應(yīng)用于OTDR測(cè)試的光纖光柵反射器

張雪峰， 楊立鋒， 王彬

（西安盛佳光電有限公司，西安 710119）

應(yīng)用于OTDR測(cè)試的光纖光柵反射器

張雪峰， 楊立鋒， 王彬

（西安盛佳光電有限公司，西安 710119）

本文闡述了反射器在PON的OTDR測(cè)試診斷系統(tǒng)中的作用及其必要性，探討了光纖光柵反射器方案的應(yīng)用特點(diǎn)、與介質(zhì)薄膜濾波器對(duì)比的優(yōu)勢(shì)及在國(guó)際市場(chǎng)上的應(yīng)用情況，并介紹了目前光纖光柵反射器在成本方面的突破。

光時(shí)域反射分析儀；光鏈路測(cè)量與診斷；光纖光柵反射器；反射過(guò)渡帶

1 OTDR在PON的測(cè)試中面臨的挑戰(zhàn)

光時(shí)域反射儀(OTDR)作為一種精確定位光分配網(wǎng)(ODN)故障、監(jiān)測(cè)ODN性能的有效手段，已經(jīng)在運(yùn)營(yíng)商骨干網(wǎng)上被廣泛應(yīng)用，但是在以無(wú)源光網(wǎng)(PON)為代表的接入網(wǎng)中，卻面臨著巨大挑戰(zhàn)。PON ODN網(wǎng)絡(luò)的星型結(jié)構(gòu)、高損耗的光分路器及復(fù)雜ODN部署環(huán)境等因素都增加了OTDR對(duì)光纖故障測(cè)量與診斷的難度。尤其是當(dāng)PON ODN網(wǎng)絡(luò)引入高損耗的光分路器后，降低了OTDR檢測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度，使得目前OTDR技術(shù)很難識(shí)別到ODN分支光纖上的衰減事件(例如彎曲等衰減事件)。 而且當(dāng)入戶光纖末端連接光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)時(shí)，微弱的OTDR檢測(cè)信號(hào)無(wú)法形成有效的反射峰以區(qū)分并定位不同的ONU分支。為了提高OTDR對(duì)光鏈路端到端性能的控測(cè)靈敏度，業(yè)界提出在ONU側(cè)安裝一個(gè)低成本的波長(zhǎng)選擇性反射器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光鏈路端到端衰減的精確檢測(cè)。

2 光纖光柵反射器

光纖光柵反射器(FBG reflector)正是這樣一種波長(zhǎng)選擇性反射器。光纖光柵的原理是利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫(xiě)入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，只有滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)都將透過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸。

寫(xiě)入光纖光柵的特制尾纖或預(yù)埋光纖光柵在適配器里的光纖光柵反射器（兩種結(jié)構(gòu)如圖1所示）安裝在ONU側(cè)，由于光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)與光線路終端(OLT)側(cè)的OTDR發(fā)來(lái)的測(cè)試光脈沖一致，使測(cè)試光脈沖以接近100%的反射率進(jìn)行強(qiáng)反射，而正常的PON系統(tǒng)工作波長(zhǎng)由于不滿足光纖光柵布拉格條件則以很小的衰減通過(guò)反射器。OTDR通過(guò)檢測(cè)這個(gè)光纖光柵反射器反射回來(lái)的光信號(hào)的強(qiáng)度，可以精確地計(jì)算出從OLT到ONU的光鏈路衰減，而通過(guò)比對(duì)故障鏈路與健康檔案的回波損耗值，可以精確測(cè)量出光纖鏈路上衰減故障引入的光纖損耗值。其次，在二級(jí)分光的場(chǎng)景中還可以準(zhǔn)確定位是配線光纖段還是入戶光纖段發(fā)生了衰減故障。同時(shí)，安裝光纖光柵反射器后，還能對(duì)每個(gè)ONU分支在OTDR曲線上通過(guò)反射事件進(jìn)行有效區(qū)分，以幫助定位是哪一ONU分支存在衰減故障。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分支光纖衰減事件的有效檢測(cè)。

圖1 光纖光柵反射器的兩種結(jié)構(gòu)

3 新應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)下光纖光柵反射器較介質(zhì)薄膜濾波器的優(yōu)勢(shì)

反射器的關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)特定OTDR波長(zhǎng)進(jìn)行反射，而其他PON業(yè)務(wù)波長(zhǎng)透射。據(jù)最新的FSAN和BBF標(biāo)準(zhǔn)，OTDR測(cè)試波長(zhǎng)范圍為1 640～1 660 nm，而反射器要兼容EPON/GPON、10GEPON/XGPON、NGPON2系統(tǒng)，因此反射器所透射的波長(zhǎng)范圍為1 260～1 610 nm。從透射波長(zhǎng)的上限到反射波長(zhǎng)的下限之間的波長(zhǎng)范圍通常稱為反射過(guò)渡帶，那么在當(dāng)前的FSAN和BBF標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)過(guò)渡帶的要求已經(jīng)是30 nm (1 640－1 610＝30 nm)。

過(guò)去，由于傳統(tǒng)光纖光柵的生產(chǎn)工藝決定光纖光柵的成本相對(duì)較高，不利于光纖光柵反射器應(yīng)用在PON的OTDR測(cè)試的推廣，因此人們傾向于使用當(dāng)時(shí)成本相對(duì)較低的TFF（Thin Film Filter， 介質(zhì)薄膜濾波器）。介質(zhì)薄膜濾波器是基于光的薄膜干涉原理，制作工藝采用的是一種光學(xué)鍍膜的方式，在基底上鍍上多層高、低折射率交替的膜層，通過(guò)嚴(yán)格控制基底上膜層數(shù)和各膜層的折射率及厚度，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一定波長(zhǎng)范圍濾波。作為OTDR反射器，介質(zhì)薄膜濾波器的一個(gè)致命缺點(diǎn)是過(guò)渡帶大，以目前光學(xué)鍍膜工藝和成本要求，常規(guī)過(guò)渡帶是50 nm，實(shí)現(xiàn)為30 nm過(guò)渡帶，需增加膜層數(shù)量，這必然增加其制備復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本，以目前OTDR反射器的成本要求，30 nm過(guò)渡帶已是極限。

相反，光纖光柵反射器與生俱來(lái)就有過(guò)渡帶非常窄的特點(diǎn)，以大于20 dB的隔離度為例，光纖光柵反射器的過(guò)渡帶不超過(guò)10 nm。因此，30 nm過(guò)渡帶的要求對(duì)于光纖光柵反射器并不苛刻。

更重要的是，F(xiàn)SAN/ITU-T在考慮對(duì)NG-PON2兼容WDM覆蓋業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化，屆時(shí)PON系統(tǒng)工作波長(zhǎng)可能進(jìn)一步拓展到1 620 nm左右，那么需要透射的波長(zhǎng)范圍為1 260～1 620 nm。在這種需求下，對(duì)過(guò)渡帶的要求進(jìn)一步縮小到了20 nm ( 1 640－1 620＝20 nm)。對(duì)于介質(zhì)薄膜濾波器，為實(shí)現(xiàn)更小的過(guò)渡帶，將極大地增加生產(chǎn)成本，相反對(duì)于光纖光柵反射器來(lái)說(shuō)，可以輕松實(shí)現(xiàn)。那么在這種情況下，介質(zhì)薄膜濾波器原有的成本優(yōu)勢(shì)已不再明顯。圖2為光纖光柵反射器與介質(zhì)薄膜濾波器過(guò)渡帶的對(duì)比。

圖2 光纖光柵反射器、介質(zhì)薄膜反射器典型插入損耗

另外，據(jù)了解目前介質(zhì)薄膜濾波器封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式一種是直接在陶瓷插芯的端面上進(jìn)行真空光學(xué)鍍膜，另一種是在薄玻璃基板上鍍膜，切割成小塊然后粘貼在陶瓷插芯的端面；無(wú)論是哪一種方式其可靠性和使用壽命都有待提高。而光纖光柵是對(duì)光纖纖芯折射率一種永久性變化，其光學(xué)特性十分穩(wěn)定，例如應(yīng)用于泵浦激光器鎖波長(zhǎng)的光纖光柵，其使用壽命可達(dá)25年以上。而且光纖光柵刻寫(xiě)在光纖纖芯之后，光纖穿過(guò)陶瓷插芯，柵區(qū)部分被完全封裝在陶瓷插芯的內(nèi)部，在反射器插拔的過(guò)程中，對(duì)光纖光柵沒(méi)有任何影響，因此相對(duì)于介質(zhì)薄膜反射器，光纖光柵反射器具有很高的可靠性和很長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)。

此外，據(jù)了解光學(xué)鍍膜工藝目前的優(yōu)良率并不是很高，因此為確保介質(zhì)薄膜濾波器的光學(xué)參數(shù)達(dá)標(biāo)，需要在鍍膜后逐一進(jìn)行測(cè)試和篩選，批量生產(chǎn)時(shí)測(cè)試這一步驟將花費(fèi)大量的時(shí)間和成本。而光纖光柵的刻寫(xiě)工藝目前已經(jīng)非常成熟，一致性和成品率非常高，光纖光柵的光學(xué)參數(shù)通過(guò)抽測(cè)即可保證，為光纖光柵反射器的批量生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本帶來(lái)了優(yōu)勢(shì)。

圖3 日本運(yùn)營(yíng)商商用的技術(shù)體系（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

4 目前光纖光柵反射器的發(fā)展及成本突破

日本運(yùn)營(yíng)商最早開(kāi)始基于光纖光柵的反射器技術(shù)的研究，圖3是日本運(yùn)營(yíng)商商用的技術(shù)體系。目前光纖光柵反射器在日本、東南亞、歐洲、美國(guó)等市場(chǎng)上已被普通認(rèn)可和接受。

但是在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝下，光纖光柵的成本很難進(jìn)一步降低，一定程度上阻礙了光纖光柵反射器的廣泛推廣。為了滿足光纖光柵反射器在PON OTDR測(cè)試應(yīng)用的成本要求，國(guó)內(nèi)光纖光柵的廠商正在積極推動(dòng)降低光纖光柵的生產(chǎn)成本，目前已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展。在全新的加工工藝下，光纖光柵反射器有望實(shí)現(xiàn)與介質(zhì)薄膜反射器同等水平的價(jià)格，尤其在未來(lái)20 nm反射過(guò)渡帶等新的指標(biāo)要求下甚至比介質(zhì)薄膜反射器更低的價(jià)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