第四章 无源耦合器

1第四章无源光耦合器器件4.1概述4.2熔融拉锥型全光纤耦合器4.3波导型光耦合器4.4耦合器前景展望2定义：能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区内发生耦合，并进行再分配的器件。或光耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。耦合器（coupler）基本结构:耦合器多为双向无源器件，基本形式有X型、Y型、树型、星型等第四章无源光耦合器器件3第四章无源光耦合器器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用4光耦合器分类从端口形式X型、Y型、星型以及树型从工作带宽的角度单工作窗口的窄带单工作窗口的宽带双工作窗口的宽带从传导光模式多模与单模从器件工艺实现方式分立光学元件组合型光纤型光耦合器集成波导型5几种常见光耦合器结构示意图6光耦合器类型T型光耦合器——是一种2×1的3端耦合器，可把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤的输入光信号组合在一起，输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配器或组合器。星型光耦合器——是一种n×m的耦合器，可把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤。第四章无源光耦合器器件7定向光耦合器——是一种2×2的3端或4端耦合器。只用于作分路器，不能作合路器。波分复用/解复用器——波分复用器是与波长有关的耦合器，用于把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信号分配给不同的光接收机。第四章无源光耦合器器件8第四章无源耦合器常用光耦合器类型示意图1（b）星型（c）定向型（d）波分复用型（a）T型423λ1λ2λN94.1.2描述光耦合器特性的一般技术参数1．插入损耗(InsertionLoss)插入损耗定义为----指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。（或说是一个指定输入端光功率Pic和另一个指定输出端的光功率Poc的比值。)(log10.dBPPLIINOUTii第四章无源光耦合器器件102．附加损耗(Excessloss)全部输出端口的输出光功率总和相对于全部输入光功率的减少值。附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。所以插入损耗不能反映器件制作质量的优劣。)(log10.dBPPLEINOUTii（4.2）第四章无源光耦合器器件113．分光比（或耦合比）（CouplingRatio）是指耦合器各输出端口的输出功率的比值，在具体应用中用相对于输出总功率的百分比来表示。%100.OUTiOUTiPPRC(4.3)第四章无源光耦合器器件124.方向性（Directivity）方向性是衡量器件定向传输特性的参数。定义为从一个输入端到另一个输入端的插入损耗，即在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端的输出功率与全部注入光功率的比较值，数学表达式为：)(log10.12dBPPLDININ(4.4)第四章无源光耦合器器件13熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理第四章无源光耦合器器件145.均匀性（Uniformity）均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。对均分性的分路器定义均匀性(dB)为所有输出端在整个工作波长范围内(带宽内)最大插入损耗与最小插入损耗之差，即各输出端口输出功率的最大变化量。非均分型的分路器则不具有该指标。)()()(log10.dBPMAXPMINLUOUTOUTi(4.5)第四章无源光耦合器器件156.偏振灵敏度或偏振相关损耗(PolarizationDependentLoss)定义为不同偏振态线偏振光入射时，最大插入损耗值和最小插入损耗值之差。是指当光信号的偏振发生3600变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量。是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参数，俗称偏振灵敏度。)()()(log10..dBPMAXPMINLDPjOUTjOUT(4.6)第四章无源光耦合器器件16线偏振光：17自然光：18部分偏振光：197．隔离度(Isolation)波长隔离度定义为被隔离的工作波长在该输出端的插入损耗。即指光纤耦合器件的某一光路对其它光路中的光信号的隔离能力。它的意义是与反映WDM器件对不同波长信号的分离能力。)(log10dBPPIintPt是某一光路输出端测到的其它光路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输入功率值。(4.7)第四章无源光耦合器器件204.1.3光耦合器的制作方法⑴光纤型全光纤型耦合器的制造方法有熔锥和研磨法两种。①熔锥型光纤耦合器。把两根光纤或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成Y型耦合器、定向耦合器和波分解复用器等。②研磨型光纤耦合器。研磨型光纤耦合器制作过程是：将两根光纤一边的包层研磨掉大部分剩下很薄的一层然后将两根光纤研磨的一侧拼合在一起，中间涂上一层折射率匹配液，于是两根光纤可以通过包层里的消失场发生耦合，得到所需的耦合功率。第四章无源光耦合器件21⑵微器件型：用自聚焦透镜和分光片（光部分透射、光部分反射）、滤光片（一个波长的光透射，另一个波长反射）或光栅（不同波长的光有不同反射方向）等微光学器件可以构成Y型耦合器、定向耦合器和波分解复用器。用2＊2的耦合器同样可以构成星状耦合器。自聚焦透镜在光无源器件中起着非常重要的作用。第四章无源光耦合器器件22⑶波导型：在以平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，同时又做波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择。一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。第四章无源光耦合器器件234.2.1熔锥型光纤器件是全光器件中最具代表性的也是构成其它器件的一种基础器件，在光纤通信中得到了广泛的使用，这是因为它具有以下特点：(1)极低的附加损耗。目前，利用熔锥法制作的标准X(或Y)型耦合器的附加损耗已低于0.05dB，这是其他方法所难以达到的。(2)方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB，保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。(3)良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。(4)控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。(5)制作成本低廉、适于批量生产。第四章无源光耦合器器件24“熔融拉锥(fusedbucolicaltaper，简称FBT)”法就是将两根(或以上)去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。第四章无源光耦合器器件25熔融拉锥型全光纤耦合器第四章无源光耦合器器件264.2.2耦合机理对于单模光纤，传导模是两个正交的基模(HE11X,HE11y)信号。当其进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，光纤截止频率V逐渐减小，越来越多的光功率渗入光纤包层中。“耦合区”构成了“光纤包层为芯，空气为新包层”的复合波导，光信号在其中传输；在输出端，纤芯逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”，实现功率分配。第四章无源光耦合器器件27第四章无源光耦合器器件28标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式：)(sin)()(cos)(2221CzzPCzzP(4-15)第四章无源光耦合器器件29图4.5耦合比率与熔融拉锥长度的关系第四章无源光耦合器器件30式中为纤芯半径，芯区折射率，传导模与光轴夹角，传输光波长。总的模式数为：在多模光纤中，传导模是若干个分离的模式，不仅应在数值孔径角内，还要满足),3,2,1(sin41mmana1n22VM(4.16)(4.17)第四章无源光耦合器器件31第四章无源光耦合器器件324.2.3星型耦合器星形耦合器的功能类似于自由空间的无线电通讯，将输入信号混合并将其传播至输出通道。因此，星形耦合器是将无线电传播系统的长处引入光纤传输系统。然而，缺点是混合通道的相干，会导致半音及接收机灵敏度的恶化，而且，对多模光纤的星形耦合器，模噪声会增加。第四章无源光耦合器器件33星型耦合器的制作方法:直接拉制法；单元拼接法。直接拉接法：将N根光纤，以合适的拓扑结构紧密接触后，在较强加热源作用下，一次熔融拉锥获得N×N星型耦合器。制造光纤耦合器有两种基本工艺：混合棒法和熔接法。1.熔接法:采用熔融拉制法制造的多纤耦合器是将两根或多根光纤，把涂覆层去掉清洗干净后，拧绞成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，中间部位是哑铃状的双锥体。熔接法的工作原理：在双锥体的前半部，随着光纤逐渐变细，原来在光纤中传播的芯模逐渐变成包层膜并向前传播，在双锥区光信号以使所有光纤“公有化”了，即发生光耦合。在双锥体后半部分，随着光纤逐件变粗，包层膜又逐渐转换为芯模，使光功率分配到各个光纤中，这就是多纤星状耦合器的工作原理。2.混合棒法：用薄玻璃片将输入光纤的光混合然后在输出光纤中对混合的光进行分配。分透射式和反射式。第四章无源光耦合器器件34单元拼接法：在N不大于8的星型耦合器，可以采用2×2器件作为基本单元；如果N不小于16，则采用44或88器件作为基本单元。第四章无源光耦合器器件35星型耦合器示意图364.2.4树型耦合器树型耦合器：指具有1(2)×N(N＞2)端口组态的功率分配器件,它用于CATV等技术中的重要器件。尽管功率均分的树型耦合器是标准器件，其关键参数同星型耦合器一样，也是插入损耗和均匀性等制作的方法:在制作方法上采用直接拉制法和基本单元拼接法.第四章无源光耦合器器件37第四章无源光耦合器器件38树型耦合器示意图第四章无源光耦合器器件394.2.5宽带耦合器：宽带耦合器（WBC）是利用独特的带宽拓展技术（非对称工艺）改变器件的波长特性，使带宽拓展到±50nm，而且在这个带宽范围内均能满足低附加损耗、低偏振相关损耗等指标。第四章无源光耦合器器件40图4.5耦合比率与熔融拉锥长度的关系第四章无源光耦合器器件41改变分光比的方法：（1）对两根相同光纤中的一根进行预腐蚀或预拉伸，造成传播常数的偏差，然后再同未处理的另一根光纤熔融拉锥成宽带耦合器。优点：光纤容易获得，传播常数偏差的调整方便，原则上可以实现任意分光比。缺点：制作工序较繁琐，预处理后光纤机械性能变差，制作效率低。（2）直接采用结构参数存在差异的商用光纤，通常是外径相同，纤芯直径有差异。优点：制作工序简单，光纤机械性能比较好，制作效率较高。缺点：光纤不容易获得，传播常数偏差的调整不方便，原则上不可以实现任意分光比。目前在应用通信领域中的宽带耦合器一般要求是：1310nm和1550nm双窗口，每窗口带宽±50nm、分光比变化不大于5％。第四章无源光耦合器器件424.2.6熔融拉锥型WDM耦合器制作原理：耦合系数对波长是敏感的，在制作器件时可以通过改变熔融拉锥条件，增强这种敏感性，从而制成波分复用器（WDM）即合波/分波耦合器。优点：是插入损耗低（最大值5dB，典型0.2dB），无需波长选择器件，制造简单，更易于批量生产，此外还具有较好的光通路带宽／通路间隔比和温度稳定性。不足之处：是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较（20dB左右）低，一般不用在目前的密集波分复用系统中。第四章无源光耦合器器件43第四章无源光耦合器器件44将若干个这种器件适当组合，还可以实现更多功能。例如制作成上下波长型、中继型等WDM器件，这些器件正在获得广泛的应用。其中较成熟的熔融拉锥型WDM，是全光纤放大（EDFA）系统中用于泵浦光耦合的1480/1550nm、980/1550nmWDM。第四章无源光耦合器器件45参Er光纤的放大原理图46图4.11掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构47掺铒光纤(EDFA)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分