形識(shí)洞察 | 一文讀懂：平面光波導(dǎo)（PLC）分路器耦合技術(shù)

  ICC訊   高速光纖寬帶、流暢云服務(wù)及實(shí)時(shí)5G通信，均離不開(kāi)PLC分路器耦合技術(shù)的支撐。作為光纖通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵無(wú)源器件，PLC光分路器決定著FTTH與PON網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)分配效率。本文將系統(tǒng)介紹其分光原理及芯片與光纖的精密耦合工藝。

  PLC光分路器介紹

  PLC光分路器是由一個(gè)PLC分路器芯片和多個(gè)光波導(dǎo)陣列（即輸入端和輸出端光纖陣列）組成，光纖陣列分別耦合在PLC分路器芯片的兩端。也就是說(shuō)，芯片的兩端分別耦合封裝輸入端和輸出端多信道光纖數(shù)組，而光信號(hào)的分路功能全部在芯片上完成。一個(gè)芯片上即可實(shí)現(xiàn)多達(dá)64個(gè)分路（常見(jiàn)規(guī)格為1×64，部分設(shè)計(jì)可擴(kuò)展至128路）。

圖 PLC光分路器中PLC芯片與FA自動(dòng)耦合封裝

  核心原理：Y形分支與功率分配

  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導(dǎo)，讓光在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)特定的分支結(jié)構(gòu)，將光能量從一個(gè)波導(dǎo)均勻地分配到多個(gè)波導(dǎo)中。

  最基本的構(gòu)建模塊：1×2 Y形分支單元

  所有PLC分路器都始于這個(gè)最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)：一個(gè)輸入波導(dǎo)在某個(gè)點(diǎn)對(duì)稱地分裂成兩個(gè)完全相同的輸出波導(dǎo)，形狀像一個(gè)大寫(xiě)字母“Y”。

  理想情況下，由于結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格對(duì)稱性，光功率會(huì)被均勻地分配到兩個(gè)輸出臂中，每個(gè)輸出端口恰好獲得50%的輸入功率。對(duì)應(yīng)的理論分配損耗為：

  ?10log10(1/2)≈3.01dB

  也就是說(shuō)，即使沒(méi)有任何額外損耗，分光這件事本身就會(huì)帶來(lái)約3dB的功率損失。

  在實(shí)際器件中，由于波導(dǎo)表面粗糙度、材料吸收、彎曲輻射等因素，還會(huì)產(chǎn)生額外的附加損耗。因此，一顆1×2 PLC分路器的實(shí)際插入損耗通常在3.3dB左右。

  如何實(shí)現(xiàn)不同的分光比（如1xN）

  一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1xN（例如1x4, 1x8, 1x16, 1x32, 1x64）是通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)1×2等比分光單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

  以1x4分路器為例：

  1. 第一個(gè)1x2分路器將輸入光分成兩等份（每份50%）；

  2. 每一份光再分別進(jìn)入一個(gè)獨(dú)立的1x2分路器；

  3. 最終，光被均勻分成4等份，每個(gè)輸出端口獲得25%的輸入功率。

  同理，1×8需要3級(jí)級(jí)聯(lián)（共7個(gè)1×2單元），1×16需要4級(jí)級(jí)聯(lián)（共15個(gè)1×2單元），依此類推。

  通過(guò)控制級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)和每個(gè)1x2分路器的分光比，理論上可以實(shí)現(xiàn)任何1xN或MxN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 平面波導(dǎo)型（PLC）光分路器平面示意圖

  耦合對(duì)準(zhǔn)：PLC分路器的“靈魂工藝”

  光波導(dǎo)芯片做得再好，如果和光纖“對(duì)不齊”，一切都是白費(fèi)。耦合對(duì)準(zhǔn)是整個(gè)封裝過(guò)程中技術(shù)難度最高、直接影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

  為什么要對(duì)準(zhǔn)？

  PLC芯片光波導(dǎo)模場(chǎng)僅4–6μm，單模光纖模場(chǎng)約8–10μm。兩者尺寸不同、形狀差異也很大：芯片波導(dǎo)截面通常為矩形，而光纖模式是圓高斯型。

  若無(wú)六維高精度對(duì)準(zhǔn)，光軸偏移與模場(chǎng)失配會(huì)造成嚴(yán)重光能量泄漏，大幅增加耦合損耗。

  集成光子芯片常通過(guò)SSC 模斑倒錐結(jié)構(gòu)放大芯片模場(chǎng)，適配光纖模式；而石英基PLC分路器，主要依靠精密對(duì)準(zhǔn)、波導(dǎo)優(yōu)化與折射率匹配封裝，提升模場(chǎng)重疊率，實(shí)現(xiàn)低損耗高效耦合。

  六維對(duì)準(zhǔn)有多精密？

  PLC分路器的耦合涉及6個(gè)自由度的調(diào)節(jié)：X、Y、Z三個(gè)方向平移，以及α、β、γ三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。要使封裝后的器件性能良好，對(duì)準(zhǔn)的平動(dòng)精度要求通常在亞微米至微米級(jí)，轉(zhuǎn)動(dòng)精度高于0.01度（具體取決于器件指標(biāo)）。

圖 形識(shí)智能PLC光波導(dǎo)耦合裝備高精度雙六軸調(diào)整臺(tái)

  一根頭發(fā)的直徑大約是50-80微米——亞微米級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度意味著要將光纖與芯片對(duì)準(zhǔn)到頭發(fā)絲直徑的百分之一甚至更低級(jí)別。

  手動(dòng)對(duì)準(zhǔn) vs 自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)

  傳統(tǒng)的手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)依賴操作人員通過(guò)顯微鏡觀察，使用六維精密調(diào)節(jié)平臺(tái)逐點(diǎn)調(diào)整。手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)雖然設(shè)備成本低，但存在效率低、重復(fù)性差、人為誤差大等問(wèn)題——操作人員需長(zhǎng)時(shí)間保持高度專注，易因疲勞導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)偏差。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)，人工單次對(duì)光平均耗時(shí)約4分鐘，返工率可高達(dá)12%。

  相比之下，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)高精度六軸臺(tái)、動(dòng)態(tài)視覺(jué)閉環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)與智能優(yōu)化算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出端的光功率，并根據(jù)功率變化動(dòng)態(tài)調(diào)整位置，直至找到最優(yōu)耦合點(diǎn)。這種自動(dòng)化方法不僅能將對(duì)準(zhǔn)時(shí)間壓縮到秒級(jí)，還能將插入損耗波動(dòng)范圍從0.4-0.9dB縮小至0.1-0.5dB，返工率降至2%以下。

  光纖與PLC芯片耦合流程

  1. 耦合前準(zhǔn)備

  芯片預(yù)處理：端面研磨拋光 (粗糙度 Ra<5nm)，清潔去除污染物；

  光纖陣列制備：光纖與V型槽精確對(duì)準(zhǔn)，UV膠固化，端面研磨；

  器件清潔：采用超聲波清洗+等離子體處理，確保耦合界面無(wú)雜質(zhì)。

  2. 主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)-核心流程

  粗略定位：通過(guò)顯微鏡或機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，將光纖陣列與芯片端面初步對(duì)齊；

  精密掃描：通過(guò)六維電動(dòng)位移臺(tái)，在X、Y、Z三個(gè)平移軸和俯仰、偏擺、旋轉(zhuǎn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上微動(dòng)，掃描光纖的位置；

  尋找峰值：當(dāng)掃描到光功率計(jì)讀數(shù)最大時(shí)，即表示光纖與波導(dǎo)達(dá)到了最佳對(duì)準(zhǔn)位置。

圖 形識(shí)智能PLC光波導(dǎo)耦合裝備示意圖

  3. 點(diǎn)膠與固化

  UV光固化：在對(duì)接處點(diǎn)涂折射率匹配的紫外膠，然后用紫外光照射使其快速固化。

  4.測(cè)試與檢驗(yàn)

  封裝后進(jìn)行插入損耗、回波損耗、均勻性等全參數(shù)測(cè)試，確保符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖 1x6PLC光分路器

  PLC應(yīng)用方向

  PLC分路器耦合技術(shù)的突破，推動(dòng)了光通信網(wǎng)絡(luò)向更高密度、更高效率發(fā)展，核心應(yīng)用場(chǎng)景包括：

  FTTX與PON網(wǎng)絡(luò)

  作為ODN網(wǎng)絡(luò)核心，連接OLT與眾多ONU，實(shí)現(xiàn)光纖到戶/到樓/到桌面的大規(guī)模部署；

  數(shù)據(jù)中心互聯(lián)：

  高密度PLC分路器支持400G/800G光模塊的并行測(cè)試與光信號(hào)分配，提升數(shù)據(jù)中心帶寬利用率；

  光纖傳感網(wǎng)絡(luò)

  在分布式光纖傳感系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多通道傳感信號(hào)的高效分配與采集；

  光測(cè)試測(cè)量

  作為光功率分配標(biāo)準(zhǔn)件，用于光器件測(cè)試、系統(tǒng)校準(zhǔn)等精密測(cè)量場(chǎng)景；

  5G前傳網(wǎng)絡(luò)

  支持波長(zhǎng)路由與信號(hào)分配，滿足5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高帶寬需求。

  形識(shí)智能：PLC光波導(dǎo)耦合裝備

  隨著自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)在PLC耦合封裝中日益普及，行業(yè)對(duì)六維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和智能化算法的要求也在不斷提升。

  針對(duì)這一趨勢(shì)，形識(shí)智能推出了專為光通信核心器件（PLC/AWG 等）打造的高精度、智能化光波導(dǎo)耦合與封裝裝備——PLC光波導(dǎo)耦合裝備。

  該裝備在自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)框架下，進(jìn)一步集成了雙六軸協(xié)同微米級(jí)調(diào)校、動(dòng)態(tài)視覺(jué)閉環(huán)補(bǔ)償與AI智能優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了高速精準(zhǔn)對(duì)光與自動(dòng)點(diǎn)膠固化的無(wú)縫銜接。

  詳細(xì)介紹可點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)閱讀????