光迅科技：可插拔光濾波器

摘要  本文報道了幾種可插拔（陰陽式）光濾波器的封裝結(jié)構(gòu)和性能，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型，同時對產(chǎn)品可靠性性能進(jìn)行了描述，該可插拔光濾波器在光纖通信有著廣泛的需求應(yīng)用，目前已能批量生產(chǎn)投入市場。

1 引言 

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光濾波器產(chǎn)品得到大規(guī)模的應(yīng)用，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能已經(jīng)出現(xiàn)多樣化，尤其是光纖接入網(wǎng)FTTH和PON 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，小型化、低成本、在線即插即用為光濾波器的發(fā)展方向之一，特別是一些應(yīng)用于FTTB，CATV的光器件。例如：基于在FTTH單纖解決方案ONU中的應(yīng)用，由此可以屏蔽VIDEO的信號；FTTH線路監(jiān)控時用作OTDR信號的反射端子；PON網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級等應(yīng)用。由于此類產(chǎn)品用量很大，所以對產(chǎn)品的成本，產(chǎn)品的安裝操作方便性，及產(chǎn)品小型化等方面就有了更高的要求。

目前市場上廣泛使用的常規(guī)介質(zhì)膜光濾波器一般主要有以下幾個缺點：

采用光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)，造成原材料成本較高；

常規(guī)光濾波器只能做成帶尾光纖型的結(jié)構(gòu)，由于需要盤光纖和分纖操作，工程人員操作麻煩；

即使產(chǎn)品帶適配器結(jié)構(gòu)，由于適配器和濾波器本身是分離的，裝配需要通過光纖將兩者拼接在一起，這樣產(chǎn)品體積又會很大，不適合接入網(wǎng)器件小型化的應(yīng)用需求。

為了滿足以上需求，本文所介紹的可插拔光濾波器結(jié)構(gòu)可以完全克服以上缺點，把器件濾波功能、即插即用功能集成到一個小型化的光器件上，制作簡單、成本低廉、質(zhì)量可靠，工程人員安裝操作方便。

2 器件結(jié)構(gòu) 

在應(yīng)用上，客戶對可插拔光濾波器的使用最關(guān)心的是封裝形式，要求器件本體的光信號輸入/輸出端口滿足相應(yīng)光纖連接器和適配器IEC標(biāo)準(zhǔn)接口尺寸，同時滿足低成本要求，而且明確一定要為可插拔（陰陽式光固定衰減器）結(jié)構(gòu)。所以，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可插拔光濾波器的外形結(jié)構(gòu)即為借鑒陰陽式光固定衰減器結(jié)構(gòu)，其器件本體基礎(chǔ)元部件單元除了組成器件所需的外部件之外，仍包含高精度的陶瓷插芯。根據(jù)不同光纖連接器的接口結(jié)構(gòu)，高精度陶瓷插芯供選擇的有外徑1.25mm（適應(yīng)于LC型）和外徑2.5mm（適應(yīng)于FC\SC型）的陶瓷插芯。

目前可插拔光濾波器在工作原理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方式上有三種，下面我們簡單做下介紹。

2.1 濾光片結(jié)構(gòu)

我們知道，介質(zhì)膜濾波器實際一種薄膜干涉型光學(xué)濾波器，為使用光波的薄膜干涉現(xiàn)象來實現(xiàn)光信號的濾波功能。介質(zhì)膜濾波器早已廣泛應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)，是目前在DWDM系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的薄膜干涉型濾波器件，這項濾波的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，其結(jié)構(gòu)特性可提供良好的溫度穩(wěn)定性，信道隔離度和很寬的帶寬，其相應(yīng)的工作原理如圖1所示[1~2]，通過使用介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的濾光選擇特性來對光波信號進(jìn)行光波復(fù)用或解復(fù)用，其對一個或多個波長反射隔離度高（或透射率高），對其他波長則反射率低（或透射率低），以此來實現(xiàn)不同光信號波長的濾波功能，從而實現(xiàn)對光信號波長的選擇。在其結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)方式上，通常制作成濾光片結(jié)構(gòu)，通過介質(zhì)膜材料的選擇或結(jié)構(gòu)的不同可獲得不同的濾光片，濾光片的通帶寬度和阻帶寬度決定了復(fù)用通道的路數(shù)和波長范圍。

通過使用濾光片我們可以制作可插拔光濾波器結(jié)構(gòu)，如圖2所示，光濾波芯件兩端分別需要使用一個自聚焦透鏡來實現(xiàn)對光信號的聚焦耦合，并使用非標(biāo)高精度陶瓷插芯（一端為UPC結(jié)構(gòu)，另一端為斜8°UPC結(jié)構(gòu)，非標(biāo)長度）來替代光纖準(zhǔn)直器的光纖頭，從而有效的實現(xiàn)光信號在器件中的輸入/輸出。依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和封裝方式來看，整個光濾波芯件包含光纖，非標(biāo)陶瓷插芯（光纖頭），自聚焦透鏡，濾光片，準(zhǔn)直連接套和粘接膠。

我們采用陶瓷插芯材料的非標(biāo)陶瓷插芯來制作光纖準(zhǔn)直器的陶瓷光纖頭，目的是為用陶瓷光纖頭取代玻璃光纖頭。將陶瓷光纖頭的端面放置于自聚焦透鏡的焦點處，使陶瓷光纖頭出射的光束得到高效率的耦合，然后在自聚焦透鏡的焦點附近輕微調(diào)節(jié)光纖端面位置，從而可以得到陶瓷光纖準(zhǔn)直器所需的工作距離，因此，陶瓷光纖準(zhǔn)直器的工作距離與陶瓷光纖頭和透鏡的間距L相關(guān)。陶瓷光纖準(zhǔn)直器的設(shè)計方法是，根據(jù)實際需求確定陶瓷光纖準(zhǔn)直器的工作距離，依據(jù)高斯光束傳輸?shù)幕�本理論，確定陶瓷光纖頭和自聚焦透鏡的間距L并計算光斑尺寸，然后依據(jù)光纖理論計算陶瓷光纖準(zhǔn)直器的點精度。

圖1 介質(zhì)膜濾波器應(yīng)用在DWDM系統(tǒng)

圖2 濾光片結(jié)構(gòu)的LC型可插拔光濾波器

對于常規(guī)的自聚焦透鏡和濾光片結(jié)構(gòu)，由于尺寸較大，很難應(yīng)用在光濾波芯件的設(shè)計當(dāng)中，所以，此結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的自聚焦透鏡和濾光片等元部件，必須經(jīng)過特別的加工設(shè)計，其結(jié)構(gòu)尺寸均要求為Min型。所以，其元部件的特殊加工，其成本將會較高。而且，元部件數(shù)量較多（包含兩個自聚焦透鏡、兩個光纖頭，一個濾光片和一個準(zhǔn)直連接套）。

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)封裝上，需要使用特定的工裝夾具，對光濾波器芯件兩端的陶瓷光纖頭，自聚焦透鏡及濾光片進(jìn)行定位，然后再封裝在準(zhǔn)直連接套里面，要求精度較高，即其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)封裝較為復(fù)雜。批量試制生產(chǎn)可以實現(xiàn)，但是人工成本和原材料成本較高，所以最終產(chǎn)品成品成本較高，不適合客戶產(chǎn)品應(yīng)用中的低成本要求。

2.2 光學(xué)鍍膜結(jié)構(gòu)

在實現(xiàn)濾波方式上與介質(zhì)膜濾波器濾波原理一樣，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方式為在拋光后的光纖端面（UPC結(jié)構(gòu)）進(jìn)行光學(xué)鍍膜，根據(jù)光學(xué)薄膜膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，使光信號在通過光學(xué)薄膜膜層時因多光束之間的干涉現(xiàn)象實現(xiàn)光信號的濾波功能。在光濾波芯件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式上，即為將普通光纖穿入高精度陶瓷插芯內(nèi)部進(jìn)行吸膠粘接，再進(jìn)行烘烤固化，最后對陶瓷插芯和光纖端面進(jìn)行研磨拋光，將光學(xué)端面拋光成UPC端面結(jié)構(gòu)，然后在陶瓷插芯和光纖端面（UPC結(jié)構(gòu)）進(jìn)行光學(xué)鍍膜。通過不同的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計要求可以實現(xiàn)不同的光學(xué)濾波方式。

在產(chǎn)品封裝形式上，此產(chǎn)品光濾波芯件主要有兩種封裝結(jié)構(gòu)，一種為外置光學(xué)鍍膜膜層封裝結(jié)構(gòu)，其光濾波芯件封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，此光濾波芯件包含光纖，陶瓷插芯，準(zhǔn)直連接套，光學(xué)鍍膜膜層及粘接膠。陶瓷插芯為市場標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，所以具有價格優(yōu)勢，其原材料成本較低。另外，外置光學(xué)鍍膜膜層結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)品封裝極為簡單，我們使用的普通單模光纖（G.652D）對其進(jìn)行吸膠固化，僅為在拋光后的標(biāo)稱陶瓷插芯端面進(jìn)行光學(xué)鍍膜，其制作過程完全可以復(fù)制光固定衰減器的現(xiàn)有工藝。

由以上分析，外置光學(xué)鍍膜膜層結(jié)構(gòu)的可插拔光濾波器，其元部件較少，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單，且封裝形式較為簡單，制作工藝與陰陽式光固定衰減器基本一致，完全可以復(fù)制，滿足批量生產(chǎn)及客戶的低成本產(chǎn)品需求。

圖3 外置光學(xué)鍍膜膜層結(jié)構(gòu)可插拔光濾波器

圖4 內(nèi)置光學(xué)鍍膜膜層結(jié)構(gòu)可插拔光濾波器

另一種為內(nèi)置光學(xué)鍍膜膜封裝結(jié)構(gòu)，光濾波芯件包含光纖，非標(biāo)陶瓷插芯，準(zhǔn)直連接套，光學(xué)鍍膜膜層及粘接膠，元部件較少呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，光濾波芯件封裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，制作工藝與陰陽式光固定衰減器雖然基本一致，封裝形式相對外置光學(xué)鍍膜結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，光濾波芯件兩端分別需要使用一只兩個端面均為UPC結(jié)構(gòu)的高精度非標(biāo)陶瓷插芯，在非標(biāo)陶瓷插芯光纖端面拋光后進(jìn)行光學(xué)鍍膜，然后再進(jìn)行光濾波芯件的光路耦合封裝，此結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可以批量生產(chǎn)，同時，非標(biāo)陶瓷插芯的使用使產(chǎn)品成本略微偏高，但是其可插拔性能優(yōu)越，可以到達(dá)500次以上。

2.3 光纖光柵結(jié)構(gòu)

近些年來，伴隨著光纖光柵技術(shù)的快速發(fā)展，其在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，即目前光纖光柵已經(jīng)在光濾波器、光插/分復(fù)用、密集波分復(fù)用系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用范圍，同時，光纖光柵技術(shù)可以在光纖通信系統(tǒng)中實現(xiàn)有效的色散補償。光纖光柵技術(shù)在制作產(chǎn)品過程中的主要優(yōu)點是使用光纖光柵制作的光器件產(chǎn)品非常容易與光纖端面進(jìn)行耦合、而且損耗較低、并且光纖光柵的偏振呈現(xiàn)不靈敏性，另外，使用光纖光柵的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在器件封裝操作方面較為簡單，很容易實現(xiàn)產(chǎn)品的制作。

光纖光柵技術(shù)的工作原理實際上主要是利用光纖的光敏特性來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，即是可以通過使用紫外光特定的波長對光纖光柵的光纖折射率產(chǎn)生周期性的調(diào)制而形成的一種全光纖無源器件，目前，在光通信領(lǐng)域，使用較為廣泛的是光纖Bragg光柵（FBG）[3~4]，其工作原理是在FBG光纖纖芯內(nèi)形成一種空間相位光柵，通過使用光柵前向傳輸?shù)睦w芯模式與后向傳輸?shù)睦w芯模式之間發(fā)生連接耦合，通過這種耦合，而使前向傳輸?shù)睦w芯模式的能量最大程度的傳遞給后向傳輸纖芯模式，由此可以形成對入射波的反射，即在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波器或者反射鏡，如圖5所示。其反射波長即布拉格波長為，其中為光柵周期，為纖芯等效折射率。因此，我們通過調(diào)節(jié)FBG折射率變化的范圍和/或變化量即可控制光纖光柵的通帶寬度，實現(xiàn)光濾波的功能。

圖5 FBG工作原理圖

通過使用光纖光柵制作的可插拔光濾波器，是在高精度陶瓷插芯內(nèi)部穿入光纖Bragg光柵（FBG）進(jìn)行吸膠粘接，烘烤固化，研磨拋光，其濾波芯件封裝結(jié)構(gòu)如圖6所示，濾波芯件包含光纖，標(biāo)準(zhǔn)陶瓷插芯，準(zhǔn)直連接套，光纖光柵及粘接膠。制作工藝和陰陽式光固定衰減器工藝一樣，兩者差異點主要體現(xiàn)在產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)所使用的光纖傳輸介質(zhì)單元上，陰陽式光固定衰減器一般采用衰減光纖制作而成，而陰陽式光濾波器為采用布拉格光纖光柵實現(xiàn)濾波功能。光纖光柵的使用大大增加了產(chǎn)品成本，此結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可以批量生產(chǎn)，但不適合客戶的低成本產(chǎn)品需求。

圖6 光纖光柵結(jié)構(gòu)可插拔光濾波器

2.4 結(jié)構(gòu)性能對比分析

可插拔光濾波器由于體積小，制作工藝?yán)щy，且實際應(yīng)用中客戶對產(chǎn)品成本要求較低，所以基于以上幾種結(jié)構(gòu)，我們對可插拔光濾波器在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、濾波實現(xiàn)方式及原材料成本控制等方面進(jìn)行綜合對比分析，如表-1：

由以上幾種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能對比分析，我們對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型，目前光迅科技推出的可插拔光濾波器為外置光學(xué)鍍膜膜層結(jié)構(gòu)，滿足了客戶在產(chǎn)品體積小、即插即用及低成本方面的要求。供客戶選擇的產(chǎn)品類型有FC、SC和LC型可插拔光濾波器，端面結(jié)構(gòu)可為PC（UPC）或APC 結(jié)構(gòu)，如圖7、8及9所示。

目前光迅科技提供的可插拔光濾波器的的光學(xué)指標(biāo)如下：

3 產(chǎn)品可靠性性能分析

在產(chǎn)品滿足客戶體積小、即插即用及低成本的優(yōu)點外，客戶關(guān)心的莫過于產(chǎn)品的可靠性性能。

光迅科技推出的可插拔光濾波器（僅對選型的外置光學(xué)鍍膜膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析）參照相關(guān)的GR-326-CORE、GR-910-CORE和GR-1221-CORE標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行產(chǎn)品可靠性試驗，產(chǎn)品通過機械沖擊試驗、振動試驗、重復(fù)插拔試驗、高溫老化試驗，高溫存儲試驗、低溫存儲試驗和溫度循環(huán)試驗。試驗前后，各指標(biāo)參數(shù)變化量均≤0.5dB。同時，器件本體無機械損傷，如變形、龜裂、松弛等現(xiàn)象發(fā)生。

在產(chǎn)品使用上客戶最關(guān)心光學(xué)鍍膜膜層的可靠性問題，尤其重復(fù)插拔性能，光迅科技推出的可插拔光濾波器產(chǎn)品可通過200次的重復(fù)插拔，且端面結(jié)構(gòu)及膜層無破裂損傷，光學(xué)性能沒有發(fā)生改變，滿足客戶產(chǎn)品使用要求。

4 結(jié)論

本文討論了幾種可插拔光濾波器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方式，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方式、原材料成本及制作工藝等進(jìn)行對比分析，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了選型，同時對選型后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的可靠性試驗分析，產(chǎn)品具備低成本高性能的器件要求。伴隨光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，可插拔光濾波器的出現(xiàn)，在組建光纖線路時，即插即用，使用上會更為方便，并能有效的節(jié)省空間，能夠在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)之上完成系統(tǒng)擴展升級，滿足產(chǎn)品低成本高性能要求。該產(chǎn)品在光纖通信的應(yīng)用上將會日趨成熟，并會有大量的需求，具備良好的市場前景。目前在國內(nèi)通信行業(yè)內(nèi)，尚無可插拔光濾波器相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有待于規(guī)范。

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