什么是Hybrid混合器件，如何应用？

近年来，集成光无源器件体积更小、工艺日趋成熟，占据了相当一部分市场份额。作为光通信关键器件之一，掺铒光纤放大器（EDFA）的集成化、小型化、多功能、低成本，已成为众多厂家竞争的技术焦点。混合光无源器件的集成，并不是采用集成技术去制作器件，而是把分离器件集成到一起。光隔离器、波分复用（WDM）器件、光环形器和分光器（TAP）等集成到一个混合器件里面，可以实现EDFA的上述竞争优势。同时，制作混合光无源器件的工艺，也是实现上述EDFA技术竞争优势的关键因素之一。

光信号在光纤中传输时，通常具有一定的损耗。因此，在光纤网络中需要掺铒光纤放大器（EDFA）对光进行放大，以弥补插入损耗引起的能量损失。作为中远距离光纤网络中非常重要的光放大器件，EDFA在光纤网络里面主要有三种应用，包括中继放大、前置放大和后置放大，以确保光信号能够传输几百、甚至几千公里。除此之外，EDFA还被应用在激光雷达（Lidar）和数据中心（Datacenter）等领域。

本文围绕EDFA的小型化，对混合器件的原理和应用进行了介绍。图1是EDFA模块的原理简图，可以看出，在光模块的输出、输入端均需要小分光比耦合器、隔离器、合波器等。我们把输入端的集成器件称为前置型（一般包括Isolator、WDM、Coupler），而把输出端的集成器件称为后置型（一般包括Isolator和WDM）。

图1 EDFA原理图

一种典型的在线式光隔离器如图2所示，里面包含几个主要元件：磁环(Magnetic tube)、法拉第旋转片(Faraday Rotator)、半波片（Half wave plate，HWP）、两片铌酸锂(LiNbO3)楔角片(LN Wedge)，配合一对光纤准直器。如图2（a）所示，从准直器发射的平行光束经过隔离器芯后，被分开成两束O光和E光，通过接收准直器耦合到出射光纤端口。如图2（b）所示，从out端发射的平行光束经过隔离器芯后，依然被分开成两束O光和E光，但此时O光会变成E光，E光会变成O光，因为O光和E光被分开，故In准直器并不能把这两束光耦合进光纤，从而起到反向隔离光的作用。

图2 光隔离器原理图

器件一：光隔离器和增益平坦滤波器混合
如图3所示，把光隔离器和增益平坦滤波器（GFF）混合，制作成一个器件，兼具两者的功能，又可以减小尺寸。光隔离器功能如上所述，可以阻止反向光输入。这个器件的混合比较简单，在光隔离器芯后面加一个滤波片即可。滤波片上镀薄膜，透射谱正好与隔离器芯透射谱增益互补，即起到增益平坦的作用。这种光无源混合器件主要用在EDFA和拉曼放大器，具有尺寸小、精确的增益分布匹配、光路无胶和兼容ROHS标准等。

图3 光隔离器与GFF混合原理图

这种器件可以和光耦合器或者波分复用器件集成，不仅能够使EDFA模块尺寸变小，还可以具有光隔离和增益平坦等功能。其主要指标包括中心波长、插损、回波损耗、偏振独立损耗（PDL）、偏振模色散（PMD）和隔离度等等。

器件二、1x2波分复用和光隔离混合器件（1x2 IWDM）
如图4所示，为1x2 WDM和隔离器混合器件的功能图。由带斜端面的双纤准直器、薄膜技术实现的可调波长滤波片（TFF）、隔离器和带斜端面的单纤准直器组成。从光纤1入射的一束宽带光（如黑色箭头所示），经过渐变折射率透镜（GLENS）准直，光束变成平行光。TFF波片紧贴在GLENS出射端面，并且只允许某个中心波长通过，其余波长光会被反射，通常TFF滤波片通带带宽20nm。TFF片选择某波长透射过去（如绿色箭头所示），从光纤3端口输出。同时，其余波长的光（如红色箭头所示）被TFF波片反射回光纤2端口。

图4 1x2 混合波分复用和光隔离器件

这种1x2的波分复用和隔离器混合器件（1x2 IWDM），可以用在对隔离度要求较高的EDFA中，既能保证光隔离度达到要求，又能减小整个EDFA模块的尺寸。泵浦光也可以从光纤2端口入射到掺铒光纤（EDF），从而起到光放大的作用，如图1所示。隔离器在这里起到反向隔离的作用，进一步确保WDM器件的隔离度达到EDFA的要求。

器件三、2x4波分复用和光隔离混合器件（2x4 IWDM）
如图5所示，为2x4 WDM与隔离器混合器件的功能图。采用不同中心波长的2片TFF滤波片，就可实现2个1x2 WDM和隔离器混合器件的功能。这种器件采用一个四光纤准直器和一个双光纤准直器，光纤端面都采用斜端面，使回损值满足大于60dB的要求。由于采用四光纤准直器，对耦合工艺要求较高。

图5 2x4 混合波分复用和光隔离器件

整个器件由一个四光纤准直器、一个双光纤准直器、一个隔离器和两片不同中心波长的TFF滤波片组成。泵浦光可以从光纤2端口和4端口分别入射到掺铒光纤（EDF），从而起到光放大的作用。由于具有两个泵浦光输入端口，因此可以同时输入不同波长的泵浦光，满足EDFA的灵活需求。此器件明显比两个分离的1x2 WDM和隔离器混合器件尺寸小，可以应用在具有更高要求的EDFA模块中，进一步降低其尺寸。

器件四、2x2波分复用器件-光隔离器-光分束混合器件（WDM-ITAP）
Test access port (TAP)/traffic access port(TAP)是一种新兴的用于网络监测的集成设备，其内部不需要提供电，属于无源光网络设备。它提供了一种在不断网络正常流量的情况下，获得网络流量的方法。因此，TAP可以用来实现监测网络性能、解决网络故障、分析网络流量和阻止恶意攻击等一系列功能。

如图6所示，为一个2x2波分复用器件，里面混合集成了隔离器和分光器。1端口连接掺铒光纤侧。输入光束经过双光纤准直器，光束被准直。准直光束通过双隔离器芯，分光棱镜把光束一分为二，其中一束光功率为99%，另一束光功率为1%，分别进入双纤准直器3和4端口。

图6 WDM-ISO-TAP 混合器件

信号光在器件中的光路如图7所示。信号光从双光纤准直器以一定的离轴角度出射，通过隔离器时发生横向位移X mm，进入分光棱镜后被分成两束，1%的一束向上横移Y mm，99%的一束横向位移不变。这样，从分光棱镜出射的是两束功率比为99：1，间距为Y，夹角为Z°的平行光，恰能耦合到一个双光纤准直器中。

图7 WDM-ISO-TAP混合光路原理

通常，EDFA后向泵浦部分采用WDM-ISO-TAP混合器件，实现起来难度大些。这种器件可以用在EDFA后向泵浦部分，采用混合器件结构，具有体积小、成本低的优势，而且光路也比较容易实现。

器件五、超小型高集成的光放大（OA）无源器件
在光器件小型化、集成化方向，业内提出 All in One的概念，在CIOE2018上展出了一系列超小型高集成的光放大（OA）无源器件，专门为小型/超小型EDFA提供器件级的解决方案，功能示意如图8所示。其中5in1 UHMC超级混合器件（Ultra Hybrid Mini OA Component）在一个φ3.5*25mm的器件内集成了Isolator + 1550/980 WDM + Isolator + Coupler + PD的功能，一支器件即可解决EDFA的无源器件方案。


图8 超级混合小型化光放大器：（a）功能图；（b）原理图

如图8所示，器件1部分为两个光隔离器芯原理图，光束从准直器入射，经过楔角片、法拉第片和楔角片，分成寻常光（O光）和非寻常光（E光）。由于正向入射时，O光和E分开距离很小，所以能够正常耦合进准直器2输出光纤。由于隔离器芯的作用，反向O光和E光分开距离比较大，无法正常耦合进准直器1的输入光纤，从而起到隔离效果。器件2部分为1x2的WDM器件原理图。从器件1入射的信号光光束，采用渐变折射率透镜对信号光进行二次准直，透镜出射端面贴有薄膜技术实现的可调波长滤波片（TFF），滤波片出射端面镀有特定反射膜，允许特定中心波长通过，剩余波长的光束被反射回2端口。同时，泵浦光从WDM合波器的另一个端口入射，泵浦光波长一般为980nm正向泵浦或者1480nm光反向泵浦。最终，信号光和泵浦光合成一束光，进入掺铒光纤（EDF）被放大。器件4采用分光棱镜把光束分为两束功率比99：1的光，其中1%的光输出到PD端供监测使用，99%的光作为信号光输出。

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