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[原创] 一篇文章全面了解光分路器、PLC分路器、拉锥分路器

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发表于 2023-5-25 16:36:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

光纤分路器
光纤分路器,又称为分光器,是将一根光纤信号按照既定的比例分解为两路或多路光信号输出,是接入FTTH方式的光无源器件。

例如,一个1x4光分路器就是将一根光纤中的光信号按照一定的比例分配给四根光纤。与WDM系统的波分复用器不一样的是,解复用器是将不同波长的光信号分到对应的波长通道,而光分路器是将整个光信号分到多个通道进行传输。
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光分路器工作原理
在单模光纤传导光信号的时候,光的能量并不完全是集中在纤芯中传播,有少量是通过靠近纤芯的包层中传播的,也就是说,在两根光纤的纤芯足够靠近的话,在一根光纤中传输的光的模场就可以进入另外一根光纤,光信号在两根光纤中得到重新的分配

光分路器的类型
光分路器按原理可以分为平面波导型(PLC)光分路器和熔融拉锥型(FBT)光分路器两种;从端口形式可以分为:X型(2×2)耦合器、Y型(1×2)耦合器、星型(N×N,N>2)耦合器、树型(1×N,N>2)耦合器等;按分光比可分为非均分和均分;另一种分类方法是按单模(1310nm),多模(850nm)。

FBT熔融拉锥光分路器
FBT光分路器是利用传统的拉锥耦合器工艺生产,将两根或多根已除去涂覆层的光纤捆在一起,然后在拉锥机上进行高温加热熔融,同时向两侧拉伸,并实时监控分光比的变化,分光比达到要求后结束熔融拉伸,其中一端保留一根光纤(其余剪掉)作为输入端,另一端则作多路输出端。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内。
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PLC平面波导光分路器
PLC(Planar Lightwave Circuit)光分路器是一种基于石英基板的集成波导光功率分配器件,采用半导体工艺(光刻、腐蚀、显影等技术)制作。PLC分路器实现了将光信号从一条光纤中分至多条光纤中,光能量进行了均匀分配。光波导阵列位于芯片的上表面,分路功能集成在芯片上;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。
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FBT VS PLC
FBT拉锥分路器的主要优点有使用原材料简单、成本比较低,所需设备和工艺要求相对没那么高。分光比可以根据需要实时监控,可以制作不等分分路器。缺点是:目前成熟拉锥工艺一次只能拉1×4以下。1×4以上器件,则用多个1×2连接在一起,再整体封装在分路器盒中。FBT分光器只支持三种波长:850nm、1310nm、1550nm,这使得它无法在其他波长上工作

PLC分路器的产品特点是:损耗对光波长不敏感,可以满足不同波长的传输需求(1260~1650nm);分光均匀,可以将信号均等的分配给用户;结构紧凑,体积小;单只器件分路通道数多,可以达到64路以上;多路成本低,分路数越多,成本优势越明显。缺点是相对于熔融拉锥式分路器成本较高,特别在低通道分路器方面更处于劣势。器件制作工艺复杂,芯片主要依赖进口。

PLC光分路器的结构
PLC光分路器由三个部分组成,一个光分路器芯片和两端的光纤阵列耦合组成,这三个组件必须要精密对准,其设计和组装对于PLC分路器的稳定性起到了重要作用。芯片采用半导体工艺在石英基底上生长制作一层分光波导,芯片有一个输入端和N个输出端波导。。然后在芯片两端分别耦合输入输出光纤阵列,封上外壳,组成一个有一个输入和N个输出的光分路器。

PLC芯片
PLC分路器芯片是指将PLC分路器晶圆经切割成Bar条、抛光后切割成的单个芯片,成品率高,质量可靠。根据QYresearch数据显示,2021年全球PLC分路器芯片市场规模达到了1.73亿元,预计2028年将达到3.22亿元,年复合增长率为15.5%。中国是全球最大的PLC分路器芯片生产地区,占有大约85%的市场份额,之后是韩国。按产品类型拆分,1×N是最大的细分市场,市场份额超过60%,最大的应用市场是FTTX和PON系统。我们再来看FTTH和PON两个市场情况。国内市场FTTR进入规模部署阶段,海外市场,根据光纤在线的报告,美国正处于FTTH部署的热潮,将在2024-2026年达到顶峰,并持续整个十年。欧洲FTTH建设也是如火如荼进行。根据Omdia预测,2027年全球PON设备市场将超过180亿美元。
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PLC 分路器芯片可设计为 1×N和2×N, N一般为2的倍数,如1x2、1x4、1x8、1x16、1x32、1x64;以及非均分的,如1×3、1×5、1×9等。随着FTTR光纤到房间的需求兴起,非均分功率的分路器应用将愈加广泛,且工艺难度也将更大。PLC光分路器芯片具有低成本、高可靠性、高灵活性和可扩展性等优点,特别适用于传输系统、网络集成、宽带接入、光纤通信和多媒体服务等多种应用场景。
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Fiber Array(FA)光纤阵列
光纤阵列(Fiber Array,简称FA),利用V型槽(V-Groove)基片,把一束光纤或一条光纤带按照规定间隔安装在基片上,所构成的阵列。光纤阵列FA主要由V槽底板、盖板、光纤、胶水等组合成。光纤阵列是平面光波导分路器(PLC Splitter)重要的部件之一,可大大减少光波导器件和光耦合对准的损耗。
光纤阵列主要依靠精密刻化的V型槽来实现定位。V型槽需要使用特殊的切割工艺来实现精确的光纤定位,将除去光纤涂层的裸露光纤部分置于V型槽中,此过程需要通过超精密加工技术将光纤芯精确地定位在V型槽内,以减少连接损耗,再通过加压器部件加压并用粘合剂固定,端面经过光学研磨,形成光纤阵列。基板材料会影响光纤阵列的光学性质,需要使用膨胀系数较小的材质来保证光纤阵列无应力、高可靠性以及高温下无光纤移位。玻璃和硅是常用的材质,此外也有陶瓷、导电基板以及塑料基板。
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保偏PLC分路器
保偏PLC分路器主要实现了在保持偏振状态不变的情况下,将输入功率均匀分流,将单通道保偏光纤阵列作为输入端,多通道保偏光纤阵列作为输出端。其中发射到光纤中的线性偏振光波的偏振在传播过程中保持不变,偏振模式之间的光功率交叉耦合很少或者没有交叉耦合,从而实现保偏耦合和分光。通常采用保偏的PANDA熊猫光纤。保偏PLC光分路器主要应用于需要保持偏振的特殊应用,例如光纤传感系统或相干通信中。
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PLC分路器的类型
PLC分路器的类型主要是依不同的封装方式而分,主要有器件型、微型封装、盒式封装(ABS、LGX)、插片式、机架式、壁挂式等类型。

器件结构
裸光纤型PLC光分配器在其所有端部留下裸光纤。主要适用于不经常拆卸的场合,如电缆连接器盒、光纤配电盘等。

微型封装结构
微型光分路器是微型钢管封装,可分为带连接头尾纤和不带连接头尾纤。连接器通常有SC、LC、FC和ST类型。可安装在光缆接头盒,模块盒,配线箱。

ABS盒式PLC分路器
盒式封装的分路器是目前各运营商使用最多的类型,ABS封装方式紧凑,应用更灵活。

LGX型PLC分路器
LGX 是将光分路器封装在一个小的金属盒子内,可以安装到19英寸1U/2U/3U机框内,输入输出端尾纤式结构,可以方便地连接到ODF面板适配器,节省时间。LGX的紧凑微型设计,即插即用,可以很便捷的安装在光纤分纤盒,ODF子框,光纤终端盒和光缆交接箱。

插片式PLC分路器
插片式PLC分路器安装固定在插片盒内,接口类型有SC/FC/LC等。主要适用在FTTH接入方式下的楼道或户外分光点,通常安装在壁挂式 FTTH 盒中。常用的1X4, 8, 16, 32 和2X8, 16, 32 PLC splitters作为插盘用于安装在客户特定的机箱内,特别是楼道箱。

机架式PLC分路器
机架式光分路器是为标准19"机柜安装设计的,可满足数据中心或服务器机房对高布线密度的要求。一般采用金属盒封装,在光纤工程中安装方便,对PLC分路器器件起到良好的保护作用。有各种适配器安装接口例如SC, LC, FC或ST连接器。 机架式光分路器广泛应用于 FTTX 项目,有线电视系统及数据通信中心。
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PLC光分路器的关键指标参数
影响光分路器的性能指标一般有以下几种:
插入损耗 Insertion Loss(IL)
插入损耗是指PLC分路器工作波长在规定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值,简单说是每一路输出相对于输入光损失的dB数。一般来说,插入损耗值越小,分路器性能指标越好。

回波损耗
回波损耗是指在光纤连接处,反向反射光(连续不断向输入端传输的散射光)相对输入光的比率的分贝数,回波损耗越大越好,以减少反射光对光源和系统的影响。

方向性
方向性是指PLC分路器正常工作时,同一侧中非注入光一端的输出光功率与注入光功率(被测波长)的比值。

偏振相关损耗
偏振相关损耗是指传输光信号的偏振态在全偏振态变化时,PLC分路器各输出端口输出光功率的最大变化量。

隔离度
隔离度是指光纤分路器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。

PLC光分路器应用于FTTR, FTTX,PON网络
PON系统可以实现FTTx,采用光纤接入的方式为接入网 “最后一公里” 提供解决方案。一个典型的PON系统由光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)、光网络单元/光网络终端(ONU/ONT)组成。
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光分路器是ODN设备中最重要的光无源器件,在FTTx中光分路器能够让多个用户共享一个PON接口。在PON网络的分光建设中包含一级分光和二级分光。一级分光主要有灵活性高,运营成本低的特点,主要应用于用户较为集中的城市区域,二级分光初期投入低,可应用于用户分散的区域使用。分光设置原则有两条:一是尽量采用一级分缸,二是分光级数不超过二级。

一级方式是指光分路器分布在光纤配线箱内,单根光纤直接连接到局端OLT,另一端通过多路光纤连接到用户端的多个ONT 纤维。 一级分光只能接一个分光器,一般选用分光数量比较多的分路器,如1:32或1:64。二级分光一般在一级分光处选用1:8或1:16分路器,二级分光点采用1:4或1:8分路器。
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光纤宽带进入千兆时代,FTTR(光纤到房间)成为家庭宽带业务增长重要推动力,FTTR对非均分分路器的需求将出现增长。目前国内三大运营商都有省分推出了商用套餐,FTTR发展迅猛。根据证券机构量级换算,FTTR对于PLC光分路器芯片的需求量是FTTH/B的数十倍。
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