FTTH中的核心器件--单纤三向器件

   01/11/2005, 郑光辉，米全林，刘翠青，张小涛，时伟，李传文
摘要：本文简要分析了FTTH接入技术中的几种主要方案，详细地讨论了FTTH中应用的核心光器件－Triplexer的技术和成本难点。然后介绍了光迅公司开发Triplexer器件的情况并给出了光迅公司开发的Triplexer的主要技术指标。

前言
    伴随着接入网的发展，FTTH（光纤到户）的概念不断深化，技术方案越来越丰富，并且逐渐走向实用化。
    FTTH，主要是采用光纤作为物理媒介实现用户和运营商连接的一种技术方式。从技术和成本角度考虑，FTTH采用何种方案与用户的地理分布有关，通常FTTH可采用两类网络结构。一是无源光网PON结构，二是点对点P2P结构。EPON是一种基于无源光网络（PON）的以太网传送技术，它采用在一根光纤上以波分复用（WDM）技术实现点对多点双向通信，具有格式透明、价格便宜等特点，顺应了NGN（下一代网络）IP化的发展趋势。在IEEE802.3ah标准颁布后，已经有多家生产厂商推出了相应产品。P2P是一种点对点光纤连接的以太网传送技术。它也采用波分（WDM）技术实现双向通信，与EPON比较而言，它具有技术实现简单、价格便宜、实现少用户量接入容易的特点。FTTH的两种实现方式上下行都可以达到100M。FTTH以其高速性、稳定性以及多业务承载能力显示出特定的优势，成为通信网“最后一公里”最有潜力的解决方案。
    FTTH满足了数据、语音、CATV等综合业务对高带宽的需求，但FTTH要得到普及，关键是降低接入成本。为进一步降低接入成本，采用单纤三向传输技术来实现这种综合业务的传输已经逐渐成为FTTH技术发展的一个主流。

单纤三向传输技术主要方案
    方案一：1310/1310/1550nm双波长单纤三向传输技术．1310/1310/1550nm双波长单纤三向传输技术实质上是将普通数字光接入（Ethernet或SDH）设备和经过光分路后的模拟CATV光传输设备通过点对点的方式由局端接入用户，数字光接入设备采用1310/1310nm的双向传输技术，模拟CATV采用1550nm的系统。随着1550nmCATV发射机在应用中的普及，单通道、低成本EDFA在光纤CATV网络中的使用，使1550nmCATV系统用于CATV分配网时具有更高的性能价格比。通过高隔离度的WDM技术将双向数字传输与模拟传输通过一根光纤接入用户，达到了降低光纤线路成本的目的。
    方案二：1310/1490/1550nm三波长单纤三向传输技术．这种传输技术是将1550nm窗口用于下行模拟CATV传输，将无制冷1310nm半导体激光二极管光源用于众多的终端用户的上行传输，下行的数字传输改用1490nm窗口，通过类似CWDM的方式将此三方向传输复用到一根光纤中。这种传输技术采用了点对多点传输方式，节省设备投资，局端设备和光纤用量大大减少，系统可靠性较高．
    单纤三向传输方案的成本最终决定接入成本的高低 ，而这种方案的主要成本取决安放到用户端的光电子器件，人们称之为单纤三向器件（Triplexer），如图1所示。降低器件Triplexer的成本已成为目前人们最关注的问题。
        

单纤三向器件（Triplexer）的发展趋势
    Triplexer的发展趋势大概分为四代，如图2所示。
    Triplexer的第一代采用现有的光学分离元件组成．它包括分波/合波器，激光器，探测器等器件．这种技术的优点：所有的技术都很成熟，可以直接采用，可靠性好；缺点：体积大，元件数目多，耦合的次数也多，所有潜在的降价空间小。目前只有少数厂商采用这种方案。
Triplexer的第二代将成熟的光学元件封装在一个小型的金属壳体内。它是由无源分波/合波虑光片，激光器，探测器和一个经过精密机械加工的金属壳体组装而成．这种技术的优点：减少了耦合次数，大大缩小了器件的体积，并且若规模化生产，可以使成本大大地降低；缺点：工艺复杂，不易实现自动化封装，有些技术指标还不能胜任网络局端的要求； 
    Triplexer的第三代为混合集成方案。这种方案将激光器，探测器芯片，平面光波导，介质膜滤光片在一个光学平台上直接组装在一起．它的优点：体积进一步减小，耦合次数减少到1次，适合于大规模化生产，成本可大大降低．缺点：光波导与器件的组装对准技术目前还不是很成熟，可靠性方面的研究还需要试验，热干扰和光串扰都需要仔细设计；另外，包括材料，封装设备投入的前期成本很高。
    Triplexer的第四代为单片集成．这种方案是采用有源层对接生长技术，在同一衬底上生长激光器，探测器和光波导，集成度更高，封装成本更低。这种工艺现在还停留在理论和实验阶段，因为其技术成熟度很低，仅见有少量报道。
    Triplexer器件的发展以市场为导向，最重要的是要求器件价格低。现阶段，第二代Triplexer产品从技术上看已经能够基本满足系统的需求，因此受到各大光器件生产商的高度重视，光迅公司也不例外。但第二代Triplexer产品的生产成本仍然较高，如何在满足接入系统的技术要求前提下，进一步降低成本，目前仍然存在着一些难题。光迅科技公司在这些难题上投入了大量的人力财力进行研究，并取得了一系列良好的进展。
        

第二代Triplexer的主要难点
  1、激光器和两路探测器要同时和一根光纤进行耦合，器件之间会互相干涉，导致指标和成品率降低；
  2、无源分波/合波虑光片，激光器，探测器集成在一起以后，由于上行和下行信号会产生串扰，所以还需要考虑不同波长光之间的光串扰。对双波长单纤三向器件，激光器发出的1310nm的光作为上行信号，下行信号也采用的是1310nm的光，上行光由于光路本身缺陷及金属壳体内壁的反射，将导致对下行信号的串扰，这种串扰属于同频串扰，一旦形成将很难将其分开，所以必须加以消除；对三波长单纤三向器件，上行信号光与下行信号光波长虽不相同，但这种串扰对器件的最终性能也会带来严重的影响，故也必须尽量消除。
  3、对45度滤光片的设计要求很高，比如隔离度，PDL等技术指标要求相当的高；
  4、模拟接收端对干扰非常敏感，然而器件的结构以及激光器探测器的摆设位置都将决定这种电串扰的最终大小，所以在器件结构设计时，必须采取相应措施减少电串扰；
  5、器件的可靠性将决定最后的成品率，Triplexer使用环境可能很恶劣，所以对可靠性要求非常高，这就要求器件中的各个组成元件自身的可靠性必须很高，同时对组装的工艺要求也变得非常高。
  6、由于器件对无源分波/合波滤光片，激光器，探测器以及器件封装壳体的指标要求很高，所以价格比较昂贵；
    光迅公司针对上述难点，历经一年多的时间，在上述难点上均有所突破：
  1、先进的光路设计，使器件的主要光学指标如插入损耗，大大改进；
  2、独特的减小光串扰方案，使各波长之间的光串扰大大降低；
  3、通过优化器件设计和制作工艺，提高成品率并缩短制作周期，生产成本已大大降低；
  4、器件结构以及各组成元件的安放位置经过模拟分析优化和反复试验，大大提高了电串扰指标；
  5、采用有源器件（如DFB激光器）全激光焊接的封装工艺，保证了器件的长期可靠性。

单纤三向器件的重要技术指标
    降低单纤三向器件成本，对用户、生产商及运营商来说非常重要，但对FTTH接入系统技术要求本身来说，技术指标能够满足实用要求同样十分关键。附表给出了光迅公司提供的单纤三向的主要技术指标。
附表
Module Electro-Optical Characteristics（-40℃ ~ 85℃）


1490nm PIN-TIA Electro-Optical Characteristics（-40℃ ~ 85℃）


1550nm PIN Electro-Optical Characteristics（-40℃ ~ 85℃）


1310nm LD Electro-Optical Characteristics（-40℃ ~ 85℃）


结束语
　　FTTH大发展的时代已经来到，先进的接入技术方案以及先进的单纤三向传输技术可以充分地满足广大用户对综合业务高带宽的需求，为了大力普及FTTH，在解决技术难题的同时，关键是大大降低接入系统的成本。降低用户端核心光电子器件的成本迫在眉睫，光迅科技公司一马当先，投入大量人力财力，解决了单纤三向器件Triplexer的许多难题，在降低成本的同时，保证了Triplexer的技术指标。