上海光芯制作多模光分路器技术的比较

　　ICCSZ讯 成立于2011年1月的上海光芯集成光学股份有限公司(简称“上海光芯”)，公司主营基于离子交换技术研发、生产、销售PLC光学芯片，目前单模PLC分路器芯片已经实现规模批量化生产。此外，目前国内市场上能做多模光分路器芯片的技术只有上海光芯拥有的玻璃基离子交换技术与熔融拉锥技术。以下为制作多模光分路器技术的比较。

　　玻璃基离子交换型多模光分路器芯片：

　　玻璃基离子交换型多模光分路器芯片主要制作方法是通过镀膜、光刻工艺在玻璃基片表面的镀膜层刻下设计好的器件图形，然后通过离子交换在玻璃基片内部形成与图形相吻合的折射率变化区，进而构成具有光学功能的光波导器件芯片，经过封装，成为多模光分路器。与熔融拉锥多模光分路器相比，玻璃基离子交换型多模光分路器具有的优点是体积小巧，集成化批量生产， 波长不敏感，可以是1×4以上的多分支多模器件。

(A)

图1 (A)玻璃基离子交换型多模光分路器示意图 (B)1×2器件实物图

　　主要优点：

　　1. 可集成化批量生产;

　　2. 体积小巧，多分支器件也不会引起器件长度呈几何级数增长;

　　3. 插入损耗低，均匀性好;

　　4. 器件一致好，无温漂;

　　5. 波长不敏感，可适用于多波段。

　　主要缺点：

　　1. 因为玻璃基离子交换技术为新技术，因此市场上知名度不高

　　熔融拉锥型多模光分路器：

　　熔融拉锥多模光分路器的制作是将两根或多根多模光纤捆在一起，在拉锥机上熔融拉伸，实时监控分光比的变化，当分光比达到要求时，停止熔融拉伸，其中一端保留一根光纤，其余光纤剪去，作为输入端，另一端则作多路输出端(图2)。熔融拉锥型多模光分路器由于其制作过程的实时监控性，使得其损耗控制较为精确，可以制作多种分光比的光分路器件。但由于多分支一次性熔制的复杂性，目前成熟的熔融拉锥工艺一般限于1×4 以下的光分支器件。1×4 以上的器件由于成品率和生产效率较低，一般用多个1×2 的器件级联而成。

(B)

图2 (A)熔融拉锥型多模光分路器示意图

　　(B)1×2 器件实物图

　　主要优点： 1. 工艺成熟简单，设备和工艺具有沿用性 2. 制作成本低廉 3. 分光比可以实时控制，可以按照要求实现非均分的光分路器

　　主要缺点： 1. 波长敏感性：熔融拉锥多模光分路器的分路功能是通过光纤间耦合实现的，是定向耦合器的结构，一般一种耦合结构只适用于一个波长。不过，如果通过多波长的实时监控，可以实现具有多波长兼容性的多模光分路器，但是牺牲了各波段下的的最佳损耗，同时多波长的多模光分路器由于监控窗口较多，拉制效率比单波长器件要低得多。 2. 温度依赖性(TDL)：插入损耗随温度变化变化量大。 3. 级联导致插损较大、均匀性较差，影响光路整体传输距离。4. 多路分路器(如1×16、1×32)体积比较大，可靠性也会降低，安装空间受到限制。例如：熔融拉锥型多模1×8光分路器由7个1×2单元熔接而成，封装尺寸通常为100×80×9mm3，而玻璃基离子交换型多模1×8光分路器封装尺寸仅为50×3×3mm3。

　　两种光分路器的比较

　　1. 工作波长

　　玻璃基离子交换型多模光分路器对工作波长不敏感，覆盖了现阶段各种PON标准所需要的所有可能使用的波长以及各种测试监控设备所需要的波。

　　熔融拉锥型多模光分路器，由于拉锥过程产生的光纤模场的变化，需要根据需要调整工艺监控工作窗口，根据需要可将工作波长调整到850nm，1300nm 等工作波长(俗称工作窗口)。通常单窗口的器件工艺控制较成熟，双窗口工艺较复杂，拉制效率较低。工艺控制不好的情况下，随着工作时间延长和温度的不断变化，插入损耗会发生变化。

　　2. 分光均匀性

　　玻璃基离子交换型多模光分路器的分光比由设计掩膜版时决定的。目前常用的器件分光比都是均匀的。由于半导体工艺的一致性高，器件通道的均匀性非常好。可以保证输出光的大小一致性好。熔融拉锥型多模分路器的分光比可根据需要现场控制，如果要求1×N 均分器件，则用N-1 个均分1×2 组合而成。因为每个1×2 器件不可能做到完全均分，所以串接而成的1×N 器件最终的各通道输出光不均匀性被乘积放大，级数越多，均匀性越差。如果要求均匀性好，需要经过精确计算配对。

　　3. 温度相关性(TDL)

　　玻璃基离子交换型多模光分路器工作温度在-40~+85℃，插入损耗随温度变化而变化量较小;熔融拉锥型多模光分路器通常工作温度在-5~+75℃，插入损耗随温度变化的变化较大，特别是在低温条件下(<-10℃)，插入损耗较不稳定。为了保持其性能的稳定性，会增加能源消耗，而玻璃基离子交换型则没有这个问题。

　　实测数据结果比较如下：

　　4. 偏振相关损耗(PDL)

　　玻璃基离子交换型多模光分路器的PDL通常小于0.15dB，即使路数增加也不会因此增加其PDL;而熔融拉锥型多模光分路器的PDL会随级联级数的增加而叠加，1×2的PDL通常为0.15dB，而1×8级联型则将达到0.45dB。

　　5. 体积

　　玻璃基离子交换型多模光分路器较熔融拉锥型光分路器具有明显的优势，在零散使用环境下，体积一般不会成为主要问题，但在大规模组网时，考虑到集成布网的空间，体积显得非常重要。

　　6. 成本

　　玻璃基离子交换型多模光分路器的主要成本是设备成本和材料成本(芯片和光纤阵列)。该器件的整条流水线较拉锥设备昂贵，一次性投入较高，但随着生产规模扩大，产量越高，平摊到每个器件的成本越低。

　　拉锥型多模光分路器成本主要是人工成本和合格率成本。原材料成本很低(石英基板, 光纤, 热缩管, 不锈钢管等)，低分路器的成本很低，高分路器件成品率较低，高分路器件成本较高。

　　7. 产量

　　玻璃基离子交换型多模光分路器产量大，以1×4的4寸晶圆、12个工人为例，日产量可逾上千芯片，以6寸晶圆计算，日常量可逾5000芯片，人员、设备数量不变;

　　熔融拉锥型光分路器产量取决于工人的人工熟练度，以熟练工人为例，一天1×4型器件的产量为30-50个/人/8小时，28个工人24小时产量才可达千个器件，如要增产，设备需增加。

　　8. 可靠性

　　玻璃基离子交换型多模光分路器理论上只在芯片和两个光纤阵列之间的耦合点可能发生故障，1×N器件的可能故障点也只有输入和输出端两个;

　　而1×N熔融拉锥型多模光分路器有2N-3个熔接点(N-1个单元，N-2个熔接点)，即可能故障点，可能故障点越多，系统可靠性越低。

　　另玻璃基离子交换型多模光分路器结构紧凑，机械耐受性较好，可抵抗较强的机械外力，具有标准的机械性实验体系;而熔融拉锥型多模光分路器由于节点多，光纤拉伸过程中容易发生划痕等微观缺陷，因此，其抗机械冲击、机械振动性能较差。使用时不能剧烈撞击或跌落。

　　总结

　　综上所述，玻璃基离子交换型多模光分路器和熔融拉锥型多模光分路器各有优缺点。

　　熔融拉锥型器件由于产品生产历史长，工艺比较普及，设备成本较低，在成本方面有明显优势。低分路情况下其光学技术指标与玻璃基离子交换型器件相差不明显，当器件应用环境要求不高时，低分路(1×4以下)熔融拉锥型器件有明显优势。在高分路情况下，由于其成本优势不明显，加上技术指标均匀性较差，工作波长限制，以及可靠性等方面，与玻璃基离子交换型多模光分路器差距明显。

　　玻璃基离子交换型多模光分路器由于工艺技术水平较高，有一定的技术和资金门槛，成本相对略高。由于芯片制作具体大批量、规模化特点，在多路数器件制作以及大批量生产上，及未来对器件工作环境要求不断提高的条件下，较熔融拉锥型多模光分路器具有明显的优势。