PLC光分路器之技术和市场分析
作者：51Touch时间：2010-09-07 来源：中国通信网
北京时间09月07日消息，中国触摸屏网讯，光分路器是FTTH光器件中的核心，它蕴藏着极大的增长潜力，将成为FTTX市场增长的主要驱动，无疑将对光通信制造业带来了生机和挑战，同时也给光通信企业带来再一次高速发展的空间。本文综述了PLC分路器市场、产业情况及技术发展现状。对PLC芯片、光纤阵列及耦合封装工艺技术的发展进行了浅析。
本文来自：http://www.51touch.com/hmi/news/201009/07-7701.html
1. 引言
当前，我国FTTx(光纤接入网)建设逐步展开，三大运营商及广电系统都确定了“加快光进铜退、推进接入网战略转型”的思路，实现FTTC(光纤到路边)、FTTB(光纤到大楼)、FTTH(光纤到家庭)、FTTD(光纤到桌面)、三网融合(语音网、数据网、有线电视网)等多媒体传输以及PDS(综合布线系统)方案。要建成全光纤网络，除了需要各种各样结构配线光缆、引入光缆实现光纤网络的接续和再分配外，在E-PON、G-PON技术中，还大量需要光分路器来最终完成光纤到户的目的。
FTTx系统由局端机房设备(OLT)、用户终端设备(ONU)、光配线网(ODN)三部分组成。ODN作为FTTx系统的重要组成部分，是OLT和ONU之间的光传输物理通道，通常由光纤光缆、光连接器、光分路器以及安装连接这些器件的配套设备组成。从局端机房的ODF架到光缆分配点的馈线段，作为主干光缆，实现长距离覆盖;从光缆分配点到用户接入点的配线段，对馈线光缆的沿途用户区域进行光纤的就近分配;用户接入点到终端的入户段由蝶形引入光缆来完成，而所有分支及接点连接均由光分路器完成并实现光纤入户。
光分路器是FTTH光器件中的核心，它蕴藏着极大的增长潜力，将成为FTTX市场增长的主要驱动，无疑将对光通信制造业带来了生机和挑战，同时也给光通信企业带来再一次高速发展的空间。根据接入网建设热潮的到来，从市场现阶段和未来需求发展态势看,PLC光分路器将成为PON市场的主力已无可非议，他具有数字化、网络化、宽带化、小型化及维护方便等特点，是未来市场需求的重点。
2. PLC(光分路器)市场及产业情况
2.1 PLC(光分路器)市场情况
PLC(光分路器)主要用在接入网无源光网络(PON)中，使中心局与多个用户相连，实现光纤到户。2008年全球的需求量约2400万通道，总销售额1.1亿美元，平均4.6美元∕通道。全球市场在不同地区有所差异，日本、韩国在连续数年高速发展后，需要数量已趋于平稳，但是仍占有一半市场份额，北美地区占有市场份额的30%。中国、印度、巴西等发展中国家的FTTH刚开始建设，将成为市场的主要生长点。
2009年，中国光器件市场需求旺盛，尤其是从第二季度开始，销售收入连续三个季度保持增长。产品方面，10G光模块与PLC产品表现显眼，增长强劲。2010年第一、二季度，国内无源器件厂商订单状况良好，市场需求量约达6亿元人民币，同比增长16%。在运营商加快FTTX部署的推动下，国内PLC器件市场延续了2009年的强劲增长态势，PLC分路器、AWG等产品需求旺盛。目前，光纤连接器，耦合器，隔离器、衰减器等无源器件的市场需求保持平稳增长，但由于市场竞争进一步加剧，价格不断下滑。
在运营商方面，三大运营商已明确要求FTTX网络中全部采用PLC型光分路器。从2009年开始到2010年中国电信、中国联通已经连续两年对PLC分路器进行了集采招标，2010年中国移动也已开始对GPON使用的包括PLC分路器在内的所有器材进行集采。
如果说2009年光器件市场增长是3G因素，那么2010年增长因素将是FTTX因素。虽然中国大规模部署FTTX网络仍有很多阻碍因素，但政府决定推进三网融合将给FTTX带来强大动力，光器件市场也将从中受益。2010年上半年，在运营商积极进行FTTH建设以及3G网络建设的推动下及2010年1月13日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合，这表明政府将开始推动FTTX网络部署，光器件市场将受益。据ICCSZ预测，2010年国内光器件市场将保持平稳增长，国内无源器件市场销售额保持快速增长，二季度国内无源器件销售额约为7亿元，同比增长17.8%。二季度，国家发布《关于推进光纤宽带网络建设的意见》，加快推进光纤宽带网络建设;目前，三网融合试点方案也已通过。这些因素有效的促进了光器件市场需求的进一步增长，也为无源器件厂商带来了大量的订单。目前，国内FTTx网络部署进程加快，PLC产品作为FTTX的核心器件，也将获得大量应用，中国光器件市场需求量将达36亿元人民币，同比增长7.5%。预计2010年下半年，中国光器件市场仍将持续保持增长。
2.2 PLC(光分路器)产业情况
目前中国已经是PLC器件的制造大国，全球的产品大都在中国和韩国生产。国内可生产光分路器企业有百家左右(包括外资企业)，具备生产及研发能力的有20家左右(从中国电信2010年PLC集采信息中，全国共有近百家企业参加集采投标)，其中烽火通信、武汉光迅科技、博创科技、富创光电、奥康光通器件、无锡爱沃富、富春江光电、深圳日海通讯、成都飞阳科技、上海上诚、大唐通讯(昆山)、南京普天、浙江普森等企业成规模生产，除了芯片外购外，其他均由自己生产。除此之外大部分企业不管是在产品品种还是在生产规模上尚未形成大的气候，并且部分企业基本上是分路器主体买进，然后加跳线头子和外壳组装模式。
目前各国都在大力推广FTTH、FTTx的工程，国内随着FTTx(光纤接入网)建设的深入开展，市场对于PLC分路器的需求明显大，PLC光分路器可能是下一步无源器件市场需求的重点。除了光器件专业厂加大开发和增加产能力度外，一些知名度较大的光纤光缆厂家也在这方面加大了投入力度，积极开发无源器件产品，同时还在增添生产设备，并将此作为技术和产品储备，以其有准备、有计划的占有市场，可见PLC光分路器在未来几年的市场上的重要性及各大光器件企业、光纤光缆企业对此项目的重视程度。但是国内尚未掌握芯片技术，只能外购芯片进行封装或做代工。
2.3 PLC(光分路器)市场价格走势
未来中国将占据PLC分路器市场主导地位，预计3年后将占据市场的35%。当前PLC-Splitter的核心技术芯片还控制在欧美和日韩企业手中，国内企业由于没有核心技术，只能研制出Fiber Array购买芯片做封装或直接给芯片企业做代工。
任何事物均有着两面性，需求量的增大总是伴随着产品价格的下降，由于国内的大量器件封装企业涌入这个市场，再加上三大运营对PLC光分路器进行集采，市场价格将会面临下滑的趋势，随着需求的不断增大，价格将越来越低，代工企业和靠封装企业的利润也将越来越薄。图1给出了国际上PLC价格走势。
2.4 PLC(光分路器)产业发展存在的问题
我国PLC光分路器产业发展中也存在一定的问题。虽然市场需求很大，但产能的扩展及市场供大于求的潜在风险也在迅速加大。首先是由于制造成本压力越来越大，特别是只有耦合和封装后续工序的企业，PLC光分路器现在的价格与2008年初时相比，已经降了40%左右，而且目前PLC分路器相对比较成熟，随着大规模生产，价格和毛利率也将继续往下掉，市场整合趋势越发明显。第二国内厂商的同质化竞争，芯片、V型槽甚至FA全部依赖进口，成本压力非常大。如果公司规模较小，所要面临的成本压力反而会更大，因为材料来源主要采用外购，而成本与采购量成反比，而外购量小的话，外购价格也会相对较高，这个价格可以是20%到30%的差异。第三就是WDM-PON对PLC分路器的冲击，光纤接入技术除了我们经常提到的EPON和GPON，还有WDM-PON。下一代光纤接入技术的演进很可能是WDM-PON技术，而且欧美国家也更热衷于这项技术。但从技术原理上讲，现有的EPON的复用方式是功率分割型的，而WDM-PON则属于波分复用，也就是说，现有的PLC分路器不适用于WDM-PON技术，如果这个技术演进的过程较短，目前PLC分路器厂商将面临严重考验，设备和资金投入成本将难以收回。
3. PLC(光分路器)技术发展情况
低成本、高可靠性是FTTH工程中对光分路器件的基本要求。光通信用光分路器从技术工艺上主要可以分为光纤熔融拉锥型和平面集成光波导型两种。
光纤熔融拉锥技术是制作2´2光分路器最为成熟的技术，光分路器目前主要是以全光纤型光分路器为主，其主要特点是：技术成熟，与光纤的连接方便，插入损耗小。但随着功分路数的增加，如1×8以上的光功分路器体积大，效率低，成本高，而且分光均匀性较差。此外基于融熔拉锥技术的光纤光分路器通带等特性方面有很大局限性。
PLC基于平面技术的集成光学器件。与传统的分立式器件不同他采用的是半导体工艺制作，能够把不同功用的光学元件集成到一块芯片上，是实现光电器件集成化、规模化、小型化的基础工艺技术。与熔融拉锥技术相比，平面波导技术具有性能稳定、成本低廉、适于规模化生产等显著特点。所以，今后在光纤到户系统中将不再使用光纤融熔拉锥光功分器件，而平面波导为高性能、低成本接入网用光器件的生产提供了一条有效的途径。
3.1 PLC芯片技术
PLC芯片一般在六种材料上制作，它们分别是：铌酸锂(LiNbO3)，波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形 成波导，波导结构为扩散型;Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物，波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形; SOI(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)，波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形以及聚合物(Polymer)、二氧化硅(SiO2)、玻璃离子交换等。
目前光纤到户(FTTH)网络技术已不存在问题，但能否在我国迅速发展和普及，除了政策面外，最重要的也是最为关键的一点就是降低网络各环节的成本。PLC光分路器是FTTx网络中的核心器件之一，低成本是其重要的技术发展目标。从技术、成本及上述表中给出的光波导材料特性可以看出，二氧化硅、聚合物及玻璃是最为适合制作PLC芯片。下列简单介绍了三种成本最低，最容易产业化实现的PLC芯片技术：
(1)聚合物(旋涂—刻蚀)
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。聚合物波导及器件制作工艺简单，价廉，如果是光敏更好，制作成本较低(理论值)，很有发展前景。问题存在氟化材料成本高;老化疑虑、损耗会相对略高;产品的稳定性上还需考虑其影响。目前仅上海NITTA公司有此芯片作的光分路器产品。
(2)二氧化硅
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。硅基二氧化硅光波技术是20世纪90年代发展起来的新技术，国外已比较成熟。其制造工艺有火焰水解法(FHD)、化学气相淀积法(PECVD,日本NEC公司开发)、等离子CVD法(美国Lucent公司开发)、多孔硅氧化法和熔胶-凝胶(Sol-gel)等。这种波导和损耗很小，约为0.05dB/cm以下。国外利用这种波导已研制出60路、132路的AWG。目前采用较多的是火焰水解法(FHD)、化学气相沉积法(PECVD)进行多层二氧化硅材料的生长，利用干法刻蚀技术完成波导刻蚀。其优势是具有非常好的物理和化学稳定性技术，器件集成度高，成本低。同时与光纤之间有着很好的兼容性，传输损耗低，工艺成熟(主要依赖于设备的进口)，产品稳定可靠，理论上还可以制作AWG等其他PLC器件。此工艺技术目前是芯片产品的制造主流技术，国际上比较普遍采用。问题存在设备投入高，而且维护成本高，原材料要求高(全部采用进口材料);国内仅有几家科研院所及大学实验设备在线和武汉光迅科技二氧化硅PLC工艺线，还没有可用于产业化规模生产设备。此技术及制造基本上被韩国、日本等国外厂商垄断。
(3)玻璃基(离子交换)
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。 优势是工艺较简单，设备也比较简单，总投入不大，产品较稳定可靠。玻璃光波导的制作工艺流程分为五步： 1) 在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层;2) 进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来; 3) 采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉;4) 将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中，在适当的温度下进行离子交换，Ag+离子提升折射率，得到沟道型光波导; 5)对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到掩埋型玻璃光波导。该技术的主要问题：① 是否会成为未来主流技术，目前一部分专家存在疑虑?② 因为没有大规模形成商用化和产业化生产，对产品的实际工艺稳定性还需验证。
上述技术工艺目前国际上仅法国Teemphotonics公司以及以色列Colorchip公司生产，据说：原E-TeK公司有此技术，但具体详情不知，无法考证。国内浙江大学信电系王明华教授的课题组，早在几年前就开始与通信企业合作研发基于玻璃离子交换光波导的分路器，取得了一定的成果。他们的优势是关键技术完全成熟，所有的原材料无需进口，国内完全能满足，并且研制出了性能指标达到国外同类产品水平的光分路器，而且知识产权方面全部是自己的。目前商用及产业化技术还没有完全过关，还要进行中间试验，且进一步完善各项技术参数。因此，国内从产业化的情况来看，PLC芯片制造技术与国外有着相当大的差距，技术实用化、产业化进程还需一段漫长路要走。
3.2 PLC光纤阵列技术
PLC分光器的输出端采用阵列光纤带(ribbon)与PLC中每条输出光波导相互耦合。光纤带中每根光纤利用V-型槽定位，以保证全部光波导能与光纤带一次自动对准。V-型槽基板可由单晶硅片通过选择性湿法刻蚀工艺造成，也可以用石英玻璃板经精密机械加工制造。
由于光纤阵列(Fiber Array)采用V型槽制作，利用特殊的粘合工艺实现精确的光纤定位和高可靠性，以满足不同的需求。热膨胀系数匹配的封装设计保证了光纤阵列板无应力、高可靠性和高温下无光纤移位。所以，高精度的V型槽和高可靠性的UV胶水是制作光纤阵列中的关键技术。
光纤阵列产品的基体材料有石英玻璃、耐热玻璃可选，但一般采用石英玻璃板经精密机械加工制作，从可靠性的角度来说采用石英玻璃的较好，且研磨的时候也不容易裂。端面抛光角度亦可根据客户的要求订制，如：90度、98度、82度等，带纤排列的颜色和长度也可以根据客户需要进行定制。
由于光纤阵列属于劳动密集型产品，国外许多制造商均将生产环节向中国转移生产，目前国内能够自行研发生产的企业有博创科技、富创光电、奥康光通器件、东莞东源及浙江同星等，国外主要为日本Hataken和AIDI公司。在技术研发和自主创新方面国内光纤阵列技术发展也有所突破，如：高精度的U型槽，采用自主知识产权的刻蚀制造工艺，这种技术一但突破并进入实用化，将大幅度降低光纤阵列的成本。还有方形毛细管阵列，在AWG及单通道阵列中具有很好的特性。
高可靠性的UV胶水是制作光纤阵列中另一项关键技术。光分路器制作工艺对光纤阵列具有很高的要求，除了要求V型槽具有高精度外，还要求UV胶水应具有耐高温高湿和足够的硬度等特性。目前日本NTT-AT公司开发生产的系列复合产品，在技术上最为先进，国内在此项技术上还是空白。
3.3 PLC耦合及封装技术
PLC光分路器技术除了芯片和光纤阵列外，另一项关键技术就是芯片与光纤间的耦合和封装，他涉及到光纤阵列与光波导的六维紧密对准。
PLC分路器的封装是指将平面波导分路器上的各个导光通路(即波导通路)与光纤阵列中的光纤一一对准，然后用特定的胶(如环氧胶)将其粘合在一起的技术。其中PLC分路器与光纤阵列的对准精确度是该项技术的关键，封装过程包括耦合对准和粘接等操作。PLC分路器芯片与光纤阵列的耦合对准有手工和自动两种，它们依赖的硬件主要有六维精密微调架、光源、功率计、显微观测系统等，而最常用的是自动对准，它是通过光功率反馈形成闭环控制，因而对接精度和对接的耦合效率高。目前国外较先进的耦合对准设备供应商主要有：日本骏河精机(Suruga)、日本久下精机(Kuge)、美国Newport等;国内也有开发，但六维精度无法达到耦合的要求。
随着FTTH对光分路器需求的大量增加，国内PLC器件封装产业发展较快，具有规模和研发力量的重点代表企业有博创科技、富创光电、光迅科技、日海通讯、无锡爱沃富、富春江光电、成都飞阳、大唐通讯(昆山)、中山奥康AgileCom、上海上诚等，还有更多的光器件企业和部分光纤光缆企业已经上和正在上PLC光分路器封装项目。因为光分路器的封装技术工艺相对简单，投资不大(一台手动对准系统20万元人民币左右)，项目容易完成。目前有很多高附加值PLC器件产品，封装技术有特别的工艺技术和专有技术，国内封装厂家还需在这方面加大研发和投入力度。
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