光无源器件技术发展综述(一)

摘要　全光通信是光通信发展的必然方向,光无源器件是构建全光通信网络的重要基础。介绍了光无

源器件—— 连接器、耦合器、光开关、衰减器、波分复用器、隔离器等器件的发展情况及现状。重点介绍

了作为新一代光交换系统所需的核心器件光开关的发展和现状。对光无源器件未来发展的情况进行

了概略的分析和预测。

关键词:全光通信　光无源器件　全光网络　光交换

1　引言

    当今社会是信息社会,在大量信息的传送中,有80%以上的信息是通过光纤通信系统来传送的。近年来,光通信发展异常迅速,一方面是朝着超高速、大容量、长距离的方向发展; 另一方面又大力开发CATV、光纤局域网和用户系统,使光纤到路边,进入家庭。伴随着这些新系统的迅速发展,作为光通信的基础—— 光无源器件技术也在迅速发展,指标更先进、功能更多的新型光无源器件不断涌现。因此,研究光无源器件的发展趋势,适应信息社会对光通信容量的日益增长和网络覆盖越来越广的需要已成为人们关心的问题。

   光无源器件一般分为三大类: 各种光纤连接器;光纤耦合器; 其他类型器件(包括光开关、光衰减器、光隔离器、光波分复用器等)。

2　光纤连接器

光连接器是实现光纤(缆)之间活动或固定连接的无源光器件,它还具有将光纤与有源器件、其它无源器件、系统及仪表互连的功能。它可分为活动与固定连接器两大类,其主要技术指标有插入损耗、回波

损耗、重复性和互换性。随着光通信技术的发展和应用,各种结构的连接器应运而生,现已多达20余种。进入90年代,光纤连接器产品逐步定型,例如对于单模光纤,一般是G. 652型,其结构主要是以 2. 5mm

陶瓷插针为关键零件的FC、ST和SC型3种。进入21世纪的光纤连接器将在非零色散位移光纤连接器、整体式多芯光缆连接器及连接器结构的小型化等方面获得新的发展。

2.1　非零色散光纤连接器

    光纤连接器所用的光纤,应当与系统所用的光纤相同,因为只有同种光纤的连接,其插入损耗才能最小,这是一个普遍的原则。在单模光纤系统中,国内目前主要采用的是普通单模光纤,即G. 652光纤,其传输窗口的波长为1310nm。由于光纤在1550nm波长附近的损耗可以进一步降低,所以又出现了色散位移光纤,即G. 653光纤,这种光纤在1550nm波长附近不仅损耗低,而且色散为零。但是,这种光纤在高密度

波分复用( DWDM)系统中同时传输多个波长信号时,由于非线性效应,会产生四波混频现象,限制了光放大DWDM 系统的实现, 因而出现了非零色散光纤。所谓非零色散光纤是指1530～ 1565nm传输波长范围内,其色散为1. 3～ 5. 8ps /nm. km 的光纤, 即G. 655光纤。这种光纤可以支持每个波长以10Gb / s的速率传输250km的中继距离。如使用“负啁啾”发射机,还可以传输更长的距离。因此,随着非零色散光纤普遍获得应用,为了减少系统损耗,相应地采用同种非零色散光纤的光缆制造的单模光纤连接器将成为必然趋势。

2. 2　整体式多芯光缆连接器

在光缆线路中,对于通信、有线电视、数据网络等民用系统常用扇形引出器将光缆与光配线架相连,这种器件是一种过渡性元件,它的一端是与光缆组成元件相同的束管光纤或带状光纤,另一端是分开的单芯光缆及其连接器,中间用一个模块加以保护,所以其制造技术几乎与单芯光缆连接器相同。在光配线架的另一端,则采用单芯光缆连接器将已分开的光缆的各芯分别与光端机相连。对于野战、航空、舰用等军用系统,由于机动性和可靠性的要求,光缆与光端机需要进行直接的整体连接,即用一个连接器将光缆中所有的光纤与光端机连接起来,并且有密封、连接强度等要求。随着军用光连接器制造技术的提高,塑料零件采用模压方式进行大批量生产,成本不断下降。在新世纪里,这种军用技术很可能转移到部分民用通信设备上,例如在一些小芯数(如小于10芯)的民用光缆系统中,在比较恶劣的环境条件下,完全可以采用整体式光缆连接器。此外,利用近期研制成功的带状光缆连接器技术,也有可能制成大芯数的整体连接器。

2. 3　连接器结构的小型化

为适应光纤接入网和光纤到家庭的需要,光缆连接器结构将以新一代的体积小、价格更低的连接器为主。在光缆干线网方面,仍采用FC连接器。对于光纤带光缆,则使用M T连接器进行固定或活动连接。在光纤用户网的本地交换机中,光端机则采用SC或新的LC和MU连接器。当实现FT TH时,在安装于每个用户大楼或房屋的光网络单元中,采用简化的SC连接器。这种连接器采用精密的陶瓷套管,其内孔与外径具有非常好的同心度,直径公差极小,材料耐磨,便于光纤连接器在现场或工厂内制造,深受用户欢迎。在光端机内,印制版与底版之间的光路连接,将采用单芯光纤的MU连接器或带状光纤的M PO 连接器。其中,小型单元耦合型连接器( MU)采用印制板插入底板的方法,使印制板上的光学元件与光缆连接,其连接芯线的方式与SC型连接器相同,并达到与SC连接器相同的优越性和可靠性。MPO连接器由两个插头和一个插座构成, 插头上配有MT连接器套管,各插头操作简单方便且具有低损耗、低反射特性。在印制版上,光纤器件之间的连接, 将采用FPC连接器。平面光器件与光纤之间的连接,采用PLC连接器。PLC是采用裸光纤和波导间直接接触开发出的新型平面光波线路连接器,其原理与FLC相似,并可重复进行稳态PC连接。这些器件的发展将形成“结构多样、各显其长、各有所用”的局面,并逐步向高技术性能、多品种规格和大规模产业方向发展。

3　光纤耦合器

光纤耦合器是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合并进行再分配的器件。光耦合器从功能上可分为光功率分配器( Spli t ter)和光波分配耦合器(WDM Co upler)。从端口形式上划分,它包括X形( 2× 2)、Y形( 1× 2)、星形( N× N )和树形( 1× N)耦合器等;       从工作带宽的角度划分,它分为单工作窗口的窄带耦合器、宽带耦合器以及双工作窗口的宽带耦合器。由于传导光模式不同又有多模耦合器和单模耦合器之分。光耦合器的主要指标有插入损耗、附加损耗、分光比、方向性、均匀性、偏振相关损耗与隔离度等。

在迅速膨胀的光耦合器市场中,多路数的树形及星形耦合器将变得越来越重要。这是因为光耦合器用量很大的各种光纤网络(包括CATV、局域网、光纤用户网及用户接入网等)用户数增多。为适应这种情况,一方面需要能获得大功率的光源,另一方面要在不断增加耦合器路数的同时,进一步降低附加损耗,减少器件体积并提高使用可靠性。因此,波导型耦合器正成为重要的发展趋势,器件的宽带化也将随着技术成本的降低和工程上的需要成为对下一代光耦合器的基本要求。目前,熔融拉锥形和波导型耦合器都可以做成宽带器件,但从批量生产的角度来看,就宽带树形和星形耦合器而言波导型器件将具有优势。另外,下一代光耦合器将建立在集成光学技术发展的基础上。总之,未来的光耦合器将是宽带、集成化、低损耗、易接入的器件。根据需要还应实现多路( 62× 64或更多)、小型化等,以满足迅速发展的需求。

4　光波分复用器

光波分复用器(WDM)是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。在DWDM系统,可在一根光纤上实现不同波长的光信号的多路传输,且仅以波分复用方式来扩大传输容量。在高速光通信系统、接入网与全光网络中,光纤频带资源有着广阔的应用前景。随着因特网的迅速崛起,语音、图象、数据等信息量爆炸式增长,传统的依靠电时分复用( ETDM)的方式扩大通信容量的潜力已走到尽头,扩大网络容量已成为当务之急。因此,利用WDM扩容方兴未艾。在过去10年中,光传输的容量提高了100倍,预计在未来的10年里还将提高100倍左右。这里波分复用技术WDM起着重要作用。

WDM技术具有许多优越性,如利用其扩容,不需铺设新的光纤线路,降低了网络建设费用; WDM网络可以随时升级扩容,以满足用户及未来新业务的需要; WDM通信是一个协议透明、格式透明的网络,可以不断地将现有的电网络迭加到光网络上; 将WDM与掺铒光纤放大器( EDFA)组合使用,不仅可以提高网络的容量,而且还具有较高的灵活性和经济性等。

WDM器件是WDM系统的重要组成部分。对应不同的系统, WDM有不同的要求和制作方法。根据制作方法,可将其分为WDM熔融拉锥全光纤型、干涉膜滤光型、光纤光栅型和波导阵列光栅型等。

熔融拉锥全光纤型WDM器件是将两根(或两根以上)去除涂覆层的光纤以一定的方法靠拢,在高温下熔融,同时两侧拉伸,最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构来实现传输光功率的耦合。由于耦合系数与波长有关,所以可以制作成WDM器件。这种器件多是作为分别在两个窗口上的两波分复用和解复用,只适合复用度低的WDM系统应用,且易批量生产,成本低。相反,高密集型的DWDM系统要采用光栅型WDM器件或波导型器件, 这类WDM器件可以实现几十个甚至100多个波长的复用和解复用,虽然工艺复杂,成本高,但具体到多波长的高密度复用,每一个波长的生产成本并不算高。

对于干涉膜滤光型WDM 器件和光纤光栅型WDM器件而言,前者是在玻璃基片上涂覆多层介质薄膜来复用或解复用DWDM系统的特定波长,适合48波分复用系统应用,具有信道灵活、隔离度较高(> 40dB)及插入损耗较低等优点,但在16波以上应用时不具优势。光纤光栅型WDM则与之相反,它是利用紫外光诱导光纤纤芯折射率呈周期性变化,当折射率的周期性变化满足布喇格光栅的条件时,相应的波长就会反射,而其余波长的光会顺利通过。它更适合16波以上的复用与解复用,隔离度可做得更高,各波的插入损耗也比较均衡,有利于与放大器联合使用,而且设计与制造周期短,易于批量生产,成本低,在市场激烈竞争中有明显的竞争优势。

波导阵列型光栅( AWG)是在硅品片上沉积多层二氧化硅薄膜而制成的阵列波导光栅,其原理与光栅型相同。精细的二氧化硅薄膜层是在高温下加工的,用光刻方法制成回路的图形,然后将晶片切割成一个个回路芯片。波导回路将每一个波长分别导向一个二氧化硅基体,并分别与各个输出光纤端口准直。它适于信道数很多的密集波分复用器,具有尺寸小、易于集成、性能稳定及成本低等优点。但其仍有许多需要改进的地方,如滤光波形较差、温度需要控制等。

光波分复用的发展趋势一是波道数增加,波导间隔减少。例如波道数为48、96、132间隔为50GHz的器件均已研制成功并提供商用。表1列出N T T用AWG制成的256波道的器件参数。另外, AV AN EX公司用自由空间交换技术,研制出了波道数可超过5000的器件。二是小型化、实用化、组件化与集成化。其中具有合波功能器件与有源器件阵列已集成; 具有分波功能器件同探测器阵列集成,已充分显示出其独特的优越性。因而,在单个器件应用中存在的问题,可以通过器件集成而解决或转化,使得超大容量的系统向实用化迈进。三是波分复用技术与其它复用技术的结合,尤其是和时分复用技术的结合。光时分复用通常是利用平面波导延迟线阵列或高速光开关来实现; 而全光时阈解复用器则常常基于四波混频或非线性光纤环形镜等,例如日本N T T公司的3Tb / sO TDM /WDM 传输实验装置。

表 1　 AWG型波分 复用 /解复用器件示列