形識洞察 | 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)及實時5G通信，均離不開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)鍵無源器件，PLC光分路器決定著FTTH與PON網(wǎng)絡(luò)的信號分配效率。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PLC分路器芯片和多個光波導(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，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，而光信號的分路功能全部在芯片上完成。一個芯片上即可實現(xiàn)多達64個分路（常見規(guī)格為1×64，部分設(shè)計可擴展至128路）。

圖 PLC光分路器中PLC芯片與FA自動耦合封裝

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

  最基本的構(gòu)建模塊：1×2 Y形分支單元

  所有PLC分路器都始于這個最簡單的結(jié)構(gòu)：一個輸入波導(dǎo)在某個點對稱地分裂成兩個完全相同的輸出波導(dǎo)，形狀像一個大寫字母“Y”。

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

  ?10log10(1/2)≈3.01dB

  也就是說，即使沒有任何額外損耗，分光這件事本身就會帶來約3dB的功率損失。

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

  如何實現(xiàn)不同的分光比（如1xN）

  一個標(biāo)準(zhǔn)的1xN（例如1x4, 1x8, 1x16, 1x32, 1x64）是通過級聯(lián)多個1×2等比分光單元來實現(xiàn)的。

  以1x4分路器為例：

  1. 第一個1x2分路器將輸入光分成兩等份（每份50%）；

  2. 每一份光再分別進入一個獨立的1x2分路器；

  3. 最終，光被均勻分成4等份，每個輸出端口獲得25%的輸入功率。

  同理，1×8需要3級級聯(lián)（共7個1×2單元），1×16需要4級級聯(lián)（共15個1×2單元），依此類推。

  通過控制級聯(lián)的級數(shù)和每個1x2分路器的分光比，理論上可以實現(xiàn)任何1xN或MxN的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖 平面波導(dǎo)型（PLC）光分路器平面示意圖

  耦合對準(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“對不齊”，一切都是白費。耦合對準(zhǔn)是整個封裝過程中技術(shù)難度最高、直接影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

  為什么要對準(zhǔn)？

  PLC芯片光波導(dǎo)模場僅4–6μm，單模光纖模場約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。

  若無六維高精度對準(zhǔn)，光軸偏移與模場失配會造成嚴(yán)重光能量泄漏，大幅增加耦合損耗。

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

  六維對準(zhǔn)有多精密？

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

圖 形識智能PLC光波導(dǎo)耦合裝備高精度雙六軸調(diào)整臺

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

  手動對準(zhǔn) vs 自動對準(zhǔn)

  傳統(tǒng)的手動對準(zhǔn)依賴操作人員通過顯微鏡觀察，使用六維精密調(diào)節(jié)平臺逐點調(diào)整。手動對準(zhǔn)雖然設(shè)備成本低，但存在效率低、重復(fù)性差、人為誤差大等問題——操作人員需長時間保持高度專注，易因疲勞導(dǎo)致對準(zhǔn)偏差。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)，人工單次對光平均耗時約4分鐘，返工率可高達12%。

  相比之下，自動對準(zhǔn)系統(tǒng)通過高精度六軸臺、動態(tài)視覺閉環(huán)補償系統(tǒng)與智能優(yōu)化算法，實時監(jiān)測輸出端的光功率，并根據(jù)功率變化動態(tài)調(diào)整位置，直至找到最優(yōu)耦合點。這種自動化方法不僅能將對準(zhǔn)時間壓縮到秒級，還能將插入損耗波動范圍從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，確保耦合界面無雜質(zhì)。

  2. 主動對準(zhǔn)-核心流程

  粗略定位：通過顯微鏡或機器視覺系統(tǒng)，將光纖陣列與芯片端面初步對齊；

  精密掃描：通過六維電動位移臺，在X、Y、Z三個平移軸和俯仰、偏擺、旋轉(zhuǎn)三個旋轉(zhuǎn)軸上微動，掃描光纖的位置；

  尋找峰值：當(dāng)掃描到光功率計讀數(shù)最大時，即表示光纖與波導(dǎo)達到了最佳對準(zhǔn)位置。

圖 形識智能PLC光波導(dǎo)耦合裝備示意圖

  3. 點膠與固化

  UV光固化：在對接處點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.測試與檢驗

  封裝后進行插入損耗、回波損耗、均勻性等全參數(shù)測試，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光模塊的并行測試與光信號分配，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，實現(xiàn)多通道傳感信號的高效分配與采集；

  光測試測量

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

  5G前傳網(wǎng)絡(luò)

  支持波長路由與信號分配，滿足5G網(wǎng)絡(luò)的低時延、高帶寬需求。

  形識智能：PLC光波導(dǎo)耦合裝備

  隨著自動對準(zhǔn)技術(shù)在PLC耦合封裝中日益普及，行業(yè)對六維精密運動平臺和智能化算法的要求也在不斷提升。

  針對這一趨勢，形識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。

  該裝備在自動對準(zhǔn)的技術(shù)框架下，進一步集成了雙六軸協(xié)同微米級調(diào)校、動態(tài)視覺閉環(huán)補償與AI智能優(yōu)化算法，實現(xiàn)了高速精準(zhǔn)對光與自動點膠固化的無縫銜接。

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