应用于OTDR测试的光纤光栅反射器

张雪峰， 杨立锋， 王彬

（西安盛佳光电有限公司，西安 710119）

应用于OTDR测试的光纤光栅反射器

张雪峰， 杨立锋， 王彬

（西安盛佳光电有限公司，西安 710119）

本文阐述了反射器在PON的OTDR测试诊断系统中的作用及其必要性，探讨了光纤光栅反射器方案的应用特点、与介质薄膜滤波器对比的优势及在国际市场上的应用情况，并介绍了目前光纤光栅反射器在成本方面的突破。

光时域反射分析仪；光链路测量与诊断；光纤光栅反射器；反射过渡带

1 OTDR在PON的测试中面临的挑战

光时域反射仪(OTDR)作为一种精确定位光分配网(ODN)故障、监测ODN性能的有效手段，已经在运营商骨干网上被广泛应用，但是在以无源光网(PON)为代表的接入网中，却面临着巨大挑战。PON ODN网络的星型结构、高损耗的光分路器及复杂ODN部署环境等因素都增加了OTDR对光纤故障测量与诊断的难度。尤其是当PON ODN网络引入高损耗的光分路器后，降低了OTDR检测光信号的强度，使得目前OTDR技术很难识别到ODN分支光纤上的衰减事件(例如弯曲等衰减事件)。 而且当入户光纤末端连接光网络单元(ONU)时，微弱的OTDR检测信号无法形成有效的反射峰以区分并定位不同的ONU分支。为了提高OTDR对光链路端到端性能的控测灵敏度，业界提出在ONU侧安装一个低成本的波长选择性反射器，实现对光链路端到端衰减的精确检测。

2 光纤光栅反射器

光纤光栅反射器(FBG reflector)正是这样一种波长选择性反射器。光纤光栅的原理是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱经过光纤光栅时，只有满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长都将透过光纤光栅继续传输。

写入光纤光栅的特制尾纤或预埋光纤光栅在适配器里的光纤光栅反射器（两种结构如图1所示）安装在ONU侧，由于光纤光栅的反射中心波长与光线路终端(OLT)侧的OTDR发来的测试光脉冲一致，使测试光脉冲以接近100%的反射率进行强反射，而正常的PON系统工作波长由于不满足光纤光栅布拉格条件则以很小的衰减通过反射器。OTDR通过检测这个光纤光栅反射器反射回来的光信号的强度，可以精确地计算出从OLT到ONU的光链路衰减，而通过比对故障链路与健康档案的回波损耗值，可以精确测量出光纤链路上衰减故障引入的光纤损耗值。其次，在二级分光的场景中还可以准确定位是配线光纤段还是入户光纤段发生了衰减故障。同时，安装光纤光栅反射器后，还能对每个ONU分支在OTDR曲线上通过反射事件进行有效区分，以帮助定位是哪一ONU分支存在衰减故障。从而实现对分支光纤衰减事件的有效检测。

图1 光纤光栅反射器的两种结构

3 新应用标准下光纤光栅反射器较介质薄膜滤波器的优势

反射器的关键指标对特定OTDR波长进行反射，而其他PON业务波长透射。据最新的FSAN和BBF标准，OTDR测试波长范围为1 640～1 660 nm，而反射器要兼容EPON/GPON、10GEPON/XGPON、NGPON2系统，因此反射器所透射的波长范围为1 260～1 610 nm。从透射波长的上限到反射波长的下限之间的波长范围通常称为反射过渡带，那么在当前的FSAN和BBF标准下，对过渡带的要求已经是30 nm (1 640－1 610＝30 nm)。

过去，由于传统光纤光栅的生产工艺决定光纤光栅的成本相对较高，不利于光纤光栅反射器应用在PON的OTDR测试的推广，因此人们倾向于使用当时成本相对较低的TFF（Thin Film Filter， 介质薄膜滤波器）。介质薄膜滤波器是基于光的薄膜干涉原理，制作工艺采用的是一种光学镀膜的方式，在基底上镀上多层高、低折射率交替的膜层，通过严格控制基底上膜层数和各膜层的折射率及厚度，来实现对一定波长范围滤波。作为OTDR反射器，介质薄膜滤波器的一个致命缺点是过渡带大，以目前光学镀膜工艺和成本要求，常规过渡带是50 nm，实现为30 nm过渡带，需增加膜层数量，这必然增加其制备复杂程度和生产成本，以目前OTDR反射器的成本要求，30 nm过渡带已是极限。

相反，光纤光栅反射器与生俱来就有过渡带非常窄的特点，以大于20 dB的隔离度为例，光纤光栅反射器的过渡带不超过10 nm。因此，30 nm过渡带的要求对于光纤光栅反射器并不苛刻。

更重要的是，FSAN/ITU-T在考虑对NG-PON2兼容WDM覆盖业务的标准化，届时PON系统工作波长可能进一步拓展到1 620 nm左右，那么需要透射的波长范围为1 260～1 620 nm。在这种需求下，对过渡带的要求进一步缩小到了20 nm ( 1 640－1 620＝20 nm)。对于介质薄膜滤波器，为实现更小的过渡带，将极大地增加生产成本，相反对于光纤光栅反射器来说，可以轻松实现。那么在这种情况下，介质薄膜滤波器原有的成本优势已不再明显。图2为光纤光栅反射器与介质薄膜滤波器过渡带的对比。

图2 光纤光栅反射器、介质薄膜反射器典型插入损耗

另外，据了解目前介质薄膜滤波器封装结构的实现方式一种是直接在陶瓷插芯的端面上进行真空光学镀膜，另一种是在薄玻璃基板上镀膜，切割成小块然后粘贴在陶瓷插芯的端面；无论是哪一种方式其可靠性和使用寿命都有待提高。而光纤光栅是对光纤纤芯折射率一种永久性变化，其光学特性十分稳定，例如应用于泵浦激光器锁波长的光纤光栅，其使用寿命可达25年以上。而且光纤光栅刻写在光纤纤芯之后，光纤穿过陶瓷插芯，栅区部分被完全封装在陶瓷插芯的内部，在反射器插拔的过程中，对光纤光栅没有任何影响，因此相对于介质薄膜反射器，光纤光栅反射器具有很高的可靠性和很长的使用寿命等特点。

此外，据了解光学镀膜工艺目前的优良率并不是很高，因此为确保介质薄膜滤波器的光学参数达标，需要在镀膜后逐一进行测试和筛选，批量生产时测试这一步骤将花费大量的时间和成本。而光纤光栅的刻写工艺目前已经非常成熟，一致性和成品率非常高，光纤光栅的光学参数通过抽测即可保证，为光纤光栅反射器的批量生产效率和生产成本带来了优势。

图3 日本运营商商用的技术体系（图片来自网络）

4 目前光纤光栅反射器的发展及成本突破

日本运营商最早开始基于光纤光栅的反射器技术的研究，图3是日本运营商商用的技术体系。目前光纤光栅反射器在日本、东南亚、欧洲、美国等市场上已被普通认可和接受。

但是在传统生产工艺下，光纤光栅的成本很难进一步降低，一定程度上阻碍了光纤光栅反射器的广泛推广。为了满足光纤光栅反射器在PON OTDR测试应用的成本要求，国内光纤光栅的厂商正在积极推动降低光纤光栅的生产成本，目前已经取得了可喜的进展。在全新的加工工艺下，光纤光栅反射器有望实现与介质薄膜反射器同等水平的价格，尤其在未来20 nm反射过渡带等新的指标要求下甚至比介质薄膜反射器更低的价格。

Fiber bragg grating reflector used for OTDR test

ZHANG Xue-feng, YANG Li-feng, WANG Bin
(Raysung Photonics Inc, Xi'an 710119, China)

The application value and necessity of wavelength selective reflector in PON optical link test and diagnosis system were referred. The application characteristics of Fiber Bragg Grating (FBG) refl ector were discussed, a comparison between FBG refl ector and thin fi lm fi lter (TFF) was made, and the current status of FBG refl ector in the international market was also listed. Finally, the present progress that has been made to meet the cost requirement was briefl y introduced.

optical time-domain reflector; optical link test and diagnosis; fiber bragg grating reflector; reflection transition zone

TN915

A

1008-5599（2016）11-0085-03

2016-08-15