光纤无源器件技术的发展方向

tian7163

<blockquote><br/><span class="L18">　　</span>光纤无源器件是光纤通信系统中的重要组成部分。按其功能分类，有光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光开关、光衰减器、光隔离器和光环行器等。光纤通信系统正在向接入网、宽带网、密集波分复用系统和全光网方向发展，对光纤无源器件的技术提出了新的更高的要求。因此，如何把握光纤无源器件的技术发展方向，以适应市场的需求，已成为业内人士所关注的问题。本文首先介绍光纤无源器件的技术概况，然后就光纤无源器件的技术发展方向，概括地说，就是光纤连接器的小型化、光纤耦合器的宽带化、波分复用器的密集化、光开关的矩阵化以及光纤无源器件的集成化，进行粗浅地讨论。<br/><br/>一、无源器件的技术概况<br/><br/>1.分类和应用<br/><br/>　　光纤无源器件种类繁多，结构纷呈，一般按器件的功能进行分类。<br/>　　光纤（缆）连接器　在光纤通信线路中具有连接功能的器件。除光缆之间的固定接头外，大多是单芯或多芯的活动连接器，用于光缆与光配线架（ODF）的连接、光配线架与光端机的连接。<br/>　　光纤耦合器　在光纤通信线路中个有分路或耦合功能的器件。按其端口配置的形式，又可分为树形耦合器和星形耦合器，一般由单个的1×2（Y型）耦合器和2×2（X型）耦合器级连而成，用于各种光纤网络，如光纤有线电视、局域网（LAN）等。<br/>　　波分复用器　在光纤通信线路中可以对波长进行分割复用/解复用的器件。按复用波长的数量，可分为二波长复用器和多波长复用器；根据复用波长之间的间隔，又可分为粗波分复用器（CWDM）和密集波分复用器（DWDM），用于各种波分复用系统、光纤放大器等。<br/>　　光开关　在光纤通信线路中具有光路转换功能的器件。按其端口的配置，又可以分为多路光开关（1×N）和矩阵光开关（N×N），一般由单个的1×2或2×2光开关级连而成，用于备用线路、测试系统和全光网络等。<br/>　　光衰减器　在光纤通信线路中可以按要求衰减一部分光信号能量的器件。按衰减量的可调性，又可以分为固定衰减器和可调衰减器。<br/>　　光隔离器　在光纤通信线路中使光信号只能单向传输的器件。<br/>　　光环形器　使光信号只能沿固定途径进行环行传输的器件。<br/><br/>2.结构和工艺<br/><br/>　　光纤无源器件的结构和工艺大体可以分为3种。<br/>　　第一种是全光纤型结构。它们在光路中只有光纤，没有其他光学零件。例如光纤端面接触式（又称近场型）连接器，采用精密加工的插头体（单芯一般为陶瓷，多芯一般为聚合物），光纤插入并固定后进行研磨抛光，然后配以外围零件。又如熔融双锥耦合器（FBT），采用微火炬加热并拉伸平行接触的两要光纤耦合区，使用形成双锥，通常称为熔融拉锥法。<br/>　　第二种是分立元件组合型结构，又称微光器件。它们由光纤与自聚焦透镜、棱镜、滤波器等各种微小光学零件组成光路，其基本的光路是由光纤与2个1/4节距的自聚焦透镜组成的具有扩束/聚焦功能的平行光路。在2个1/4节距的自聚焦透镜之间，根据功能要求设置有关微型光学元件。<br/>　　第三种是平面波导型结构，又称光子集成器件。其核心的光路是采用集成光学工艺根据功能要求而制成的各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合。<br/><br/>二、光纤连接器的小型化<br/><br/>　　光纤连接器是光纤系统中使用最多的光纤无源器件。目前的主流品种是FC型（螺纹连接式）、SC型（直插式）和ST型（卡扣式）3种，它们的共同特点是都有直径为2.5mm的陶瓷插针，这种插针可以大批量地进行精密磨削加工，以确保光纤连接的精密准直。插针与光纤组装非常方便，经研磨抛光后，插入损耗一般小于0.2dB。<br/>　　随着光纤接入网的发展，光缆密度和光纤配线架上连接器密度的不断增加，目前使用的连接器已显示出体积过大、价格太贵的缺点，因此小型化是光纤连接器的发展方向。<br/>　　小型化之一是缩小单芯光纤连接器尺寸，开发小型化（SFF）的连接器，如美国朗讯公司的LC型连接器，日本NTT公司的MU型连接器，瑞士Diamond公司的E-2000型连接器。它们的插针直径只有1.25mm，所以组装密度比现有连接器要提高一倍多。LC型和MU型的插针为陶瓷材料，E-2000型的插针则为陶瓷-金属的复合结构。<br/>　　小型化之二是开发适应带状光纤的多芯光纤连接器，即MT型的系列光纤连接器。例如，日本藤仓公司采用了mini-MT连接器套管，研制出体积更小、又完全符合日本家电连接器RJ-45标准要求的MT-RJ型二芯光纤连接器；美国US-Conec公司以MT元件为基础，研制了可以连接4，8，10，12芯光纤的MTP/MPO型光纤连接器；美国Siecor公司的小型MT光纤连接器，即小型MAC型连接器，它最多只能用于4芯光纤；此外，美国Berg电子公司也为光纤带研制了小型MAC型连接器，该连接器可以连接2-18芯光纤。这些连接器的插芯均采用聚合物材料制成。　　预计若干年后，小型化的单芯光纤连接器、以带状光纤连接器为主的多芯光纤连接器将与目前大量使用的直径为2.5mm插针的连接器并贺齐驱，形成三足鼎立的局面。<br/><br/>三、光纤耦合器的宽带化<br/><br/>　　当前，能进行大批量生产单模光纤耦合器的方法是熔融拉锥，当光纤纤芯变细形成双锥时，由于模场直径的扩大，使一根光纤的信号可以耦合到另一根中去。在这种方法中，由于光纤之间的耦合系数与波长有关，所以光传输波长发生变化时，耦合系数也会发生变化，即耦合器的分光比发生变化，一般分光比随波长的变化率为0.2％nm。这种耦合器允许的带宽一般只有±20nm，称为标准型耦合器。显然，在允许的带宽范围内，分光比的变化≤±4％。这种耦合器可称为波长平坦型耦合器。所以宽带化是耦合器的一个重要发展方向。<br/>　　为制造宽带耦合器，许多公司在深入研究熔融双锥耦合理论或进行大量实践的基础上，对熔融拉锥的工艺进行了改进。例如，考虑到熔融双锥的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系数与传输波长的关系愈大，所以应尽量减少熔融拉锥中的耦合次数，最好在一个周期内完成耦合；又如，改变两要光纤的转播常数也可减小耦合系数与传输波长的关系，所以可选择两根不同纤芯直径的光纤进行熔融拉锥，也可对一根光纤腐蚀或预拉伸后再与另一根光纤一起进行熔融拉锥。<br/>　　采用分立元件组合结构和平面波导结构，可以从根本上改善耦合器的带宽性。在分立元件结构的耦合器中，一般采用半透膜进行分光，可以通过膜层的设计和制造达到需要的带宽特性，在平面波导结构的宽带耦合器，带宽可以达到350nm，这是目前熔融锥法难以达到的。<br/><br/>四、波分复用器的密集化<br/><br/>　　当前使用的波分复用器主要是二波长的复用器，如1310/1550nm、980/1550nm和1480/1550nm3种，前者用于通信线路，后面两种用于光纤放大器，其制造方法也是熔融拉锥。随着密集波分复用系统的发展，多波长复用器的需求正在增加，因此复用系统的发展，多波长复用器的需求正在增加，因此复用波长之间的间隔正在缩小。波长之间的间隔为20nm时，一般称为粗波分复用器（CWDM）；波长之间的间隔为1-10nm时，一般称为密集波分复用器（FDM）。有时也笼统地将这些多路复用器称为密集波分复用器。密集化是波分复用器的发展方向。<br/>　　根据制造方法的不同，密集波分复用器主要有3种类型：薄膜滤波器型、光纤布拉格光栅型和阵列波导光栅型。<br/>　　薄膜滤波器是将多层介质膜置于2个1/4节距的自聚焦透镜之间，利用多层介质膜的干涉效应，制成对某一波长透明的带通滤波器（BWDM），当复用的波长旁轴入射时，只有一个波长透射，其他波长则反射。数个这样的复用器连在一起，就可构成密集波分复用器。这种产品的一般性能为：通带宽度约13nm，隔离度≥25dB，回波损耗≥55dB，插入损耗≤4dB。<br/>　　光纤布拉格光栅型利用紫外光诱导光纤纤芯的折射率发生周期性的变化，当折射率的周期性变化满足布拉格光栅条件时，相应的波长反射，其他波长则顺利通过。这种反射型光栅相当于一个带阻滤波器，又称切趾滤波器或切趾布拉格光栅。多相这样的光栅以一定的方式可以组成密集型波分复用器。<br/>　　阵弄波导光栅型是采用平面波导的光子集成器件，其基本结构由3部分组成：输入/输出（I/O）光波导阵列、自由转播区平板波导和弯曲波导阵列。当弯曲波导之间的相位差满足光栅方程时，这种阵列波导即可实现复用/解复用功能。日本NTT研制出复用400个波长的波导阵列光栅，波长间隔为0.2nm，隔离度为30dB，每通道损耗为3.8-6.4dB，尺寸为124mm×64mm。常规用的32或64波长的AWG的波长间隔为0.8nm，隔离度为28dB，每通道的损耗为2-3dB。<br/>　　当前这3种密集波分复用器技术以薄膜滤波器型最为成熟，约占总市场的45％；其次是阵列波导光栅型，约占总市场的40％；光纤布拉格光栅型比较适宜于制作50GHz（波长间隔为0.4nm）的密集波分复用器，约占总市场的15％。<br/><br/>五、光开关的矩阵化<br/><br/>　　近年来，随着密集波分复用系统和全光通信网的研究，要求在各结点上的交换，如光交叉连接（OXC）、光分插和复用（OADM）和保护倒换，直接在光层中完成，这就需要光开关。由于这些结点上进行交换的光纤和波长数量很多，所以这种光开关应当是大端口数的矩阵光开关。<br/>　　大端口数的矩阵光开关一般由单个的1×2或2×2光开关级连而成。传统的机械式光开关虽然在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有良好的性能，但它的尺寸比较大，动作时间比较长，一般为几十毫秒，不易组成大端口数的矩阵光开关。而非机械式光开关，主要是电光式的波导光开关，其开关速度在毫秒级到亚毫秒级，体积非常小，易于集成为大端口数的矩阵光开关，但共插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性等性能都比较差。为此，近年来出现了能集成大规模矩阵阵列而又有良好性能的两种新型光开关，即微机械光开关（MEMS）和热光开关。<br/>　　微机械光开关是在平面光波导的基体帛制成机械光开关的动作机构，例如采用深蚀刻、浅扩散工艺，可制作出悬臂梁作为光开关的可动部分，悬臂梁的侧面可用作反射镜。在可动和固定部分之间的梭齿式交叉电极上没有电压时，光路有反射输出；加上电压时，悬臂梁在静电力的作用下产生一个位移，悬臂梁侧壁的反射输出为零，从而实现光的转换。<br/>　　热光开关通过加热使光波导折射率发生变化，从而改变光输出方向。便如，气泡型光开关是两条平面光波导的交叉点上，蚀刻一条管沟，管沟内注入折射率匹配液，因而波导内的光信号可以进行直线传输。采用类似复用机中的热喷墨技术，在波导交叉点的匹配液内产生一个气泡，光信号在气泡的全内反射作用下，被反射到另一个光波导，从而实现光的转换。<br/>　　目前国外大端口数的矩阵开关的性能已足以满足全光网的交换要求。例如，美国朗讯公司采用mems技术已研制出1296端口的光交叉连接，插入损耗为5.1db，隔离度为38dB。Agilent公司研制的32×32气泡型光开关，最大损耗为7.5dB。微机械式的转换时间仅为3.7ms，气泡型也小于10ms。<br/><br/>六、无源器件的集成化<br/><br/>　　由上可见，无论是在耦合器的宽带化，还是在波分复用器的密集化以及光开关的矩阵化中，光子集成都是一条重要途径，甚至是惟一的途径。此外，光子集成器件还有体积小，易于大规模生产、成本低等优点，所以光子集成成化是许多光纤无源器件的发展方向。光子集成器件有时也称平面型光无源器件。根据基体的种类，光波导的铌到锂镀钛光波导、硅基体沉积二氧化硅光波导、InGaAsP/InP波导和聚合物（Polymer）波导。<br/>　　铌酸锂镀钛光波导技术的开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀一层钛膜，然后进行光刻，形成需要的光波导图形，再进行扩散，并镀上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗较大，一般为0.2-0.5dB/cm。<br/>　　硅基二氧化硅光波技术是20世纪90年代发展起来的新技术，国外已比较成熟。其制造工艺有火炎水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD,日本NEC公司开发）、等离子CVD法（美国Lucent公司开发）、多孔硅氧化法和熔胶－凝胶（Sol-gel）等。这种波导和损耗很小，约为0.02dB/cm。国外利用这种波导已研制出60路、132路的AWG。<br/>　　InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光子器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，虽然它与石英光纤的模场不匹配，与光纤的耦合损耗较大，但可以光回路中引入SOA加以补足。<br/>　　聚合物（Polymer）光波导是近年研究的热点。这波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。德国HHI公司利用这种波导研制成功AWG在25-65℃的波长漂移仅为±0.05nm。聚合物波导及器件制作工艺简单，价廉，很有发展前景。<br/>　　目前采用平面波导技术制造的无源器件不仅有宽带耦合器、波导阵列光栅（AWG）、大端口数矩阵光开关，而且还有多模干涉分束器，星形耦合器、波长隔离器以及硅微机械F-JP腔可变式衰减器等。由于它可以与有源器件以及微电子回路集成在同一基片上或封装在同一壳体内，构成混合集成光路，所以前途不可限量。 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