可調(diào)諧光功率分配器應(yīng)用及技術(shù)

本文介紹了可調(diào)諧光功率分配器的應(yīng)用的幾種情況,并介紹了目前可調(diào)諧光功率分配器的幾種實(shí)現(xiàn)技術(shù),相信可調(diào)諧光功率分配器在未來的光通信市場中會(huì)有非常誘人的應(yīng)用前景。 

    熔融拉錐型光纖耦合器和PLC（平面光波導(dǎo)）光功率分配器近年來已獲得長足發(fā)展。但無論光纖型或波導(dǎo)型器件現(xiàn)在都只能提供固定的分光比。 隨著電信業(yè)務(wù)的發(fā)展，需要采用分光比可調(diào)的光功率分配器的場合越來越多。

 一、可調(diào)諧光功率分配器的應(yīng)用 

    ● 降低FTTH的成本 

    為了降低FTTH接入的費(fèi)用，運(yùn)營商都力求節(jié)省光纖資源。許多運(yùn)營商都采用了PON技術(shù)，單一系統(tǒng)可容納數(shù)百個(gè)用戶。另外，運(yùn)營商采用多個(gè)用戶共用一個(gè)用戶端設(shè)備，當(dāng)用戶擴(kuò)大的時(shí)候再逐漸增加用戶端設(shè)備?？梢圆捎霉夤β史峙淦鬟M(jìn)行級(jí)聯(lián)的方法，即由多個(gè)用戶共用一個(gè)用戶端設(shè)備，多個(gè)用戶端設(shè)備通過光功率分配器匯接至一個(gè)光線路終端（OLT）。各個(gè)用戶端設(shè)備所接入的用戶數(shù)量的多少不一定相同，各個(gè)用戶端到OLT的路徑距離也可能各異。即各個(gè)用戶端設(shè)備所需的光信號(hào)功率可能會(huì)有很大差異，并可能隨時(shí)變化。而目前PON中使用的都是固定的光功率分配器，這樣不利于光功率資源的有效分配。可調(diào)光功率分配器對(duì)多變的光纖到家市場，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。它可以通過改變自身的功率分配因數(shù)，動(dòng)態(tài)地分配各用戶端設(shè)備所得到的光功率。這樣就能提高網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性，充分利用光功率資源，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。 

    ● 自愈環(huán)保護(hù) 

    在城域網(wǎng)中，自愈環(huán)形網(wǎng)是一種常見的保護(hù)方式。該方式無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)能從故障中實(shí)時(shí)、自動(dòng)恢復(fù)所承載的業(yè)務(wù)。PON雙纖自愈環(huán)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)是可調(diào)功率分配器的一個(gè)典型應(yīng)用，在該環(huán)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含兩個(gè)功率分配器。該網(wǎng)絡(luò)能夠確保信號(hào)在節(jié)點(diǎn)間線路被切斷的情況下仍可以通過所有節(jié)點(diǎn)。但是，如果采用固定光功率分配器,節(jié)點(diǎn)間的功率差異將非常大，假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的光纖鏈路衰減損耗為1.5dB，固定功率分配因數(shù)為0.1左右，在一個(gè)N=10的系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間將有20dB左右的功率差異。而如果采用可調(diào)光功率分配器，只要適當(dāng)調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的功率分配因數(shù)，則同樣的系統(tǒng)的功率差異就可以忽略不計(jì)。由于采用可調(diào)功率分配器的自愈環(huán)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因此可以應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛。 

    ● 調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的功率分配 

    可調(diào)光功率分配器不僅適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，還可應(yīng)用于光功率分配器串聯(lián)結(jié)構(gòu)。以上所述的大多是要求各節(jié)點(diǎn)功率均衡的例子，而在各節(jié)點(diǎn)所需光信號(hào)功率不同的情況下，還可以反其道而行之，調(diào)整各節(jié)點(diǎn)功率分配因數(shù)以滿足不同節(jié)點(diǎn)要求。 

    ● 中長距離系統(tǒng)的保護(hù) 

    除了用于FTTH及PON等接入網(wǎng)之外，可調(diào)光功率分配器還可能在中長距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。例如，用于光線路保護(hù)模塊中。目前國內(nèi)外通用的光線路保護(hù)方案主要有兩種，一種是1+1方案，一種是1:1方案。1+1方案在光信號(hào)的輸出端口，首先用一個(gè)1×2的光功率分配器將光信號(hào)分成兩路。在接收端口，用一個(gè)1×2的光開關(guān)有選擇地取其中一路接入接收機(jī)。它的好處在于，系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)兩路光信號(hào)實(shí)施監(jiān)測(cè)。在有故障的情況下，總是選擇光信號(hào)質(zhì)量較好的路徑。但是，該方案要損失掉一半光功率。1:1方案在光信號(hào)的輸出和輸入端口，均部署一個(gè)1×2的光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)光路徑的同時(shí)切換。光信號(hào)同一時(shí)間只在一條線路中傳輸。它的好處在于，系統(tǒng)可以避免光信號(hào)在一開始就有一半光功率損耗。采用可調(diào)光功率分配器取代1+1方案中的1×2固定光功率分配器可以兼顧這兩種方案的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)兩條路徑，動(dòng)態(tài)地調(diào)用在備份路徑中的光功率資源。不僅如此，在實(shí)際工程應(yīng)用中保護(hù)路徑和初始路徑往往不在一條光纜中，甚至物理路徑也完全不同，這樣才能對(duì)光纜被切斷起真正保護(hù)作用。這是因?yàn)楸Ｗo(hù)路徑和初始路徑在距離上可能有很大的差別，無論是1+1方案，還是1:1方案，兩路徑切換時(shí)，光功率的補(bǔ)償或衰減可能成為系統(tǒng)正常工作的必要條件。換句話說，光放大器和可調(diào)光功率衰減器可能是必備設(shè)備。采用可調(diào)光功率分配器后，也許不能節(jié)約所需要的光放大器，但可調(diào)光功率衰減器將不再是必要的了。圖1是光線路保護(hù)可調(diào)光功率分配器方案。 

圖1 光線路保護(hù)可調(diào)光功率分配器方案

   ● 用于較大范圍的光纖CATV網(wǎng)絡(luò) 

    可調(diào)光功率分配器還可取代過去的固定分路器用于較大范圍的光纖CATV網(wǎng)絡(luò)。過去曾采用光纖熔融拉錐光分路器，也曾根據(jù)小區(qū)人口和遠(yuǎn)近分布設(shè)計(jì)出不同分光比的光分路器，然后向廠家定做。但由于分光比固定，當(dāng)小區(qū)用戶增加或減少引起各節(jié)點(diǎn)所需功率變化時(shí)，各分路器就無法再與之匹配。當(dāng)通往各小區(qū)的鏈路損耗因各種原因增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)也比較麻煩。這時(shí)如果用可調(diào)光功率分配器取代一般的光分路器將大大方便網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，降低成本，并且使網(wǎng)絡(luò)有很好的擴(kuò)容性和適應(yīng)性。 

    ● 其他應(yīng)用 

    可調(diào)光功率分配器還可以在智能型光放大器（如可調(diào)增益均衡器、自適應(yīng)光放大器等）的設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，使這些器件可以自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)以符合系統(tǒng)應(yīng)用要求，并且可以大大減小光功率消耗。 

    綜上所述，可調(diào)光功率分配器可以通過改變其功率分配因數(shù)，靈活地因應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，保持功率均衡，有效地利用光功率資源，維持網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)越來越多變，越來越需要能夠隨網(wǎng)絡(luò)變化而變化的器件。因此，我們相信可調(diào)光功率分配器將會(huì)有十分廣泛的市場。 

    二、可調(diào)諧光功率分配器的實(shí)現(xiàn)技術(shù) 

    到目前為止市場上還沒有出現(xiàn)真正大規(guī)模應(yīng)用的可調(diào)諧光功率分配器。根據(jù)國內(nèi)外報(bào)道，目前可調(diào)諧光功率分配器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有以下幾種。 

    ●光纖型可調(diào)光功率分配器 

    1) Y型光纖熔融拉錐型光功率可調(diào)耦合器 

    熔融拉錐型光纖器件已廣泛應(yīng)用于光纖通信及光纖傳感系統(tǒng)。熔融拉錐法就是將兩根裸光纖靠在一起，在高溫火焰中加熱使之溶化，同時(shí)在光纖兩端拉伸光纖，使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段，從而構(gòu)成耦合器。 

    入射光在耦合區(qū)發(fā)生再分配，一部分光功率從直通臂繼續(xù)傳輸，另一部分則從耦合臂傳到另一光路。只要改變耦合區(qū)的長度，就能改變耦合臂分配到的光功率，從而改變分光比。目前，通常采用的方法是對(duì)該耦合器的耦合區(qū)施加應(yīng)力，使耦合區(qū)產(chǎn)生伸縮變化，改變耦合區(qū)的長度，進(jìn)而獲得分光比的變化。 

    2) 光纖磨拋型可調(diào)光功率耦合器 

    如圖2所示，磨拋型光纖耦合器是利用光學(xué)冷加工（機(jī)械拋磨）除去光纖的部分包層，使光纖波導(dǎo)能相互靠近，以形成消失場互相滲透。通過這種方法制作分光比可調(diào)的耦合器，其原理與上一種方法類似，也是通過改變耦合區(qū)的長度來改變分光比。例如可以使一根光纖對(duì)另一根光纖做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就可以適當(dāng)調(diào)節(jié)耦合區(qū)的長度。 

圖2 磨拋型光耦合器模型 

    上述兩種方法原理相似，但是施加的應(yīng)力和光纖的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都難以精確控制，并且可調(diào)范圍小、偏振相關(guān)度高、控制精度低，因此這兩種方法雖然提出得較早，但是多年來難以實(shí)際應(yīng)用。 

    3）光纖截面分割型可調(diào)光功率耦合器 
  
    也有報(bào)道提出一種V型槽光纖可調(diào)光功率耦合器。如圖3所示，通過微加工在光纖側(cè)壁內(nèi)切割一個(gè)V型槽，光束通過槽表面的兩側(cè)，分別向光纖兩端耦合能量，就達(dá)到了分束的目的。只要適當(dāng)調(diào)節(jié)入射高斯光斑在V型槽兩側(cè)的投影面積，就可以實(shí)現(xiàn)分光比的變化。

圖3 V型槽光纖分束模型 

    該方法原理簡單，但是要實(shí)現(xiàn)卻有一定的困難。首先如何精密地控制入射光斑在V型槽兩側(cè)投影面積的分配尚有待研究，其次由于入射光反射率和其偏振方向有關(guān)，因此入射光偏振方向的改變也會(huì)影響耦合效率。目前該方法尚未看到實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。 

    ● 熱光型可調(diào)光功率分配器 

    利用有機(jī)聚合物的熱光效應(yīng)研制的光開關(guān)已經(jīng)在光通信波導(dǎo)器件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同樣也可以將這一效應(yīng)運(yùn)用到制作可調(diào)光功率分配器上。 

    熱光型波導(dǎo)光開關(guān)通常采用對(duì)稱型單模Y分支結(jié)構(gòu)，輸入和輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)，兩個(gè)分支臂具有相同的光傳輸特性，有相同的材料結(jié)構(gòu)和相同的波導(dǎo)寬度。當(dāng)光從輸入端輸入，功率將在兩輸出端均分輸出，此時(shí)的Y分支為一3dB耦合器。根據(jù)模式分離原則，當(dāng)Y分支的兩分支臂波導(dǎo)中光的有效折射率存在一定的差異時(shí)，從輸入端輸入的光波將主要傳向有效折射率大的分支臂，并從與此臂相連的輸出端輸出，這時(shí)的Y分支稱為非對(duì)稱Y分支。非對(duì)稱的兩臂有效折射率可以通過波導(dǎo)尺寸的不同實(shí)現(xiàn)，也可以通過波導(dǎo)材料折射率的不同實(shí)現(xiàn)。如在對(duì)稱型Y分支的兩臂上（或附近）放置加熱電極，利用有機(jī)聚合物材料的（負(fù)）熱光效應(yīng)，使得相應(yīng)的Y分支臂處的溫度上升，波導(dǎo)的有效折射率下降，從輸入端輸入的光波能量將聚向另一分支臂輸出。因此，通過控制Y分支的兩個(gè)臂上（或附近）的加熱器，就可以控制光在兩個(gè)輸出端的輸出，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光功率分配器。 

    從原理上說，這樣的器件只適合分光比可調(diào)范圍較小的情況。例如，對(duì)于5%:95%的光耦合器。超過10%的分光比雖然也可以實(shí)現(xiàn)，但兩路加起來的總功率損耗會(huì)驟然增加。 

    ● MEMS型可調(diào)光耦合器 

    MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)由于其微型化、便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)。已有從事MEMS技術(shù)開發(fā)的公司推出了MEMS可調(diào)光耦合器。但是他們的器件也僅適合5%:95%這樣分光比較小的情況。如果同樣的器件要實(shí)現(xiàn)50%:50%分光比，總功率損耗將超過50%。因此他們的器件實(shí)際上只是一種可以分光的可調(diào)光衰減器。 

    ● 部分反射型可調(diào)光功率分配器 

    在輸入端采用一個(gè)雙芯準(zhǔn)直器，中間采用一個(gè)反射率漸變的反射片，透過輸出端采用一個(gè)單芯準(zhǔn)直器來制作分光比可調(diào)的光功率分配器的辦法也可以改變兩個(gè)輸出端的分光比（圖4）。這種方法的缺點(diǎn)主要是對(duì)馬達(dá)及反射片移動(dòng)時(shí)的控制精度要求非常高。實(shí)驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)，該方法要么成本很高，要么反射輸出端插入損耗變化太大，很不可靠。 

圖4 部分反射型可調(diào)光功率分配器原理圖

   ● 微光學(xué)型可調(diào)光功率分配器 

    微光學(xué)技術(shù)是將小型分立光學(xué)器件組裝在一塊光學(xué)平臺(tái)上的技術(shù)。采用晶體光學(xué)原理制作的微光學(xué)器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、制作工藝成熟、偏振靈敏度低等優(yōu)點(diǎn)，利用雙折射晶體分光、合光及微光學(xué)偏振光干涉技術(shù)可以制作微光學(xué)型可調(diào)光功率分配器。武漢光迅科技公司已經(jīng)推出了實(shí)用化的微光學(xué)型可調(diào)光功率分配器，目前有手動(dòng)可調(diào)和電信號(hào)可調(diào)兩種款式。其具體原理是輸入光通過晶體分光后用可旋轉(zhuǎn)半波片改變其振動(dòng)相位，然后又通過另一塊晶體合光，由旋轉(zhuǎn)半波片的光軸與輸入光的振動(dòng)方向之間的角度來決定多路輸出光的分光比。經(jīng)過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，可調(diào)光功率分配器兩路輸出光插入損耗與旋轉(zhuǎn)半波片的光軸同輸入光振動(dòng)方向間的角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。 

圖5 微光學(xué)型可調(diào)光功率分配器輸出光插損與旋轉(zhuǎn)半波片光軸角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

    由圖5可以看出，從理論上講，該分配器是一款分光比可以從0~100%任意調(diào)諧的寬范圍可調(diào)光功率分配器。實(shí)際上目前研制出的樣品每路輸出插損均在0.8dB以下，是一種低損耗、高分辨率、高精度、寬可調(diào)范圍的優(yōu)良器件。 

    三、總結(jié) 

    綜上所述，可調(diào)諧光功率分配器在未來的光通信市場中會(huì)有非常誘人的應(yīng)用前景。然而由于其實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不成熟，目前市場上真正產(chǎn)品化的可調(diào)諧光功率分配器還極為少見。光迅公司推出的微光學(xué)型可調(diào)光功率分配器可能是一個(gè)突破，有望為可調(diào)諧光功率分配器在未來市場的大規(guī)模應(yīng)用鋪平道路。