光分路器基本常识

1、 光分路器 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。 光分路器又称分光器， 是光纤链路中最重要的无源器件之一， 是具有多 个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用 MXN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 X 2、1X 3以及由它们组成的 1 X N光分路器。 1. 光分路器的分光原理 光分路器按原理可以分为熔融拉锥型和平面波导型两种， 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

2、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 廉价、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

3、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。 2. 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) 附加损耗。 附加损耗定义为所有输出端口的光

4、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，附加损耗是表达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。 而插入损耗那么仅表示各个输 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 (

5、3) 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，分光比确实是根据 实际系统光节点所需的光功率的多少，确定适宜的分光比(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1.5 m的光时，那么变为 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，即分光比根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。 (4) 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，

6、在实际系统应用中往往需要隔离度到达 40dB以上的 器件，否那么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根本保持不变， 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

7、置。 内 容 来 自 东 坡 网 论 坛 :/bbs.dp168 /, 本 贴 网 址: :/bbs.dp168 /thread-25576-1-1.html 用全波段测试法优化光器件性能 通信界的最近进展主要集中于城域网和接入网， 因为它们可以解决存储局域网络 (SAND、 视频点播(VOD)、高清晰电视(HDTV、智能家庭、远程会议等应用所带来的带宽危机。 新型的光纤已经能够传送整个光通信波段，包括 O波段、E波段、S波段、C波段、L 波段以及U波段，同时网络业务提供商正在规划未来 5年的投资。 用在这些新的应用中的光器件各有不同， 测试方法也互有差异， 但在大局部情况下这些 方法都未实际

8、使用。 现在光器件的产量不断飙升， 所以必须研究更为切实的测试方法。 在同 一个测试平台上测量光器件在整个波段内的性能就是个很好的方法。 全波段测试的结果可给 网络效劳提供商提供保证， 让他们可以对未来的无源光网络 (PON)、粗波分复用(CWDM) 网络进行优化，且向下兼容。 在PON网络中有两种主要的无源光器件。一个是波分复用器 /解复用器，另一个是 1 X N或者2X N的光分路器，其中 N可以是4、8、16或者32。波分复用器/解复用器可以用在 “三工器件 (triplexers)中，以该器件为例，其主要功能是将 PON网络中三个波长的光信 号进行别离、合路，这三个波长分别是 1310

9、nm、1490nm和1550nm。 由于这些器件用在 PON网络的不同位置，因此对他们的测试要求也不同。例如，要求 波分复用器/解复用器光滤波器满足不同通带之间要有足够的隔离度，而对 1X N或2X N的光分路器的期望是光分路比在各个光波段尽可能一致。 尽管对这些器件的要求不同，但 是人们还是希望能够了解这些器件对整个光谱的响应。 ITU-TBPON标准G.983就对此作出了 陈述，要求所用光器件至少标出在两个光波段下的指标，这两个光波段是 1260nm1360nm 波段和1480nm1580nm波段，这两个波段分别在光网络终端 ONU和光线路终端OLT 中使用。 对于光功率预算来说，有个大家

10、熟知的参数就是 1dB余量，对于PON网络而言这就意 味着它额外所能延伸的距离和覆盖的范围。 例如，在1310nm波段，光纤的损耗是0.35dB/km , 那么多1dB的额外损耗，就意味着网络的延伸范围要减少 2.8km。在一些情况下，它会严重 影响通信根底设施的潜在收益。因此，精确测定 PON网络中光器件的参数已经变得十分重 要了。 图1.一个1 X 32路的光分路器的典型测量结果 图1a是插入损耗IL测试结果，图1b是偏振相关损耗PDD测试结果。从图中可 以看出，在很宽的波长范围内， 插入损耗的测试是比拟容易实现的， 而偏振相关损耗PDL 的测试却不是那么简单。 图1a和1b分别给出了插入

11、损耗IL测试和偏振极化相关损耗 PDL测试，测 试了一个1 X 32路的光分路器的各个输出端口。 从测试结果我们可以看出这个器件在各个波 长处所呈现的一致性情况。 尽管大多数器件制造商已经拥有在较宽波段内测试插入损耗的技 术，但是并不一定意味着他们能够完成全波段下偏振相关损耗的测试， PDL的测试往往只是 针对少数几个波长完成的。 这会导致在全波段环境下使用时， 人们容易低估PDL的不一致性。 现在，粗波分复用CWDM网络已经广泛应用到存储局域网络 SAN以及城域网络 建设之中，人们认为它是一种“低本钱的 CWDM 技术。尽管人们还在讨论 CWDM器件制 造起来是否真的廉价，用于CWDM的波长

12、配置标准却仅定义了 16个波长，这会限制实际使 用的波长数，而且也限制了更新，反过来会影响系统维护的本钱。 最常使用的是4波、8波光器件，这些光器件需要在 1460nm1620nm波长范围内，依 据实际配置可能是S波段、C波段或者L波段进行测试，测试的光谱宽度是100nm160nm。 对于16波的光器件，就需要在 1260nm1620nm波长范围内进行测试。由于滤波器需要保 证对相邻信道的隔离度至少是 4555dB ,因此不容易找到两全其美的测试方法， 也就是既能 保证宽的光谱范围，又有大的动态范围，而且波长和损耗测试都很准确的方法。 CWDM或 PON系统中，器件测试要求到达的精度是 50p

13、m或者取样分辨率精度为 100pm就足够了， 而对DWDM却是5pm。同DWDM网络相比，尽管 PON网络和CWDM网络对波长精度的要 求不是那么严格，但是对损耗测试精度的要求却十分严格。 人们希望CWDM或者DWDM器件在不久的将来能够集成到 PON网络中，这样可以增 大接入网的带宽。这需要了解器件在所有波段的特性。 通常情况下，人们使用以下3种方法 中的1种或者几种结合起来对绝大多数无源光器件进行测试。 5 骋伽 c of fi-chmne 爆vic整 Bidj| a I 鼻： I IJ ihH pr I Idll 演 图2.8通道光器件在1260nm 1630nm区域内测得的插入损耗和偏

14、振相关损耗。 离散多波长测试法。这种测试系统主要包含 1个或者几个激光器光源以及光功率计、 光 回波损耗仪、扰偏器。测试时， 使用光开关来切换各个光源同仪表之间的连接，切换过程是 自动化的，能够提升整个系统的测试效率。但是，这种方法测试的结果不能反映被测器件的 详细光谱特性，只能被认为是“假设干点的测试结果。 宽谱光源加光谱仪测试方法。损耗测试系统可以看作是一个线性系统， 也就是说被测器 件DUT可以被放置到光源和光探测器之间的任何一个地方。采用光谱分析仪 OSA结 合宽谱光源，那么被测光器件可以直接放在光源和光谱仪之间。 这种方法的缺点就是一次只 能测试一个端口，如果被测器件是 1 X 16

15、的CWDM器件或者1 X 32的光分路器，就需要分 别对这16或者32个端口进行全波段测试。 此外，由于光谱仪不容易测试偏振相关损耗， 所 以如果需要测试PDL的话，还需要再增加一套测试系统。这种测试方法有不少缺点，比拟突 出的是，同一个被测器件，每次测量需要连接两次，此外还要处理大量的测试结果。在测试 光器件的回波损耗ORL以及方向性时，同样会遇到这些问题。目前商用的光谱分析仪OSA 已经能用于C波段以及C+L波段，但对目前市场新出现的不少无源光器件却显得有些缺乏了。 为了评估这些测试方法的效率， 我们以测试一个8通道的CWDM无源光器件的插损IL 为例来估算一下测试时间。首先，为了测定每个

16、通道的损耗，我们需要扫描 8次。接着，为 了测量各个通道之间的隔离度 以前称为“串扰，测试时需要调宽光谱仪的波长分辨率来 提高测试动态范围，再至少扫描8次以上。因此，仅测试这一个光器件的插入损耗特性就需 要花费10分钟的时间。这会给器件的生产本钱带来较大影响，尤其是 PDL、ORL这些指标 也需要类似的测试时间。因此，当大批量生产这些器件的时候，测试时间便成为瓶颈。 波长扫描法，也称为 光 频率扫描法。这是一种令人关注的方法，通常被称为“波长 扫描法，系统中有多个光探测器。也有人称前面介绍的采用宽谱光源加光谱分析仪的测试 方法为波长扫描法。不同的是现在介绍的这个方法是产生一个波长可以连续变化的

17、单波长 单频光信号，送到被测器件，变化光波长和偏振态，检测器件输出光的功率。采用一个 光探测器就可以测试光器件的响应， 这样就可以确定插入损耗、偏振相关损耗以及回波损耗 等参数。 这种测试方法通常使用可调谐激光器， 它的波长可以连续变化； 需要测量PDL时，加上 偏振控制器就可以了。 如果测试系统中集成了多个探测器， 这最好不过了，扫描一次就可以 测量出全部信道的参数。这样可以加快多端口光器件的测试过程。 提高测试速度的最终方法 就是系统中要有消偏振的扫描光源、偏振分集接收探测器每个极化方向对应一个光探测器。 例如，测试一个32通道的光器件，就需要128个光电探测器，32个用于别离偏振态的光路

18、， 此外还有相关的电路。这会造成系统很复杂、昂贵，没有商用价值。 单个可调谐激光器光源TL0波长变化的范围只有 100nm150nm，不超过200nm ;所 以现今使用的系统，全波段扫描是通过控制一个或者多个可调谐激光器光源来实现的。 当系 统要处理宽的光谱范围时，需要数据处理接口搜集处理相关信息。 这样下来使得系统复杂度 增大。O波段的测试目前是个难题，因为只有很少的可调谐激光器光源可以覆盖这个波段； 所以，能胜任 C波段和L波段以外波长范围的测试的系统还很少。目前，完成一个 8通道 CWDM光器件插入损耗的测试，需要几秒钟，如果还需要测试偏振相关损耗的话，那么需要 10分钟左右。 因此，如

19、果能获得8通道器件在整个光通信所用光谱范围内的参数， 那将是很具有诱惑 力的。因为这样可以通过使用原来通道所相邻的 1271nm1451nm波段范围，将系统升级到 16通道的CWDM。但是，图2中所显示的这个 8通道的器件，其特性就不能满足这个升级 需求。 一种折衷方法 正如前文介绍的一样，仅用一套测试系统无法完成所有测试， 在整个光通信所用光波段 内详细分析无源光器件的特性是很麻烦的，除非全波段测试系统出现。 兼顾考虑测试时间和系统复杂度这两个方面， 最好的折衷方案是使用一个超宽带的可调 谐扫频激光器、偏振控制器，再加上假设干偏振敏感度低的光电探测器。 这样搭配出来的系统， 其主要特点是测试

20、耗时少。假设该仪器采用全波段可调谐激光器， 配合能高速同步的探测器阵 列；那么它从1260nm到1630nm仅扫描一次，就可以提供快速的、明了的测试结果。例如， 测试一个8通道的CWDM器件的插入损耗，10秒钟即可完成；对于 32端口的光分路器， 完成插入损耗测试、偏振敏感度测试也不超过 1分钟。 此外，为了给基于 Mueller矩阵法的PDL测试系统提供统适宜的偏振态，测试中需要使 用偏振态控制器光纤卷，做全态PDL测量时，还需要用扰偏器。全能型全波段测试仪不 需要和其他仪器切换，就可以在整个光通信波段实现多通道的 IL、ORL以及PDL测试，这就 大大提高了测试速度。 尽管这类仪器几乎可用

21、于所有的无源光器件的测试，但是由于它处理的波长范围只有 400nm，因此更适用于 FTTx以及CWDM这类应用。图1、图2所示就是这个测试仪的测试 结果。 相关标准问题 目前无源光器件的测试参照哪些标准？从技术的角度看， 这主要受制于可调谐激光器和 光探测器。由于 FTTx和CWDM技术的演进，像国际电联ITU，以及国际电气协会IEQ 等国际组织目前都在致力于研究和投票表决这些新提出的标准。 在更宽的波谱范围内测试 IL、 ORL PDL以及其他一些重要参数，根据器件的类型，这个波谱范围可以从 。波段直到U波 段；而对测试的要求正在向全波段开展。 实际上，人们心目中希望的测试系统要能够用于单模

22、光纤的整个通信“窗口 包括O 波段、E波段、S波段、C波段、L波段以及U波段，在1260nm1630nm范围内能测试光 器件损耗以及偏振，既能测与传输相关的参数，也能测试与反射相关的参数一一就是实现所 谓的“全波段测试。 ppb光波通信 PLC分路器内部结构。ppb光波通信 ppb光波通信 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 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。当采用人工操作时，其缺点是效率低，重复性差

23、，人为因素多且难以 实现规模化的生产等。ppb光波通信 ppb光波通信 PLC分路器实物照片。ppb光波通信 ppb光波通信 ppb光波通信 PLC分路器的制作 ppb光波通信 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。 其内部结构和实物照片分别如图 1、 2所示。ppb光波通信 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

24、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， 可以到达32路以上。5多路本钱低，分路数越多，本钱优势越明显。 ppb光波通信 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。 ppb光波通信 ppb光波通信 PLC分路器封装技术ppb光波通信 PLC分路器的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， 它们依赖的硬件主要有六维精密微调架、

25、光源、功率计、显微观测系统 等，而最常用的是自动对准， 它是通过光功率反应形成闭环控制， 因而对接精度和对接的耦 合效率高。ppb光波通信 PLC分路器封装主要流程如下： ppb光波通信 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 6.328微米的红光光源，以 便初步调试通光时观察所用。ppb光波通信 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。 ppb光波通信 (3) 翻开激光光源，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

26、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。 ppb光波通信 (4) 当显微观测系统观察到波导输出端的光斑到达理想的效果后， 移开显微观测系统。ppb 光波通信 (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适宜的位置。然后将其连接到双 通道功率计的两个探测接口上。 ppb光波通信 (6) 将光纤阵列入射端 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， 使其与波导入射端实现 精确的对准，从而提高整体的耦合效率) 。ppb光波通信 紫外胶PLC Splitter籍供砰磨 惨形光好 图3. 1分支PLC分路器芯片封装结构。 ppb光波通信 ppb光波通信 ppb光波通信 (7) 当波导输出端光纤阵列的光功率值到达最大且