PLC（光分路器）技术以及制作工艺大全

PLC更广为人知的是在电子技术领域，它是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的简称。在光通信技术领域，PLC是平面光路（Planar Lightwave Circuit）的简称，它是基于集成光学技术制备的各种光波导结构，在技术上，可实现的功能性器件有方向耦合器DC、Y分支器、多模干涉耦合器MMI、阵列波导光栅AWG、光学梳状滤波器ITL、马赫-增德尔MZ电光调制器、热光可调衰减器TO-VOA、热光开关TO-SW等。

在光通信产业界，得到广泛应用的PLC器件主要有光分路器、AWG、MZ电光调制器、TO-VOA等，其中光分路器是基于Y分支串并联实现的分光器件，比如一个1×16端口的光分路器，需要15个Y分支器。AWG是一种1×N端口器件，它可以将输入的数十个波长分开到不同输出端口。基于铌酸锂光波导制备的MZ调制器，是目前最主流的调制器方案；而硅光调制器技术业已发展成熟，成为50G以上高速调制器的首选方案。基于PLC技术的TO-VOA与AWG结合，构成具备信道均衡功能的波分复用/解复用器VMUX模块。

基于PLC技术、得到广泛应用的光通信器件有多种，但是在产业界，PLC通常指的是光分路器，它是一种在FTTH网络中应用最多的光无源器件。在2000年的互联网泡沫之后，光通信产业进入萧条期；2004年左右，在应用场景还没出现的情况下，日本率先将FTTH作为基础设施进行投资建设；2008年后随着中国的加入，FTTH建设在2012年左右达到高峰。FTTH通常采用无源光网络PON，其核心就是PLC光分路器，在各种商业楼宇和住宅中被广泛敷设。在生活体验中，离我们最近的就是，入户调制解调器的“猫”尾巴，由早期的双绞线升级至目前的光纤跳线，就是引自PLC光分路器的一个端口，光纤入户通常能支持100-200M的网速，这比电缆所能支持的4M传输速率高得多。

光分路器(PLC)制作工艺大全

在光通信领域，PLC是平面光路的简称，它是基于集成光学技术制备的各种光波导结构，以实现某种功能性器件。光波导的制备工艺，主要有四种：离子交换，离子注入，化学气相沉积和火焰水解法。

1)离子交换

离子交换工艺的原理，是将含有A+离子的玻璃材料浸泡在含有B+离子的溶液中，利用离子会从高浓度区域向低浓度区域扩散的性质，以溶液中的B+离子将玻璃中的A+离子交换出来。由于含A+离子的玻璃材料比含B+离子的玻璃材料具有更高的折射率，从而在发生离子交换的区域获得高折射率，作为光波导的芯层，未发生离子交换的区域作为光波导的包层，得到所需的光波导结构。

通过离子交换制备光波导的大致工艺流程如图1所示：

1）通过蒸镀或者溅射工艺，在玻璃基底上覆盖一层掩模层；

2）通过光刻和腐蚀工艺，在掩膜层开出一个波导结构的窗口；

3）将制备好掩模层并开窗口的玻璃材料，浸泡在溶液中进行离子交换；

4）通过电场驱动，将分布在表层的交换离子驱动到一定深度，形成波导结构。

实际工艺中，为了更好的保证离子交换效果，上述3-4两步需要同时进行，这有赖于具体的工艺设计。

图1. 离子交换制备光波导的工艺流程

为了提高离子交换效率并获得良好的光波导特性，需要适当选择两种相互交换的离子，优化玻璃配方，控制溶液的浓度和温度，并适当的施加电场。

2)离子注入

离子注入是一种材料表面改性技术，属于半导体行业中的一种标准加工工艺。离子注入光波导，是通过离子加速器将离子加速到数万至数十万电子伏特的高能量，轰击基片材料表面，通过原子或者分子之间的相互作用，在材料表面引起损伤或者缺陷，改变折射率，形成光波导结构。

典型的离子注入制备光波导工艺如图2所示，离子注入机通常由离子源、离子提取与预加速、磁分析器、后道加速器、电子扫描系统、离子注入腔及真空系统构成。在离子源的腔体中，通过气体放电产生的离子；被离子提取器中的电极导出并进行预加速；磁分析器控制离子束的质量，获得方向性较好的离子束；经后道加速后的离子束，在电子偏转器的控制下，注入腔体中的样品。

图2. 离子注入制备光波导的工艺

放入离子注入腔体中的基片材料需要预处理，根据光波导图形制备掩膜层，在离子注入之后，还需要后道处理，比如退火工艺，减小注入产生的材料缺陷对损耗的影响。

3)化学气相沉积

化学气相沉积CVD工艺也是半导体行业中的一种标准工艺，CVD工艺制备光波导的流程如图3所示，它是在硅基片（或者石英基片）上相继沉积具有不同掺杂层的光波导层，比如芯层通过掺磷、硼来提高折射率，包层通过掺锗来降低折射率。在沉积芯层之后与沉积上包层之前，需要通过光刻工艺来制备掩膜层，定义光波导图形。在每一层沉积之后，都需要退火硬化工艺来增强沉积层的致密度和均匀性，并减小应力。

图3. 化学气相沉积制备光波导的工艺流程

4)火焰水解法

火焰水解法FHD制备光波导的工艺流程与化学气相沉积CVD类似，差别仅在生成薄膜层的工艺条件不同。CVD是将含有膜层元素的各种单质和化合物通入腔体，在一定温度下发生化学反应，从而在衬底表面沉积所需薄膜层。FHD是将含有膜层元素的挥发性卤化物如四氯化硅，以及含有各种掺杂元素如磷、硼、锗的卤化物，通入气体燃烧器，在高温火焰中与水发生化学反应，生成掺有各种杂质元素的二氧化硅薄膜层。

5)工艺比较

离子交换和离子注入工艺，可以制备出低成本的光波导，但对波导横截面形状的控制稍差，主要用来制作光分路器，其中离子注入工艺的生产效率较离子交换高得多。CVD和FHD对波导横截面形状的控制要好得多，可用来制作高端光波导器件如阵列波导光栅AWG，其中FHD较CVD更利于厚膜的制备。

关于亿源通科技

亿源通科技凭借多年的光通信无源基础器件OEM ODM制造经验，不断实现技术创新，建立了完善的从芯片后工序处理到整体耦合封装技术、高精密全波长测试技术，为客户提供各种规格类型的PLC光分路器产品。

采用PLC作为通信控制设备，解决变压器信号远程传输难题

在某电厂110kV变压器改造过程中，针对变压器现场信号多、与后台传输距离远等特点，保定天威集团特变电气有限公司的研究人员许金红，在2021年第1期《电气技术》上撰文，提出并采用通过可编程逻辑控制器将变压器二次开关量信号、模拟量信号转化成数字信号再经由光纤通信传到远方后台的方法，成功解决了实际困难。

在某电厂110kV变压器改造过程中，二次信号的远程传输中发现3个难题：①新增的变压器本体二次信号较之前增加很多，增设电力电缆困难；②变压器与后台测控系统的传输距离较远（800m），干扰源较多，模拟量信号衰减大，容易失真；③后台系统沿用以前老式的监控系统，必须考虑新变压器与老式后台系统的兼容问题。

考虑到以上几点，本文中提出对变压器本体二次信号采用可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）转化成数字信号，并更换为通过光纤传输数字量，由光纤传输到达监控室之后再将数字信号转化成模拟量和开关量，实现与后台系统的对接。该项目具有节省成本和安全可靠的优点。

1 系统组成及原理

1）变压器信号采集量

本项目中从变压器本体采集并需输送的信号包含光纤测温信号5路，全部为4～20mA模拟量；油温、油位、瓦斯报警、光纤报警开关量信号15路和1路PT100温度远传信号。采集到的信号传输到控制室后，15路开关量和5路模拟量仍保留不变，传至后台的1路PT100经转化为4～20mA模拟量后接入监控系统。

2）硬件组成

硬件设备由PLC及其扩展模块、光电交换机、单模光纤等组成。

根据设备采集及输出的开关和模拟量数量，项目中采用两台西门子ST40型CPU模块、一个EM AI08模拟量输入模块、两个EM AQ04模拟量输出模块，一个EM AR02热电阻模块，完成模数转换和通信功能。

其中一台PLC放置在变压器端控箱内，用来将本体的二次开关量和模拟量转化为数字信号，另一台置于控制室，用于将数字信号转换回开关量和模拟量。光电交换机采用工业级MIENI1203型，用来将PLC转化的数字电信号转成光信号或将光信号转化回电信号。

3）工作原理

本系统主要工作过程是通过以下途径实现的：PLC作为主要数据采集和模数转化元件，首先将采集到的测控信号通过PLC转化成数字量，再经光纤交换机把电信号转换成光信号传输出去；在后台通过另一台光电交换机接收光信号，并通过后台的光电交换机接收后由后台PLC把信号转换回模拟量和开关量，两台PLC通过以太网、光纤网络组建网络通信，通过以太网协议实现两台之间的信息发送和接收。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2 软件编程测试

西门子S7-200 SMART CPU提供一个以太网端口，因此两台PLC可以方便地通过以太网口连接至光纤设备实现信息交换。本项目以太网通信协议采用TCP通信协议。TCP是一个因特网核心协议，在以太网通信的主机上运行的应用程序之间，TCP提供了可靠、有序并能够进行错误校验的消息交互功能。TCP能保证接收和发送的所有字节内容和顺序完全相同。

对S7-200 SMART之间的TCP通信，双方通过调用开放式用户通信指令库中的指令即可实现。

2.1 变压器端PLC编程

1）设置变压器端PLC IP地址

将变压器端PLC地址设置为192.168.0.101，如图2所示。

图2 设置变压器端PLC IP地址

2）建立变压器端PLC TCP连接

调用指令库中的TCP_CONNECT指令建立TCP连接，参数设置如图3所示。设置连接后台PLC地址为192.168.0.102，远端端口为2001，本地端口为5000，连接标识ID为1。

图3 设置TCP_CONNECT指令参数

3）调用发送数据指令

调用TCP_SEND指令发送以VB0为起始地址，数据长度为VW100内存储数据，发送到连接ID为1指定的后台端PLC。变压器端TCP_SEND指令的参数设置如图4所示。

图4 设置TCP_SEND指令参数

2.2 后台端PLC编程

1）设置后台端PLC IP地址

参照图2，设置IP地址为192.168.0.102。

2）建立后台端TCP连接

参照图3，调用TCP_CONNECT指令建立TCP连接。设置变压器端地址为192.168.0.101，远端端口为5000，本地端口为2001，连接标识ID为1。

3）后台端接收数据

后台端PLC调用TCP_RECV指令接收变压器端PLC发送的数据。接收的缓冲区长度为VW100内存储数据，数据接收缓冲区以VB1000为起始。后台端接收数据指令的设置如图5所示。

2.3 数据传输测试结果

按照图2—图5进行硬件连接和测试，并对PLC编程，进行数据传输试验。在图6中，VW0是变压器端发送的开关量数据，VW50是变压器端发送的1个模拟量数据，VW100是发送的数据长度。图7中，VW1000是后台端接收的对应开关量数据，VW1050是后台端接收的对应模拟量数据，VW100是接收的数据长度。

通过变压器端PLC发送数据和后台端PLC接收数据一致性测试，数据结果显示：开关量数值完全相同；模拟量数值由于模拟量处在动态变化中以及传输的稍有滞后，结果稍有偏差，但从数值看差值很小，仅万分之三左右的误差，满足监测精度，达到了预定目标，证明方法可行。

图5 后台端TCP_RECV指令设置

图6 变压器端发送的数据

图7 后台端接收的数据

3 结论

通过本项目的软硬件实施，验证了其数据的准确性。系统运行可靠，获得了成功。本项目具有以下几方面的显著优点：

1）采用PLC作为通信控制设备，软、硬件设计简单，响应迅速，运行可靠。

2）采用光纤/以太网通信的方式，避免了铺设大量的电力电缆，可节省大量人力、物力，从而更节材。

3）采用光纤传输的方式，传输距离长，环境适应性强。

本文编自2021年第1期《电气技术》，论文标题为“基于PLC的光纤通信技术在变压器远程监控中的应用”，作者为许金红。

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