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)百個用戶。另外，運(yùn)營商采用多個用戶共用一個用戶端設(shè)備，當(dāng)用戶擴(kuò)大的時候再逐漸增加用戶端設(shè)備?？梢圆捎霉夤β史峙淦鬟M(jìn)行級聯(lián)的方法，即由多個用戶共用一個用戶端設(shè)備，多個用戶端設(shè)備通過光功率分配器匯接至一個光線路終端（OLT）。各個用戶端設(shè)備所接入的用戶數(shù)量的多少不一定相同，各個用戶端到OLT的路徑距離也可能各異。即各個用戶端設(shè)備所需的光信號功率可能會有很大差異，并可能隨時變化。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?？烧{(diào)光功率分配器對多變的光纖到家市場，具有很強(qiáng)的針對性。它可以通過改變自身的功率分配因數(shù)，動態(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。 

    ● 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、自動恢復(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)功率分配器的一個典型應(yīng)用，在該環(huán)上每個節(jié)點(diǎn)包含兩個功率分配器。該網(wǎng)絡(luò)能夠確保信號在節(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。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方案在光信號的輸出端口，首先用一個1×2的光功率分配器將光信號分成兩路。在接收端口，用一個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)可以同時對兩路光信號實(shí)施監(jiān)測。在有故障的情況下，總是選擇光信號質(zhì)量較好的路徑。但是，該方案要損失掉一半光功率。1:1方案在光信號的輸出和輸入端口，均部署一個1×2的光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)光路徑的同時切換。光信號同一時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)可以同時監(jiān)測兩條路徑，動態(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，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，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，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)也比較麻煩。這時如果用可調(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)計中發(fā)揮關(guān)鍵作用，使這些器件可以自動調(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另一根光纖做相對運(yùn)動，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)力和光纖的相對運(yùn)動都難以精確控制，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影響耦合效率。目前該方法尚未看到實(shí)際應(yīng)用的報道。 

    ● 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，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，這時的Y分支稱為非對稱Y分支。非對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分支的兩個臂上（或附近）的加熱器，就可以控制光在兩個輸出端的輸出，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 

    在輸入端采用一個雙芯準(zhǔn)直器，中間采用一個反射率漸變的反射片，透過輸出端采用一個單芯準(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輸出端的分光比（圖4）。這種方法的缺點(diǎn)主要是對馬達(dá)及反射片移動時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，目前有手動可調(diào)和電信號可調(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方向之間的角度來決定多路輸出光的分光比。經(jīng)過計算和實(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方向間的角度對應(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。