PON网络光分路器简述

C A M E L PON 网络光分路器简述光分路器是PON 网络ODN 至关重要的无源光器件，PON 网络点对多点的无源光网络结构，正是由无源光分路器在下行方向将光功率均分，在上行方向将光功率合路来体现的。

可以这么说，无源光分路器支撑了PON 的点对多点结构。

光分路器是指在一定的波长范围内，对光信号功率耦合以实现光功率分路或合路的无源光器件，虽然WDM PON 的研究已经开展了几年，但本文讨论的光分路器不含按光信号的波长进行信号分路或合路的波分复用器件。

一、 光分路器的分类光分路器按照端口型式可分为星形和树形两类，输入端口数与输出端口数相等的为星形光分路器，输入端口数与输出端口数不等的为树形光分路器。

PON 网络使用的是1×N 或2×N 的光分路器，属于树形光分路器。

按照制造材料可分为光纤热熔拉锥光分路器和平面波导光分路器。

这两种光分路器在PON 网络上均有应用，通常1×2或1×4有采用光纤热熔拉锥光分路器，1×4以上采用波导型光分路器。

按照工作带宽来可分为单窗口窄带分路器、单窗口宽带分路器、双窗口宽带分路器以及全波段宽带光分路器。

一般来说，热熔拉锥型光分路器对应单窗口和双窗口，PLC 平面波导型光分路器的工作波长范围为1250nm~1650nm ，属全波段宽带光分路器。

1、 光纤热熔拉锥型光分路器热熔拉锥型光分路器可用一个2×2的模型来说明，如图一：图一 热熔拉锥型分路器原理示意图热熔拉锥型光分路器是用两条光纤除去涂覆层，在一定的长度区域内相互贴近，在高温下加热熔融，同时向两侧拉伸形成双锥体的波导结构，最后把耦合区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内，封装成2×2光分路器，将一端的一个端口去除，即为1×2光分路器。

这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致，容易导致光分路器损坏，尤其在野外使用时情况更严重，这也是此种类型光分路容易损坏的主要原因。

C A M E L 其原理是两条紧贴的光纤在高温下热熔拉伸形变，纤芯变细，光纤的归一化频率逐步减小，单模光纤中传播的基模导入热熔拉伸区域时，因模场直径减小，根据光的波导理论，越来越多的光能会进入光纤的包层，而在热熔拉伸区域，两条光纤的包层是合在一起的，且纤芯非常靠近，从而形成光波耦合，光波的能量耦合到另外一条光纤之中。

经过耦合区后，纤芯逐渐变粗，归一化频率增大，模场直径增大，光功率又逐渐被限制在直通端和耦合端的光纤中，最终在两个输出端输出。

通过控制耦合区域长度、光纤半径、两条光纤轴线间距、纤芯和包层的折射率，可以控制直通端和耦合端的光功率比值，从而制造出适合实际需求的光分路器。

例如输出功率相等的光分路器、两输出功率之比为5：95的光分路器，后者通常使用在有线电视HFC 网络中。

采用2×2光分路器作为基本单元，就可以制作1×N 、2×N 或N×N 的光分路器，参见图二。

图二 1×4、1×16光分路器示意图 2、 PLC 平面波导型光分路器PLC （Planar Lightwave Circuit ）平面波导型光分路器采用半导体工艺，具有体积小、易于集成、分光均匀、机械及环境稳定性好的特点，最近几年随着工艺技术的成熟，价格下降的幅度较大，目前已经成为PON 建设的首选。

图三 PLC 光分路器结构 图三是PLC 光分路器的结构示意图，光波导阵列位于芯片的上表面，分路功能集成在芯片上，在一只芯片上实现1：1等分路；然后，在芯片两端分别耦合输入端以及C AM E L 输出端的多通道光纤阵列并进行封装。

相比热熔拉锥，PLC 型光分路器有以下优点：■ 损耗对波长不敏感，PLC 型光分路器在1260nm~1650nm 很宽的波长范围内插入损耗与波长的相关性很小。

■分光均匀，可以实现光信号功率均匀的分配。

■ 单个器件分路多，目前已经有1×64分路比的分光器，可以满足PON 建设的需要。

■ 结构紧凑，体积小。

PLC 光分路器的芯片目前被国外几家公司垄断，因此制造技术主要为封装技术，相比热熔拉锥，PLC 的封装技术因技术门槛高，国内能大批量生产的企业还不是很多，因此价格相对昂贵。

PLC 分路器的封装是指将平面波导分路器上的各个导光通路（即波导通路）与光纤阵列中的光纤一一对准，然后用特定的胶（如环氧胶）将其粘合在一起的技术。

其中PLC 分路器与光纤阵列的对准精确度是该项技术的关键，涉及到光纤阵列与光波导的六维精密对准（三个平面维X、Y、Z，三个角度维α、β、δ），如1×8的PLC 光分路器，其8芯光纤阵列的最高累积间隔误差平均为0.48微米，难度较大。

二、 光分路器的几个关键指标为简单理解起见，下面几个关键指标均指1×N 分路比的光分路器。

1、 插入损耗（Insertion Loss ）：工作波长在指定输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减少值，单位为dB 。

式中IL j 为第j 个输出端口的插入损耗 P outj 为第j 个输出端口的光功率，单位mW P in 为输入端的输入光功率，单位mW 在PON 网络中使用的光分路器为光功率均分型，各个输出端口的插入损耗在名义上是相等的，但是在选型时应该要求厂商提供每个端口的测试数据。

有一点需要特别说明，由PON 的工作机理知道，PON 网络使用的光分路器的插入损耗实际是指其下行通道。

上行通道是个合路的过程，因为PON 的上行是TDMA 时分复用，每个分支的ONU 只能在OLT 授权的时间内才能向OLT 发送数据，因此，对于特定的ONU 来说，在其允许向OLT 发送数据的时间段内，向上的链路是“独享”的，此时光分路器的插入损耗较小，实际ONU 的发射功率要比OLT 的发射功率要小得多。

插入损耗的技术要求，可以参考YD/T 1117，1×N 光纤型光分路器的插入损10lg outj j in P IL P =−C A M E L 耗要求为：20.6 3.6log IL N ≤+单位：dB ，不包括连接器损耗热熔拉锥型光分路器以及PLC 型光分路器均能满足上述指标，一般厂商提供的产品其插入损耗指标大部分优于上述要求。

下面是国内一厂商提供的PLC 型光分路器的插入损耗指标： 分路比 1×4 1×81×16 1×32 1×64 插入损耗（dB ） 7.511.0 14.0 17.5 21.5 2、 均匀性：用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。

定义为：在工作带宽范围内，均匀光分路器各输出端口输出光功率的最大变化量，单位为dB 。

式中，P outmax ，输出光功率的最大值，单位mW P outmin ，输出光功率的最小值，单位mW 对于均分光分路器，其均匀性指标参考YD/T 1117，要求为： 21.50.7log FL N ≤+PLC 型光分路器的均匀性指标远优于上述要求。

3、 方向性：用来衡量光分路性定向传输性能的参数，定义为：光分路器正常工作时，输入一侧非注入光的端口输出光功率与输入光功率（被测波长）之比，单位为dB 。

式中P i ，输入侧注入光功率，单位mW Pj ，输入侧，非注入第j 端口的输出光功率，单位mW要求≥55dB 。

需要注意的是，对于1×N 热熔拉锥型光分路器，其内部存在N-1个多余的悬空端面，这些悬空端面如果不做消反射处理，会因端面反射影响光分路器的方向性指标。

由于PLC 型采用半导体芯片技术，分路在芯片上完成，而导光在芯片上表面，其影响很小。

4、 偏振相关损耗PMD ：用来衡量光分路器对于传输光信号的偏振态的敏感程度max 10lg minout out P FL P =−10lg j ij i P DL P =−C A M E L 的参数，定义为传输光信号的偏振态在0°~360°变化时，光分路器各输出端口输出光功率的最大变化量，单位为dB 。

式中：PDL j ，第j 个输出端口的偏振相关损耗P outjmax ，第j 个输出端口的输出光功率最大值，单位mWP outjmin ，第j 个输出端口的输出光功率最小值，单位mW从定义中可以看到，偏振相关损耗需要表述光分路器的输出端口的，对于光功率均分的光分路器，其指标要求为：PLC 型光分路器的PDL 指标一般均优于上述要求5、 回波损耗：用来衡量光分路器分支引起的输入光功率沿输入路径返回的光功率大小的参数，单位为dB 。

式中，P in 输入光功率，单位mW P r 沿同一输入端返回的光功率，单位mW PON 网络中使用的光分路器通常在输入输出端安装连接器，其端面有PC 、UPC 、APC 等类型，PC/UPC 端面，各分支的回波损耗通常要求大于40dB ，APC 端面通常要求大于45dB 。

PLC 型光分路器的回波损耗指标PC 端面达到50dB ，APC 端面达到55dB.6、 附加损耗：用来衡量光分路器由于制造工艺带来的光功率损失的参数，定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值，单位dB.制造工艺决定附加损耗，热熔拉锥1×2光分路器的附加损耗的典型值为0.04dB ，PLC1×2光分路器的典型值在0.02dB 以下，1×N 光分路器是由1×2为基础单元串接而成，由于工艺水平的提高，现在的光分路器附加损耗已经可以做得较小，很多厂商提供的参数中并不含附加损耗，实际选用时应该向厂商咨询该指max 10lg minoutj outj j P PDL P =−20.1(1log )PDL N ≤+Pr 10lg in RL P =−10lgn outi i inP EL P =−∑标，因为从附加损耗指标可以看出生产厂商的工艺水平。

下表是某采购标书对附加损耗的要求，可作参考：分路比1×4 1×81×16最大附加损耗(dB) 0.4 0.6 1.2LEMAC。