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薄膜滤光片技术在光通信波分复用领域里的应用前景

2009-09-24 11:29
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新一轮经济危机影响下薄膜滤光片技术在光通信波分复用领域里的应用前景
陈晓东 胡宗福
同济大学

  摘要:本文分析了光通信系统中实现WDM的三种主要的技术——TFF、AWG、FBG在通信系统中的使用状况。并通过对三种主要技术的对比,分析了TFF技术在新的经济环境以及“光进铜退”的历史背景下的新的发展机遇。

  引言
  自上世纪80年代开始,光纤通信技术得到了蓬勃发展,为了更好的利用光纤中的带宽资源,基于薄膜滤光片(Thin Film Filter)技术的波分复用(WDM)系统在自1996年第一个WDM滤波器被正式应用于通信系统后得到了广泛的应用。虽然在世纪交替的几年里,光通信产业的产业因为泡沫经济的破裂遭受了沉重的打击,光网络市场发生了严重的衰退,运营商的盲目追求大容量和高带宽而造成的眼球效应的方式被逐渐摒弃,取而代之的是更为注重资金、运营支出以及投资回报等财务指标的经济运营方式、和更为看重系统设备的性能价格比,更为重视多业务解决方案,更为关注能够节省人工费用的智能化配置和调度功能的运作模式。经过几年的震荡和用户群体培养造成的消耗,自2005年开始,光网络市场开始出现复苏的迹象,对光器件和网络系统的需求逐渐增多。
  但是这种技术在这几年里经过时间使用的考验后,仍然是人们在组建高带宽光网络的首选技术。由于长途干线容量需求较大,同时由于光纤放大器EDFA和WDM相结合使得WDM在干线中使用非常经济,造成了目前WDM技术依然主要应用于长途干线中。同时随着人们通信需求的不断增长,为了缓解通信网络的拥挤状况、增加网络的灵活性及适应数据业务的需要,美国和欧洲已经开始考虑在城域网中采用密集波分复(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)技术,可以预见,DWDM技术将逐渐从骨干网渗透到城域网和接入网络中。
  随着通信信息需求的迅猛增长,终端用户对服务的带宽要求越来越高,而对服务的价格则希望越来越低。这就要求电信服务提供商要在不断压缩自己成本的基础上不断的提高带宽。作为目前主要的通信信息传输载体,光网路承担的传输任务越来越重,提高通信带宽的方法——增加通信通路,而要想增加通信的通路的数量的方法不外乎两种:
1、 增加铺设的光纤的根数。通过大量的铺设光纤芯数增加通信的通路数量。
2、 增加现有光线通路里面的通信载波的数量,就是增加单根光纤里的通信信道——光纤上增加多通道复用。
  光缆的铺设需要耗用大量的人力物力的成本,占用相当多的空间资源。尤其是在主干网络中,由于传输的距离远,再次铺设和维护都非常困难。虽然现在的光缆的价格已经降的很低,但是现在的价格已经接近了各个光缆生产厂家的成本的价格,电信服务商很难从这个方面再有更高的成本的节省空间,在现有已经铺设好的光纤上增加更多通信的通道数仍然是电信提供商的首选。如何在同一根光纤上更好的实现更多的通道、更少干扰、更高效率的传输,是电信提供商提出来的要求。要解决这样的问题,DWDM薄膜滤波片的改进是一项不可延误的任务。
  在主干网络中,随着通道使用数量的增加,光纤通信传输网络对通道带宽、信噪比、不同通道信号之间的隔离能力等关键指标的要求越来越高,造成组成网络的DWDM光无源器件的相关组件的性能也是随之不断提升,由此对基于窄带干涉滤光片技术的产品的指标要求也是水涨船高,在需求动力的推动下,DWDM器件组装相关的各个产业链的产品的性能提高也就成了必然要求。越来越高的技术参数的要求,对生产工艺的改建提出了挑战,需要有更有力的工艺的支持来完成进一步的改善.


  一、 无源光网络中的主要波分复用技术
  有了需求就有相应的多种技术为之服务,人们对通信跨地域效率的需求促使服务提供商不断的扩充他们的通信容量。而在光通信领域波分复用系统是不容置疑的低成本提高通信容量的方式。
  目前市场上使用的波分复用技术有基于薄膜滤波片的薄膜滤波技术;光纤光栅技术;基于平面PLC的平面光波导(AWG)技术;基于光纤耦合器的级联M-Z干涉法;基于空间衍射光栅的体介质法等多种方法。本文就近就目前应用最多的前三种技术进行对比分析。


  二、 目前主要的波分复用技术
  1、 AWG技术
  阵列波导光栅(AWG)是第一个将平面波导线路(Planar Lightwave Circuit)技术应用于商品化的元件。其做法为特殊的晶圆上沉积光导膜层,再利用微影制程及反应式离子蚀刻法等微观加工工艺定义出阵列波导及分光元件等,然后在最上层覆以保护层。其主要结构如下图所示:


 

  图中A、B两个部分为两个星型耦合波导(输入、输出平面波导)通过按照罗兰圆原理构造排列的阵列波导(此处阵列波导同时组成了一组透射光栅)连接在一起,透射光栅在罗兰圆原理(A、B)的作用下,产生了如下图所示的分(合)波效应。精确的波导膜层沉积技术和达到亚微米量级的光刻技术的出现,使得基于这种原理的分(合)波技术可以通过精准可控的方法达成。并且AWG在晶圆上的实现过程使用与一般半导体类似的制程,在多通道数的制作成本与低通道数相差不多,但更适合量产,而且整合度较高。


 
  正是由于这种高的整合度的优势的存在,使得AWG技术迎合了上世纪90年代末的电信泡沫时期通信容量暴涨的思路;AWG技术把半导体工业的生产模式带入了光器件产业,他使用的PLC技术采用制造集成电路的设备和工具,可以大规模地生产集成光路,同时得到更多的信道数量和更大的容量。因而使得这种技术在这一时期得到了很好的应用,使这一技术在光通信无源器件的应用领域占到了应有的地位。就像集成电路取代三极管分立器件电路一样,在这一时期这一技术希望用它能够高度集成化的优势来占领以分立的TFF器件为主的市场,不过要让这一切变成现实,每种集成模块的功能和分立器件相比,必须具有竞争力。正当怀揣这种技术的厂家踌躇满志,准备大举提高竞争力占领市场的时候,从上世纪末本世纪初开始的泡沫经济的破灭和电信业的滑坡戏剧性地改变了光器件市场的环境,市场低迷沉重打击了人们对40、80甚至160信道技术的热情。也使得这一技术没有完全达到独占市场的地位。

  2、 TFF技术的应用
    薄膜滤波器(TFF)技术是在波分复用商用以来最早得到应用的波分复用技术。这一技术的核心就是F-P腔薄膜滤光片。超过150层高低折射率材料交替组成的F-P腔结果薄膜滤光片在高能粒子技术和射频技术的支持下得到很好的实现,这种滤光片在准直器的配合下形成一个个波分复用器件(如图),包含多波长的光通过入射端口光纤进入器件,滤光片允许通过的波长通过透 射端口光纤输出,反射光信号通过反射端口输出;在将反射光信号引入另外一个波分复用器件进行分光,使另外一路透射光信号输出;如此反复(如图:TFF器件——多通道)就可以将不同波长的光信号进行分离。在这样的结构下,随着通道数的增加,越是后面的通道的光信号的损耗就越大;为了减少通道数增加带来的额外损耗,技术人员采用了多通道分选技术(优化多通道TFF器件)和低插入损耗的滤光片,这样就大大降低了最后一个通道的插入损耗,如上面两个图中的结构里优化的16通道结构的最大插损与非优化的8通道最大插损相近,这样就大大增加了TFF器件的竞争优势。

新一轮经济危机影响下薄膜滤光片技术

 


     在战略性资源铜以及铜缆价格不断提高,光纤和光缆价格的持续降低的状况下,“光进铜退”的理念逐渐深入人心,光通信网络不断向用户端扩展,同时也带动WDM市场不断向用户端挺进。这就给在低通道领域占有绝对优势的TFF技术带来了更大的发展契机,特别是带有升级端口的相关WDM系统得到了应用商的青睐。随着宽带和视频接入政策松动,IPTV的前景更加明朗,宽带业务特别是P2P(点对点)技术的发展和视频播客的兴起导致带宽需求的不断增加,带来的上述因素带来市场需求迅速增加。而在接入网中,绝大部分的分光器件仅仅是使用几个通道的分光器件,实现信号的上行下行或者是实现不同信号之间的分离,使得TFF技术在新的要求下得到了更大的发展空间。

  3、 FBG技术的应用
  光纤布拉格光栅(FBG)利用光纤纤心折射率的周期性变化满足特定的干涉条件时,相应的波长产生全反射,而其余波长会则顺利通过。这个滤波结果相当于一个负滤光片(Notch filter)。而目前采用紫外光源写入,诱导纤心产生折射率产生周期性变化的办法可以使反射光的反射率达到接近100%,并且有着很好的通道隔离能力。

新一轮经济危机影响下薄膜滤光片技术


 
  要想使滤波技术能够应用于通信系统,必须要使这一技术应用于多通道中,而FBG应用于多通道时就产生了一定的困难,如果简单的使用光纤布拉格光栅结构的级联形成合波、分波就需要大量的FBG级联在一起(如实现N个通道的分波就需要N*(N-1)个FBG)。即使使用类似于TFF器件优化结构的方案可以使FBG的用量减少将近一半,其用量也是相当可观的。随着紫外写入技术的成熟和高度自动化使得写入成本降低和合格率得到大为提升的情况下这一技术的应用前景也是很乐观的。而另外一种配合环形器的组装模式可以大大减少FBG的用量,N个通道的模组只需要N个FBG和(N-1)个环形器,环形器的引入使FBG的用量大大减少,但是需要引入费用比较高的环形器来配合使用。

  三、 三种技术的对比
 

新一轮经济危机影响下薄膜滤光片技术

  四、 结论
  2001年初,AWG在其自身优势的引导下势头强劲,似乎要完全占据整个滤波器市场。但是随之而来的市场低迷沉重打击了人们对40、80甚至160信道技术的热情。Lipscomb介绍说,经历了市场低迷后,控制成本就成为人们关注的首要问题。大部分系统制造商在系统设计时都采取了按需搭配的方法,这就给了TFF技术新的发展机会。例如一个新系统设计之初只有四个信道,在以后如果有新的需求,可以再增加一个4信道模块。这种部署方案的总成本远比一开始就采用AWG的成本要高,Lipscomb说甚至会高达4到5倍。在市场低迷时期,运营商只会在通信容量确实有需求,利润确实可以保证的时候才会部署新的信道。虽然逐步部署新信道的成本比一次部署要高,但是他们可以将这部分成本转嫁给用户。
  在密集波分复用器市场中,薄膜滤波器型(TFF)波分复用器的技术较为成熟,适合大部分DWDM器件的要求,且目前成本较低,性能和可靠性较好,应用较广,约占整个市场的45%;阵列波导光栅型(AWG)波分复用器集成度高,体积小,波长数愈多,其制造成本优势愈明显,约占40%;光纤布拉格光栅型(FBG)波分复用器比较适用于制造50GHz的DWDM器件,约占15%。
  TFF技术以其独特的优势还将在光网络里继续进一步体现它的应用价值。在由美国金融海啸的影响下,金融业为了降低其成本对通信流量的巨大需求有了很大的萎缩;而在由金融海啸引发的经济危机得影响下,很多其他的行业和个人也在为降低运营和生活成本不断压缩其对通信流量的需求;同时网络运营商出于对短期运营成本的考虑,会更多的考虑在原有的系统基础上升级,或采用较少的通道(价格)的产品来满足目前的运营需求,这同样也给TFF系列产品的发展留下了空间,因此在3~5年之内TFF技术将仍然是无源光网络里的主要应用技术之一。
  在未来的发展中,笔者介绍的这三种波分复用技术的整合利用将会成为发展的主流,每一种技术再无源光网络里发挥着他们独有的技术优势使光通信的技术、质量提高到一个新的体系之中

参考文献
[1] 王怡韵。不同DWDM器件的比较。通讯世界,2002.1
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[4] 罗来荣。采用CWDM打造固网光进铜退宽带传输接入层网络。《通信产业报》 2008年第14期
[5] 郑兴国、杜春雷、邱传凯。阵列波导光栅制作关键技术。光子技术。第二期,2004.6
[6] 刘军、孙军强等。低插入损耗多通道介质膜型波分复用器。光通信研究,2005年,第2期


作者简介:
陈晓东:男,同济大学电子与通信工程专业,硕士,专业特长:光通信网络与器件
胡宗福:男,同济大学电信学院,教授,硕士生导师,专业特长:通信与信息系统,光纤通信

 

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