PLC型光分路器产品质量概述

2020-04-21

广东通信技术 2020年3期

1 引言

自2010年以来，随着光纤宽带接入在城市和农村的大力推广、普及和提速，FTTH（光纤到户）建设得到了大规模的投入，各种光无源器件产品的应用快速发展，平面波导型光分路器作为FTTH网络建设中最核心的光无源器件，其产品质量尤为重要。

光分路器主要采用熔融拉锥技术和平面波导技术。熔融拉锥式光分路器（FBT Splitter）是利用传统拉锥耦合工艺，将两根或多根光纤在拉锥机上熔融拉伸，并实时监控分光比达到要求后结束熔融拉伸。PLC（Planar Lightwave Circuit)型光分路器是一种基于石英基板的集成波导光功率分配器件，由于它具备插入损耗对光波长不敏感，可以满足不同波长的传输需要；分光均匀，可以将信号均匀分配给用户；单只器件分光比大，成本优势明显等优点，因此在FTTH建设中主要采用该类型光分路器。本文所探讨的光分路器是指目前移动、电信和联通等运营商在通信线路中大量使用的PLC型光分路器。

2 光分路器产品介绍

2.1 光分路器产品用途及对生产运营/维护的影响

光分路器是ODN中最重要的无源器件之一，通常具有一个或多个输入端和多个输出端，一般M×N来表示一个分路器有M个输入端和N个输出端。光分路器应用于ODN网络中主要起到分支和连接的作用。

光分路器的损耗是影响PON网络稳定的重要指标，PON网络光功率预算一半以上来自光分路器的衰耗。如果光分路器的损耗过高，可能导致该区域网络信号差或不稳定，终端产品接收不到光信号，引起用户投诉，造成运营/维护成本的提高。

2.2 光分路器产品构成

平面波导型光分路器(PLC Splitter)是一种基于石英基板集成波导光功率工艺并结合精密可靠的光纤阵列经过高精度对准制成的光功率分路器。

光分路器主要由核心PLC分光器件和封装盒体组成。其中核心PLC分光器件由芯片、入端光纤和出端光纤阵列（FA）三部件组成（如图1所示）。经过精密的调芯对光工艺和检测手段，三大部件实现光路精密对接，再采用优质的胶水和卓越的封装工艺，形成核心PLC器件。按照不同的应用场景，将器件进行二次封装，并制作光纤活动连接器即形成了一个完整的光分路器（图2所示）。

根据应用的场景不同，光分路器可被定制成多种封装类型，常见的类型有盒式、插片式、微型、机架式和托盘式（图3）等。

图1 PLC光分路器一次封装内部结构图

图2 PLC光分路器二次封装结构图

盒式光分路器采用ABS塑料或金属封装的盒体，端口用尾纤引出，是带连接器插头的PLC光分路器。出纤套管一般有0.9 mm、2.0 mm和3.0 mm三种。可用在光缆分光分纤盒、光缆交接箱和光纤配线架中，也有的直接装在托盘式和机架式光分路器组合盒体中。

插片式光分路器采用ABS塑料盒封装，是带适配器的PLC光分路器。主要安装在光缆分光分纤盒、光缆交接箱中。

微型光分路器是采用钢管封装，出纤使用0.9 mm松套管的小型光分路器组件，属于带连接器插头的PLC光分路器。主要适用于安装空间比较紧张，如光缆接头盒、光缆分光分纤盒，也可以安装在插片式及机架式光分路器组合盒体中。

机架式光分路器采用金属盒体封装，可安装于19英寸标准机柜内，是带适配器的PLC光分路器。主要应用在光缆交接箱、光纤配线架中。

托盘式光分路器采用塑料盒封装，也是带适配器的PLC光分路器。主要也是应用于光缆交接箱、光纤配线架中。

3 光分路器产品生产流程和工艺介绍

3.1 光分路器产品关键生产流程介绍

光分路器产品的关键生产流程主要包括晶圆切割、光纤阵列(FA)加工、PLC耦合和PLC组装这4个流程（如图4所示）。

3.2 光分路器产品关键生产工艺介绍

3.2.1 晶圆切割工艺

对晶圆进行光路检查、清洁之后，对应切割机上晶圆型号将晶圆切割分片。

3.2.2 FA加工工艺

将剥好的光纤通过排纤系统按顺序放置到V槽对应的槽位上，点胶并固化。

3.2.3 PLC耦合工艺

PLC耦合工艺是通过精密微调设备将FA和芯片进行对光、粘接，通过UV固化、定型，形成光分路器最基础的光学器件。耦合对光时应保持工作环境的超净度级别，使用六维精密微调架、光源、光功率计和显微观测系统等仪表设备。

图3 PLC光分路器封装示意图

图4 PLC光分路器关键生产流程

3.2.4 PLC组装工艺

PLC组装工艺在整个光分路器制作过程中属于末端工序，组装时应避免因装配不当而造成对前道工序性能的影响。将耦合后的器件经充分静置冷却后进入组装工序，外壳等零部件用胶水密封固定、连接器散件零部件进行压接、装配和研磨。

4 光分路器产品价格介绍

4.1 光分路器产品价格组成及占比描述

不同供应商的光分路器，其产品价格组成和占比各有不同。表1是根据目前国内光分路器生产量较大的部分厂家提供的数据综合之后的结果，可作为参考。

4.2 光分路器产品关键原材料/器件在原材料总额的占比情况介绍

不同供应商、不同分光比、不同封装形式的光分路器，其产品关键原材料占原材料总价格的比例也不同。表2是综合了各厂家提供的数据之后，以1:8插片式光分路器为例的原材料占比情况参考。

5 光分路器产品指标介绍

5.1 关键指标介绍

5.1.1 材料

要求光分路器产品中的工程塑料，包括封装材料、尾纤的套管、插头等的燃烧性能应符合YD/T 694-2004《总配线架》标准中5.4.3的要求。

材料使用不当，会造成产品易损坏、使用寿命短甚至不阻燃，影响光信号的正常传输和机房安全。

5.1.2 光学性能

光学性能考核插入损耗、回波损耗、工作波长、偏振相关损耗、方向性和均匀性等性能。

表1 光分路器产品价格组成及占比

表2 光分路器关键原材料及占比

光学性能不满足要求，会造成光链路衰耗增大，限制传输距离，降低传输性能。比如回波损耗差容易造成传输误码，影响了正常业务传输。偏振大会造成接收端光功率不稳定，信号忽好忽坏。方向性小会造成线路之间的干扰。均匀性差会造成分光不均匀，各分支光功率输出的一致性差，增大了整体网络规划布局和网络故障率的排查和处理等难度。

5.1.3 环境性能

环境性能考核低温、高温、湿热、温循、水泡、盐雾试验后的光学性能。

环境性能不满足要求，会造成光分路器容易受环境温度的影响，光纤受到不均匀应力作用产生变形或微弯曲，使器件本身的损耗增大，从而增加整体网络的损耗，影响正常业务传输。在极端天气环境下，器件外壳变形，无法兼容配套的光分路箱或光缆交接箱等设备，甚至导致器件内部关键器件移位，影响产品的寿命。

5.1.4 机械性能

机械性能考核跌落、振动、抗拉、扭转试验后的光学性能。

机械性能如果不满足要求，当施工过程中出现光分路器不小心跌落就无法使用。而且施工过程中盒式光分路器的引出缆有时会受到较大拉力，也容易出现无法恢复的损伤，部分支路或整个样品无法使用，增加运营成本。

5.2 其它指标介绍

5.2.1 外观封装

外观封装应平滑、洁净、无油渍、无变形、无伤痕和裂纹；金属零部件不应有锈蚀及其他机械损伤。内外部尾纤上数字标识与端口一一对应，尾纤连接头均无松动，且与适配器插拔平顺。

外观封装如果不满足要求，光分路器在使用过程中会出现匹配性不好甚至损坏，增加运维成本。

5.2.2 标识

自2017年以来，运营商开始要求光分路器产品应在显著位置打上运营商的LOGO 标识及生产厂家LOGO标识，此标识均应是永久和清晰的。塑料盒体应采用永久性注塑成型、非印刷形式。金属盒体上应采用激光雕刻方式。

产品上如果没有厂家的标志信息，无法对产品来源进行追溯，当产品质量出现问题时不能及时联系对应厂家进行处理。

6 光分路器产品质量分析

6.1 光分路器指标与原材料的关联分析

（如表3所示）

（1）核心芯体的质量直接影响分路器的光学性能，芯片和光纤阵列的耦合对准精度影响着产品的插入损耗值和回波损耗。V形槽之间间距会直接影响分路的插入损耗，芯数较多时除了每两个V槽之间的间距，还有累计公差造成与芯片的匹配问题，从而影响插入损耗。

（2）光纤/缆线的质量对机械性能（抗拉、扭转）和阻燃性能影响大，质量较差的光纤/缆线其插入损耗值大、回波损耗小，也会影响到光信号的传输。

（3）连接器插头的质量对光学性能和机械性能的影响较大，连接器插头内的插芯质量影响着产品的插入损耗。插头是否压接完好关联到产品的抗拉和扭转性能。

（4）插片式、托盘式和机架式光分路器产品都带适配器，适配器内的陶瓷套筒及适配器外壳的材料决定着产品质量的好坏，陶瓷套筒的同心度、抱紧力会影响连接器插头的插回损值，适配器外壳的材料好坏会影响适配器的阻燃性能，适配器的整体质量好坏会影响到光链路的信号传输。

（5）粘合剂主要用在核心芯体耦合、芯体封装及封装芯体与分路器的盒体粘结。耦合胶水的质量会影响芯片与FA阵列端面对接的效果，影响产品的光学性能。耦合胶水和组装胶水对温度、跌落试验敏感，因此也影响到产品的环境性能和机械性能。

（6）光分路器产品的外壳对其内部器件保护起着至关重要的作用，除了微型光分路器仅用简易方钢管作为外壳外，其它类型的光分路器都有二次封装的盒体作为保护。盒体材质有塑料和金属两种，塑料材质盒体影响到产品的环境性能和阻燃性能。金属材质外壳则会影响产品的盐雾性能。

表3 关键原材料对产品质量的影响

6.2 光分路器指标与生产工艺和流程的关联分析

（如表4所示）

6.2.1 晶圆切割

晶圆切割工艺直接影响了核心芯体的光学性能指标，其中研磨抛光和芯片切割工艺的好坏对芯体的插回损影响较大，要特别关注芯片切割的完整性、芯片研磨角度与端面质量。

6.2.2 光纤阵列加工

光纤阵列FA的加工工艺影响了产品整个光路的各性能指标，其中FA组装、UV曝光、研磨抛光对光分路器产品的插回损和环境性能指标影响较大。

6.2.3 PLC耦合

PLC耦合工艺中的耦合指标、胶层厚度、固化条件和耦合面清洁度影响了产品的插回损、方向性和均匀性等光学性能指标和高低温、湿热等环境性能指标。

6.2.4 PLC组装

PLC组装时钢管的固定、盒体封装、光纤连接器、插芯的研磨影响到产品的总体性能，特别是对光学性能和机械性能指标（跌落、振动、抗拉、扭转）影响较大。

表4 关键生产工艺对产品质量的影响

6.3 光分路器指标与产品价格、原材料、生产流程和工艺的联动分析（如表5所示）

光分路器产品技术指标的提升，会涉及到原材料、生产流程/工艺要求、生产制造成本和管理成本的上升，从而提高了产品价格。

原材料是保证产品质量和技术指标的前提，产品的原材料越好，其质量和技术指标也就越好，同时产品价格也越高。

生产流程和工艺是保证产品质量和技术指标的关键，好的生产流程和工艺在保证产品质量和技术指标的同时也可以提高生产效率、降低人工成本，降低产品价格。

目前，光分路器的原材料成本主要集中在核心芯体上，大部分供应商在对光耦合工序还依赖人工，芯片和光纤阵列的耦合对准精度、芯片和FA端面的清洁度等工艺的稳定性与产品质量密切相关。

表5 技术指标与价格、原材料、生产流程/工艺相关联动分析

6.4 光分路器的常见问题及改善建议

无源光分路器产品技术成熟度较高，作为ODN中的核心器件，厂家对产品的指标要求也越来越清晰、对产品的质量越来越重视。下面根据本实验室多年来光分路器产品检测的总体情况，对光分路器质量存在的常见问题进行原因分析，供厂家提升产品质量参考，建议厂家加强产品原材料的质量检验、工艺流程的管控和成品全性能的抽样检验。

常态插入损耗、回波损耗不合格：芯片和光纤阵列的耦合对准精度、V型槽的精度不够，一次封装时芯片、FA端面的清洁不干净，二次封装时分路器输入端及输出端光纤盘纤的弯曲半径过小，引出跳线质量不稳定，插针体端面研磨不充分都有可能引起常态插回损指标不合格。

端口间插损均匀性、波长间插损均匀性不合格：核心芯片分光不均匀，芯片和光纤阵列的耦合对准精度不够，插头端面质量有差异等都会造成光分路器产品不同支路，或者同一支路在不同波段的插入损耗偏差较大。

抗拉试验不合格：光分路器的插头侧能否通过抗拉试验与引出跳线插头的纺纶线、光缆中的纺纶与插头压接、护套与插头粘接质量密切相关；封装侧能否通过抗拉试验与其封装方式、护套材料质量相关。有的光分路器的封装侧仅依赖光纤护套与盒体粘接，显然承受不住50 N外力的拉伸。

环境试验（高温、低温、高湿高热、温度循环）不合格：盒体/适配器材料选用不当，一次封装和二次封装过程中各种胶水的质量（如FA固化胶与光纤和水晶体的匹配性、FA与芯片的耦合胶与光纤的匹配性、外壳胶与硅材料以及金属材料的匹配性）不稳定，厂家未对胶水的粘接力、硬度、强度进行环境试验验证。

跌落试验不合格：跌落试验属于机械试验项目之一，有一定的破坏性，所以厂家进行内部质量控制时一般未能进行全检；产品释放之后处于自由落体状态，其自重、结构设计会造成落地碰触瞬间受力点的不确定性；产品内部固定微型封装不锈钢管的胶水性能对跌落性能也有一定影响。