯光纤阵列的最高累计间隔误差均匀为0.48微米,精确度极高。在PLC分路器芯片与光纤阵列的连接以及各个部件的组装过程中,为了减少组装时间,采用紫外固化粘接剂。光纤连接界面是保持长期可靠的重点,应选用耐湿、耐剥离的氟化物环氧树脂与硅烷链材料组合的粘接剂。为了减少端面的反射,采用8°研磨技术。连接和组装好光纤阵列后的PLC分路器芯片被封装在金属(铝)管壳内。1分支的组件外形尺寸约为73。



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