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2008年06月27日 13:57:45

浅谈平面光波导技术和应用

浅谈平面光波导技术和应用


     
  随着FTTH的蓬勃发展,PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一,而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG,其材料、工艺和应用多种多样,本文略作介绍。
1.平面光波导材料
  PLC光器件一般在六种材料上制作,它们是:铌酸锂(LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)、聚合物(Polymer)和玻璃,各种材料上制作的波导结构如图1所示,其波导特性如表1所示。
  
  图1. PLC光波导常用材料
  
  表1. PLC光波导常用材料特性
  铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层,以InGaAsP为芯层,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底,以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层,波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作,称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层,波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。
2.平面光波导工艺
  以上六种常用的PLC光波导材料中,InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作,铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作,下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例,介绍两类波导工艺。
  二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示,整个工艺分为七步:
  1)采用火焰水解法(FHD)或者化学气相淀积工艺(CVD),在硅片上生长一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导下包层,如图2(b)所示;
  2)采用FHD或者CVD工艺,在下包层上再生长一层SiO2,作为波导芯层,其中掺杂锗离子,获得需要的折射率差,如图2(c)所示;
  3)通过退火硬化工艺,使前面生长的两层SiO2变得致密均匀,如图2(d)所示。
  4)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图2(e)所示;
  5)采用反应离子刻蚀(RIE)工艺,将非波导区域刻蚀掉,如图2(f)所示;
  6)去掉光刻胶,采用FHD或者CVD工艺,在波导芯层上再覆盖一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导上包层,如图2(g)所示;
  7)通过退火硬化工艺,使上包层SiO2变得致密均匀,如图2(h)所示。
  二氧化硅波导工艺中的几个关键点:
  1)材料生长和退火硬化工艺,要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确,以达到设计的波导结构参数,尽量减少材料内部的残留应力,以降低波导的双折射效应;
  2)RIE刻蚀工艺,要得到陡直且光滑的波导侧壁,以降低波导的散射损耗;
  3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut,要控制Undercut量的稳定性,作为布版设计时的补偿依据。
  
  图2. 二氧化硅光波导的制作工艺
  玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步:
  1)在玻璃基片上溅射一层铝,作为离子交换时的掩模层,如图3(b)所示;
  2)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图3(c)所示;
  3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示;
  4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中,在适当的温度下进行离子交换,如图3(e)所示,Ag+离子提升折射率,得到如图3(f)所示的沟道型光波导;
  5)对沟道型光波导施以电场,将Ag+离子驱向玻璃基片深处,得到掩埋型玻璃光波导,如图3(g)所示。
  
  图3. 玻璃光波导的制作工艺
3.平面光波导的应用
  铌酸锂晶体具有良好的电光特性,在电光调制器中应用广泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件,被视为光有源/无源器件集成的最好平台。SOI材料在MEMS器件中应用广泛,是光波导与MEMS混合集成的优良平台。聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍,应用在需要热光调制的动态器件中,可以大大降低器件功耗。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗,而且成本低廉,是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性,被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。
  
  图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器
  
  图5. 基于玻璃光波导的光分路器
  
  图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列
  
  图7. 基于聚合物光波导的VOA
  
  图8. 基于二氧化硅光波导的AWG      
           




     
  随着FTTH的蓬勃发展,PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一,而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG,其材料、工艺和应用多种多样,本文略作介绍。
1.平面光波导材料
  PLC光器件一般在六种材料上制作,它们是:铌酸锂(LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)、聚合物(Polymer)和玻璃,各种材料上制作的波导结构如图1所示,其波导特性如表1所示。
  
  图1. PLC光波导常用材料
  
  表1. PLC光波导常用材料特性
  铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层,以InGaAsP为芯层,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底,以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层,波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作,称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层,波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。
2.平面光波导工艺
  以上六种常用的PLC光波导材料中,InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作,铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作,下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例,介绍两类波导工艺。
  二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示,整个工艺分为七步:
  1)采用火焰水解法(FHD)或者化学气相淀积工艺(CVD),在硅片上生长一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导下包层,如图2(b)所示;
  2)采用FHD或者CVD工艺,在下包层上再生长一层SiO2,作为波导芯层,其中掺杂锗离子,获得需要的折射率差,如图2(c)所示;
  3)通过退火硬化工艺,使前面生长的两层SiO2变得致密均匀,如图2(d)所示。
  4)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图2(e)所示;
  5)采用反应离子刻蚀(RIE)工艺,将非波导区域刻蚀掉,如图2(f)所示;
  6)去掉光刻胶,采用FHD或者CVD工艺,在波导芯层上再覆盖一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导上包层,如图2(g)所示;
  7)通过退火硬化工艺,使上包层SiO2变得致密均匀,如图2(h)所示。
  二氧化硅波导工艺中的几个关键点:
  1)材料生长和退火硬化工艺,要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确,以达到设计的波导结构参数,尽量减少材料内部的残留应力,以降低波导的双折射效应;
  2)RIE刻蚀工艺,要得到陡直且光滑的波导侧壁,以降低波导的散射损耗;
  3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut,要控制Undercut量的稳定性,作为布版设计时的补偿依据。
  
  图2. 二氧化硅光波导的制作工艺
  玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步:
  1)在玻璃基片上溅射一层铝,作为离子交换时的掩模层,如图3(b)所示;
  2)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图3(c)所示;
  3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示;
  4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中,在适当的温度下进行离子交换,如图3(e)所示,Ag+离子提升折射率,得到如图3(f)所示的沟道型光波导;
  5)对沟道型光波导施以电场,将Ag+离子驱向玻璃基片深处,得到掩埋型玻璃光波导,如图3(g)所示。
  
  图3. 玻璃光波导的制作工艺
3.平面光波导的应用
  铌酸锂晶体具有良好的电光特性,在电光调制器中应用广泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件,被视为光有源/无源器件集成的最好平台。SOI材料在MEMS器件中应用广泛,是光波导与MEMS混合集成的优良平台。聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍,应用在需要热光调制的动态器件中,可以大大降低器件功耗。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗,而且成本低廉,是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性,被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。
  
  图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器
  
  图5. 基于玻璃光波导的光分路器
  
  图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列
  
  图7. 基于聚合物光波导的VOA
  
  图8. 基于二氧化硅光波导的AWG      
           

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2008年06月27日 13:51:57

基于半导体工艺的微型光器件制造技术


  在光学器件制造领域,人们一直试图将光放大器、激光器、隔离器、光开关、滤光器和可调性等器件或功能集成在一个光模块上,并用现有的半导体制造工艺技术实现光器件的大批量生产,从而大幅度降低光学器件的成本。本文概要介绍了亚波长光学器件(SOE)制造技术,它向人们展示了微型光通信器件制造技术的重大变革,值得引起中国电子行业的密切关注。
  当今基于晶圆的纳米级加工技术已进入商用化阶段,使得被称为亚波长光学器件(SOE)的最新一代光学器件的实现成为可能。由于SOE的物理结构远小于光波长,其高精度表面结构与光相互间的物理作用能够促成光处理功能的重新排列。与现有的许多技术相比,这种排列方式能够产生更高的密度、更佳的性能和更高的集成度,从而根本上改变光学系统设计的方法。
  不过就像任何其它新技术一样,设计师必须清楚地理解该技术所包含的基本概念及其潜在影响(对光学器件设计方面),同时也要了解新技术革命的意义。
传统技术的限制
  集成化光学器件和模块设计在离散光学元件的组合方面已经达到了很高的复杂度,光学材料及其化合物的属性、智能的光学设计和先进的排列组装法的灵活运用不仅提高了器件和模块的密度,还降低了成本,提高了可靠性。但局限性也很明显。许多离散光学元件的自然属性比较固定,极大地限制了光器件设计师的灵活性,并减少了设计间的可转移性。这就是业界推出SOE的原因所在。
  SOE是纳米技术在光学元件上成功的运用,这些器件能够提供优秀的光学属性,同时能方便地集成其它不同配置的光学材料。另外,它们能够自动整合,允许设计师灵活组合光学功能,因此可以减少部件数量,提高可靠性,增加光学器件设计的灵活性。通过控制光束路径中的纳米结构还可以获得各种不同的光学效应。
动作机理
  光与亚波长光栅结构(尺寸要比入射光波长小一个或多个数量级的一维或多维光栅)间的相互作用可以产生大量可控制的效应。
  为了解释这些效应,请参考图1所示的一个简单亚波长光栅结构,它包含一个构筑于光学衬底上的亚波长光栅结构。当光正常入射到结构上时,光的传送部分(即通过光栅结构的部分)会受到影响。通过调整光栅结构的尺寸、形状和间距就可以改变对通过光的影响。特别是图1所示的一维光栅结构,通过选择合适的尺寸就可以形成极化器、波盘或极化型滤波器。利用图2所示的二维光栅还能获得更复杂的效应,如独立于极化功能的滤波器。这些结构统称为SOE。
  由于入射光束的直径通常要比光栅结构大得多,对发送光的影响效果实际上就是光与光栅之间多种局部作用的统计和。例如,如果一束直径为300微米的光束入射到图2所示的二维光栅上,光栅结构尺寸大约是100×100纳米,那么将有超过100万的纳米结构会被照射到。因此改变通过入射光束前面的光栅空间尺寸可以有效地控制光学处理效应。
  SOE的物理性能取决于描述光与光栅结构间相互作用的麦克斯韦方程边界条件的严格运用。在电信领域使用的波长(980-1,800nm) 区间内,那些要求达到这些效应的光栅结构的一些尺寸必须要达到十至数百纳米等级。在更小尺寸时,还可以观察到单个电子或量子效应。
  虽然反射、折射、衍射和干涉原理描述了传统光学元件的行为,但对SOE来说描述传统光行为的方程已经不能完全覆盖所有现象,因为这时会有量子机械效应发生。
  在许多应用中亚波长结构被用作纳米级衍射光栅,它与入射光的互作用可以用严格的衍射光栅理论和上面提及的麦克斯韦方程边界条件来建模。考虑到折射情况,在光学元件中会产生一种重要特性。一般情况下要获得不同的折射指数必须使用不同的材料。但在SOE中只需调整物理结构就可以用相同的材料获得不同的折射指数。例如,可以用SOE结构创建“人工”双折射效应。假如a代表光栅周期,t代表光栅宽度,那么TE波的折射指数nte(电子向量平行于光栅沟道)和TM波的折射指数ntm(电子向量垂直于光栅沟道)将分别表示为:
  这里n1代表光栅材料的介电常数,n2是填充材料的介电常数,f是光栅填充系数,它被定义为f=t/a。通过选择SOE材料和调整光栅填充系数就可以获得比标准元件大得多的双折射效应。
  许多SOE都具有周期性图案,因此把它当作光栅看待。当投射光垂直于光栅表面时,传统的光栅公式可以被表示为:
  公式中a代表光栅的周期,Qm代表衍射角,m是光栅阶数,而l则是波长。当光栅周期小于工作波长时(通常SOE都具有这样的特性),入射光仍然从属于光栅衍射。然而,入射光的所有衍射光能将进入零阶状态,在物理空间将不存在高阶光能。因此SOE在很宽范围的波长和接受角情况下具有相对一致的性能。
为什么现在才推出SOE?
  既然有这样的灵活性,为什么SOE到现在才推向电信市场呢?主要原因是可制造性。虽然这些光学效应的研究历史至少有20年了,但一直没有开发出性价比非常好的光学元件制造方案。在实验环境中创建亚波长光栅结构一般需要采用电子束蚀刻等高能量技术,或者特别高精度的工艺控制,如通过“自排列”生成纳米结构。其次,创建大量纳米结构图案的工艺一致性必须要好。许多创建纳米图案的技术只能生成有限的若干图案。
  纳米印刷蚀刻技术可以克服这些限制因素,它具有4个关键步骤:生成印有想要纳米结构负片的模版;将这个模版刻印到覆盖有保护层(抗腐蚀剂)的晶圆上;分离开模版,用活性离子蚀刻法仔细地去除保护层,以便将纳米图案传送到目标材料上(见图3);
  然后,再采用后刻印工艺增加金属层来增强性能,并提供保护层使其在标准制造环境条件下能被正常操作。随后进行测试和分块切割。由于纳米刻印法是通过直接的物理工艺而不是能量束形成纳米结构的SOE的,因此保护层中的波衍射、散射和干涉不会影响制造过程。
  二氧化硅通常用来生成具有想要纳米结构图案的模版。可以用包括电子束蚀刻在内的多种技术创建想要的纳米结构负片。由于模版是可以复制和复用的,因此可以用复杂的多步骤多工艺方法创建想要的纳米结构。由于不需要对每批产品化晶圆重复那些最初的加工步骤,因此一个特定SOE的整个生产过程可以分步分期完成。在相同的制造工艺下可以利用具有不同纳米结构图案的不同模版生成全系列的SOE产品。

  未封装的SOE可以用于自由空间设备,最终的SOE是一块在衬底的一面有一个亚波长光栅的光学芯片,如图1所示。整个元件的厚度取决于衬底的厚度。
SOE应用
  使用SOE的实际效果可以通过一个特定实例-SOE极化束分离器/合成器或PBS/C(见图4)获得。通过正确选择一维亚波长光栅结构的尺寸,就可以像所述的那样发送一个极化波,反射另外一个正交的极化波。从这个角度看,亚波长衍射光栅只表现出零阶衍射,因此具有大量有用的成分特性,包括很宽波长范围内的一致性能(光栅结构在980nm到1,800nm波长范围内的性能是相同的)以及比正常值偏差高达20°的宽范围入射角。
  SOE PBS的典型性能参数表现在反射束与发射束上的插入损耗均小于0.13dB。发送束和反射束的消光比分别高出40dB和20dB。SOE的灵活性还允许人们围绕这些参数中作出权衡。

  PBC/C SOE带来的好处主要体现在二个方面。首先,SOE在光学元件设计中具有结构上的优越性。由于它们的体积都比较小,因此能作出更紧凑的元件设计。由于SOE能够和其它元件紧邻摆放达到空闲空间的最小化,因此能减小插入损耗。
  不同元件有不同的光处理方式,例如极化束分离器就是一个在小于1微米厚度上获得180°分离效果的反射器件。正是由于这些不同方式的存在,才使设计师能够通过光束路径的布局简化器件设计。另外,SOE PBS的自然反射特性也使其能支持与激光发送器和光纤放大器有关的高能量设备。
  其次,还有制造方面的便利。宽的接收角能够简化校正工艺,减少制造时间和成本,同时还能利用自动化的“选取置放”制造技术。SOE具有很好的鲁棒性:通过正确选择材料可以使它们承受-200°C到400°C的温度范围,从而适应各种不同的制造工艺环境。最后,尺寸的减小还可以简化封装工艺,降低封装成本。
  目前SOE PBS/C已经被广泛使用于光纤放大器、循环器和隔离器、交织器、光交换机和可变光衰耗器等设备。与传统技术相比,它的小尺寸和低功耗特性是一大亮点。
SOE的未来
  目前推出的设备只是SOE的最基本应用,今后SOE还将向其它方向不断发展。基于SOE的块创建功能将被同时引入芯片和封装器件设计中。经过论证的SOE功能涵盖了极化器、极化束分离器/合成器、滤波器、光检查器和光子带隙设备,还可以对交换、衰减和调谐进行动态控制。
  通过堆叠SOE层创建汇集式光效应可以开发出单片集成的SOE产品。纳米刻印法允许在SOE上直接置层,无需再采取层压技术。将SOE与光学活动层结合起来可以建立光控电路,从而生成复杂的“片上”光学元件。多层SOE集成技术也表现出色,它能把光检测器阵列与滤波器集成在一起来创建动态的光反馈回路。
  由于SOE具有自兼容性,能利用晶圆级制造技术生产,且器件与器件之间很少有区别,因此实现它们相对比较容易

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2008年06月27日 13:51:03

平面波导型和熔融拉锥型光分路器对比

平面波导型和熔融拉锥型光分路器对比
    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1×2串接式光分路器。三种结构的原理图见图1。
    下面对二种产品技术作简要介绍
    ㈠平面波导型光分路器(PLC Splitter)
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、法国等多数国家指定采用技术。常用的光分路器有1×N和2×N(N=4,8,16,32,64)
    ㈡熔融拉锥光纤分路器(FBT Splitter)
    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1×4以下器件。实验室有1×8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(1×4以下)常采用一次拉锥技术器件。(图4a为1×2实物图)

    串接式熔锥1×N分路器件都是由(N-1)个1×2拉锥单元串联熔接一个封装盒内(图1C为原理图,图4b为1×8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:1×8光分路器由7个1×2单元熔接而成,封装尺寸通常为100×80×9mm。
    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1260~1650nm,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1×N均分器件,则用N-1个均分1×2组合而成。因为每个1×2器件不可能做到完全均分,所以串接而成的1×N器件最终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1×8器件用1270~1600nm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,同时,图5,1×8 PLC与FBT测试比较均匀性较差。
    3、温度相关性TDL(Temperature Dependent Loss)
    平面波导器件工作温度在-40~+85℃,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~+75℃,插入损耗随温度变化的变化较大,特别是在低温条件下(<-10℃),插入损耗不稳定。
    我们测试1×8PLC Splitter从-40~+85℃插入损耗变化量在±0.25dB,从-5~+75℃插入损耗的变化量约±0.15dB
  1×8FBT Splitter从-5~+75℃插入损耗的变化量约±0.45dB
    4、偏振相关损耗PDL(Polarisation Dependent Loss )
  PLC偏振相关损耗很小,1×32以下通常在0.1~0.2dB。1×2FBT   PDL在0.15dB左右,随着串接的器件越多,PDL也会叠加,1×8的将近0.45dB左右。
    5、体积
    PLC的器件体积很小,博创1×32的器件体积50×7×4mm,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1×8器件直径在100×80×9mm。
    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,1×8是临界点,1×16以上PLC性价比明显占优,1×4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。
  ㈠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1×N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6,1×8两种器件比较。1×8拉锥器件有13个故障点,PLC器件只有两个。
    ㈡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(1×4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PON技术的FTTH在全球的迅速扩张,光分路器用量迅速膨胀,PLC   Splitter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PLC产品,日本考虑成本因素规定1×4及以下采用拉锥型(一次拉锥产品),1×8以上产品全部使用PLC。
  在器件选择方面,我们建议如下:
  根据使用需要,如果只是单波长传输,或双波长传输,从成本角度考虑可以选用拉锥器件,如果是PON技术的宽带传输,考虑到以后的扩容和监控需要,优先选用平面波导器件。
    低分路器件(1×4以下)可以选用拉锥器件,高分路器件(1×8以上)优先选用平面波导器件。■

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