PLC分路器市場技術(shù)淺析

　　光分路器是FTTH光器件中的核心，它蘊藏著極大的增長潛力，將成為FTTX市場增長的主要驅(qū)動，無疑將對光通信制造業(yè)帶來了生機和挑戰(zhàn)，同時也給光通信企業(yè)帶來再一次高速發(fā)展的空間。本文綜述了PLC分路器市場、產(chǎn)業(yè)情況及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。對PLC芯片、光纖陣列及耦合封裝工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了淺析。

　　1. 引言

　　當(dāng)前，我國FTTx(光纖接入網(wǎng))建設(shè)逐步展開，三大運營商及廣電系統(tǒng)都確定了“加快光進(jìn)銅退、推進(jìn)接入網(wǎng)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型”的思路，實現(xiàn)FTTC(光纖到路邊)、FTTB(光纖到大樓)、FTTH(光纖到家庭)、FTTD(光纖到桌面)、三網(wǎng)融合(語音網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、有線電視網(wǎng))等多媒體傳輸以及PDS(綜合布線系統(tǒng))方案。要建成全光纖網(wǎng)絡(luò)，除了需要各種各樣結(jié)構(gòu)配線光纜、引入光纜實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)的接續(xù)和再分配外，在E-PON、G-PON技術(shù)中，還大量需要光分路器來最終完成光纖到戶的目的。

　　FTTx系統(tǒng)由局端機房設(shè)備(OLT)、用戶終端設(shè)備(ONU)、光配線網(wǎng)(ODN)三部分組成。ODN作為FTTx系統(tǒng)的重要組成部分，是OLT和ONU之間的光傳輸物理通道，通常由光纖光纜、光連接器、光分路器以及安裝連接這些器件的配套設(shè)備組成。從局端機房的ODF架到光纜分配點的饋線段，作為主干光纜，實現(xiàn)長距離覆蓋;從光纜分配點到用戶接入點的配線段，對饋線光纜的沿途用戶區(qū)域進(jìn)行光纖的就近分配;用戶接入點到終端的入戶段由蝶形引入光纜來完成，而所有分支及接點連接均由光分路器完成并實現(xiàn)光纖入戶。

　　光分路器是FTTH光器件中的核心，它蘊藏著極大的增長潛力，將成為FTTX市場增長的主要驅(qū)動，無疑將對光通信制造業(yè)帶來了生機和挑戰(zhàn)，同時也給光通信企業(yè)帶來再一次高速發(fā)展的空間。根據(jù)接入網(wǎng)建設(shè)熱潮的到來，從市場現(xiàn)階段和未來需求發(fā)展態(tài)勢看,PLC光分路器將成為PON市場的主力已無可非議，他具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、寬帶化、小型化及維護(hù)方便等特點，是未來市場需求的重點。

　　2. PLC(光分路器)市場及產(chǎn)業(yè)情況

　　2.1 PLC(光分路器)市場情況

　　PLC(光分路器)主要用在接入網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)中，使中心局與多個用戶相連，實現(xiàn)光纖到戶。2008年全球的需求量約2400萬通道，總銷售額1.1億美元，平均4.6美元∕通道。全球市場在不同地區(qū)有所差異，日本、韓國在連續(xù)數(shù)年高速發(fā)展后，需要數(shù)量已趨于平穩(wěn)，但是仍占有一半市場份額，北美地區(qū)占有市場份額的30%。中國、印度、巴西等發(fā)展中國家的FTTH剛開始建設(shè)，將成為市場的主要生長點。

　　2009年，中國光器件市場需求旺盛，尤其是從第二季度開始，銷售收入連續(xù)三個季度保持增長。產(chǎn)品方面，10G光模塊與PLC產(chǎn)品表現(xiàn)顯眼，增長強勁。2010年第一、二季度，國內(nèi)無源器件廠商訂單狀況良好，市場需求量約達(dá)6億元人民幣，同比增長16%。在運營商加快FTTX部署的推動下，國內(nèi)PLC器件市場延續(xù)了2009年的強勁增長態(tài)勢，PLC分路器、AWG等產(chǎn)品需求旺盛。目前，光纖連接器，耦合器，隔離器、衰減器等無源器件的市場需求保持平穩(wěn)增長，但由于市場競爭進(jìn)一步加劇，價格不斷下滑。

　　在運營商方面，三大運營商已明確要求FTTX網(wǎng)絡(luò)中全部采用PLC型光分路器。從2009年開始到2010年中國電信、中國聯(lián)通已經(jīng)連續(xù)兩年對PLC分路器進(jìn)行了集采招標(biāo)，2010年中國移動也已開始對GPON使用的包括PLC分路器在內(nèi)的所有器材進(jìn)行集采。

　　如果說2009年光器件市場增長是3G因素，那么2010年增長因素將是FTTX因素。雖然中國大規(guī)模部署FTTX網(wǎng)絡(luò)仍有很多阻礙因素，但政府決定推進(jìn)三網(wǎng)融合將給FTTX帶來強大動力，光器件市場也將從中受益。2010年上半年，在運營商積極進(jìn)行FTTH建設(shè)以及3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推動下及2010年1月13日，國務(wù)院總理溫家寶主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，決定加快推進(jìn)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合，這表明政府將開始推動FTTX網(wǎng)絡(luò)部署，光器件市場將受益。據(jù)ICCSZ預(yù)測，2010年國內(nèi)光器件市場將保持平穩(wěn)增長，國內(nèi)無源器件市場銷售額保持快速增長，二季度國內(nèi)無源器件銷售額約為7億元，同比增長17.8%。二季度，國家發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的意見》，加快推進(jìn)光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè);目前，三網(wǎng)融合試點方案也已通過。這些因素有效的促進(jìn)了光器件市場需求的進(jìn)一步增長，也為無源器件廠商帶來了大量的訂單。目前，國內(nèi)FTTx網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)程加快，PLC產(chǎn)品作為FTTX的核心器件，也將獲得大量應(yīng)用，中國光器件市場需求量將達(dá)36億元人民幣，同比增長7.5%。預(yù)計2010年下半年，中國光器件市場仍將持續(xù)保持增長。

　　2.2 PLC(光分路器)產(chǎn)業(yè)情況

　　目前中國已經(jīng)是PLC器件的制造大國，全球的產(chǎn)品大都在中國和韓國生產(chǎn)。國內(nèi)可生產(chǎn)光分路器企業(yè)有百家左右(包括外資企業(yè))，具備生產(chǎn)及研發(fā)能力的有20家左右(從中國電信2010年P(guān)LC集采信息中，全國共有近百家企業(yè)參加集采投標(biāo))，其中烽火通信、武漢光迅科技、博創(chuàng)科技、富創(chuàng)光電、奧康光通器件、無錫愛沃富、富春江光電、深圳日海通訊、成都飛陽科技、上海上誠、大唐通訊(昆山)、南京普天、浙江普森等企業(yè)成規(guī)模生產(chǎn)，除了芯片外購?fù)?，其他均由自己生產(chǎn)。除此之外大部分企業(yè)不管是在產(chǎn)品品種還是在生產(chǎn)規(guī)模上尚未形成大的氣候，并且部分企業(yè)基本上是分路器主體買進(jìn)，然后加跳線頭子和外殼組裝模式。

　　目前各國都在大力推廣FTTH、FTTx的工程，國內(nèi)隨著FTTx(光纖接入網(wǎng))建設(shè)的深入開展，市場對于PLC分路器的需求明顯大，PLC光分路器可能是下一步無源器件市場需求的重點。除了光器件專業(yè)廠加大開發(fā)和增加產(chǎn)能力度外，一些知名度較大的光纖光纜廠家也在這方面加大了投入力度，積極開發(fā)無源器件產(chǎn)品，同時還在增添生產(chǎn)設(shè)備，并將此作為技術(shù)和產(chǎn)品儲備，以其有準(zhǔn)備、有計劃的占有市場，可見PLC光分路器在未來幾年的市場上的重要性及各大光器件企業(yè)、光纖光纜企業(yè)對此項目的重視程度。但是國內(nèi)尚未掌握芯片技術(shù)，只能外購芯片進(jìn)行封裝或做代工。

　　2.3 PLC(光分路器)市場價格走勢

　　未來中國將占據(jù)PLC分路器市場主導(dǎo)地位，預(yù)計3年后將占據(jù)市場的35%。當(dāng)前PLC-Splitter的核心技術(shù)芯片還控制在歐美和日韓企業(yè)手中，國內(nèi)企業(yè)由于沒有核心技術(shù)，只能研制出Fiber Array購買芯片做封裝或直接給芯片企業(yè)做代工。

　　任何事物均有著兩面性，需求量的增大總是伴隨著產(chǎn)品價格的下降，由于國內(nèi)的大量器件封裝企業(yè)涌入這個市場，再加上三大運營對PLC光分路器進(jìn)行集采，市場價格將會面臨下滑的趨勢，隨著需求的不斷增大，價格將越來越低，代工企業(yè)和靠封裝企業(yè)的利潤也將越來越薄。圖1給出了國際上PLC價格走勢。

　　2.4 PLC(光分路器)產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題

　　我國PLC光分路器產(chǎn)業(yè)發(fā)展中也存在一定的問題。雖然市場需求很大，但產(chǎn)能的擴(kuò)展及市場供大于求的潛在風(fēng)險也在迅速加大。首先是由于制造成本壓力越來越大，特別是只有耦合和封裝后續(xù)工序的企業(yè)，PLC光分路器現(xiàn)在的價格與2008年初時相比，已經(jīng)降了40%左右，而且目前PLC分路器相對比較成熟，隨著大規(guī)模生產(chǎn)，價格和毛利率也將繼續(xù)往下掉，市場整合趨勢越發(fā)明顯。第二國內(nèi)廠商的同質(zhì)化競爭，芯片、V型槽甚至FA全部依賴進(jìn)口，成本壓力非常大。如果公司規(guī)模較小，所要面臨的成本壓力反而會更大，因為材料來源主要采用外購，而成本與采購量成反比，而外購量小的話，外購價格也會相對較高，這個價格可以是20%到30%的差異。第三就是WDM-PON對PLC分路器的沖擊，光纖接入技術(shù)除了我們經(jīng)常提到的EPON和GPON，還有WDM-PON。下一代光纖接入技術(shù)的演進(jìn)很可能是WDM-PON技術(shù)，而且歐美國家也更熱衷于這項技術(shù)。但從技術(shù)原理上講，現(xiàn)有的EPON的復(fù)用方式是功率分割型的，而WDM-PON則屬于波分復(fù)用，也就是說，現(xiàn)有的PLC分路器不適用于WDM-PON技術(shù)，如果這個技術(shù)演進(jìn)的過程較短，目前PLC分路器廠商將面臨嚴(yán)重考驗，設(shè)備和資金投入成本將難以收回。

　　3. PLC(光分路器)技術(shù)發(fā)展情況

　　低成本、高可靠性是FTTH工程中對光分路器件的基本要求。光通信用光分路器從技術(shù)工藝上主要可以分為光纖熔融拉錐型和平面集成光波導(dǎo)型兩種。

　　光纖熔融拉錐技術(shù)是制作2´2光分路器最為成熟的技術(shù)，光分路器目前主要是以全光纖型光分路器為主，其主要特點是：技術(shù)成熟，與光纖的連接方便，插入損耗小。但隨著功分路數(shù)的增加，如1×8以上的光功分路器體積大，效率低，成本高，而且分光均勻性較差。此外基于融熔拉錐技術(shù)的光纖光分路器通帶等特性方面有很大局限性。

　　PLC基于平面技術(shù)的集成光學(xué)器件。與傳統(tǒng)的分立式器件不同他采用的是半導(dǎo)體工藝制作，能夠把不同功用的光學(xué)元件集成到一塊芯片上，是實現(xiàn)光電器件集成化、規(guī)?；?、小型化的基礎(chǔ)工藝技術(shù)。與熔融拉錐技術(shù)相比，平面波導(dǎo)技術(shù)具有性能穩(wěn)定、成本低廉、適于規(guī)?；a(chǎn)等顯著特點。所以，今后在光纖到戶系統(tǒng)中將不再使用光纖融熔拉錐光功分器件，而平面波導(dǎo)為高性能、低成本接入網(wǎng)用光器件的生產(chǎn)提供了一條有效的途徑。

　　3.1 PLC芯片技術(shù)

　　PLC芯片一般在六種材料上制作，它們分別是：鈮酸鋰(LiNbO3)，波導(dǎo)是通過在鈮酸鋰晶體上擴(kuò)散Ti離子形 成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型;Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物，波導(dǎo)以InP為稱底和下包層，以InGaAsP為芯層，以InP或者InP/空氣為上包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋脊形或者脊形; SOI(Silicon-on-Insulator, 絕緣體上硅)，波導(dǎo)是在SOI基片上制作，稱底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、SiO2、Si和空氣，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊形以及聚合物(Polymer)、二氧化硅(SiO2)、玻璃離子交換等。

　　目前光纖到戶(FTTH)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已不存在問題，但能否在我國迅速發(fā)展和普及，除了政策面外，最重要的也是最為關(guān)鍵的一點就是降低網(wǎng)絡(luò)各環(huán)節(jié)的成本。PLC光分路器是FTTx網(wǎng)絡(luò)中的核心器件之一，低成本是其重要的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。從技術(shù)、成本及上述表中給出的光波導(dǎo)材料特性可以看出，二氧化硅、聚合物及玻璃是最為適合制作PLC芯片。下列簡單介紹了三種成本最低，最容易產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)的PLC芯片技術(shù)：

　　(1)聚合物(旋涂—刻蝕)

　　聚合物波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。聚合物波導(dǎo)及器件制作工藝簡單，價廉，如果是光敏更好，制作成本較低(理論值)，很有發(fā)展前景。問題存在氟化材料成本高;老化疑慮、損耗會相對略高;產(chǎn)品的穩(wěn)定性上還需考慮其影響。目前僅上海NITTA公司有此芯片作的光分路器產(chǎn)品。

　　(2)二氧化硅

　　二氧化硅波導(dǎo)以硅片為稱底，以不同摻雜的SiO2材料為芯層和包層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。硅基二氧化硅光波技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，國外已比較成熟。其制造工藝有火焰水解法(FHD)、化學(xué)氣相淀積法(PECVD,日本NEC公司開發(fā))、等離子CVD法(美國Lucent公司開發(fā))、多孔硅氧化法和熔膠-凝膠(Sol-gel)等。這種波導(dǎo)和損耗很小，約為0.05dB/cm以下。國外利用這種波導(dǎo)已研制出60路、132路的AWG。目前采用較多的是火焰水解法(FHD)、化學(xué)氣相沉積法(PECVD)進(jìn)行多層二氧化硅材料的生長，利用干法刻蝕技術(shù)完成波導(dǎo)刻蝕。其優(yōu)勢是具有非常好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性技術(shù)，器件集成度高，成本低。同時與光纖之間有著很好的兼容性，傳輸損耗低，工藝成熟(主要依賴于設(shè)備的進(jìn)口)，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，理論上還可以制作AWG等其他PLC器件。此工藝技術(shù)目前是芯片產(chǎn)品的制造主流技術(shù)，國際上比較普遍采用。問題存在設(shè)備投入高，而且維護(hù)成本高，原材料要求高(全部采用進(jìn)口材料);國內(nèi)僅有幾家科研院所及大學(xué)實驗設(shè)備在線和武漢光迅科技二氧化硅PLC工藝線，還沒有可用于產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備。此技術(shù)及制造基本上被韓國、日本等國外廠商壟斷。

　　(3)玻璃基(離子交換)

　　玻璃波導(dǎo)是通過在玻璃材料上擴(kuò)散Ag離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型。 優(yōu)勢是工藝較簡單，設(shè)備也比較簡單，總投入不大，產(chǎn)品較穩(wěn)定可靠。玻璃光波導(dǎo)的制作工藝流程分為五步： 1) 在玻璃基片上濺射一層鋁，作為離子交換時的掩模層;2) 進(jìn)行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來; 3) 采用化學(xué)腐蝕，將波導(dǎo)上部的鋁膜去掉;4) 將做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+離子的混合溶液中，在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行離子交換，Ag+離子提升折射率，得到溝道型光波導(dǎo); 5)對溝道型光波導(dǎo)施以電場，將Ag+離子驅(qū)向玻璃基片深處，得到掩埋型玻璃光波導(dǎo)。該技術(shù)的主要問題：① 是否會成為未來主流技術(shù)，目前一部分專家存在疑慮?② 因為沒有大規(guī)模形成商用化和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，對產(chǎn)品的實際工藝穩(wěn)定性還需驗證。

　　上述技術(shù)工藝目前國際上僅法國Teemphotonics公司以及以色列Colorchip公司生產(chǎn)，據(jù)說：原E-TeK公司有此技術(shù)，但具體詳情不知，無法考證。國內(nèi)浙江大學(xué)信電系王明華教授的課題組，早在幾年前就開始與通信企業(yè)合作研發(fā)基于玻璃離子交換光波導(dǎo)的分路器，取得了一定的成果。他們的優(yōu)勢是關(guān)鍵技術(shù)完全成熟，所有的原材料無需進(jìn)口，國內(nèi)完全能滿足，并且研制出了性能指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平的光分路器，而且知識產(chǎn)權(quán)方面全部是自己的。目前商用及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)還沒有完全過關(guān)，還要進(jìn)行中間試驗，且進(jìn)一步完善各項技術(shù)參數(shù)。因此，國內(nèi)從產(chǎn)業(yè)化的情況來看，PLC芯片制造技術(shù)與國外有著相當(dāng)大的差距，技術(shù)實用化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程還需一段漫長路要走。

　　3.2 PLC光纖陣列技術(shù)

　　PLC分光器的輸出端采用陣列光纖帶(ribbon)與PLC中每條輸出光波導(dǎo)相互耦合。光纖帶中每根光纖利用V-型槽定位，以保證全部光波導(dǎo)能與光纖帶一次自動對準(zhǔn)。V-型槽基板可由單晶硅片通過選擇性濕法刻蝕工藝造成，也可以用石英玻璃板經(jīng)精密機械加工制造。

　　由于光纖陣列(Fiber Array)采用V型槽制作，利用特殊的粘合工藝實現(xiàn)精確的光纖定位和高可靠性，以滿足不同的需求。熱膨脹系數(shù)匹配的封裝設(shè)計保證了光纖陣列板無應(yīng)力、高可靠性和高溫下無光纖移位。所以，高精度的V型槽和高可靠性的UV膠水是制作光纖陣列中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　光纖陣列產(chǎn)品的基體材料有石英玻璃、耐熱玻璃可選，但一般采用石英玻璃板經(jīng)精密機械加工制作，從可靠性的角度來說采用石英玻璃的較好，且研磨的時候也不容易裂。端面拋光角度亦可根據(jù)客戶的要求訂制，如：90度、98度、82度等，帶纖排列的顏色和長度也可以根據(jù)客戶需要進(jìn)行定制。

　　由于光纖陣列屬于勞動密集型產(chǎn)品，國外許多制造商均將生產(chǎn)環(huán)節(jié)向中國轉(zhuǎn)移生產(chǎn)，目前國內(nèi)能夠自行研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)有博創(chuàng)科技、富創(chuàng)光電、奧康光通器件、東莞東源及浙江同星等，國外主要為日本Hataken和AIDI公司。在技術(shù)研發(fā)和自主創(chuàng)新方面國內(nèi)光纖陣列技術(shù)發(fā)展也有所突破，如：高精度的U型槽，采用自主知識產(chǎn)權(quán)的刻蝕制造工藝，這種技術(shù)一但突破并進(jìn)入實用化，將大幅度降低光纖陣列的成本。還有方形毛細(xì)管陣列，在AWG及單通道陣列中具有很好的特性。

　　高可靠性的UV膠水是制作光纖陣列中另一項關(guān)鍵技術(shù)。光分路器制作工藝對光纖陣列具有很高的要求，除了要求V型槽具有高精度外，還要求UV膠水應(yīng)具有耐高溫高濕和足夠的硬度等特性。目前日本NTT-AT公司開發(fā)生產(chǎn)的系列復(fù)合產(chǎn)品，在技術(shù)上最為先進(jìn)，國內(nèi)在此項技術(shù)上還是空白。

　　3.3 PLC耦合及封裝技術(shù)

　　PLC光分路器技術(shù)除了芯片和光纖陣列外，另一項關(guān)鍵技術(shù)就是芯片與光纖間的耦合和封裝，他涉及到光纖陣列與光波導(dǎo)的六維緊密對準(zhǔn)。

　　PLC分路器的封裝是指將平面波導(dǎo)分路器上的各個導(dǎo)光通路(即波導(dǎo)通路)與光纖陣列中的光纖一一對準(zhǔn)，然后用特定的膠(如環(huán)氧膠)將其粘合在一起的技術(shù)。其中PLC分路器與光纖陣列的對準(zhǔn)精確度是該項技術(shù)的關(guān)鍵，封裝過程包括耦合對準(zhǔn)和粘接等操作。PLC分路器芯片與光纖陣列的耦合對準(zhǔn)有手工和自動兩種，它們依賴的硬件主要有六維精密微調(diào)架、光源、功率計、顯微觀測系統(tǒng)等，而最常用的是自動對準(zhǔn)，它是通過光功率反饋形成閉環(huán)控制，因而對接精度和對接的耦合效率高。目前國外較先進(jìn)的耦合對準(zhǔn)設(shè)備供應(yīng)商主要有：日本駿河精機(Suruga)、日本久下精機(Kuge)、美國Newport等;國內(nèi)也有開發(fā)，但六維精度無法達(dá)到耦合的要求。

　　隨著FTTH對光分路器需求的大量增加，國內(nèi)PLC器件封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，具有規(guī)模和研發(fā)力量的重點代表企業(yè)有博創(chuàng)科技、富創(chuàng)光電、光迅科技、日海通訊、無錫愛沃富、富春江光電、成都飛陽、大唐通訊(昆山)、中山奧康A(chǔ)gileCom、上海上誠等，還有更多的光器件企業(yè)和部分光纖光纜企業(yè)已經(jīng)上和正在上PLC光分路器封裝項目。因為光分路器的封裝技術(shù)工藝相對簡單，投資不大(一臺手動對準(zhǔn)系統(tǒng)20萬元人民幣左右)，項目容易完成。目前有很多高附加值PLC器件產(chǎn)品，封裝技術(shù)有特別的工藝技術(shù)和專有技術(shù)，國內(nèi)封裝廠家還需在這方面加大研發(fā)和投入力度。