形识洞察 | 一文读懂：平面光波导（PLC）分路器耦合技术

  ICC讯   高速光纤宽带、流畅云服务及实时5G通信，均离不开PLC分路器耦合技术的支撑。作为光纤通信网络的关键无源器件，PLC光分路器决定着FTTH与PON网络的信号分配效率。本文将系统介绍其分光原理及芯片与光纤的精密耦合工艺。

  PLC光分路器介绍

  PLC光分路器是由一个PLC分路器芯片和多个光波导阵列（即输入端和输出端光纤阵列）组成，光纤阵列分别耦合在PLC分路器芯片的两端。也就是说，芯片的两端分别耦合封装输入端和输出端多信道光纤数组，而光信号的分路功能全部在芯片上完成。一个芯片上即可实现多达64个分路（常见规格为1×64，部分设计可扩展至128路）。

图 PLC光分路器中PLC芯片与FA自动耦合封装

  核心原理：Y形分支与功率分配

  PLC分路器的核心功能是功率分配。其基本原理是利用嵌入在芯片中的通道波导，让光在传输过程中经过特定的分支结构，将光能量从一个波导均匀地分配到多个波导中。

  最基本的构建模块：1×2 Y形分支单元

  所有PLC分路器都始于这个最简单的结构：一个输入波导在某个点对称地分裂成两个完全相同的输出波导，形状像一个大写字母“Y”。

  理想情况下，由于结构的严格对称性，光功率会被均匀地分配到两个输出臂中，每个输出端口恰好获得50%的输入功率。对应的理论分配损耗为：

  −10log10(1/2)≈3.01dB

  也就是说，即使没有任何额外损耗，分光这件事本身就会带来约3dB的功率损失。

  在实际器件中，由于波导表面粗糙度、材料吸收、弯曲辐射等因素，还会产生额外的附加损耗。因此，一颗1×2 PLC分路器的实际插入损耗通常在3.3dB左右。

  如何实现不同的分光比（如1xN）

  一个标准的1xN（例如1x4, 1x8, 1x16, 1x32, 1x64）是通过级联多个1×2等比分光单元来实现的。

  以1x4分路器为例：

  1. 第一个1x2分路器将输入光分成两等份（每份50%）；

  2. 每一份光再分别进入一个独立的1x2分路器；

  3. 最终，光被均匀分成4等份，每个输出端口获得25%的输入功率。

  同理，1×8需要3级级联（共7个1×2单元），1×16需要4级级联（共15个1×2单元），依此类推。

  通过控制级联的级数和每个1x2分路器的分光比，理论上可以实现任何1xN或MxN的拓扑结构。

图 平面波导型（PLC）光分路器平面示意图

  耦合对准：PLC分路器的“灵魂工艺”

  光波导芯片做得再好，如果和光纤“对不齐”，一切都是白费。耦合对准是整个封装过程中技术难度最高、直接影响产品性能的关键环节。

  为什么要对准？

  PLC芯片光波导模场仅4–6μm，单模光纤模场约8–10μm。两者尺寸不同、形状差异也很大：芯片波导截面通常为矩形，而光纤模式是圆高斯型。

  若无六维高精度对准，光轴偏移与模场失配会造成严重光能量泄漏，大幅增加耦合损耗。

  集成光子芯片常通过SSC 模斑倒锥结构放大芯片模场，适配光纤模式；而石英基PLC分路器，主要依靠精密对准、波导优化与折射率匹配封装，提升模场重叠率，实现低损耗高效耦合。

  六维对准有多精密？

  PLC分路器的耦合涉及6个自由度的调节：X、Y、Z三个方向平移，以及α、β、γ三个方向转动。要使封装后的器件性能良好，对准的平动精度要求通常在亚微米至微米级，转动精度高于0.01度（具体取决于器件指标）。

图 形识智能PLC光波导耦合装备高精度双六轴调整台

  一根头发的直径大约是50-80微米——亚微米级的对准精度意味着要将光纤与芯片对准到头发丝直径的百分之一甚至更低级别。

  手动对准 vs 自动对准

  传统的手动对准依赖操作人员通过显微镜观察，使用六维精密调节平台逐点调整。手动对准虽然设备成本低，但存在效率低、重复性差、人为误差大等问题——操作人员需长时间保持高度专注，易因疲劳导致对准偏差。据行业数据，人工单次对光平均耗时约4分钟，返工率可高达12%。

  相比之下，自动对准系统通过高精度六轴台、动态视觉闭环补偿系统与智能优化算法，实时监测输出端的光功率，并根据功率变化动态调整位置，直至找到最优耦合点。这种自动化方法不仅能将对准时间压缩到秒级，还能将插入损耗波动范围从0.4-0.9dB缩小至0.1-0.5dB，返工率降至2%以下。

  光纤与PLC芯片耦合流程

  1. 耦合前准备

  芯片预处理：端面研磨抛光 (粗糙度 Ra<5nm)，清洁去除污染物；

  光纤阵列制备：光纤与V型槽精确对准，UV胶固化，端面研磨；

  器件清洁：采用超声波清洗+等离子体处理，确保耦合界面无杂质。

  2. 主动对准-核心流程

  粗略定位：通过显微镜或机器视觉系统，将光纤阵列与芯片端面初步对齐；

  精密扫描：通过六维电动位移台，在X、Y、Z三个平移轴和俯仰、偏摆、旋转三个旋转轴上微动，扫描光纤的位置；

  寻找峰值：当扫描到光功率计读数最大时，即表示光纤与波导达到了最佳对准位置。

图 形识智能PLC光波导耦合装备示意图

  3. 点胶与固化

  UV光固化：在对接处点涂折射率匹配的紫外胶，然后用紫外光照射使其快速固化。

  4.测试与检验

  封装后进行插入损耗、回波损耗、均匀性等全参数测试，确保符合行业标准。

图 1x6PLC光分路器

  PLC应用方向

  PLC分路器耦合技术的突破，推动了光通信网络向更高密度、更高效率发展，核心应用场景包括：

  FTTX与PON网络

  作为ODN网络核心，连接OLT与众多ONU，实现光纤到户/到楼/到桌面的大规模部署；

  数据中心互联：

  高密度PLC分路器支持400G/800G光模块的并行测试与光信号分配，提升数据中心带宽利用率；

  光纤传感网络

  在分布式光纤传感系统中，实现多通道传感信号的高效分配与采集；

  光测试测量

  作为光功率分配标准件，用于光器件测试、系统校准等精密测量场景；

  5G前传网络

  支持波长路由与信号分配，满足5G网络的低时延、高带宽需求。

  形识智能：PLC光波导耦合装备

  随着自动对准技术在PLC耦合封装中日益普及，行业对六维精密运动平台和智能化算法的要求也在不断提升。

  针对这一趋势，形识智能推出了专为光通信核心器件（PLC/AWG 等）打造的高精度、智能化光波导耦合与封装装备——PLC光波导耦合装备。

  该装备在自动对准的技术框架下，进一步集成了双六轴协同微米级调校、动态视觉闭环补偿与AI智能优化算法，实现了高速精准对光与自动点胶固化的无缝衔接。

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