可调谐光功率分配器应用及技术

本文介绍了可调谐光功率分配器的应用的几种情况,并介绍了目前可调谐光功率分配器的几种实现技术,相信可调谐光功率分配器在未来的光通信市场中会有非常诱人的应用前景。 

    熔融拉锥型光纤耦合器和PLC（平面光波导）光功率分配器近年来已获得长足发展。但无论光纤型或波导型器件现在都只能提供固定的分光比。 随着电信业务的发展，需要采用分光比可调的光功率分配器的场合越来越多。

 一、可调谐光功率分配器的应用 

    ● 降低FTTH的成本 

    为了降低FTTH接入的费用，运营商都力求节省光纤资源。许多运营商都采用了PON技术，单一系统可容纳数百个用户。另外，运营商采用多个用户共用一个用户端设备，当用户扩大的时候再逐渐增加用户端设备。可以采用光功率分配器进行级联的方法，即由多个用户共用一个用户端设备，多个用户端设备通过光功率分配器汇接至一个光线路终端（OLT）。各个用户端设备所接入的用户数量的多少不一定相同，各个用户端到OLT的路径距离也可能各异。即各个用户端设备所需的光信号功率可能会有很大差异，并可能随时变化。而目前PON中使用的都是固定的光功率分配器，这样不利于光功率资源的有效分配。可调光功率分配器对多变的光纤到家市场，具有很强的针对性。它可以通过改变自身的功率分配因数，动态地分配各用户端设备所得到的光功率。这样就能提高网络配置的灵活性，充分利用光功率资源，提高网络的可靠性，降低投资风险。 

    ● 自愈环保护 

    在城域网中，自愈环形网是一种常见的保护方式。该方式无需人工干预，网络能从故障中实时、自动恢复所承载的业务。PON双纤自愈环保护网络是可调功率分配器的一个典型应用，在该环上每个节点包含两个功率分配器。该网络能够确保信号在节点间线路被切断的情况下仍可以通过所有节点。但是，如果采用固定光功率分配器,节点间的功率差异将非常大，假设节点间的光纤链路衰减损耗为1.5dB，固定功率分配因数为0.1左右，在一个N=10的系统中节点间将有20dB左右的功率差异。而如果采用可调光功率分配器，只要适当调整各节点的功率分配因数，则同样的系统的功率差异就可以忽略不计。由于采用可调功率分配器的自愈环具有以上诸多优点，因此可以应用的领域十分广泛。 

    ● 调整各节点的功率分配 

    可调光功率分配器不仅适用于环形网络，还可应用于光功率分配器串联结构。以上所述的大多是要求各节点功率均衡的例子，而在各节点所需光信号功率不同的情况下，还可以反其道而行之，调整各节点功率分配因数以满足不同节点要求。 

    ● 中长距离系统的保护 

    除了用于FTTH及PON等接入网之外，可调光功率分配器还可能在中长距离点对点系统中发挥重要作用。例如，用于光线路保护模块中。目前国内外通用的光线路保护方案主要有两种，一种是1+1方案，一种是1:1方案。1+1方案在光信号的输出端口，首先用一个1×2的光功率分配器将光信号分成两路。在接收端口，用一个1×2的光开关有选择地取其中一路接入接收机。它的好处在于，系统可以同时对两路光信号实施监测。在有故障的情况下，总是选择光信号质量较好的路径。但是，该方案要损失掉一半光功率。1:1方案在光信号的输出和输入端口，均部署一个1×2的光开关来实现光路径的同时切换。光信号同一时间只在一条线路中传输。它的好处在于，系统可以避免光信号在一开始就有一半光功率损耗。采用可调光功率分配器取代1+1方案中的1×2固定光功率分配器可以兼顾这两种方案的优点。系统可以同时监测两条路径，动态地调用在备份路径中的光功率资源。不仅如此，在实际工程应用中保护路径和初始路径往往不在一条光缆中，甚至物理路径也完全不同，这样才能对光缆被切断起真正保护作用。这是因为保护路径和初始路径在距离上可能有很大的差别，无论是1+1方案，还是1:1方案，两路径切换时，光功率的补偿或衰减可能成为系统正常工作的必要条件。换句话说，光放大器和可调光功率衰减器可能是必备设备。采用可调光功率分配器后，也许不能节约所需要的光放大器，但可调光功率衰减器将不再是必要的了。图1是光线路保护可调光功率分配器方案。 

图1 光线路保护可调光功率分配器方案

   ● 用于较大范围的光纤CATV网络 

    可调光功率分配器还可取代过去的固定分路器用于较大范围的光纤CATV网络。过去曾采用光纤熔融拉锥光分路器，也曾根据小区人口和远近分布设计出不同分光比的光分路器，然后向厂家定做。但由于分光比固定，当小区用户增加或减少引起各节点所需功率变化时，各分路器就无法再与之匹配。当通往各小区的链路损耗因各种原因增大时，网络的运行维护也比较麻烦。这时如果用可调光功率分配器取代一般的光分路器将大大方便网络建设，降低成本，并且使网络有很好的扩容性和适应性。 

    ● 其他应用 

    可调光功率分配器还可以在智能型光放大器（如可调增益均衡器、自适应光放大器等）的设计中发挥关键作用，使这些器件可以自动调整工作状态以符合系统应用要求，并且可以大大减小光功率消耗。 

    综上所述，可调光功率分配器可以通过改变其功率分配因数，灵活地因应网络的变化，保持功率均衡，有效地利用光功率资源，维持网络的传输质量。当前的网络越来越多变，越来越需要能够随网络变化而变化的器件。因此，我们相信可调光功率分配器将会有十分广泛的市场。 

    二、可调谐光功率分配器的实现技术 

    到目前为止市场上还没有出现真正大规模应用的可调谐光功率分配器。根据国内外报道，目前可调谐光功率分配器的实现技术主要有以下几种。 

    ●光纤型可调光功率分配器 

    1) Y型光纤熔融拉锥型光功率可调耦合器 

    熔融拉锥型光纤器件已广泛应用于光纤通信及光纤传感系统。熔融拉锥法就是将两根裸光纤靠在一起，在高温火焰中加热使之溶化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器。 

    入射光在耦合区发生再分配，一部分光功率从直通臂继续传输，另一部分则从耦合臂传到另一光路。只要改变耦合区的长度，就能改变耦合臂分配到的光功率，从而改变分光比。目前，通常采用的方法是对该耦合器的耦合区施加应力，使耦合区产生伸缩变化，改变耦合区的长度，进而获得分光比的变化。 

    2) 光纤磨抛型可调光功率耦合器 

    如图2所示，磨抛型光纤耦合器是利用光学冷加工（机械抛磨）除去光纤的部分包层，使光纤波导能相互靠近，以形成消失场互相渗透。通过这种方法制作分光比可调的耦合器，其原理与上一种方法类似，也是通过改变耦合区的长度来改变分光比。例如可以使一根光纤对另一根光纤做相对运动，就可以适当调节耦合区的长度。 

图2 磨抛型光耦合器模型 

    上述两种方法原理相似，但是施加的应力和光纤的相对运动都难以精确控制，并且可调范围小、偏振相关度高、控制精度低，因此这两种方法虽然提出得较早，但是多年来难以实际应用。 

    3）光纤截面分割型可调光功率耦合器 
  
    也有报道提出一种V型槽光纤可调光功率耦合器。如图3所示，通过微加工在光纤侧壁内切割一个V型槽，光束通过槽表面的两侧，分别向光纤两端耦合能量，就达到了分束的目的。只要适当调节入射高斯光斑在V型槽两侧的投影面积，就可以实现分光比的变化。

图3 V型槽光纤分束模型 

    该方法原理简单，但是要实现却有一定的困难。首先如何精密地控制入射光斑在V型槽两侧投影面积的分配尚有待研究，其次由于入射光反射率和其偏振方向有关，因此入射光偏振方向的改变也会影响耦合效率。目前该方法尚未看到实际应用的报道。 

    ● 热光型可调光功率分配器 

    利用有机聚合物的热光效应研制的光开关已经在光通信波导器件领域得到广泛应用，同样也可以将这一效应运用到制作可调光功率分配器上。 

    热光型波导光开关通常采用对称型单模Y分支结构，输入和输出波导为单模波导，两个分支臂具有相同的光传输特性，有相同的材料结构和相同的波导宽度。当光从输入端输入，功率将在两输出端均分输出，此时的Y分支为一3dB耦合器。根据模式分离原则，当Y分支的两分支臂波导中光的有效折射率存在一定的差异时，从输入端输入的光波将主要传向有效折射率大的分支臂，并从与此臂相连的输出端输出，这时的Y分支称为非对称Y分支。非对称的两臂有效折射率可以通过波导尺寸的不同实现，也可以通过波导材料折射率的不同实现。如在对称型Y分支的两臂上（或附近）放置加热电极，利用有机聚合物材料的（负）热光效应，使得相应的Y分支臂处的温度上升，波导的有效折射率下降，从输入端输入的光波能量将聚向另一分支臂输出。因此，通过控制Y分支的两个臂上（或附近）的加热器，就可以控制光在两个输出端的输出，实现可调谐光功率分配器。 

    从原理上说，这样的器件只适合分光比可调范围较小的情况。例如，对于5%:95%的光耦合器。超过10%的分光比虽然也可以实现，但两路加起来的总功率损耗会骤然增加。 

    ● MEMS型可调光耦合器 

    MEMS（微机电系统）技术由于其微型化、便于大规模集成等优点，已经被广泛应用于光通信系统。已有从事MEMS技术开发的公司推出了MEMS可调光耦合器。但是他们的器件也仅适合5%:95%这样分光比较小的情况。如果同样的器件要实现50%:50%分光比，总功率损耗将超过50%。因此他们的器件实际上只是一种可以分光的可调光衰减器。 

    ● 部分反射型可调光功率分配器 

    在输入端采用一个双芯准直器，中间采用一个反射率渐变的反射片，透过输出端采用一个单芯准直器来制作分光比可调的光功率分配器的办法也可以改变两个输出端的分光比（图4）。这种方法的缺点主要是对马达及反射片移动时的控制精度要求非常高。实验和理论分析发现，该方法要么成本很高，要么反射输出端插入损耗变化太大，很不可靠。 

图4 部分反射型可调光功率分配器原理图

   ● 微光学型可调光功率分配器 

    微光学技术是将小型分立光学器件组装在一块光学平台上的技术。采用晶体光学原理制作的微光学器件具有结构紧凑、制作工艺成熟、偏振灵敏度低等优点，利用双折射晶体分光、合光及微光学偏振光干涉技术可以制作微光学型可调光功率分配器。武汉光迅科技公司已经推出了实用化的微光学型可调光功率分配器，目前有手动可调和电信号可调两种款式。其具体原理是输入光通过晶体分光后用可旋转半波片改变其振动相位，然后又通过另一块晶体合光，由旋转半波片的光轴与输入光的振动方向之间的角度来决定多路输出光的分光比。经过计算和实验证明，可调光功率分配器两路输出光插入损耗与旋转半波片的光轴同输入光振动方向间的角度对应关系如图5所示。 

图5 微光学型可调光功率分配器输出光插损与旋转半波片光轴角度对应关系

    由图5可以看出，从理论上讲，该分配器是一款分光比可以从0~100%任意调谐的宽范围可调光功率分配器。实际上目前研制出的样品每路输出插损均在0.8dB以下，是一种低损耗、高分辨率、高精度、宽可调范围的优良器件。 

    三、总结 

    综上所述，可调谐光功率分配器在未来的光通信市场中会有非常诱人的应用前景。然而由于其实现技术的不成熟，目前市场上真正产品化的可调谐光功率分配器还极为少见。光迅公司推出的微光学型可调光功率分配器可能是一个突破，有望为可调谐光功率分配器在未来市场的大规模应用铺平道路。