WDM器件關(guān)鍵性能參數(shù)IL、TDL的技術(shù)研究與優(yōu)化

呂成江

（珠海保稅區(qū)光聯(lián)通訊技術(shù)有限公司，廣東 珠海 519030）

1 WDM器件技術(shù)

WDM技術(shù)充分的利用了單模光纖低損耗區(qū)域帶來(lái)的巨大帶寬資源，混合不同速度和波長(zhǎng)的光進(jìn)行傳輸，增加了新的波長(zhǎng)特性。并按用戶的要求確定網(wǎng)絡(luò)容量。

傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在單模上僅使用WDM模塊來(lái)傳輸信息，比如1550nm波長(zhǎng)。然而，從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展促使供應(yīng)商找到一種增加網(wǎng)絡(luò)容量最經(jīng)濟(jì)的方法——WDM設(shè)備因此出現(xiàn)了。

在WDM系統(tǒng)中，WDM波分復(fù)用器將這些彩光模塊連接在一起，并放置到一個(gè)單模光纖中，一種顏色即為一個(gè)通道。

在接收器側(cè)，通過(guò)WDM解復(fù)用設(shè)備將每種顏色分離成其自己的信道。通常來(lái)說(shuō)，使用40通道WDM，單根光纖的容量會(huì)增加40倍。WDM的優(yōu)點(diǎn)在于只需要升級(jí)終端設(shè)備，無(wú)須挖掘溝槽來(lái)埋設(shè)更多的纖維，而增加不必要的成本。

不同的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)致使每個(gè)波長(zhǎng)之間的間隙寬度也是不一樣的。根據(jù)信道間距的不同，WDM可分為CWDM和DWDM。

CWDM支持同時(shí)通過(guò)光纖傳輸?shù)亩噙_(dá)18個(gè)波段，從1270nm到1610nm，每個(gè)波段間相隔20nm。DWDM支持多達(dá)80個(gè)同時(shí)波長(zhǎng)的通道，每個(gè)通道僅相隔0.8nm。CWDM技術(shù)為長(zhǎng)達(dá)70公里的傳輸距離提供了便捷且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。對(duì)于40到70公里之間的傳輸距離，CWDM通常只支持八個(gè)頻道。與CWDM不同，DWDM連接可以被放大，因此可以用于更長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

大傳輸容量可以節(jié)省寶貴的光纖資源。對(duì)于單波長(zhǎng)光纖系統(tǒng)，需要一對(duì)光纖來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)，而對(duì)于WDM系統(tǒng)，無(wú)論有多少個(gè)信號(hào)，整個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)只需要一對(duì)光纖即可。 例如，對(duì)于16個(gè)2.5gb / s系統(tǒng)，單波長(zhǎng)光纖系統(tǒng)需要32根光纖，而WDM系統(tǒng)僅需要兩條光纖。

不同類型的信號(hào)具有良好的兼容性。例如數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)，并且可以被合成和分解。

支持網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量增加時(shí)，無(wú)須部署更多光纖或使用高速網(wǎng)絡(luò)組件。只要更換端子并添加波長(zhǎng)光源，就可以引入新的設(shè)備或容量。因此，WDM技術(shù)是一種理想的擴(kuò)展方法。

靈活的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)使用光分復(fù)用器（OADM）或光交叉連接設(shè)備（OXC）可以形成具有高靈活性，高可靠性和高生存能力的所有光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2 WDM器件關(guān)鍵性能參數(shù)IL的影響因素分析和優(yōu)化

WDM在5G中的的需求和重要性不言而喻，從而針對(duì)WDM器件的制造商成品和合格率更是尤為關(guān)鍵，目前針對(duì)WDM器件的制造大的分為兩種，一種為焊接平臺(tái)（soldering platform），另一種為APOD（Athermal Platform Optical Device）焊接平臺(tái)，物料需要進(jìn)行鍍金處理以增加可焊性，器件需要經(jīng)受住焊接高溫300度，過(guò)程中容易出現(xiàn)光纖斷裂的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)員工的技術(shù)要求較高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化較困難，成本高，參數(shù)沒(méi)有APOD優(yōu)良，優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)品密封性好。

APOD平臺(tái)主要通過(guò)膠粘劑對(duì)玻璃管及filter進(jìn)行固定和密封，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，同時(shí)可靠性方面滿足GR1221要求，目前制造商都以該平臺(tái)為主，只是每家結(jié)構(gòu)會(huì)有一定差異，目前主流結(jié)構(gòu)為WDM雙線準(zhǔn)直器加單線collimator用玻璃管套接，膠水固定器件結(jié)構(gòu)圖。

該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，其中WDM雙線準(zhǔn)直器的制作，單線準(zhǔn)直器及器件組裝都可實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)化，所以該結(jié)構(gòu)普通受到制造商的青睞，該結(jié)構(gòu)在雙線準(zhǔn)直器的制作時(shí)是關(guān)鍵，早期多用三維調(diào)節(jié)架手動(dòng)調(diào)節(jié)雙線pigtail與Glens+Filter組件，耦合OK在PIGTAIL和Glens縫隙處快速點(diǎn)一圈膠用汞燈及時(shí)固化進(jìn)行預(yù)固定，以防膠水進(jìn)入PIGTAIL端面引起插入損耗IL（Insertion Loss）及溫度相關(guān)損耗TDL（Temperature Dependent Loss）問(wèn)題，后期再用353ND膠在UV膠上裹一圈，起到密封和固定的作用，在工藝控制過(guò)程中，膠水與材料的匹配，膠水的厚度，膠水的均勻性及不同的固化工藝對(duì)產(chǎn)品的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響，主要因?yàn)槟z水在固化過(guò)程中不均勻及與pigtail和Glens的CTE不匹配，對(duì)耦合好的光路產(chǎn)生移位，使pigtail與G-Lens之間的距離（后截距）及角度產(chǎn)生變化，對(duì)調(diào)節(jié)好的參數(shù)產(chǎn)生影響在準(zhǔn)直器系統(tǒng)中后截距和角度變化對(duì)耦合產(chǎn)生的影響角度對(duì)耦合的影響：

從截距的變化對(duì)耦合損耗同樣會(huì)造成影響，生產(chǎn)過(guò)程中需要減少這些因素造成的附加損耗需要選取CTE與毛細(xì)管相接近的膠水同時(shí)設(shè)計(jì)合理的烘烤方法早期常用的353ND熱固化膠粘接性能不錯(cuò)，不過(guò)CTE與毛細(xì)管匹配上會(huì)有一定缺陷。

3 WDM器件關(guān)鍵性能參數(shù)TDL的影響因素分析和優(yōu)化

固化工藝也會(huì)造成一定比列TDL問(wèn)題行業(yè)常使用的是3.3ppm/℃或5.1ppm/℃的硼硅酸鹽玻璃，ND膠的CTE 54ppm/℃在溫度變化過(guò)程中膠水與玻璃的變化存在差異導(dǎo)致IL產(chǎn)生變化，隨著膠水的不斷改善，目前更多的制造商都會(huì)選用3410雙固化膠（可以UV固化也可以熱固化）CTE 14ppm/℃使產(chǎn)品工藝和性能更穩(wěn)定，對(duì)TDL的水平也進(jìn)一步提高，3410膠水通過(guò)在膠里添加填充劑二氧化硅粉來(lái)改變CTE與產(chǎn)品更接近，當(dāng)溫度生產(chǎn)變化時(shí)更穩(wěn)定，同時(shí)減少outgas使APOD平臺(tái)更穩(wěn)定，減少異物產(chǎn)生，粘合劑與被粘基材的物理性能不同這是產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素，比如彈性模量，固化過(guò)程中的收縮率，熱膨脹系數(shù)等在膠粘劑固化的溫度和固化之后在使用時(shí)的溫度不一致時(shí)，就需要對(duì)產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力提起特別注意。一些普通聚合物膠粘劑與金屬基板之間的熱膨脹系數(shù)差異有時(shí)超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。表示當(dāng)溫度變化時(shí)，膠體移動(dòng)到基體的距離超過(guò)10倍，因此在接頭處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

由熱膨脹差異引起的內(nèi)應(yīng)力非常大，膠黏劑對(duì)于對(duì)受力非常敏感。 膠粘劑從柔軟未干的材料變成堅(jiān)硬的固體，內(nèi)聚強(qiáng)度性質(zhì)變化很大，振幅可以達(dá)到約幾千N/cm2。內(nèi)聚強(qiáng)度的提高是粘合劑層可以承受不同應(yīng)力的根本原因。但內(nèi)聚強(qiáng)度的形成也是粘接體內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因。其中尤其是產(chǎn)生應(yīng)力的本質(zhì)及應(yīng)力的大小、粘接件的應(yīng)用條件。粘接劑選定之后，接頭上膠粘劑的性能還取決于許多因素。 最重要的是接頭的設(shè)計(jì)，連接的表面的狀態(tài)，粘結(jié)技術(shù)的使用，粘結(jié)程度以及粘合劑的強(qiáng)度，厚度或形狀。 粘合劑提供的應(yīng)力的類型和大小在很大程度上取決于接頭的設(shè)計(jì)。 粘合劑可以經(jīng)受剪切，拉伸或壓縮，分裂或剝離力以及這些應(yīng)力的任何結(jié)合力。大多數(shù)粘合劑具有良好的抗壓強(qiáng)度。 有些膠粘劑的剝離強(qiáng)度低，但剪切強(qiáng)度高，反之亦然。

常?？赡苓_(dá)到所需要的接頭強(qiáng)度，甚至用低強(qiáng)度膠粘劑也是如此。當(dāng)然，在不能設(shè)計(jì)大面積接頭的地方，采用高強(qiáng)度膠粘劑就成為必然的了。接頭膠膜的厚度以選擇適合的膠粘劑來(lái)滿足所需要的強(qiáng)度是有特殊意義的。使用高模量粘合劑，可以在膠膜厚度相對(duì)較小的時(shí)候，抗張強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度相應(yīng)的有所提高。膠膜厚度通常為0.03-0.12mm，強(qiáng)度會(huì)降低到0.03mm以下，熱固性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑可得到最佳強(qiáng)度，強(qiáng)度與被粘表面的光滑度有關(guān)，接頭缺膠是危險(xiǎn)的。另一方面，當(dāng)使用彈性粘合劑時(shí)，膠膜厚度的增加將產(chǎn)生更高的剝離強(qiáng)度。特別是當(dāng)膠膜厚度大于0.13MM時(shí)，可以獲得最佳強(qiáng)度。（如圖1）

圖1 不同膠水內(nèi)應(yīng)力對(duì)比

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，下面為用353ND膠水及3410膠水生產(chǎn)WDM器件在-5～75℃時(shí)引起的TDL分布情況（如圖2-3）。

圖2 WDM用353ND膠TDL分布

圖3 WDM用3410膠TDL分布

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出，組裝膠水的CTE對(duì)改善WDM關(guān)鍵性能參數(shù)TDL的工藝優(yōu)化起到關(guān)鍵性作用，選擇CTE較小的膠水進(jìn)行組裝，能夠獲得更高精度TDL的產(chǎn)品。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G的發(fā)展，WDM器件的大量使用，對(duì)產(chǎn)品的性能要求更嚴(yán)格，選擇不同的生產(chǎn)平臺(tái)，原材料，輔料及固化工藝對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的影響，本文通過(guò)對(duì)WDM器件關(guān)鍵性能參數(shù)IL和TDL影響因素進(jìn)行理論分析，并通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，最終提出了保證高精度性能指標(biāo)的工藝技術(shù)解決方案，為困擾行業(yè)內(nèi)的批量生產(chǎn)工藝技術(shù)找到了突破口和突破方案，進(jìn)而對(duì)5G的發(fā)展及對(duì)無(wú)源器件WDM的精度和穩(wěn)定性要求提供了關(guān)鍵性的技術(shù)支持。