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摘要 本文报道了几种可插拔（阴阳式）光滤波器的封装结构和性能，并对产品结构进行了选型，同时对产品可靠性性能进行了描述，该可插拔光滤波器在光纤通信有着广泛的需求应用，目前已能批量生产投入市场。
1 引言
随着光纤通信技术的发展，光滤波器产品得到大规模的应用，其产品结构和性能已经出现多样化，尤其是光纤接入网FTTH和PON 网络的发展，小型化、低成本、在线即插即用为光滤波器的发展方向之一，特别是一些应用于FTTB，CATV的光器件。例如：基于在FTTH单纤解决方案ONU中的应用，由此可以屏蔽VIDEO的信号；FTTH线路监控时用作OTDR信号的反射端子；PON网络监控及网络系统升级等应用。由于此类产品用量很大，所以对产品的成本，产品的安装操作方便性，及产品小型化等方面就有了更高的要求。
目前市场上广泛使用的常规介质膜光滤波器一般主要有以下几个缺点：
采用光纤准直器结构，造成原材料成本较高；
常规光滤波器只能做成带尾光纤型的结构，由于需要盘光纤和分纤操作，工程人员操作麻烦；
即使产品带适配器结构，由于适配器和滤波器本身是分离的，装配需要通过光纤将两者拼接在一起，这样产品体积又会很大，不适合接入网器件小型化的应用需求。
为了满足以上需求，本文所介绍的可插拔光滤波器结构可以完全克服以上缺点，把器件滤波功能、即插即用功能集成到一个小型化的光器件上，制作简单、成本低廉、质量可靠，工程人员安装操作方便。
2 器件结构
在应用上，客户对可插拔光滤波器的使用最关心的是封装形式，要求器件本体的光信号输入/输出端口满足相应光纤连接器和适配器IEC标准接口尺寸，同时满足低成本要求，而且明确一定要为可插拔（阴阳式光固定衰减器）结构。所以，在产品结构设计方面，可插拔光滤波器的外形结构即为借鉴阴阳式光固定衰减器结构，其器件本体基础元部件单元除了组成器件所需的外部件之外，仍包含高精度的陶瓷插芯。根据不同光纤连接器的接口结构，高精度陶瓷插芯供选择的有外径1.25mm（适应于LC型）和外径2.5mm（适应于FC\SC型）的陶瓷插芯。
目前可插拔光滤波器在工作原理结构实现方式上有三种，下面我们简单做下介绍。
2.1 滤光片结构
我们知道，介质膜滤波器实际一种薄膜干涉型光学滤波器，为使用光波的薄膜干涉现象来实现光信号的滤波功能。介质膜滤波器早已广泛应用于DWDM系统，是目前在DWDM系统中应用最广的薄膜干涉型滤波器件，这项滤波的应用技术现在已经非常成熟，其结构特性可提供良好的温度稳定性，信道隔离度和很宽的带宽，其相应的工作原理如图1所示[1~2]，通过使用介质膜结构的滤光选择特性来对光波信号进行光波复用或解复用，其对一个或多个波长反射隔离度高（或透射率高），对其他波长则反射率低（或透射率低），以此来实现不同光信号波长的滤波功能，从而实现对光信号波长的选择。在其结构的具体实现方式上，通常制作成滤光片结构，通过介质膜材料的选择或结构的不同可获得不同的滤光片，滤光片的通带宽度和阻带宽度决定了复用通道的路数和波长范围。
通过使用滤光片我们可以制作可插拔光滤波器结构，如图2所示，光滤波芯件两端分别需要使用一个自聚焦透镜来实现对光信号的聚焦耦合，并使用非标高精度陶瓷插芯（一端为UPC结构，另一端为斜8°UPC结构，非标长度）来替代光纤准直器的光纤头，从而有效的实现光信号在器件中的输入/输出。依据产品结构设计和封装方式来看，整个光滤波芯件包含光纤，非标陶瓷插芯（光纤头），自聚焦透镜，滤光片，准直连接套和粘接胶。
我们采用陶瓷插芯材料的非标陶瓷插芯来制作光纤准直器的陶瓷光纤头，目的是为用陶瓷光纤头取代玻璃光纤头。将陶瓷光纤头的端面放置于自聚焦透镜的焦点处，使陶瓷光纤头出射的光束得到高效率的耦合，然后在自聚焦透镜的焦点附近轻微调节光纤端面位置，从而可以得到陶瓷光纤准直器所需的工作距离，因此，陶瓷光纤准直器的工作距离与陶瓷光纤头和透镜的间距L相关。陶瓷光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定陶瓷光纤准直器的工作距离，依据高斯光束传输的基本理论，确定陶瓷光纤头和自聚焦透镜的间距L并计算光斑尺寸，然后依据光纤理论计算陶瓷光纤准直器的点精度。
图1 介质膜滤波器应用在DWDM系统
图2 滤光片结构的LC型可插拔光滤波器
对于常规的自聚焦透镜和滤光片结构，由于尺寸较大，很难应用在光滤波芯件的设计当中，所以，此结构设计中应用的自聚焦透镜和滤光片等元部件，必须经过特别的加工设计，其结构尺寸均要求为Min型。所以，其元部件的特殊加工，其成本将会较高。而且，元部件数量较多（包含两个自聚焦透镜、两个光纤头，一个滤光片和一个准直连接套）。
在产品结构封装上，需要使用特定的工装夹具，对光滤波器芯件两端的陶瓷光纤头，自聚焦透镜及滤光片进行定位，然后再封装在准直连接套里面，要求精度较高，即其产品结构封装较为复杂。批量试制生产可以实现，但是人工成本和原材料成本较高，所以最终产品成品成本较高，不适合客户产品应用中的低成本要求。
2.2 光学镀膜结构
在实现滤波方式上与介质膜滤波器滤波原理一样，结构实现方式为在抛光后的光纤端面（UPC结构）进行光学镀膜，根据光学薄膜膜系结构设计要求，使光信号在通过光学薄膜膜层时因多光束之间的干涉现象实现光信号的滤波功能。在光滤波芯件结构的实现方式上，即为将普通光纤穿入高精度陶瓷插芯内部进行吸胶粘接，再进行烘烤固化，最后对陶瓷插芯和光纤端面进行研磨抛光，将光学端面抛光成UPC端面结构，然后在陶瓷插芯和光纤端面（UPC结构）进行光学镀膜。通过不同的光学薄膜膜系设计要求可以实现不同的光学滤波方式。
在产品封装形式上，此产品光滤波芯件主要有两种封装结构，一种为外置光学镀膜膜层封装结构，其光滤波芯件封装结构如图3所示，此光滤波芯件包含光纤，陶瓷插芯，准直连接套，光学镀膜膜层及粘接胶。陶瓷插芯为市场标准结构，所以具有价格优势，其原材料成本较低。另外，外置光学镀膜膜层结构，其产品封装极为简单，我们使用的普通单模光纤（G.652D）对其进行吸胶固化，仅为在抛光后的标称陶瓷插芯端面进行光学镀膜，其制作过程完全可以复制光固定衰减器的现有工艺。
由以上分析，外置光学镀膜膜层结构的可插拔光滤波器，其元部件较少，呈现出结构简单，且封装形式较为简单，制作工艺与阴阳式光固定衰减器基本一致，完全可以复制，满足批量生产及客户的低成本产品需求。
图3 外置光学镀膜膜层结构可插拔光滤波器
图4 内置光学镀膜膜层结构可插拔光滤波器
另一种为内置光学镀膜膜封装结构，光滤波芯件包含光纤，非标陶瓷插芯，准直连接套，光学镀膜膜层及粘接胶，元部件较少呈现结构简单，光滤波芯件封装结构如图4所示，制作工艺与阴阳式光固定衰减器虽然基本一致，封装形式相对外置光学镀膜结构稍微复杂，光滤波芯件两端分别需要使用一只两个端面均为UPC结构的高精度非标陶瓷插芯，在非标陶瓷插芯光纤端面抛光后进行光学镀膜，然后再进行光滤波芯件的光路耦合封装，此结构产品可以批量生产，同时，非标陶瓷插芯的使用使产品成本略微偏高，但是其可插拔性能优越，可以到达500次以上。
2.3 光纤光栅结构
近些年来，伴随着光纤光栅技术的快速发展，其在光纤通信系统中的应用也越来越广泛，即目前光纤光栅已经在光滤波器、光插/分复用、密集波分复用系统中具有广泛的应用范围，同时，光纤光栅技术可以在光纤通信系统中实现有效的色散补偿。光纤光栅技术在制作产品过程中的主要优点是使用光纤光栅制作的光器件产品非常容易与光纤端面进行耦合、而且损耗较低、并且光纤光栅的偏振呈现不灵敏性，另外，使用光纤光栅的产品结构在器件封装操作方面较为简单，很容易实现产品的制作。
光纤光栅技术的工作原理实际上主要是利用光纤的光敏特性来实现相应的功能，即是可以通过使用紫外光特定的波长对光纤光栅的光纤折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤无源器件，目前，在光通信领域，使用较为广泛的是光纤Bragg光栅（FBG）[3~4]，其工作原理是在FBG光纤纤芯内形成一种空间相位光栅，通过使用光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生连接耦合，通过这种耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量最大程度的传递给后向传输纤芯模式，由此可以形成对入射波的反射，即在纤芯内形成一个窄带的滤波器或者反射镜，如图5所示。其反射波长即布拉格波长为，其中为光栅周期，为纤芯等效折射率。因此，我们通过调节FBG折射率变化的范围和/或变化量即可控制光纤光栅的通带宽度，实现光滤波的功能。
图5 FBG工作原理图
通过使用光纤光栅制作的可插拔光滤波器，是在高精度陶瓷插芯内部穿入光纤Bragg光栅（FBG）进行吸胶粘接，烘烤固化，研磨抛光，其滤波芯件封装结构如图6所示，滤波芯件包含光纤，标准陶瓷插芯，准直连接套，光纤光栅及粘接胶。制作工艺和阴阳式光固定衰减器工艺一样，两者差异点主要体现在产品封装结构所使用的光纤传输介质单元上，阴阳式光固定衰减器一般采用衰减光纤制作而成，而阴阳式光滤波器为采用布拉格光纤光栅实现滤波功能。光纤光栅的使用大大增加了产品成本，此结构产品可以批量生产，但不适合客户的低成本产品需求。
图6 光纤光栅结构可插拔光滤波器
2.4 结构性能对比分析
可插拔光滤波器由于体积小，制作工艺困难，且实际应用中客户对产品成本要求较低，所以基于以上几种结构，我们对可插拔光滤波器在结构复杂程度、滤波实现方式及原材料成本控制等方面进行综合对比分析，如表-1：
由以上几种产品结构性能对比分析，我们对产品结构进行了选型，目前光迅科技推出的可插拔光滤波器为外置光学镀膜膜层结构，满足了客户在产品体积小、即插即用及低成本方面的要求。供客户选择的产品类型有FC、SC和LC型可插拔光滤波器，端面结构可为PC（UPC）或APC 结构，如图7、8及9所示。
目前光迅科技提供的可插拔光滤波器的的光学指标如下：
3 产品可靠性性能分析
在产品满足客户体积小、即插即用及低成本的优点外，客户关心的莫过于产品的可靠性性能。
光迅科技推出的可插拔光滤波器（仅对选型的外置光学镀膜膜层结构进行分析）参照相关的GR-326-CORE、GR-910-CORE和GR-1221-CORE标准要求进行产品可靠性试验，产品通过机械冲击试验、振动试验、重复插拔试验、高温老化试验，高温存储试验、低温存储试验和温度循环试验。试验前后，各指标参数变化量均≤0.5dB。同时，器件本体无机械损伤，如变形、龟裂、松弛等现象发生。
在产品使用上客户最关心光学镀膜膜层的可靠性问题，尤其重复插拔性能，光迅科技推出的可插拔光滤波器产品可通过200次的重复插拔，且端面结构及膜层无破裂损伤，光学性能没有发生改变，满足客户产品使用要求。
4 结论
本文讨论了几种可插拔光滤波器的结构实现方式，通过产品结构实现方式、原材料成本及制作工艺等进行对比分析，对产品结构设计进行了选型，同时对选型后的产品结构进行了相关的可靠性试验分析，产品具备低成本高性能的器件要求。伴随光纤通信技术的迅速发展，可插拔光滤波器的出现，在组建光纤线路时，即插即用，使用上会更为方便，并能有效的节省空间，能够在现有网络系统设备基础之上完成系统扩展升级，满足产品低成本高性能要求。该产品在光纤通信的应用上将会日趋成熟，并会有大量的需求，具备良好的市场前景。目前在国内通信行业内，尚无可插拔光滤波器相应的行业标准，其相关标准有待于规范。
参考文献
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