薄膜濾光片技術在光通信波分復用領域里的應用前景

自上世紀80年代開始，光纖通信技術得到了蓬勃發(fā)展，為了更好的利用光纖中的帶寬資源，基于薄膜濾光片(Thin Film Filter)技術的波分復用(WDM)系統(tǒng)在自1996年第一個WDM濾波器被正式應用于通信系統(tǒng)后得到了廣泛的應用。雖然在世紀交替的幾年里，光通信產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)因為泡沫經(jīng)濟的破裂遭受了沉重的打擊，光網(wǎng)絡市場發(fā)生了嚴重的衰退，運營商的盲目追求大容量和高帶寬而造成的眼球效應的方式被逐漸摒棄，取而代之的是更為注重資金、運營支出以及投資回報等財務指標的經(jīng)濟運營方式、和更為看重系統(tǒng)設備的性能價格比，更為重視多業(yè)務解決方案，更為關注能夠節(jié)省人工費用的智能化配置和調(diào)度功能的運作模式。經(jīng)過幾年的震蕩和用戶群體培養(yǎng)造成的消耗，自2005年開始，光網(wǎng)絡市場開始出現(xiàn)復蘇的跡象，對光器件和網(wǎng)絡系統(tǒng)的需求逐漸增多。

但是這種技術在這幾年里經(jīng)過時間使用的考驗后，仍然是人們在組建高帶寬光網(wǎng)絡的首選技術。由于長途干線容量需求較大，同時由于光纖放大器EDFA和WDM相結合使得WDM在干線中使用非常經(jīng)濟，造成了目前WDM技術依然主要應用于長途干線中。同時隨著人們通信需求的不斷增長，為了緩解通信網(wǎng)絡的擁擠狀況、增加網(wǎng)絡的靈活性及適應數(shù)據(jù)業(yè)務的需要，美國和歐洲已經(jīng)開始考慮在城域網(wǎng)中采用密集波分復(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技術，可以預見，DWDM技術將逐漸從骨干網(wǎng)滲透到城域網(wǎng)和接入網(wǎng)絡中。

隨著通信信息需求的迅猛增長，終端用戶對服務的帶寬要求越來越高，而對服務的價格則希望越來越低。這就要求電信服務提供商要在不斷壓縮自己成本的基礎上不斷的提高帶寬。作為目前主要的通信信息傳輸載體，光網(wǎng)路承擔的傳輸任務越來越重，提高通信帶寬的方法——增加通信通路，而要想增加通信的通路的數(shù)量的方法不外乎兩種：

1、 增加鋪設的光纖的根數(shù)。通過大量的鋪設光纖芯數(shù)增加通信的通路數(shù)量。

2、 增加現(xiàn)有光線通路里面的通信載波的數(shù)量，就是增加單根光纖里的通信信道---光纖上增加多通道復用。

光纜的鋪設需要耗用大量的人力物力的成本，占用相當多的空間資源。尤其是在主干網(wǎng)絡中，由于傳輸?shù)木嚯x遠，再次鋪設和維護都非常困難。雖然現(xiàn)在的光纜的價格已經(jīng)降的很低，但是現(xiàn)在的價格已經(jīng)接近了各個光纜生產(chǎn)廠家的成本的價格，電信服務商很難從這個方面再有更高的成本的節(jié)省空間，在現(xiàn)有已經(jīng)鋪設好的光纖上增加更多通信的通道數(shù)仍然是電信提供商的首選。如何在同一根光纖上更好的實現(xiàn)更多的通道、更少干擾、更高效率的傳輸，是電信提供商提出來的要求。要解決這樣的問題，DWDM薄膜濾波片的改進是一項不可延誤的任務。

在主干網(wǎng)絡中，隨著通道使用數(shù)量的增加，光纖通信傳輸網(wǎng)絡對通道帶寬、信噪比、不同通道信號之間的隔離能力等關鍵指標的要求越來越高，造成組成網(wǎng)絡的DWDM光無源器件的相關組件的性能也是隨之不斷提升，由此對基于窄帶干涉濾光片技術的產(chǎn)品的指標要求也是水漲船高，在需求動力的推動下，DWDM器件組裝相關的各個產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品的性能提高也就成了必然要求。越來越高的技術參數(shù)的要求，對生產(chǎn)工藝的改建提出了挑戰(zhàn)，需要有更有力的工藝的支持來完成進一步的改善.

一、 無源光網(wǎng)絡中的主要波分復用技術

有了需求就有相應的多種技術為之服務，人們對通信跨地域效率的需求促使服務提供商不斷的擴充他們的通信容量。而在光通信領域波分復用系統(tǒng)是不容置疑的低成本提高通信容量的方式。

目前市場上使用的波分復用技術有基于薄膜濾波片的薄膜濾波技術;光纖光柵技術;基于平面PLC的平面光波導(AWG)技術;基于光纖耦合器的級聯(lián)M-Z干涉法;基于空間衍射光柵的體介質(zhì)法等多種方法。本文就近就目前應用最多的前三種技術進行對比分析。

二、 目前主要的波分復用技術

1、 AWG技術

陣列波導光柵(AWG)是第一個將平面波導線路(Planar Lightwave Circuit)技術應用于商品化的元件。其做法為特殊的晶圓上沉積光導膜層，再利用微影制程及反應式離子蝕刻法等微觀加工工藝定義出陣列波導及分光元件等，然后在最上層覆以保護層。其主要結構如下圖所示：

圖中A、B兩個部分為兩個星型耦合波導(輸入、輸出平面波導)通過按照羅蘭圓原理構造排列的陣列波導(此處陣列波導同時組成了一組透射光柵)連接在一起，透射光柵在羅蘭圓原理(A、B)的作用下，產(chǎn)生了如下圖所示的分(合)波效應。精確的波導膜層沉積技術和達到亞微米量級的光刻技術的出現(xiàn)，使得基于這種原理的分(合)波技術可以通過精準可控的方法達成。并且AWG在晶圓上的實現(xiàn)過程使用與一般半導體類似的制程，在多通道數(shù)的制作成本與低通道數(shù)相差不多，但更適合量產(chǎn)，而且整合度較高。

正是由于這種高的整合度的優(yōu)勢的存在，使得AWG技術迎合了上世紀90年代末的電信泡沫時期通信容量暴漲的思路;AWG技術把半導體工業(yè)的生產(chǎn)模式帶入了光器件產(chǎn)業(yè)，他使用的PLC技術采用制造集成電路的設備和工具，可以大規(guī)模地生產(chǎn)集成光路，同時得到更多的信道數(shù)量和更大的容量。因而使得這種技術在這一時期得到了很好的應用，使這一技術在光通信無源器件的應用領域占到了應有的地位。就像集成電路取代三極管分立器件電路一樣，在這一時期這一技術希望用它能夠高度集成化的優(yōu)勢來占領以分立的TFF器件為主的市場，不過要讓這一切變成現(xiàn)實，每種集成模塊的功能和分立器件相比，必須具有競爭力。正當懷揣這種技術的廠家躊躇滿志，準備大舉提高競爭力占領市場的時候，從上世紀末本世紀初開始的泡沫經(jīng)濟的破滅和電信業(yè)的滑坡戲劇性地改變了光器件市場的環(huán)境，市場低迷沉重打擊了人們對40、80甚至160信道技術的熱情。也使得這一技術沒有完全達到獨占市場的地位。

2、 TFF技術的應用

薄膜濾波器(TFF)技術是在波分復用商用以來最早得到應用的波分復用技術。這一技術的核心就是F-P腔薄膜濾光片。超過150層高低折射率材料交替組成的F-P腔結果薄膜濾光片在高能粒子技術和射頻技術的支持下得到很好的實現(xiàn)，這種濾光片在準直器的配合下形成一個個波分復用器件(如圖)，包含多波長的光通過入射端口光纖進入器件，濾光片允許通過的波長通過透 射端口光纖輸出，反射光信號通過反射端口輸出;在將反射光信號引入另外一個波分復用器件進行分光，使另外一路透射光信號輸出;如此反復(如圖：TFF器件——多通道)就可以將不同波長的光信號進行分離。在這樣的結構下，隨著通道數(shù)的增加，越是后面的通道的光信號的損耗就越大;為了減少通道數(shù)增加帶來的額外損耗，技術人員采用了多通道分選技術(優(yōu)化多通道TFF器件)和低插入損耗的濾光片，這樣就大大降低了最后一個通道的插入損耗，如上面兩個圖中的結構里優(yōu)化的16通道結構的最大插損與非優(yōu)化的8通道最大插損相近，這樣就大大增加了TFF器件的競爭優(yōu)勢。

在戰(zhàn)略性資源銅以及銅纜價格不斷提高，光纖和光纜價格的持續(xù)降低的狀況下，“光進銅退”的理念逐漸深入人心，光通信網(wǎng)絡不斷向用戶端擴展，同時也帶動WDM市場不斷向用戶端挺進。這就給在低通道領域占有絕對優(yōu)勢的TFF技術帶來了更大的發(fā)展契機，特別是帶有升級端口的相關WDM系統(tǒng)得到了應用商的青睞。隨著寬帶和視頻接入政策松動，IPTV的前景更加明朗，寬帶業(yè)務特別是P2P(點對點)技術的發(fā)展和視頻播客的興起導致帶寬需求的不斷增加，帶來的上述因素帶來市場需求迅速增加。而在接入網(wǎng)中，絕大部分的分光器件僅僅是使用幾個通道的分光器件，實現(xiàn)信號的上行下行或者是實現(xiàn)不同信號之間的分離，使得TFF技術在新的要求下得到了更大的發(fā)展空間。

3、 FBG技術的應用

光纖布拉格光柵(FBG)利用光纖纖心折射率的周期性變化滿足特定的干涉條件時，相應的波長產(chǎn)生全反射，而其余波長會則順利通過。這個濾波結果相當于一個負濾光片(Notch filter)。而目前采用紫外光源寫入，誘導纖心產(chǎn)生折射率產(chǎn)生周期性變化的辦法可以使反射光的反射率達到接近100%，并且有著很好的通道隔離能力。

要想使濾波技術能夠應用于通信系統(tǒng)，必須要使這一技術應用于多通道中，而FBG應用于多通道時就產(chǎn)生了一定的困難，如果簡單的使用光纖布拉格光柵結構的級聯(lián)形成合波、分波就需要大量的FBG級聯(lián)在一起(如實現(xiàn)N個通道的分波就需要N*(N-1)個FBG)。即使使用類似于TFF器件優(yōu)化結構的方案可以使FBG的用量減少將近一半，其用量也是相當可觀的。隨著紫外寫入技術的成熟和高度自動化使得寫入成本降低和合格率得到大為提升的情況下這一技術的應用前景也是很樂觀的。而另外一種配合環(huán)形器的組裝模式可以大大減少FBG的用量，N個通道的模組只需要N個FBG和(N-1)個環(huán)形器，環(huán)形器的引入使FBG的用量大大減少，但是需要引入費用比較高的環(huán)形器來配合使用。

三、 3種技術的對比

四、 結論

2001年初，AWG在其自身優(yōu)勢的引導下勢頭強勁，似乎要完全占據(jù)整個濾波器市場。但是隨之而來的市場低迷沉重打擊了人們對40、80甚至160信道技術的熱情。Lipscomb介紹說，經(jīng)歷了市場低迷后，控制成本就成為人們關注的首要問題。大部分系統(tǒng)制造商在系統(tǒng)設計時都采取了按需搭配的方法，這就給了TFF技術新的發(fā)展機會。例如一個新系統(tǒng)設計之初只有四個信道，在以后如果有新的需求，可以再增加一個4信道模塊。這種部署方案的總成本遠比一開始就采用AWG的成本要高，Lipscomb說甚至會高達4到5倍。在市場低迷時期，運營商只會在通信容量確實有需求，利潤確實可以保證的時候才會部署新的信道。雖然逐步部署新信道的成本比一次部署要高，但是他們可以將這部分成本轉(zhuǎn)嫁給用戶。

在密集波分復用器市場中，薄膜濾波器型(TFF)波分復用器的技術較為成熟，適合大部分DWDM器件的要求，且目前成本較低，性能和可靠性較好，應用較廣，約占整個市場的45%;陣列波導光柵型(AWG)波分復用器集成度高，體積小，波長數(shù)愈多，其制造成本優(yōu)勢愈明顯，約占40%;光纖布拉格光柵型(FBG)波分復用器比較適用于制造50GHz的DWDM器件，約占15%。

TFF技術以其獨特的優(yōu)勢還將在光網(wǎng)絡里繼續(xù)進一步體現(xiàn)它的應用價值。在由美國金融海嘯的影響下，金融業(yè)為了降低其成本對通信流量的巨大需求有了很大的萎縮;而在由金融海嘯引發(fā)的經(jīng)濟危機得影響下，很多其他的行業(yè)和個人也在為降低運營和生活成本不斷壓縮其對通信流量的需求;同時網(wǎng)絡運營商出于對短期運營成本的考慮，會更多的考慮在原有的系統(tǒng)基礎上升級，或采用較少的通道(價格)的產(chǎn)品來滿足目前的運營需求，這同樣也給TFF系列產(chǎn)品的發(fā)展留下了空間，因此在3~5年之內(nèi)TFF技術將仍然是無源光網(wǎng)絡里的主要應用技術之一。

在未來的發(fā)展中，筆者介紹的這三種波分復用技術的整合利用將會成為發(fā)展的主流，每一種技術再無源光網(wǎng)絡里發(fā)揮著他們獨有的技術優(yōu)勢使光通信的技術、質(zhì)量提高到一個新的體系之中!