我國光無源器件的技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢

    我國光纖無源器件雖然至今只有20多年的歷史，但在技術(shù)上取得了長足的進(jìn)步。從科研到小批量生產(chǎn)再到形成產(chǎn)業(yè)群，基本滿足了我國各時(shí)期電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和寬帶網(wǎng)對(duì)光無源器件的需求。目前我國光纖連接器、光纖耦合器和二波長復(fù)用器的制造技術(shù)和一般性能已與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。與此同時(shí)，由于相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱，科技投入較少，所以在密集波分復(fù)用器方面只有薄膜濾波型產(chǎn)品，大端口數(shù)矩陣光開關(guān)還屬空白，有待進(jìn)一步開發(fā)。

一 光連接器
1. 技術(shù)進(jìn)展
　　我國單芯光纖連接器的制造技術(shù)、產(chǎn)品型號(hào)與發(fā)達(dá)國家是一致的，都由陶瓷套管和外圍零件組裝而成。主流產(chǎn)品的型號(hào)是套管直徑為2.5mm的FC型、SC型和ST型，近年來已有一些單位能生產(chǎn)套管直徑為1.25mm的LC型和MU型，所用的設(shè)備基本上都是進(jìn)口的，所以產(chǎn)品的技術(shù)性能也與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。插入損耗一般都小于0.2dB，典型值為0.1dB; 回波損耗根據(jù)插頭端面的形狀，PC型(球面曲率半徑為15~25mm)≥40dB，UPC型(球面曲率半徑為10~15mm)≥50dB，APC型(端面有角度，一般為8°)≥60dB。所以國內(nèi)光通信工程所用的絕大部分連接器都是國產(chǎn)的，還有相當(dāng)一部分出口。

　　我國已經(jīng)完全掌握光纖連接器的關(guān)鍵零件—插頭的陶瓷套管和插座的陶瓷套筒的精密加工技術(shù)，生產(chǎn)量已占全球需求量的20%左右，有大量的產(chǎn)品出口。美中不足的是陶瓷毛坯基本上還要進(jìn)口。雖然已有一些企業(yè)在引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，但要真正能大量提供產(chǎn)品，還有待時(shí)日。

　　關(guān)于連接器的外圍零件，除SC型的個(gè)別精密塑料模注成形的零件外，我國都能生產(chǎn)。對(duì)于同是檢驗(yàn)合格的連接器來說，在外觀上已分不清進(jìn)口零件和國產(chǎn)零件。差異主要反映在批量的合格率和互換性上，一般進(jìn)口的合格率高，互換性好; 國產(chǎn)的合格率稍差，有時(shí)互換性會(huì)有些問題。這主要是因?yàn)檫M(jìn)口零件的加工精度更好些。

　　我國在整體式多芯光纜連接器方面也取得了較大進(jìn)步。已研制成功GLK系列的近場型多、單模連接器，光纖芯數(shù)有2芯和4芯。多模的插入損耗均≤0.5dB; 2芯單模的插入損耗≤0.6dB; 4芯單模的插入損耗≤1dB?？估瓘?qiáng)度≥1000N。采用塑料模注成型的卡扣式連接機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于制造和使用。此外還有各種光電復(fù)合纜的密封連接器，如2光2電、3光2電、3光4電等，其光學(xué)性能與光纜連接器相同，其電氣性能與電連接器相同，目前這些產(chǎn)品主要應(yīng)用在軍事裝備上。

2. 發(fā)展趨勢
　　根據(jù)發(fā)達(dá)國家光連接器的發(fā)展趨勢，在現(xiàn)有的套管直徑為2.5mm的FC型、SC型和ST型連接器繼續(xù)增加的同時(shí)，套管直徑為1.25mm的LC型和MU型連接器將會(huì)以較快的速度發(fā)展，此外MT-RJ、MTP、MPO、MAC等帶狀光纖連接器也會(huì)逐步發(fā)展起來。將來套管直徑為2.5mm的連接器、套管直徑為1.25mm的連接器和帶狀光纖連接器可能形成三分天下的格局。

連接器用套管材料的發(fā)展趨勢是許多人關(guān)心的話題。由于陶瓷材料在溫度特性和機(jī)械特性方面的優(yōu)點(diǎn)，十多年來一直是連接器套管的主導(dǎo)材料，但它價(jià)格較貴，所以其它材料如金屬、塑料和玻璃的試驗(yàn)一直未停止過，總想取而代之。隨著大批量的生產(chǎn)，陶瓷套管的價(jià)格逐漸下降，所以陶瓷材料一直占有統(tǒng)治地位。近來日本在金屬材料套管的制造技術(shù)上有所突破，采用電鑄的方法，可以廉價(jià)地生產(chǎn)各種形狀和規(guī)格的套管，并在我國尋找合作伙伴，這對(duì)陶瓷材料是有力的挑戰(zhàn)。

將來的發(fā)展趨勢還是要看這兩種材料的競爭情況。通過改進(jìn)大批量生產(chǎn)中的技術(shù)和管理，陶瓷套管的價(jià)格已經(jīng)降到很低的水平，以至目前光連接器的價(jià)格只有30元左右。今后隨著人們收入水平的提高，即使光纖到戶，估計(jì)這樣的價(jià)格老百姓也是能夠承受的。問題是在這樣的情況下，金屬套管如何競爭？如果以與陶瓷套管相同或較低的價(jià)格競爭，人們由于習(xí)慣以及十多年來的經(jīng)驗(yàn)，一般不會(huì)采用金屬套管; 如果以低于成本價(jià)進(jìn)行以占領(lǐng)市場為目的“不正當(dāng)競爭”，能爭取到多少用戶，并在以后再提高價(jià)格來收回初期投入，也有很大風(fēng)險(xiǎn)。

二 光耦合器
1. 技術(shù)進(jìn)展
　　我國光纖耦合器的制造技術(shù)、生產(chǎn)的產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國家是一致的，都采用熔融拉錐設(shè)備制成熔融雙錐體，然后進(jìn)行一次和二次封裝，所以其基本的光學(xué)性能也與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。2×2或1×2耦合器的附加損耗一般≤0.2dB，隔離度≥ 55dB，分光比可以從1∶99到50∶50。其帶寬性能分別有標(biāo)準(zhǔn)型(±20nm)、寬帶型(±40nm)和波長平坦型(1310~1550nm)。國內(nèi)所需的這些耦合器及其級(jí)連的樹型耦合器、星型耦合器絕大部分都是采用國產(chǎn)的。

　　我國在熔融拉錐設(shè)備的制造技術(shù)方面也有很大提高。過去國產(chǎn)設(shè)備在工藝過程控制和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性方面與進(jìn)口設(shè)備的差距較大，經(jīng)過有關(guān)專業(yè)公司的努力，現(xiàn)在這種差距已經(jīng)逐步縮小，因此國產(chǎn)設(shè)備的市場份額有了明顯的提高。

　　我國在研制特種光纖耦合器方面也有很大進(jìn)步。例如2×2保偏光纖耦合器，其消光比可達(dá)25 dB，接近國際水平，但附加損耗為0.5 dB，略差于國外。這些耦合器已應(yīng)用于光纖陀螺、光纖水聽器的研制。

2. 發(fā)展趨勢
　　首先是繼續(xù)提高耦合器的帶寬性能。隨著城域網(wǎng)、局域網(wǎng)以及接入網(wǎng)的不斷發(fā)展，需要全波段工作的器件是必然趨勢。對(duì)耦合器而言，工作波長需要從波長平坦型(1310~1550nm)發(fā)展到全波型(1260nm~1650nm)。

　　光纖耦合器技術(shù)的另一個(gè)重要發(fā)展趨勢是提高產(chǎn)品的機(jī)械和環(huán)境性能。我國有些企業(yè)希望將生產(chǎn)的光纖耦合器以O(shè)EM方式銷往國外，即以外國公司的牌子進(jìn)行銷售。但不管采用國產(chǎn)的還是進(jìn)口的設(shè)備，產(chǎn)品往往很難通過國外較嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)(如Telcordia標(biāo)準(zhǔn))的機(jī)械和環(huán)境性能試驗(yàn)。估計(jì)是對(duì)熔融拉錐工藝、半成品溫度篩選、封裝工藝和材料等缺乏深入的研究。所以我國還應(yīng)對(duì)這些問題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以便出口甚至在國際上創(chuàng)建中國自己的品牌。

　　還有一個(gè)值得注意的動(dòng)向是“無拉錐區(qū)熔融擴(kuò)散法”的制造方法。這種方法的特點(diǎn)是只熔融，不拉錐。其基本原理是在熔融區(qū)域內(nèi)，光纖纖芯里固有的Ge2+的熱擴(kuò)散現(xiàn)象，導(dǎo)致模場直徑增大，實(shí)現(xiàn)光纖間的光耦合。通過控制擴(kuò)散時(shí)間和溫度可以制造預(yù)定耦合比的不同產(chǎn)品。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是沒有變細(xì)的拉錐區(qū)，因而大大改善了耦合區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，不易產(chǎn)生耦合區(qū)的斷裂，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。兩根光纖融合后的耦合區(qū)的理論直徑為176.8μm(實(shí)際測得的數(shù)據(jù)為175μm)，這比拉錐后的耦合區(qū)直徑大3~6倍。此外，這種方法可以利用現(xiàn)有制造設(shè)備的熱源系統(tǒng)、光功率監(jiān)測系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)，然后對(duì)夾持機(jī)構(gòu)作一些改進(jìn)，無需拉伸機(jī)構(gòu)，十分簡易。更為可喜的是，利用這種方法同樣可以制造各種標(biāo)準(zhǔn)耦合器、寬帶耦合器、整體式的1×3和1×4耦合器、光纖衰減器和波分復(fù)用器等。

三 波分復(fù)用器
1. 技術(shù)進(jìn)展
　　我國應(yīng)用熔融拉錐設(shè)備，已能生產(chǎn)與國外相同的各種二波長的波分復(fù)用器(WDM)。其性能也與國外相當(dāng)，插入損耗一般≤0.3dB，波長隔離度≥20dB。主要產(chǎn)品有1310/1550nm(帶寬為±15nm)，用于通信信號(hào)的復(fù)用; 980/1550nm(帶寬為±20nm)和1480/1550nm(帶寬為±5nm)，用于光纖放大器泵浦光源和信號(hào)光源的復(fù)用。在這三種產(chǎn)品中，1310/1550nm、980/1550nm 波分復(fù)用器的生產(chǎn)工藝比較穩(wěn)定和成熟; 1480/1550nm波分復(fù)用器由于波長間隔很小，而且重復(fù)性差、成品率低、性能差及可靠性低，所以較難制造。

　　在密集波分復(fù)用器(DWDM)方面，目前我國主要生產(chǎn)薄膜濾波器型產(chǎn)品。如信道間隔為200GHz的有4信道和8信道兩種產(chǎn)品，典型的插入損耗分別為1.6dB和3dB; 信道間隔為100GHz的有4信道和8信道兩種產(chǎn)品，典型的插入損耗分別為3.5dB和5.5dB。由于相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)的薄弱以及科研投入不夠，我國目前尚無光子集成器件的陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用器(AWG)和光纖光柵型波分復(fù)用器。

　　我國最近還研制成功了基于薄膜濾波器技術(shù)的40信道密集波分復(fù)用器，并利用C(常規(guī)波長)/L(長波長)帶WDM和梳狀濾波器(Interleaver)研制了160信道的密集波分復(fù)用器，如圖所示。其信道間隔為50GHz，最大插入損耗為7.8dB，各信道插入損耗的差別≤1.5dB，與偏振有關(guān)的損耗(PDL)≤0.3dB。

　　此外，我國還采用薄膜型濾波器開發(fā)了粗波分復(fù)用器(CWDM)，以適應(yīng)城域網(wǎng)建設(shè)的需要。眾所周知，DWDM價(jià)格昂貴，用于干線網(wǎng)時(shí)由于擁有很大的客戶群，所以其分?jǐn)偤蟮膬r(jià)格是可以接受的。但在城域網(wǎng)中，由于沒有很大的客戶群，所以DWDM的價(jià)格無法接受，這里需要一種波長間隔為20nm、復(fù)用路數(shù)不要很多的所謂粗波分復(fù)用器。我國開發(fā)的CWDM有4信道和8信道兩種，典型插入損耗分別為2dB和3.5dB，隔離度 30dB。

2. 發(fā)展趨勢
　　在熔融型的二波長復(fù)用器方面，應(yīng)進(jìn)一步提高其帶寬性能，尤其是1310/1550nm和1480/1550nm復(fù)用器的帶寬，應(yīng)盡量接近20nm，以滿足系統(tǒng)的需求。此外，在采用熔融拉錐或熔融擴(kuò)散方法制造CWDM方面，值得各耦合器制造商進(jìn)行試驗(yàn)。我國已有數(shù)十臺(tái)熔融拉錐設(shè)備，可以在掌握一般的二波長WDM的制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制造CWDM，以滿足逐漸興起的城域網(wǎng)建設(shè)的需要。據(jù)有關(guān)專家分析，制造CWDM時(shí)，在工藝上首先應(yīng)減小器件的偏振靈敏度對(duì)拉錐長度的依賴性，其次是提高器件的波長隔離度和可靠性。

　　今后我國應(yīng)在光子集成器件的陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用器(AWG)和光纖光柵型波分復(fù)用器方面加大投入，以便盡快研制出我國需要的DWDM。AWG適用于路數(shù)更多的復(fù)用，而且其制造成本與復(fù)用路數(shù)基本無關(guān)。它體積小、抗振性能好、便于大批量生產(chǎn)，成本低。光纖光柵更適宜于制造50GHz的DWDM，而且它還可以應(yīng)用于光纖激光器、光纖放大器、各種光纖傳感器。這些器件無論在民用方面還是在軍用方面都很有應(yīng)用前途，所以我國在光子集成和光纖光柵研究方面應(yīng)盡快從理論和實(shí)驗(yàn)階段走向小批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化階段。

四 光開關(guān)和其他
1. 技術(shù)進(jìn)展
　　我國在光開關(guān)方面的技術(shù)進(jìn)展不是很大。目前所生產(chǎn)的產(chǎn)品都是傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)。例如，端口數(shù)為1×2、2×2、1×4的光開關(guān)，插入損耗≤0.6dB，重復(fù)性為±0.03dB，回波損耗≥55dB，隔離度 ≥60dB，開關(guān)速度為16ms，工作壽命≥100萬次。又如，端口數(shù)為1× 8、1×12、1×16、1×24的光開關(guān)，典型插入損耗為0.8dB，重復(fù)性為±0.015dB，典型回波損耗為50dB，隔離度≥60dB，開關(guān)速度≤15ms，工作壽命≥100萬次。我國尚未出現(xiàn)以光子集成技術(shù)為基礎(chǔ)的大端口數(shù)矩陣光開關(guān)的商品。

　　此外，我國在光隔離器、光環(huán)行器和光準(zhǔn)直器等方面也有一些進(jìn)展。光隔離器單級(jí)的最小隔離度為30dB，最大插入損耗為0.6dB; 雙級(jí)的最小隔離度為45dB，最大插入損耗為0.9dB。光環(huán)行器的插入損耗≤0.9dB，隔離度≥45dB。光準(zhǔn)直器有P級(jí)和A級(jí)兩種，典型插入損耗為0.18dB和0.22dB，回波損耗分別≥65dB和≥60dB。

2. 發(fā)展趨勢
　　隨著全光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)大端口數(shù)矩陣光開關(guān)的需求會(huì)逐漸增加。這種光開關(guān)目前在國外的研究也剛剛開始，主要是采用光子集成技術(shù)的微電子機(jī)械開關(guān)(MEMS)和熱光式開關(guān)。這需要光子集成器件、光交換技術(shù)以及光纖與波導(dǎo)耦合技術(shù)等各方面大力協(xié)同，努力攻關(guān)。此外，在國外技術(shù)比較成熟、形成批量生產(chǎn)能力時(shí)，可以考慮進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)。