我国光无源器件的技术进展和发展趋势

    我国光纤无源器件虽然至今只有20多年的历史，但在技术上取得了长足的进步。从科研到小批量生产再到形成产业群，基本满足了我国各时期电信网、有线电视网和宽带网对光无源器件的需求。目前我国光纤连接器、光纤耦合器和二波长复用器的制造技术和一般性能已与国际先进水平相当。与此同时，由于相关技术基础较为薄弱，科技投入较少，所以在密集波分复用器方面只有薄膜滤波型产品，大端口数矩阵光开关还属空白，有待进一步开发。

一 光连接器
1. 技术进展
　　我国单芯光纤连接器的制造技术、产品型号与发达国家是一致的，都由陶瓷套管和外围零件组装而成。主流产品的型号是套管直径为2.5mm的FC型、SC型和ST型，近年来已有一些单位能生产套管直径为1.25mm的LC型和MU型，所用的设备基本上都是进口的，所以产品的技术性能也与国际先进水平相当。插入损耗一般都小于0.2dB，典型值为0.1dB; 回波损耗根据插头端面的形状，PC型(球面曲率半径为15~25mm)≥40dB，UPC型(球面曲率半径为10~15mm)≥50dB，APC型(端面有角度，一般为8°)≥60dB。所以国内光通信工程所用的绝大部分连接器都是国产的，还有相当一部分出口。

　　我国已经完全掌握光纤连接器的关键零件—插头的陶瓷套管和插座的陶瓷套筒的精密加工技术，生产量已占全球需求量的20%左右，有大量的产品出口。美中不足的是陶瓷毛坯基本上还要进口。虽然已有一些企业在引进这项技术，但要真正能大量提供产品，还有待时日。

　　关于连接器的外围零件，除SC型的个别精密塑料模注成形的零件外，我国都能生产。对于同是检验合格的连接器来说，在外观上已分不清进口零件和国产零件。差异主要反映在批量的合格率和互换性上，一般进口的合格率高，互换性好; 国产的合格率稍差，有时互换性会有些问题。这主要是因为进口零件的加工精度更好些。

　　我国在整体式多芯光缆连接器方面也取得了较大进步。已研制成功GLK系列的近场型多、单模连接器，光纤芯数有2芯和4芯。多模的插入损耗均≤0.5dB; 2芯单模的插入损耗≤0.6dB; 4芯单模的插入损耗≤1dB。抗拉强度≥1000N。采用塑料模注成型的卡扣式连接机械结构，便于制造和使用。此外还有各种光电复合缆的密封连接器，如2光2电、3光2电、3光4电等，其光学性能与光缆连接器相同，其电气性能与电连接器相同，目前这些产品主要应用在军事装备上。

2. 发展趋势
　　根据发达国家光连接器的发展趋势，在现有的套管直径为2.5mm的FC型、SC型和ST型连接器继续增加的同时，套管直径为1.25mm的LC型和MU型连接器将会以较快的速度发展，此外MT-RJ、MTP、MPO、MAC等带状光纤连接器也会逐步发展起来。将来套管直径为2.5mm的连接器、套管直径为1.25mm的连接器和带状光纤连接器可能形成三分天下的格局。

连接器用套管材料的发展趋势是许多人关心的话题。由于陶瓷材料在温度特性和机械特性方面的优点，十多年来一直是连接器套管的主导材料，但它价格较贵，所以其它材料如金属、塑料和玻璃的试验一直未停止过，总想取而代之。随着大批量的生产，陶瓷套管的价格逐渐下降，所以陶瓷材料一直占有统治地位。近来日本在金属材料套管的制造技术上有所突破，采用电铸的方法，可以廉价地生产各种形状和规格的套管，并在我国寻找合作伙伴，这对陶瓷材料是有力的挑战。

将来的发展趋势还是要看这两种材料的竞争情况。通过改进大批量生产中的技术和管理，陶瓷套管的价格已经降到很低的水平，以至目前光连接器的价格只有30元左右。今后随着人们收入水平的提高，即使光纤到户，估计这样的价格老百姓也是能够承受的。问题是在这样的情况下，金属套管如何竞争？如果以与陶瓷套管相同或较低的价格竞争，人们由于习惯以及十多年来的经验，一般不会采用金属套管; 如果以低于成本价进行以占领市场为目的“不正当竞争”，能争取到多少用户，并在以后再提高价格来收回初期投入，也有很大风险。

二 光耦合器
1. 技术进展
　　我国光纤耦合器的制造技术、生产的产品与发达国家是一致的，都采用熔融拉锥设备制成熔融双锥体，然后进行一次和二次封装，所以其基本的光学性能也与国际先进水平相当。2×2或1×2耦合器的附加损耗一般≤0.2dB，隔离度≥ 55dB，分光比可以从1∶99到50∶50。其带宽性能分别有标准型(±20nm)、宽带型(±40nm)和波长平坦型(1310~1550nm)。国内所需的这些耦合器及其级连的树型耦合器、星型耦合器绝大部分都是采用国产的。

　　我国在熔融拉锥设备的制造技术方面也有很大提高。过去国产设备在工艺过程控制和产品质量的稳定性方面与进口设备的差距较大，经过有关专业公司的努力，现在这种差距已经逐步缩小，因此国产设备的市场份额有了明显的提高。

　　我国在研制特种光纤耦合器方面也有很大进步。例如2×2保偏光纤耦合器，其消光比可达25 dB，接近国际水平，但附加损耗为0.5 dB，略差于国外。这些耦合器已应用于光纤陀螺、光纤水听器的研制。

2. 发展趋势
　　首先是继续提高耦合器的带宽性能。随着城域网、局域网以及接入网的不断发展，需要全波段工作的器件是必然趋势。对耦合器而言，工作波长需要从波长平坦型(1310~1550nm)发展到全波型(1260nm~1650nm)。

　　光纤耦合器技术的另一个重要发展趋势是提高产品的机械和环境性能。我国有些企业希望将生产的光纤耦合器以OEM方式销往国外，即以外国公司的牌子进行销售。但不管采用国产的还是进口的设备，产品往往很难通过国外较严格标准(如Telcordia标准)的机械和环境性能试验。估计是对熔融拉锥工艺、半成品温度筛选、封装工艺和材料等缺乏深入的研究。所以我国还应对这些问题进行技术攻关，以便出口甚至在国际上创建中国自己的品牌。

　　还有一个值得注意的动向是“无拉锥区熔融扩散法”的制造方法。这种方法的特点是只熔融，不拉锥。其基本原理是在熔融区域内，光纤纤芯里固有的Ge2+的热扩散现象，导致模场直径增大，实现光纤间的光耦合。通过控制扩散时间和温度可以制造预定耦合比的不同产品。这种方法的优点是没有变细的拉锥区，因而大大改善了耦合区的应力状态，不易产生耦合区的断裂，从而提高了产品的可靠性。两根光纤融合后的耦合区的理论直径为176.8μm(实际测得的数据为175μm)，这比拉锥后的耦合区直径大3~6倍。此外，这种方法可以利用现有制造设备的热源系统、光功率监测系统和微机控制系统，然后对夹持机构作一些改进，无需拉伸机构，十分简易。更为可喜的是，利用这种方法同样可以制造各种标准耦合器、宽带耦合器、整体式的1×3和1×4耦合器、光纤衰减器和波分复用器等。

三 波分复用器
1. 技术进展
　　我国应用熔融拉锥设备，已能生产与国外相同的各种二波长的波分复用器(WDM)。其性能也与国外相当，插入损耗一般≤0.3dB，波长隔离度≥20dB。主要产品有1310/1550nm(带宽为±15nm)，用于通信信号的复用; 980/1550nm(带宽为±20nm)和1480/1550nm(带宽为±5nm)，用于光纤放大器泵浦光源和信号光源的复用。在这三种产品中，1310/1550nm、980/1550nm 波分复用器的生产工艺比较稳定和成熟; 1480/1550nm波分复用器由于波长间隔很小，而且重复性差、成品率低、性能差及可靠性低，所以较难制造。

　　在密集波分复用器(DWDM)方面，目前我国主要生产薄膜滤波器型产品。如信道间隔为200GHz的有4信道和8信道两种产品，典型的插入损耗分别为1.6dB和3dB; 信道间隔为100GHz的有4信道和8信道两种产品，典型的插入损耗分别为3.5dB和5.5dB。由于相关技术基础的薄弱以及科研投入不够，我国目前尚无光子集成器件的阵列波导光栅型波分复用器(AWG)和光纤光栅型波分复用器。

　　我国最近还研制成功了基于薄膜滤波器技术的40信道密集波分复用器，并利用C(常规波长)/L(长波长)带WDM和梳状滤波器(Interleaver)研制了160信道的密集波分复用器，如图所示。其信道间隔为50GHz，最大插入损耗为7.8dB，各信道插入损耗的差别≤1.5dB，与偏振有关的损耗(PDL)≤0.3dB。

　　此外，我国还采用薄膜型滤波器开发了粗波分复用器(CWDM)，以适应城域网建设的需要。众所周知，DWDM价格昂贵，用于干线网时由于拥有很大的客户群，所以其分摊后的价格是可以接受的。但在城域网中，由于没有很大的客户群，所以DWDM的价格无法接受，这里需要一种波长间隔为20nm、复用路数不要很多的所谓粗波分复用器。我国开发的CWDM有4信道和8信道两种，典型插入损耗分别为2dB和3.5dB，隔离度 30dB。

2. 发展趋势
　　在熔融型的二波长复用器方面，应进一步提高其带宽性能，尤其是1310/1550nm和1480/1550nm复用器的带宽，应尽量接近20nm，以满足系统的需求。此外，在采用熔融拉锥或熔融扩散方法制造CWDM方面，值得各耦合器制造商进行试验。我国已有数十台熔融拉锥设备，可以在掌握一般的二波长WDM的制造技术的基础上，进一步制造CWDM，以满足逐渐兴起的城域网建设的需要。据有关专家分析，制造CWDM时，在工艺上首先应减小器件的偏振灵敏度对拉锥长度的依赖性，其次是提高器件的波长隔离度和可靠性。

　　今后我国应在光子集成器件的阵列波导光栅型波分复用器(AWG)和光纤光栅型波分复用器方面加大投入，以便尽快研制出我国需要的DWDM。AWG适用于路数更多的复用，而且其制造成本与复用路数基本无关。它体积小、抗振性能好、便于大批量生产，成本低。光纤光栅更适宜于制造50GHz的DWDM，而且它还可以应用于光纤激光器、光纤放大器、各种光纤传感器。这些器件无论在民用方面还是在军用方面都很有应用前途，所以我国在光子集成和光纤光栅研究方面应尽快从理论和实验阶段走向小批量生产和产业化阶段。

四 光开关和其他
1. 技术进展
　　我国在光开关方面的技术进展不是很大。目前所生产的产品都是传统的机械式光开关。例如，端口数为1×2、2×2、1×4的光开关，插入损耗≤0.6dB，重复性为±0.03dB，回波损耗≥55dB，隔离度 ≥60dB，开关速度为16ms，工作寿命≥100万次。又如，端口数为1× 8、1×12、1×16、1×24的光开关，典型插入损耗为0.8dB，重复性为±0.015dB，典型回波损耗为50dB，隔离度≥60dB，开关速度≤15ms，工作寿命≥100万次。我国尚未出现以光子集成技术为基础的大端口数矩阵光开关的商品。

　　此外，我国在光隔离器、光环行器和光准直器等方面也有一些进展。光隔离器单级的最小隔离度为30dB，最大插入损耗为0.6dB; 双级的最小隔离度为45dB，最大插入损耗为0.9dB。光环行器的插入损耗≤0.9dB，隔离度≥45dB。光准直器有P级和A级两种，典型插入损耗为0.18dB和0.22dB，回波损耗分别≥65dB和≥60dB。

2. 发展趋势
　　随着全光通信网络技术的发展，对大端口数矩阵光开关的需求会逐渐增加。这种光开关目前在国外的研究也刚刚开始，主要是采用光子集成技术的微电子机械开关(MEMS)和热光式开关。这需要光子集成器件、光交换技术以及光纤与波导耦合技术等各方面大力协同，努力攻关。此外，在国外技术比较成熟、形成批量生产能力时，可以考虑进行技术引进。