薄膜濾光片技術(shù)在光通信波分復(fù)用領(lǐng)域里的應(yīng)用前景

自上世紀(jì)80年代開始，光纖通信技術(shù)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(shù)的波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)在自1996年第一個(gè)WDM濾波器被正式應(yīng)用于通信系統(tǒng)后得到了廣泛的應(yīng)用。雖然在世紀(jì)交替的幾年里，光通信產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)因?yàn)榕菽?jīng)濟(jì)的破裂遭受了沉重的打擊，光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)發(fā)生了嚴(yán)重的衰退，運(yùn)營(yíng)商的盲目追求大容量和高帶寬而造成的眼球效應(yīng)的方式被逐漸摒棄，取而代之的是更為注重資金、運(yùn)營(yíng)支出以及投資回報(bào)等財(cái)務(wù)指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)方式、和更為看重系統(tǒng)設(shè)備的性能價(jià)格比，更為重視多業(yè)務(wù)解決方案，更為關(guān)注能夠節(jié)省人工費(fèi)用的智能化配置和調(diào)度功能的運(yùn)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(luò)市場(chǎng)開始出現(xiàn)復(fù)蘇的跡象，對(duì)光器件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求逐漸增多。

但是這種技術(shù)在這幾年里經(jīng)過時(shí)間使用的考驗(yàn)后，仍然是人們?cè)诮M建高帶寬光網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。由于長(zhǎng)途干線容量需求較大，同時(shí)由于光纖放大器EDFA和WDM相結(jié)合使得WDM在干線中使用非常經(jīng)濟(jì)，造成了目前WDM技術(shù)依然主要應(yīng)用于長(zhǎng)途干線中。同時(shí)隨著人們通信需求的不斷增長(zhǎng)，為了緩解通信網(wǎng)絡(luò)的擁擠狀況、增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性及適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要，美國(guó)和歐洲已經(jīng)開始考慮在城域網(wǎng)中采用密集波分復(fù)(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技術(shù)，可以預(yù)見，DWDM技術(shù)將逐漸從骨干網(wǎng)滲透到城域網(wǎng)和接入網(wǎng)絡(luò)中。

隨著通信信息需求的迅猛增長(zhǎng)，終端用戶對(duì)服務(wù)的帶寬要求越來越高，而對(duì)服務(wù)的價(jià)格則希望越來越低。這就要求電信服務(wù)提供商要在不斷壓縮自己成本的基礎(chǔ)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(dān)的傳輸任務(wù)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(shè)的光纖的根數(shù)。通過大量的鋪設(shè)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(fù)用。

光纜的鋪設(shè)需要耗用大量的人力物力的成本，占用相當(dāng)多的空間資源。尤其是在主干網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，再次鋪設(shè)和維護(hù)都非常困難。雖然現(xiàn)在的光纜的價(jià)格已經(jīng)降的很低，但是現(xiàn)在的價(jià)格已經(jīng)接近了各個(gè)光纜生產(chǎn)廠家的成本的價(jià)格，電信服務(wù)商很難從這個(gè)方面再有更高的成本的節(jié)省空間，在現(xiàn)有已經(jīng)鋪設(shè)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(shí)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(jìn)是一項(xiàng)不可延誤的任務(wù)。

在主干網(wǎng)絡(luò)中，隨著通道使用數(shù)量的增加，光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)通道帶寬、信噪比、不同通道信號(hào)之間的隔離能力等關(guān)鍵指標(biāo)的要求越來越高，造成組成網(wǎng)絡(luò)的DWDM光無源器件的相關(guān)組件的性能也是隨之不斷提升，由此對(duì)基于窄帶干涉濾光片技術(shù)的產(chǎn)品的指標(biāo)要求也是水漲船高，在需求動(dòng)力的推動(dòng)下，DWDM器件組裝相關(guān)的各個(gè)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(shù)參數(shù)的要求，對(duì)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(jìn)一步的改善.

一、 無源光網(wǎng)絡(luò)中的主要波分復(fù)用技術(shù)

有了需求就有相應(yīng)的多種技術(shù)為之服務(wù)，人們對(duì)通信跨地域效率的需求促使服務(wù)提供商不斷的擴(kuò)充他們的通信容量。而在光通信領(lǐng)域波分復(fù)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(chǎng)上使用的波分復(fù)用技術(shù)有基于薄膜濾波片的薄膜濾波技術(shù);光纖光柵技術(shù);基于平面PLC的平面光波導(dǎo)(AWG)技術(shù);基于光纖耦合器的級(jí)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(yīng)用最多的前三種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

二、 目前主要的波分復(fù)用技術(shù)

1、 AWG技術(shù)

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

圖中A、B兩個(gè)部分為兩個(gè)星型耦合波導(dǎo)(輸入、輸出平面波導(dǎo))通過按照羅蘭圓原理構(gòu)造排列的陣列波導(dǎo)(此處陣列波導(dǎo)同時(shí)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(yīng)。精確的波導(dǎo)膜層沉積技術(shù)和達(dá)到亞微米量級(jí)的光刻技術(shù)的出現(xiàn)，使得基于這種原理的分(合)波技術(shù)可以通過精準(zhǔn)可控的方法達(dá)成。并且AWG在晶圓上的實(shí)現(xiàn)過程使用與一般半導(dǎo)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(shì)的存在，使得AWG技術(shù)迎合了上世紀(jì)90年代末的電信泡沫時(shí)期通信容量暴漲的思路;AWG技術(shù)把半導(dǎo)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(shù)采用制造集成電路的設(shè)備和工具，可以大規(guī)模地生產(chǎn)集成光路，同時(shí)得到更多的信道數(shù)量和更大的容量。因而使得這種技術(shù)在這一時(shí)期得到了很好的應(yīng)用，使這一技術(shù)在光通信無源器件的應(yīng)用領(lǐng)域占到了應(yīng)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(shí)期這一技術(shù)希望用它能夠高度集成化的優(yōu)勢(shì)來占領(lǐng)以分立的TFF器件為主的市場(chǎng)，不過要讓這一切變成現(xiàn)實(shí)，每種集成模塊的功能和分立器件相比，必須具有競(jìng)爭(zhēng)力。正當(dāng)懷揣這種技術(shù)的廠家躊躇滿志，準(zhǔn)備大舉提高競(jìng)爭(zhēng)力占領(lǐng)市場(chǎng)的時(shí)候，從上世紀(jì)末本世紀(jì)初開始的泡沫經(jīng)濟(jì)的破滅和電信業(yè)的滑坡戲劇性地改變了光器件市場(chǎng)的環(huán)境，市場(chǎng)低迷沉重打擊了人們對(duì)40、80甚至160信道技術(shù)的熱情。也使得這一技術(shù)沒有完全達(dá)到獨(dú)占市場(chǎng)的地位。

2、 TFF技術(shù)的應(yīng)用

薄膜濾波器(TFF)技術(shù)是在波分復(fù)用商用以來最早得到應(yīng)用的波分復(fù)用技術(shù)。這一技術(shù)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(jié)果薄膜濾光片在高能粒子技術(shù)和射頻技術(shù)的支持下得到很好的實(shí)現(xiàn)，這種濾光片在準(zhǔn)直器的配合下形成一個(gè)個(gè)波分復(fù)用器件(如圖)，包含多波長(zhǎng)的光通過入射端口光纖進(jìn)入器件，濾光片允許通過的波長(zhǎng)通過透 射端口光纖輸出，反射光信號(hào)通過反射端口輸出;在將反射光信號(hào)引入另外一個(gè)波分復(fù)用器件進(jìn)行分光，使另外一路透射光信號(hào)輸出;如此反復(fù)(如圖：TFF器件——多通道)就可以將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行分離。在這樣的結(jié)構(gòu)下，隨著通道數(shù)的增加，越是后面的通道的光信號(hào)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(shù)人員采用了多通道分選技術(shù)(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(gè)通道的插入損耗，如上面兩個(gè)圖中的結(jié)構(gòu)里優(yōu)化的16通道結(jié)構(gòu)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在戰(zhàn)略性資源銅以及銅纜價(jià)格不斷提高，光纖和光纜價(jià)格的持續(xù)降低的狀況下，“光進(jìn)銅退”的理念逐漸深入人心，光通信網(wǎng)絡(luò)不斷向用戶端擴(kuò)展，同時(shí)也帶動(dòng)WDM市場(chǎng)不斷向用戶端挺進(jìn)。這就給在低通道領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的TFF技術(shù)帶來了更大的發(fā)展契機(jī)，特別是帶有升級(jí)端口的相關(guān)WDM系統(tǒng)得到了應(yīng)用商的青睞。隨著寬帶和視頻接入政策松動(dòng)，IPTV的前景更加明朗，寬帶業(yè)務(wù)特別是P2P(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))技術(shù)的發(fā)展和視頻播客的興起導(dǎo)致帶寬需求的不斷增加，帶來的上述因素帶來市場(chǎng)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(gè)通道的分光器件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上行下行或者是實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)之間的分離，使得TFF技術(shù)在新的要求下得到了更大的發(fā)展空間。

3、 FBG技術(shù)的應(yīng)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(shí)，相應(yīng)的波長(zhǎng)產(chǎn)生全反射，而其余波長(zhǎng)會(huì)則順利通過。這個(gè)濾波結(jié)果相當(dāng)于一個(gè)負(fù)濾光片(Notch filter)。而目前采用紫外光源寫入，誘導(dǎo)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(dá)到接近100%，并且有著很好的通道隔離能力。

要想使濾波技術(shù)能夠應(yīng)用于通信系統(tǒng)，必須要使這一技術(shù)應(yīng)用于多通道中，而FBG應(yīng)用于多通道時(shí)就產(chǎn)生了一定的困難，如果簡(jiǎn)單的使用光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)形成合波、分波就需要大量的FBG級(jí)聯(lián)在一起(如實(shí)現(xiàn)N個(gè)通道的分波就需要N*(N-1)個(gè)FBG)。即使使用類似于TFF器件優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方案可以使FBG的用量減少將近一半，其用量也是相當(dāng)可觀的。隨著紫外寫入技術(shù)的成熟和高度自動(dòng)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(shù)的應(yīng)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(gè)通道的模組只需要N個(gè)FBG和(N-1)個(gè)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(fèi)用比較高的環(huán)形器來配合使用。

三、 3種技術(shù)的對(duì)比

四、 結(jié)論

2001年初，AWG在其自身優(yōu)勢(shì)的引導(dǎo)下勢(shì)頭強(qiáng)勁，似乎要完全占據(jù)整個(gè)濾波器市場(chǎng)。但是隨之而來的市場(chǎng)低迷沉重打擊了人們對(duì)40、80甚至160信道技術(shù)的熱情。Lipscomb介紹說，經(jīng)歷了市場(chǎng)低迷后，控制成本就成為人們關(guān)注的首要問題。大部分系統(tǒng)制造商在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都采取了按需搭配的方法，這就給了TFF技術(shù)新的發(fā)展機(jī)會(huì)。例如一個(gè)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初只有四個(gè)信道，在以后如果有新的需求，可以再增加一個(gè)4信道模塊。這種部署方案的總成本遠(yuǎn)比一開始就采用AWG的成本要高，Lipscomb說甚至?xí)哌_(dá)4到5倍。在市場(chǎng)低迷時(shí)期，運(yùn)營(yíng)商只會(huì)在通信容量確實(shí)有需求，利潤(rùn)確實(shí)可以保證的時(shí)候才會(huì)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(fù)用器市場(chǎng)中，薄膜濾波器型(TFF)波分復(fù)用器的技術(shù)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(yīng)用較廣，約占整個(gè)市場(chǎng)的45%;陣列波導(dǎo)光柵型(AWG)波分復(fù)用器集成度高，體積小，波長(zhǎng)數(shù)愈多，其制造成本優(yōu)勢(shì)愈明顯，約占40%;光纖布拉格光柵型(FBG)波分復(fù)用器比較適用于制造50GHz的DWDM器件，約占15%。

TFF技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)還將在光網(wǎng)絡(luò)里繼續(xù)進(jìn)一步體現(xiàn)它的應(yīng)用價(jià)值。在由美國(guó)金融海嘯的影響下，金融業(yè)為了降低其成本對(duì)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(jì)危機(jī)得影響下，很多其他的行業(yè)和個(gè)人也在為降低運(yùn)營(yíng)和生活成本不斷壓縮其對(duì)通信流量的需求;同時(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商出于對(duì)短期運(yùn)營(yíng)成本的考慮，會(huì)更多的考慮在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級(jí)，或采用較少的通道(價(jià)格)的產(chǎn)品來滿足目前的運(yùn)營(yíng)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(shù)將仍然是無源光網(wǎng)絡(luò)里的主要應(yīng)用技術(shù)之一。

在未來的發(fā)展中，筆者介紹的這三種波分復(fù)用技術(shù)的整合利用將會(huì)成為發(fā)展的主流，每一種技術(shù)再無源光網(wǎng)絡(luò)里發(fā)揮著他們獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使光通信的技術(shù)、質(zhì)量提高到一個(gè)新的體系之中!