（光学专业论文）2×2单模光纤耦合器的偏振特性研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 2 2 单模光纤耦合器是一种重要的光纤无源器件，广泛应用于通信、相 干光测量和传感系统等领域。随着光纤技术各个领域的快速发展，对2 2 单 模光纤耦合器的性能也提出了越来越高的要求。偏振特性是2 2 单模光纤耦 合器的一种重要的特性，其优劣直接影响到系统的性能。 简要介绍了耦合器的制作工艺、保偏耦合器和偏振分束器、其它类型的 光纤耦合器、以及由耦合器构成的器件。介绍了耦合模理论并推导了耦合系 数；分析了拉制工艺偏差对耦合器耦合效率的影响：给出了几种简化的模型： 哑铃模型、抛物线模型和指数函数模型；分析了纤芯、光纤线性双折射对耦 合器的影响。 论文对耦合器输出端相位特性的研究内容包括：( 1 ) 在不考虑耦合器的 双折射，但是考虑附加损耗的条件下，分析了两个输出端口之间的相位差。 结果表明该相位差偏离不考虑损耗时的相位差，偏移量在3 0 以内。( 2 ) 在考 虑光纤双折射的条件下，研究了直通臂输出光两个正交分量之间的相位差问 题，给出了表达式，分析了工作波长、环境折射率和有效耦合长度等参数对 该相位差的影响，并对其进行了仿真和实验研究。结果表明线偏振光输入时 输出端输出椭圆偏振光。论文还应用偏振光学的方法分析了耦合器的分光比 及各光学参量对分光比的影响；分析了环境温度变化对分光比的影响，随后 进行了分光比温度实验。 论文还推导了与偏振相关的耦合模方程组，得到了耦合器偏振态的演化 规律；从偏振度的概念出发，研究了2 2 单模光纤耦合器的偏振特性，给出 了偏振度的表达式；并对各参量对偏振度的影响进行了分析。最后分析了环 境温度对偏振度的影响，并进行了计算机仿真和实验研究。 论文对2 2 单模光纤耦合器及其相关器件的研制工作有一定的参考意 义。 关键词： 2 x2 单模光纤耦合器；偏振度：相位差：温度；分光比 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t 2 2 s i n g l e m o d e f i b e rc o u p l e ri sak i n do fi m p o r t a n tf i b e rp a s s i v e c o m p o n e n t , w i d e l y u s e di n o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n , c o h e r e n t l i g h t m e a s u r e m e n ta n do p t i c a ls e n s o r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i b e rt e c h n i q u ei n m a n yf i e l d s ，2 2s i n g l e m o d e f i b e r c o u p l e r i s r e q u i r e d t ob eo fb e t t e r p e r f o r m a n c e p o l a r i z a t i o np r o p e r t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o p e r t i e s ，w h i c h i n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l es y s t e m i nt h i s p a p e r , t h e f a b r i c a t i o nm e t h o d so f s i n g l e m o d e f i b e r c o u p l e r , p o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gf i b e rc o u p l e ra n df i b e rp o l a r i z a t i o nb e a m s p l i t t e r , o t h e r k i n d so ft h ec o u p l e r s ，a n dt h ed e v i c e sc o n s i s t so fc o u p l e ra r ei n t r o d u c e d t h e c o u p l e dm o d et h e o r yi sr e v i e w e da n dt h ec o u p l e dc o e f f i c i e n ti sd e r i v e d t h ee f f e c t o ft h em a c h i n i n gd e v i a t i o nd u r i n gt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so nt h ec o u p l i n gr a t i oo f f i b e rc o u p l e ri sa n a l y z e d s e v e r a lb r i e fm o d e l si n c l u d i n gad u m b b e l lm o d e l ，a p a r a b o l am o d e la n da ne x p o n e n t i a lm o d e la r eg i v e n t h e nt h ei n f l u e n c e so ft h e f i b e rc o r e sp a r a m e t e r sa n dt h ec o u p l e r sl i n e a rb i r e f r i n g e n c eo nt h ep e r f o r m a n c e o fac o u p l e ra r ea l s ot h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h ei n v e s t i g a t i o n so ft h ep h a s ep r o p e r t i e sa tt h eo u t p u te n d so fc o u p l e r s i n c l u d e ：( 1 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s i d e r i n gt h ec o u p l e r sl o s sb u tn o tt h e f i b e r sb i r e f r i n g e n c e ，t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oo u t p u te n d si ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti ts h i f t sf r o mt h ep h a s ed i f f e r e n c ew i t h o u tc o n s i d e r i n gt h e l o s s ，a n dt h es h i f ti sl e s st h a n3 。( 2 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no f t a k i n ga c c o u n to f t h e f i b e r s b i r e f r i n g e n c e ，t h ep h a s e r e t a r d a n c eb e t w e e nt h et w o o r t h o g o n a l c o m p o n e n t sa tt h ee n do ft h et h r o u g h o u ta l t n ，t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o ni s g i v e na n dt h ei n f l u e n c e so ft h ew o r k i n gw a v e l e n g t h ，t h ee n v i r o n m e n tr e f r a c t i v e i n d e xa n dt h ee f f e c t i v ec o u p l e dl e n g t ho nt h er e t a r d a n c ea r ei n v e s t i g a t e d ， t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw i t hal i n e a rp o l a r i z e d l i g h ti n p u t ，t h eo u t p u tl i g h tw i l lb ea ne l l i p t i c a lp o l a r i z e dl i g h t i nt h i sp a p e r 哈尔滨t 释大学硕十学位论文 e m p l o y i n gt h ep r i n c i p l e so fp o l a r i z a t i o no p t i c s ，t h es p l i t t i n gr a t i oo fac o u p l e ri s a n a l y z e d ；t h ee f f e c t so ff i b e r so p t i c a lp a r a m e t e r su p o nt h er a t i o n a r e a l s o i n v e s t i g a t e d t h e nt h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eo nt h er a t i o i s r e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h ec o u p l e dm o d ee q u a t i o n sc o n c e r n i n gt h ep o l a r i z a t i o np r o p e r t i e so f c o u p l e r sa r ed e r i v e d ：t h em a t r i c e sd e s c r i b i n gt h ep o l a r i z a t i o ns t a t ev a r i a t i o na r e g i v e n e x p l o i t i n gt h ec o n c e p to fd o p ( d e g r e eo fp o l a r i z a t i o n ) ，t h ep o l a r i z a t i o n p r o p e r t i e so f2 x 2s i n g l em o d ef i b e rc o u p l e r sa r es t u d i e d t h ee x p r e s s i o no ft h e d o pa tt h eo u t p u te n do ft h et h r o u g h o u ta r l ni sg i v e n t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e d o pa n dt h ep a r a m e t e r si n c l u d i n ge f f e c t i v ec o u p l e dl e n g t h ，w o r k i n gw a v e l e n g t h ， a n dt h ee n v i r o n m e n tr e f r a c t i v ei n d e xa r es i m u l a t e d f i n a l l y , t h ei n f l u e n c e so f e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eu p o nt h ed o pa r e i n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y t h ew o r kr e p o r t e dh e r em i g h tb eh e l p f u lt ot h er e s e a r c h e r sw o r k i n gi nf i b e r c o u p l e r sr e s e a r c ha n df a b r i c a t i o nt e c h n i q u e sa r e a k e y w o r d s ：2 2s i n g l e m o d ef i b e rc o u p l e r ；d e g r e eo fp o l a r i z a t i o n ；p h a s e d i f f e r e n c e ；s p l i t t i n gr a t i o ；t e m p e r a t u r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 光纤耦合器是一种光无源器件，使光纤中传输的光信号在特殊的耦合区 发生耦合，并进行光功率或者波长分配的元器件，广泛应用于光通信、光检 测和光纤传感技术等领域。光耦合器可分为三大类，即半反镜或多层介质膜 式光耦合器，光波导型( 平面波导等) 耦合器和光纤( 型) 耦合器。本文主要 研究光纤耦合器。随着光纤通信、光纤传感技术、光纤c a t v 、光局域网、 光纤用户网及用户接入网、精密测试系统等的迅速发展，对光耦合器件的需 求会进一步增大。 1 1 光纤耦合器的工作原理 当两根光纤芯部贴紧，经熔融延伸或研磨后，纤芯封闭光的能力有所减 弱，于是就有光向芯径外扩散的现象产生。 对于熔锥型光纤耦合器而言，光纤在熔融拉伸变细的过程中，主光纤芯 内传播的基模向包层扩展，从而能量通过包层耦合到相邻光纤的芯内。两纤 芯均由于拉锥变细且相距又远，在融合过程中，两光纤芯不起作用，基模扩 展到光纤的包层中。于是，周围的介质( 空气) 成为包层，两光纤原包层熔成 椭圆形状的芯，构成一个新的组合波导，从而使主光纤功率耦合到副光纤。 在单模光纤中，传导模是两个正交的基模。随着两光纤逐渐靠近，处于 纤芯之外的迅逝场的重叠范围也越来越大，它们的相互干涉作用也越来越强， 使整个体系的光场重新分布，这就是光纤耦合器的工作原理。为了使两个光 纤的场耦合，必须想办法使它们的纤芯足够接近。 1 22 2 单模光纤耦合器的制造工艺 光纤耦合器的制造工艺有：腐蚀法、磨抛法、熔融拉锥法和扭转法。 1 2 1 腐蚀法 腐蚀法制作耦合器最先由s h e e m 和g i a l l o r e n z i 发明，将两根裸光纤扭 哈尔滨_ 稃大学硕士学忙论文 绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包层，从而使光纤纤 芯接近，实现两光纤间的耦合。这种方法虽然简单，但其缺点是工艺一致性 差，制作出来的耦合器不耐用、对环境温度变化敏感，缺乏实用价值。目前 用化学腐蚀法制作的耦合器较少。 1 2 2 磨抛法 将每根光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛 光，同时监测光通量，研磨结束后，在磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼 接，做成光纤耦合器。两光纤芯由于磨抛足够接近，因而能够实现光功率的 耦合【2 】。磨抛型耦合器制造技术复杂且劳动量大，但是具有能用任意折射率 分布的不同类型的单模光纤制作低损耗耦合器的优点。 d i g o n n e t _ 【，】首先在理论上分析了横向位移可调抛光型耦合器。制成的耦合 器具有可任意调节分光比的特点，但在制作过程中要求亚微米量级的横向位 移控制精度。严方等【一i 给出了可调抛光耦合器在上下石英基块出现纵向或横 向移位及交角时的耦合功率公式，可作为光纤耦合器的设计依据。 磨抛型单模光纤耦合器的制作方法如图1 1 所示。 研晤面 图1 1 磨抛型光纤耦合器结构图 磨抛型耦合器对不同波长有不同的耦合率。调节耦合器时，最大耦合效 率所对应的波长会发生变化，因此这种光纤耦合器可作为波长选择器使用。 根据这些特性，可设计宽带耦合器和分光比可调耦合器。 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 2 3 熔融拉锥法( f u s e db i c o i l i c a it a p e r ：f b t ) 八十年代初开始用光纤熔融拉锥法制作单模光纤耦合器1 5 】【q ，至今己形成 了相当成熟的工艺和一套很实用的理论模型。这种技术是当前制作耦合器的 主要方法。 将两根光纤耦合段去除涂敷层，平行靠紧放置在光纤熔锥机的夹具上， 在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，形成双锥形式的波导结构，在耦合区 发生功率再分配，一部分光功率从直通臂继续传输，另一部分从耦合臂传输 到另一光路，从而实现光功率的耦合，这种制作方法称为熔融拉锥法。 融熔拉锥法制作装置示意图如图1 2 所示。 图1 2 熔融拉锥法制作光纤耦合器装置结构 图1 3 耦合器生产工艺流程图 ；锥区；耦合区i 锥区 ； 图1 4 熔锥型光纤耦合器的结构示意图 该制作方法主要有以下优点： ( 1 ) 低附加损耗。目前拉锥法制作的2 x 2 耦合器附加损耗可以低至 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 0 0 5 d b 【7 j 。 ( 2 ) 方向性好。拉锥法制作的熔融光纤耦合器方向性一般都超过6 0 d b l l l ， 保证了传输光的方向，减小了光纤之间的串扰。 ( 3 ) 良好的环境稳定性。这种耦合器的光路结构简单、紧凑。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。目前一台熔融拉锥设备，不仅能制作各种分 光比的标准耦合器，而且可以制作宽带耦合器、保偏耦合器、偏振分束器、 波分复用器等，还可以用于制作光衰减器、光滤波器、光开关、光环形器等。 ( 5 ) 制作成本低廉、适于批量生产。熔融拉锥型耦合器的原料主要是一 般的通信用光纤，而自动化过程越来越高的制作过程将极大地提高了产品的 成品率，这就保证了器件可靠性不断提高的同时，具有低价格的优势。 但是熔融拉锥工艺对火焰温度、气体流量、拉锥速度、拉锥时间及电机 传动惯性等均有严格的要求，这些因素都会影响耦合器的性能，因此出现了 各种改进方法。 吕迅等m 提出在光纤夹具处增加张力传感装置和图像处理系统，控制系 统的自动化程度更高。帅词俊等i i o l 通过研究锥区和耦合区的表面形貌及拉锥 速度和耦合器的损耗的关系，找出了适合的拉锥速度和火焰温度。易子馗等 1 7 】提出熔烧法，拉伸到一个较小的预定分光比之后停止，只进行加热，通过 熔融时纤芯里g e 2 + 的热扩散达到最终的分光比。苗健字等】提出了先预拉伸， 在耦合端有光功率输出的时候，停止拉伸只熔融的方法。叶艾伦等2j 提出了 玻璃护套光纤一体化的制作方法，可以改善耦合器的偏振特性。h s i e 等1 1 3 1 主要分析了融锥角与拉锥范围、拉伸长度、气体流量等之间的关系，拉制的 耦合器损耗低至o 1 3 d b 。x i a 等 i 提出了拉伸时在两端方向使用不同的速度。 相比较控制火焰宽度5 】而言，更容易控制耦合器的分光比。柳春郁等6 ，用打 结法拉制融锥型光纤耦合器，传输光在锥体颈部区域出现有效功率耦合。帅 词俊等0 7 实验分析了拉锥过程中的工艺参数对光纤耦合器损耗的影响，并建 立了熔融拉锥过程中热粘弹数值分析模型1 。 目前拉锥法主要用氢氧焰加热光纤。h i r o t o s h in a g a t a t w 】分析了耦合器表 面的化学特性。氢焰的燃烧增加了光纤内水分和二氧化硅的结合，同时疏松 4 哈尔滨t = 稃大学硕士学t i ) ：论文 了二氧化硅的结构，不可预知这种改变在耦合器长期稳定性方面的影响。 m c a t a r n n e y 等应用c 0 2 激光器作为热源：一种利用c o ，激光束扫描并 列的光纤使之耦合，达到5 0 5 0 的分光比，附加损耗相对较小；另一种利用 激光的衍射光( d o e ：d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t ) 在光纤上提供均匀的热分布， 热源的形状得nj 控制。p a n 等1 2 1 1 利用紫外光作为热源，对平行排列的本征 光子敏感光纤和普通单模光纤进行加热，将耦合区域完全暴露在强紫外光下， 制作波长平坦的光纤耦合器。 m o r i s h i t a 等【2 2 i 应用弧形放电的方法制作波长平坦光纤耦合器。弧形放 电对两根普通光纤产生不均匀的加热并迅速冷却，在光纤内产生不均匀的折 射率改变。 y o s h i a k it a k e u c h i t j 用微加热器精确控制熔融温度和实现稳定的加热区。 加热器的发热元件是贵金属薄膜，加热范围足够宽，用热电偶进行温度监控， 可以将光纤拉锥而不需移动它。 熔融拉锥制造工艺对火焰或热源的温度及机械装置有严格要求，只有经 过大量实践后才能得到合适的工艺参数，制造出合格的耦合器产品。 1 2 4 扭转法 c h e n 在理论上分析了扭转对矩形横截面耦合器的作用效果 2 4 1 。林小莉等 【2 j 1 对熔锥型光纤耦合器进行了扭转响应研究。通过放置在耦合器一端的旋转 装置对未封装的耦合器耦合区施加扭转作用( 即扭转适当的角度) ，可以改变 耦合器的耦合比，并不影响其损耗大小和工作波长。范海宁等提出通过有 效的改变扭转光纤在耦合区域的单位扭转度，达到耦合器的两根光纤之间保 圆耦合的目的。y a m a s a k i1 2 7 提出在耦合器的融拉过程中进行9 0 。的扭转，降 低了耦合器的偏振相关损耗。k a t s u m im o r i s h i t a 等 2 8 】分析了扭转型偏振分束器 的偏振特性和波长可调性。 1 3 保偏光纤耦合器 保偏光纤耦合器应用保偏光纤制造，是实现保偏耦合、分光以及复用的 关键器件。它能稳定地传输两个正交的线偏振光，并保持各自的偏振态不变， 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 从而成为各种军用干涉型传感器和相干通信的关键器件1 2 9 l 。 保偏光纤耦合器的主要性能指标有：耦合系数、附加损耗、偏振串扰及 消光比等。消光比和偏振串扰是保偏耦合器特有的参数，表征其保偏性能。 保偏光纤耦合器有两种制造方法，一种是冷加工法，即用传统的光学冷 加工工艺。这种方法工艺复杂、难度大、要求高，且制成的耦合器温度稳定 性差、实用价值差，目前己很少采用。一种是熔融拉锥法，这种方法目前广 泛使用。 1 3 1 磨抛型保偏光纤耦合器 目前最成功的保偏光纤耦合器是用研磨法制作的。研磨法是将两根光纤 的侧面各磨去一部分，然后把它们粘合在一起。具体作法同1 _ 2 2 中的制作方 法相同。用这种方法比较容易实现双折射主轴的准确对中。 磨抛型保偏光纤耦合器具有耦合比可调、外形尺寸较小、便于系列化和 制造装置简单等优点，缺点是环境性能欠稳定，主要原因有两方面：一是由于 采用环氧胶合，温度变化时上下基块之间会发生相对位移，引起耦合比、消 光比等波动；二是由于匹配液具有较大的血，系数，温度变化时，匹配液 折射率变化比较大，因此导致耦合比随之波动。 1 3 2 熔融拉锥法制作保偏光纤耦合器 与普通单模光纤耦合器不同，制造的保偏光纤耦合器时，需引入耦合区 保偏光纤双折射轴的辨认和对中过程，这是获得高保偏性能的关键。 熔融拉锥型保偏光纤耦合器原理”i 如图1 5 所示。当偏振光p 。沿保偏耦 合器输入端口的偏振轴注入时，经耦合器后分成两束光p 。l 和p 们，p 。u i l 和p 。t 2 沿所在光纤的偏振轴传输。 目前保偏光纤耦合器的制造大都是通过熔融拉锥法完成的i ) 2 】。将两根光 纤长约2 0 m m 部分的涂覆层剥去，清洗干净，对轴，然后采用紫外胶固定，再 置于专用微火炬上进行熔融拉锥，使两根光纤侧面融合在一起，形成双锥体， 实现光的横向耦合，最后封装，形成耦合器。图1 6 是利用熊猫光纤熔锥型保 偏耦合器。 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图1 6 熔锥型保偏耦合器结构示意图 1 3 3 制作保偏光纤耦合器的关键技术 引起保偏光纤耦合器保偏性能劣化的主要原因有：( 1 ) 偏振主轴平行失 配。( 2 ) 光纤双折射强度的影响。两个应力区产生应力互补偿，减弱了光纤 内的模式双折射。( 3 ) 保偏光纤应力区双折射变化，导致两偏振模之间发生 正交耦合。 为了提高保偏光纤耦合器的性能，制作过程中主要关键技术有： 1 对轴系统 制作保偏光纤耦合器的关键在于确定和对准组成耦合器的光纤的偏振轴， 并在磨抛或拉锥的过程中保证平行。有以下几种方法实现保偏光纤的对轴： 显微镜直接观察法、激光干涉法和起偏器检测法。 a b e b e 等1 3 3 用含内外两个包层的应力双折射光纤熔融拉锥制作保偏光纤 耦合器，并给出了对轴的两种方法：端对端法( e n d t o e n da l i g n m e n tm e t h o d ) 和点对齐法( s p o ta l i g n m e n tm e t h o d ) 。y e 等【】4 】应用双折射可分复合b i s p e c 光 纤( b i r e f r i n g m e n ts p l i t t a b l ec o m p o s i t e ) 制作保偏耦合器，偏振主轴是在预制 件阶段对中的。一些特殊制造的光纤如d 型光纤、自对准光纤【) 6 1 用来制作保 偏光纤耦合器，以使偏振轴在拉锥过程中的对准更加容易一些。 2 运动平台 运动平台驱动光纤运动以完成对轴和拉锥，由于光纤的纤芯直径只有几 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 个微米，要求平台有比较高的分辨率，同时有足够的运动速度及运动自由度。 3 光纤夹具 设计合适的光纤夹具来夹持和固定光纤，以保证在熔融拉伸过程中始终 保持两根光纤受力平衡，不发生微转动，实现光纤偏振主轴的平行。 4 加热平台 一般采用氢氧焰来回烧灼耦合区，可以达到较高的温度，但是也存在一 些缺陷，如气流对器件性能有影响、需要比较复杂的气路。改进的方法在1 2 3 节中有详细介绍。 1 4 偏振分束器 偏振分束器是使输入光的两个正交偏振模分别从两端口输出，以实现偏 振分离的光纤器件。其功能是基于双折射光纤中两正交偏振模具有不同的耦 合比而实现的。一般情况下这一差值是非常小的，不会影响耦合器的保偏性 能，但如果增大这一差值，使两个正交模式中一个偏振模式不发生耦合( 耦合 比为0 ) ，另一个完全耦合( 耦合比为1 0 0 ) ，此时耦合器就是一个偏振分束 器。 s n y d e r 提出用一根保偏光纤和一根普通单模光纤来实现偏振分束，由于 采用了非保偏光纤，出射消光比不高。法国l e f e v e 等用领结型高双折射光纤 研制成了高选择性的偏振分束器，一根光纤沿平行慢轴的方向侧面磨抛，另 一根光纤沿垂直慢轴的方向磨抛。日本n t t 电信实验室y k o h a m a 等利用熔融双 折射光纤耦合器实现偏振分离，通过增加熔融拉锥区域长度来增加两正交偏 振模式耦合比之差。 1 5 其它类型的光纤耦合器 1 5 1 宽带光纤耦合器 宽带耦合器常采用结构参数不同的光纤加工而成。改变光纤结构参数的 方法有：( 1 ) 对其中一根光纤进行化学腐蚀；( 2 ) 对其中一根光纤加热延 伸：( 3 ) 用同一根光纤预制棒拉制成外径不同的光纤；( 4 ) 用一根光纤预 制棒分为两段。先改变其中一个外径尺寸，然后分别拉制成外径相等的光纤 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 ( 纤芯径不同) 。用熔融延伸法制作，为使耦合器的波长依赖性小，应控制延 伸尺寸，使端面形状近于“8 ”形。 1 5 2 光子晶体光纤耦合器 徐毅口，睬用侧面抛光工艺制作可调光子晶体光纤( p c f ) 耦合器，将一根 p c f 中的部分光功率耦合到另一根p c f 。侧面抛光工艺使两根p c f 的纤芯互相靠 近，在两根p c f 纤芯模之间实现渐逝场耦合。通过调整两根侧面抛光p c f 的匹 配角，可实现最高9 0 的可调耦合率，耦合率的光谱在宽度达4 0 0 h m 的波长范 围内几乎是平坦的。c h r e m m o s 等l 】1 1 介绍了非线性硫化物双芯光子晶体耦合器。 z h a n g 等 3 9 1 研究了在双芯光子晶体光纤耦合器中偏振相关的光耦合。m a n g a n 等实验研究了六边形对称结构纤芯构成的耦合器其耦合机理。c a n n i n g ”】等 观察了在纤芯中存在随机孔状的双芯光子晶体耦合器的带通效应。l e e 等用 熔融拉锥的方法制作光子晶体耦合器，两耦合器的分光比为3 3 6 7 和4 8 5 2 ，分 析所用的模型与一般的单模光纤耦合器的模型相似。 1 5 3 塑料光纤耦合器 塑料光纤耦合器的制备方法l 侧面耦合法 i 冷加工法 波导法 ll 切割法 ll 研磨法 ff 混合棒法 il 化学刻蚀法 9 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 差、抗折射率差变动和抗偏振变动的宽带波导耦合器回路结构，解决了高分 子光波导在制造工艺中波导芯厚度难以控制、芯层和包层的折射率差变动时 的随机性以及材料各向异性引起的偏振态依赖性等实际问题。混合棒法是应 用比较多的一种方法 4 5 1 1 ” 。混合波导法也是一种常用的制作方法( 4 7 1 。 1 5 4 多芯光纤耦合器 c a n n i n g 等研究了一种纤芯为非规则的非周期性排列的多芯光纤构成 的耦合器。在光纤中充满了孔状的结构而不是掺杂化学元素，它模拟了人工 合成光子晶体的带隙结构。z h a n g 等1 带0 作并研究了一种由规则的多芯光纤构 成的耦合器。多芯结构为规则的对称的多边形，内含两个纤芯孔径较大，此 种光纤不具有双折射效应，因此构成的耦合器不具有偏振效应。于荣金等 4 9 1 分析了双芯光子晶体光纤耦合器的耦合长度及其随光波长、孔半径变化的一 般规律。 1 5 5 非线性光纤耦合器 非线性耦合器因多方面的应用而被广泛研究。在一个非线性光纤耦合器 中增加入射光功率可以使信号从一个信道中被开关到另一信道中，产生双芯 之间的脉冲开关。当入射信号是孤子时，开关速率可以达到f s 量级，脉冲截 断可以避免。 俞重远等1 5 0 】利用变分法研究三芯非线性光纤耦合器中的短脉冲光开关， 并且得到在非线性光纤耦合器中孤子的耦合长度和开关阈值，与连续波和两 芯光纤耦合器的结果不同。b a s a n t im a n d a l 【5 l 】研究了光脉冲在光纤耦合器中的 传播特性一具有拉曼散射效应和光开关效应。m e n d e s i s 2 ) 用解析解的形式分析了 非线性耦合器。t r i l l o 等根据数值计算的结果预言了非线性双芯光纤非耦合器 中基于孤子传输的全光开关特性【5 l ，数值模拟了非线性光纤耦合器中的孤子 开关行为，通过调整控制脉冲的强度和相位，可以得n - - 进制的开关性能川。 l o 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 1 6 光纤耦合器的应用 1 6 1 光开关 熔锥型耦合器可用作光开关，直接对光信号进行切换，提高了光通信容 量和开关速度。具有高隔离度、低插入损耗等优点的光纤光开关一直是光通 信领域研究的热点。 采用2x2 和3x3 单模光纤耦合器组合成的m z 干涉仪能够用作全光纤开 关m 】。基于3 3 平行排列耦合器的全光光开关具有两个独立的输出端口且具 有极好的偏振稳定性，消光比可达2 0 d e * 】。鲍俊峰等旧提出了一种基于定向 耦合器型的高分子聚合物波导光开关设计，实现了低插入损耗和串扰，并且 偏振不敏感，波长响应平坦，易于集成。f a r w e l pj 提出基于非对称熔融光纤 耦合器的偏振无关的光开关。j i n n o 等唧1 在保偏光纤构成的s a g n a c 干涉仪中实 现保偏光开关。 1 6 2 光衰减器 光衰减器( v o a ：v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ) 是波分复用系统中一种重 要的元件，光信号和泵浦功率可以得到动态的控制，在光网络中的接点处实 现动态的光功率分配。 基于熔融拉锥光纤耦合器的光衰减器的研究，利用热光效应，聚合物光 纤的折射率得到调制嗍。有人提出对光纤耦合器的腰区施加机械应力，产生 的光弹效应改变耦合系数，因此在直通臂出产生分光比变化的光衰减器 6 t t 6 2 j 。 j e o n g 等旧喇用光弹效应，将光纤耦合器的腰区安置在电力驱动的p z t 上，以 实现光纤衰减器的功能。j i m 等唧】利用热光效应，报道了一种利用聚合物光纤 耦合器实现的光纤衰减器。 1 6 3 滤波器 随着熔融拉锥技术的成熟，基于全光纤的m a c h z e h n d e r 干- 涉仪( m z i ) ，因 其插损小、与光纤的兼容性好及具有梳状滤波特性等优点而在波分复用光纤 通信系统和光纤传感器等领域有着重要的应用。 l l 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 鲁怀伟等mj 提出了由1 个3 3 n 1 个2 x 2 单模光纤耦合器级联组成的反射 式光纤梳状波长滤波器。y a n 等利用一个3 x 3 的单模光纤耦合器，双环、三 纤互耦，实现输出梳状滤波。 光纤耦合器还可以用作其他器件，如偏振合束器m 7 1 、偏振隔离器岬j 。 1 7 本文主要内容 第1 章绪论。介绍耦合器的制造方法、保偏光纤耦合器和偏振分束器、 其他类型的光纤耦合器，以及耦合器的应用。 第2 章耦合模方程。介绍了光纤耦合器的性能指标；建立了2 x 2 耦合器 的耦合模方程组，推导耦合系数及分析其影响因素；介绍散射矩阵。 第3 章耦合器的几何模型。简化的几何模型：哑铃模型，抛物线模型和 指数函数模型；分析了拉锥后纤芯及固有双折射对耦合器的影响。 第4 章介绍了2 x 2 单模光纤耦合器的相位差和分光比。分析了耦合器两 个输出端的相位差及直通臂输出光两个偏振分量之间的相位差。分析了耦合 器的分光比。 第5 章是2 x 2 单模光纤耦合器的偏振特性分析。给出了与偏振相关的耦 合模方程组，并分析了耦合器的偏振态演化规律。给出了偏振度的表达式， 并仿真了耦合长度、工作波长和环境折射率对偏振度的影响：最后给出了偏 振度与环境温度之间的关系式、仿真曲线和实验结果。 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章耦合模理论 2 1 2 2 单模光纤耦合器的性能指标 以下是2 2 单模光纤耦合器的性能指标闭： ( 1 ) 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ：儿) 插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减少 值。其定义式为 皿。= 一1 0 l g 二笋( d b ) ( 2 - 1 ) 其中皿是第f 个输出端1 3 的插入损耗；是第f 个输出端口测到的光功 率值；只。是输入端的光功率值。 ( 2 ) 附加损耗( e x c e s sl o s s ：e l ) 附加损耗定义为所有输入端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减 小值。其定义式为 e l = - 1 0 1 9 毕( d b ) ( 2 _ 2 ) 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。 ( 3 ) 分光比( r a t i o ：r ) 分光比是光纤耦合器的一个重要技术指标，定义为各输出端口功率的比 值，常表示为相对输出光功率的百分比。表达式如下： 月2 压- o u t l 。1 0 0 2 - 3 ( 4 ) 方向性( d i r e c t i o nl o s s ：d l l 方向性是耦合器特有的一个术语，定义为在耦合器正常工作时，输入一 侧非注入光的一端其输出光功率与全部注入光的一端输出光功率的比值，表 1 3 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 达式如下： p 脱一1 0 k 老m b ) ( 2 - 4 ) 其中尸如表示注入光功率，兄表示输入端非注入光端口的输出光功率。 ( 5 ) 偏振相关损耗( p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n t l o s s ：p d l ) 偏振相关损耗，即偏振灵敏度，是指耦合器对输入光偏振态的敏感程度。 当输入光的偏振状态发生3 6 0 。变化时，某一输出端光功率的最大相对变化 量。称为此输出支路的偏振相关损耗。表达式如下： p d l = - 1 0 1 9 粉( d b ) ( 2 _ 5 ) 其中( ) 。是输出最小值，( p 叫) 。是输出最大值。 2 2 光纤及锥形光纤 光导纤维是长距离传输光信号的介质光波导( 简称光纤) 。通常，它是由 高纯度的石英玻璃为主掺少量杂质锗( g e ) 、硼( b ) 、磷( p ) 等材料制成的细长的 圆柱形，细如发丝( 通常直径为几微米到几百微米) 。实用的结构有两个同轴 区，内区称为纤芯，外区称为包层。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐 老化特性，还在包层外增加了一层涂敷层，其主要成分为环氧树脂和硅橡胶 等高分子材料。光能量主要集中在纤芯中传输，包层为光的传输提供反射面 和光隔离，并起一定的机械保护作用【叫。 i 津逦羹霪漕 a ：阶跃光纤 醅逦羹冀誊 b ：渐变光纤 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 c ：单模光纤 图2 1 光纤结构示意图 光在光纤中传输，遵循全反射定律。 如果光纤两端的直径不相等，这样的光纤就被称为锥形光纤t m ，如图2 2 。 一定锥度的锥形光纤有聚光的能力，光从大端入射，在小端的出射光亮度会 提高，但光在纤维芯和涂层界面内壁上的反射角随反射次数的增加而逐渐减 小，总会在某一次反射后，全反射条件不满足。 图2 2 锥形光纤 锥形光纤半锥角表达式为口 s i n 里：业( z 一- o ，) s 一= o k， 22 上 缸为锥形光纤的锥角，d l 和d ：分别为纤维出射端( 小端) 和入射端( 大 端) 的直径，为锥形光纤的长度；锥形光纤的锥角直接影响光线在其中的 传播。根据全反射条件，要使入射光都能出射，要满足： s i n 里 2 瓮晤 c o s 臼 ( 2 7 ) n ，为纤芯折射率，n ：为包层折射率，口为光线入射于大端时的折射角。 根据( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ，得到一般情况下锥形光纤聚光的条件为： 工三 2 当平行于轴的光入射时，( 2 8 ) 式即为 1 5 ( 2 - 8 ) 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 三氅三皇! 1 2 l d d 2 仃翁 二 l 1f 疗21 1 1hj ( 2 9 ) ( 2 9 ) 式说明为使锥形光纤聚光，就存在一个最小的长度，而这个长 度与光纤两端的直径d 。、d ：及纤芯和包层的折射率惕、胛：有关。 2 3 模式耦合理论及耦合波特性 在光波导中，绝大部分光都集中于纤芯，但总有很少部分能量散布于包 层。当两个光波导相互靠近时，一个光波导的光能将耦合到另一个之中，从 而改变另一个光波导的场分布，而这种变化反过来对原光波导发生影响，这 就是两个光波导的横向耦合。 两个光波导的横向耦合现象，常常用来制作光波导横向光纤耦合器等。 由于光波导可分为正规光波导和非正规光波导两大类，所以横向耦合也可分 为正规型横向耦合和非正规型横向耦合。 正规型横向耦合，不仅要求两光波导都是正规的，而且纵向坐标轴也应 一致，也就是说两者应相互平行。所以正规型横向耦合，意味着由两光波导 组成的复合光波导是一个正规光波导。正规型的横向耦合，因两光波导的相 互作用体现在模式上，可用模式耦合方程来描述。在弱耦合条件下，模式耦 合方程可以线性化。所谓“弱耦合”是指两光波导的间距与光波导相比足够 大，以至于邻近光波导的存在，不改变两个参与耦合的光波导模式场的分布 形式，只改变其幅度。 非正规型横向耦合问题要复杂的多，由于每一个光波导都处于空间过渡 态，自身内部己经处于纵向模式耦合状态，加上外部光波导的存在，使这种 模式耦合现象更加复杂。只有在缓变近似的条件下，利用局部模式可以得到 一些有用的结果 7 0 1 。 单模光纤耦合器的耦合机理，一般应用弱耦合模型来解释】。光纤在熔 融拉伸变细的过程中，主光纤芯内传播的基模向包层扩展，从而使能量通过 包层耦合到相邻光纤的芯内。但有的学者p 认为弱耦合模型下，主光纤耦合 到副光纤的功率太小，在熔合开始时并不存在耦合，只有当熔合变细的时候 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 耦合才愈益加强。在这种熔接锥形耦合器中，两光纤芯既细，相距又远，在 熔合过程中，纤芯不起作用，基模扩展到光纤的包层中。于是，周围的介质f 空 气1 成为包层，两光纤原包层熔成椭圆形状的芯，构成一个新波导，从而使主 光纤功率耦合到副光纤。 在两个正规光波导互相平行靠近时，光场的横向耦合可用模式的横向耦 合来描述。在弱耦合条件下，即在两波导的间距足够大，以及在不改变各自 模式场分布形式的条件下，存在线性的模式耦合方程组 鱼掣= j p , a l ( z ) + 编口：( z ) ，、 ( 2 1 0 ) 譬早：慨a ：( z ) + j 觚( z ) 式中口，= c ( z ) e x p ( j p z ) ，i = 1