光纤－薄膜型粗波分复用器件制备技术研究＊

徐 进，陈抱雪，周建忠

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）是在一根光纤上同时传输不同波长的光信号，各个光信号在光纤中独立传输，从而成倍扩大光纤的通信容量［1］。波分复用分为密集波分复用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）和粗波分复用（coarse wavelength division multiplexing，CWDM）两类，DWDM主要用于长途传输的高速核心骨干网，CWDM用于短途、低速率的接入网或城域网［2］。DWDM 通常采用光波导列阵光栅（arrayed－waveguide grating，AWG）器件来实现［3］，波长间隔在0.8nm以下，对光波频率的稳定性要求很高，一般采用温度调谐。常规CWDM采用薄膜干涉的原理，波长间隔是20nm，采用非温控激光，波长漂移允许超过1nm［4－5］。用于光通信网络的CWDM器件必须通过温度85℃、湿度85%的环境试验，常规的方法是采用金属焊接来封口［6］，制备工艺复杂，成本高。为此，本工作实验研究低成本的聚合物粘结剂固化封口的CWDM器件的制备技术［7－8］，器件光路不含胶，关键工艺涉及在线光路调节方法、元器件固定方法、抗高低温冲击的手段、湿气隔离手段、光学特性指标的控制等，其中在改善器件抗高低温冲击的手段方面，采用了独到的对称布置石英纤维的新方法。

1 器件结构和工作原理

实验制备的全胶型两波长CWDM器件结构如图1所示，器件由双纤准直器、分波器和单芯准直器构成，采用玻璃管封装。双纤准直器和分波器由双芯尾纤、G透镜、薄膜滤波片和小玻璃套管4个元件组成。单纤准直器由单芯尾纤、C透镜、小玻璃套管3个元件组成。光波从公共端输入，经G透镜准直后入射到薄膜滤波片，波长λ2发生反射，会聚于反射光纤，从反射端出射；波长λ1发生透射，经C透镜后会聚于透射光纤，从透射端出射，两支波长的间隔Δλ＝20nm。为了减少同轴回波，G透镜的一端和C透镜的一端均为8°斜面。

图1 全胶型CWDM器件结构Fig.1 The structure of all glue CWDM

分波器采用了全介质多层薄膜干涉滤光片，原理结构见图2，在间隔层的两侧各有一组多层高反膜系，构成一个等效的法布里－珀罗干涉结构。多层高反膜系由两种不同折射率的介质薄膜交替涂覆构成，每层薄膜的光学厚度都是λ0／4，波长为λ0的光波的反射光在该膜系中具有干涉增强的效果。法布里－珀罗干涉的通带宽度Δλ与高反膜系的反射率成反比，而多层高反膜系的反射率与膜层数量成正比，提高膜层数量可以形成窄带滤波。用于CWDM的滤波片一般只需50～100层薄膜，而DWDM的滤波片需要200层左右的薄 膜［9－10］。 滤 光 片 中 心 波 长 λc与 光 波 入 射 角 θ 有关系，这里C是一个与滤波片有关的常数，因此组装工艺中控制入射角是一个重要环节。薄膜滤波片通常不能达到100%的透射和反射，透射光中含有部分其他波长的信号，反射光中也会掺入部分本应透射的光信号，这些掺入波长构成窜扰。CWDM要求窜扰光的损耗大于25dB。

图2 全介质多层薄膜结构Fig.2 The structure of all dielectric multilayer film

2 器件制备和特性测试

2.1 双纤尾纤和单纤尾纤结构的制备

双纤尾纤结构由双芯毛细管和两根光纤组成，双芯毛细管采用天谷阳公司的产品，构造如图3所示，左边是横截面图，右边是纵截面图。毛细管外径是1.8mm，通孔截面呈两侧半圆弧扁平状，高度是127mm，中心宽度是252mm，插入端开成喇叭口。两根外径为125mm的单模洁净裸光纤从喇叭口并行插入毛细管，直至末端伸出，然后利用毛细管效应从端口注入粘结剂，在70℃下，进行4h热固化定型，两根光纤之间的纤芯距约为127μm。此后末端做8°斜面研磨抛光。单纤尾纤结构的制备方法与双纤尾纤的基本相同，毛细管通孔截面为圆形。

2.2 单纤准直器的制备

单纤准直器由细径玻璃套管、C透镜和上述制备的单纤尾纤结构组成。外径和内径分别为2.78mm和1.81mm的细径玻璃套管采用天阳谷公司的产品，C透镜采用伟钊光学公司的产品，直径是1.8mm，1 550nm中心波长下的焦距是1.61mm。将细径玻璃套管、C透镜和单芯尾纤结构用无水乙醇超声清洗，用氮气吹干。先将单纤尾纤结构插入细径玻璃套管内，细径玻璃套管入口端与单芯尾纤结构的插入端对齐，用ND353胶将细径玻璃套管与单纤尾纤结构粘结，在90℃温度下烘烤40min，达到充分固化。然后从细径玻璃套管的另一端插入C透镜，直至C透镜斜面端与单纤尾纤结构的斜面端平行贴紧为止。光路准直调焦在1 530nm工作波长下进行，单纤尾纤与一个调节辅助用的1×2单模光纤Y分支耦合器的单口光纤熔融对接，1×2光纤Y分支耦合器双口端的两根尾纤分别与1 530nm光源和光功率计连接。在C透镜前部放置一个平面反射镜，由C透镜出射的1 530nm光波经平面反射镜反射后原路返回，由光功率计监测返回光波的功率值。在此状态下，调节C透镜斜面端与单纤尾纤结构斜面端的间距，直至返回光波的功率值达到最大为止，用紫外固化胶粘结固定，并拆除辅助用光纤Y分支耦合器。图4是制备完成的单纤准直器照片。

图3 双芯毛细管构造Fig.3 The structure of double core capillary

图4 单纤准直器Fig.4 The single fiber collimator

2.3 双纤准直器和分波器的一体化制备

分波器采用东典光电科技公司的全介质多层薄膜干涉滤光片，透射中心波长为1 530nm，反射中心波长为1 550nm。双纤准直器由细径玻璃套管、G透镜和上述制备的双纤尾纤结构组成。细径玻璃套管与上述用于单纤准直器的相同，G透镜采用澳谱公司的1／4截距自聚焦透镜，直径是1.8mm，中心波长是1 550nm。将细径玻璃套管、G透镜和双纤尾纤结构用无水乙醇超声清洗，薄膜干涉滤光片用无水乙醇棉球擦拭干净，全部氮气吹干。在薄膜干涉滤光片一面的边缘部位点涂少量紫外固化胶后，与G透镜的平面端粘贴，紫外曝光后达到初固定的效果，然后用EMI3410胶包边粘结固化，完成G透镜与薄膜滤光片的一体化。将双纤尾纤结构插入细径玻璃套管内，细径玻璃套管入口端与双纤尾纤结构的插入端对齐，用ND353胶将细径玻璃套管与双纤尾纤结构粘结，在90℃温度下烘烤40min，达到充分固化。带细径玻璃套管的双纤尾纤与带薄膜滤光片的G透镜的对接调芯采用精密调节机台来实现，双纤尾纤的公共端光纤和反射端光纤分别与光源和功率计连接，光源波长是薄膜滤光片的1 550nm反射波长，G透镜斜面端与双纤尾纤结构的斜面端平行贴紧，由公共端光纤出射的1 550nm光波经薄膜滤光片反射后进入反射端光纤，由光功率计监测反射光的功率值。在此状态下，微调G透镜斜面端与双纤尾纤斜面端的间距和楔角，直至反射光的功率值达到最大为止，用紫外固化胶粘结固定，然后用ND353胶包边粘结，在90℃温度下烘烤40min，达到充分固化，完成入射／反射结构的一体化。图5是制备完成的双纤准直器和分波器的一体化结构照片。

2.4 器件封装

作为输入端和反射端的双纤准直器／分波器一体化结构和作为出射端的单纤准直器借助粗径玻璃套管的粘结封装实现器件化，粗径玻璃套管采用天阳谷公司的产品，内径和外径分别是2.95mm和4.2mm。光路对接在计算机控制的精密六维步进驱动调节机台上执行，双纤准直器／分波器一体化结构用固定机台固定，单纤准直器固定在精密六维步进驱动调节机台上。双纤准直器的公共端光纤与1 530nm光源连接，单纤准直器光纤与功率计连接。操作精密六维步进驱动调节机台微调单纤准直器与双纤准直器／分波器一体化结构之间的间距和相对方位角，在线监测直至功率计获得最大透射光功率为止，计算机记录此状态下的空间六维坐标读数。然后在计算机控制下将单纤准直器退避腾出空间，用粗径玻璃套管的两端分别套接双纤准直器／分波器一体化结构和单纤准直器，计算机根据记录读数，自动控制精密六维步进驱动调节机台缓慢复位，在线数据监测确认特性数据复原。

此后，用EMI3410胶将粗径玻璃套管的内壁与细径玻璃套管的外壁粘结定位，这道工序十分重要，由于粗径玻璃套管的内径略大于细径玻璃套管的外径，径间隙内填充的胶质材料通常难以达到完全的径向对称，导致高低温环境中非对称热膨胀引起的光路位移，严重时还会出现高低温冲击试验时的玻璃套管破裂。为了解决这个问题，本工作采用了独到的工艺，在径间隙内填充的胶质材料中均匀对称地插入了石英玻璃纤维，由于石英玻璃纤维的热膨胀系数小，且均称地占据了径间隙空间，减少了胶质材料质量，耐高低温冲击的能力得到了明显提升。最后在玻璃套管的端口采用密封胶包边粘结固化的方法实现加固和湿气隔离，完成器件封装，图6是完成样品的照片。

图5 双纤准直器和分波器的一体化结构Fig.5 Integration structure between double fiber collimator and wave separator

图6 封装完成的CWDM器件Fig.6 The final sample of CWDM

2.5 器件特性测试和分析

特性测试使用了光谱技术［11］，光谱仪是Agilent公司的86140A型号。透射中心波长为1 530nm，反射中心波长为1 550nm。输入和输出尾纤通过熔融烧结技术分别与光谱仪的光源模块尾纤和探测模块尾纤对接。测试环境是高低温程控恒温箱，测试温度点分别是－20℃、25℃和75℃，测试样品10个，其中10号样品在定位粘结固化时没有插入石英玻璃纤维。表1归纳了测试结果，可以看出，10号样品的透射插入损耗数据在75℃高温时劣化，原因是上节分析的非对称热膨胀导致的光路位移。其余样品在高低温环境中的透射插入损耗和反射插入损耗均达到了≤0.4dB的行业标准，相邻通道的隔离度均达到了≥30dB的行业标准，回波损耗均达到了≥40dB的行业标准，1dB带宽均达到了≥13nm的行业标准。

表1 10个样品的测试结果Tab.1 The result of 10samples

1～9号样品还做了10h，在温度为85℃，湿度为85%的环境试验，表2给出了试验后的重测结果，除了3号样品的部分透射插入损耗，和9号样品的反射损耗数据超标以外，其余满足行业指标，达到了7／9样品数过关的评定标准。上述测试和评价结果显示了本工艺技术的有效性。

表2 重测结果Tab.2 The result of resurvey

3 结 论

实验研究了一种低成本的聚合物粘结剂固化封口的、光路不含胶的CWDM器件的制备技术，工艺涉及在线监测的光路调节方法、元器件固定方法、湿气隔离手段等。在改善器件抗高低温冲击的手段方面，采用了独到的对称布置石英纤维的技术。器件光学特性数据达到行业指标，并通过了可靠性试验，表明本研究成果可有效用于CWDM器件的工业化制造。

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