（光学专业论文）新型光纤耦合器的设计和研制.pdf

南开大学学位论文使用授权书i 。i 1 1 4 1 i 7 1 7 l l 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、 硕士学位获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大 学拥有在著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须 按规定提交学位论文( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存研究生学位论文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据 库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆等 场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文摘以及论文全文浏览、 下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部指定单位提 交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位 论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表 论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同 公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通 过论文答辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不 良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：挞盟渔 2 0 1 0 年5 月2 2 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目新型光纤耦合器的设计和研制 姓名林锦海学号 2 1 2 0 0 7 0 1 7 2 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 2 日 论文类别博士口学历硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院 专业 光学 联系电话 1 3 9 2 0 2 1 4 l1 3e m a i l j i n h a i m a i l n a n k a i e d u c a 通信地址( 邮编) ：南开大学光学所四楼4 0 6 室( 3 0 0 0 7 1 ) 备注：是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：盐盟连2 0 1 0 年5 月2 2 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0 年月 日至2 0 年月 日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 光纤耦合器是最重要的光纤无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域应用 非常广泛。本文就光纤耦合器基本原理、模型构建、结构设计、器件研制以及应 用等方面进行了系统研究，获得了一些创新性研究成果。论文的主要工作如下： 1 、系统总结了光纤耦合器的发展历程，归纳提炼出各个阶段的标志性事件； 详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法和性能参数。全面评述了三种光纤 耦合器的基本分析理论：耦合模理论、有效折射率法、光束传播法。在此基础上， 全面分析了光栅型和光子晶体光纤型等典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及 耦合特性，对光纤耦合器的设计和研制提出了展望性和指导性建议。 2 、对长周期光纤光栅( l p f g ) 和超长周期光纤光栅( u l p f g ) 的模式耦合机理 进行了深入研究，采用数值模拟的方法对影响l p f g ! u l p f g 耦合特性的参数进 行了详细研究和分析，并通过理论模拟给出超长周期光纤光栅的透射谱。同时利 用耦合模理论和传输矩阵法，对相移长周期光纤光栅的光谱特性也进行了比较详 细的分析。 3 、采用高频c 0 2 激光脉冲法，在1 5 5 0 n m 单模光纤上进行写制长周期光纤 光栅( l p f g ) 和超长周期光纤光栅( u l p f g ) 的实验研究。实验中成功写制出均匀的 l p f g u l p f g 和线性啁啾的l p f g u l p f g ，以及引入1 个万相移和两个t 相移 的超长周期光纤光栅( u l p f g ) ，并对所写制出的l p f g u l p f g 的光谱特性进行 了研究和分析。 4 、基于实验室写制的超长周期光纤光栅( u l p f g ) ，提出并设计了超长周期 光纤光栅耦合器，采用耦合模理论对l p f g u l p f g 耦合器的耦合机理进行分析， 利用高频c 0 2 激光脉冲法写制的长周期光纤光栅( l p f g ) 和超长周期光纤光栅 ( u l p f g ) 研制耦合器，并对所研制的l p f g 耦合器和超长周期光纤光栅耦合器的 耦合特性进行了探索性的实验研究。 5 、对基于应力、位移、空间角度的多参数光纤光栅的波长调谐进行了研究， 阐述了其调谐原理，并推导出相关的调谐公式。采用圆柱悬臂梁结构，设计并实 现了一种新型的基于应力、位移、空间角度的光纤光栅波长调谐器，该调谐器件 的调谐灵敏度高、结构简单、操作方便、性能良好，因而具有广泛的应用前景。 关键词：光纤耦合器耦合模理论长周期光纤光栅( l p f g ) 超长周期光纤光栅 ( u l p f g ) 相移超长周期光纤光栅( p u l p f g ) 聚焦c o z 激光脉冲法 a b s t r a c t a b s t r a c t f i b e rc o u p l e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a s s i v ef i b e ro p t i cc o m p o n e n t s ，w h i c hh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di n t h ef i e l d so fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sa n df i b e rs e n s i n ga p p l i c a t i o n s t h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s ，d e s i g nm o d e l ，d e v i c ef a b r i c a t i o n ，a n ds o m ea p p l i c a t i o n so fo p t i c a lf i b e r c o u p l e r sh a v eb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si n c l u d et h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 i nt h i sa r t i c l e ，t h eh i s t o r i c a lp r o g r e s so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so nf i b e rc o u p l e r si s s y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e dw i t hh i g h l i g h t e dm i l e s t o n e sf o re v e r ys t a g ei nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s f i r s t , w ep r e s e n tad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o no fc o n v e n t i o n a lf i b e rc o u p l e r sa sw e l l a st h e i rf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e sa n dp e r f o r m a n c e s s e c o n d ，t h et h e o r e t i c a l a n da n a l y t i c a l a p p r o a c h e s f o rt h e s ef i b e r c o u p l e r s a r e s u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gc o u p l e d m o d et h e o r y , e f f e c t i v e - i n d e xm e t h o da n db e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d t h i r d ，p a r t i c u l a ra t t e n t i o n sh a v eb e e np a i d o nt h ep r i n c i p l e sa n dc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lt y p i c a lf i b e rc o u p l e rc o n f i g u r a t i o n s ，s u c h a sf i b e rg r a t i n gc o u p l e ra n dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rc o u p l e r a n df i n a l l y , ap r o s p e c t i v eo nt h ef u t u r e d e v e l o p m e n to ff i b e rc o u p l e r sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si sg i v e n 2 t h em o d ec o u p l i n gp r i n c i p l eo fl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s ( l p f g ) a n du l t r al o n gp e r i o df i b e r g r a t i n g s ( u l p f g ) a r es t u d i e da n da n a l y z e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h ec o u p l i n gp a r a m e t e r so f l p f g u l p f ga r ea n a l y z e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo f u l p f ga r ea l s oa c q u i r e d a tt h es a m et i m e ，u s i n gt h ec o u p l e dm o d et h e o r ya n dt h et r a n s f e r m a t r i xm e t h o d ，t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fp h a s es h i f t e dl o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g sa r ea l s o s t u d i e di nd e t a i l i 3 l p f g u l p f ga r ei n s c r i b e do n t ot h e15 5 0 n ms m fu n d e re x p o s u r eo fh i g hf r e q u e n c yf o c u s e d c 0 2l a s e rp u l s e s b o t ho ft h eu n i f o r ml p f g u l p f ga n dl i n e a rc h i r p e dl p f g u l p f ga r e e x p e r i m e n t a l l yf a b r i c a t e d t h eu l t r al o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s ( u l p f g ) w i t ha 兀p h a s es h i f ta n d t h et w o 兀p h a s es h i f ta r es u c c e s s f u l l yw r i t t e n a n dt h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fl p f g u l p f g a r es t u d i e da n ds u m m a r i z e d 4 b a s e do nt h eu l t r al o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s ( u l p f g ) f a b r i c a t e di no u rl a b o r a t o r y , w eh a v e p r o p o s e da n dd e s i g n e dal o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gc o u p l e r , a n da n a l y z e dt h ec o u p l i n gm e c h a n i s m o ft h ec o u p l e ra c c o r d i n gt oc o u p l e dm o d et h e o r y u s i n gl p f g u l p f gw r i t t e nb yh i g hf r e q u e n c y i i a b s t r a c t f o c u s e dc 0 2l a s e rp u l s e se x p o s u r em e t h o d ，w ec a r r i e do nd e v e l o p i n gf i b e rc o u p l e r s m o r e o v e r , c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o u p l e ra r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d 5 t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft u n a b l eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gb a s e do nm u l t i - p a r a m e t e r si n c l u d i n gs t r e s s ， d i s p l a c e m e n t , s p a c ea n g l ei sa n a l y z e d r e l a t e de x p e r i m e n t a ls t u d i e da r ep e r f o r m e d , a n dt h e m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n sa r ed e r i v e di nd e t a i l t h e n , u s i n gc y l i n d r i c a lb e a ms t r u c t u r e ，w eh a v e d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dam u l t i - p a r a m e t e rw a v e l e n g t h - t u n a b l eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gb a s e do n s t r e s s ，d i s p l a c e m e n t ，s p a c ea n g l e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dd e v i c eh a sh i g h s e n s i t i v i t y , s i m p l es t r u c t u r e ，e a s ef o ro p e r a t i o n , g o o dp e r f o r m a n c e ，w h i c he n s u r ei t sf u t u r e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：f i b e rc o u p l e r ，c o u p l e dm o d et h e o r y , l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p f g ) ，u l t r al o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ( u l p f g ) ，p h a s e - s h i f t e du l t r al o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g ( u l p f g ) ，f o c u s e dc 0 2 l a s e rp u l s e sm e t h o d i i i 目录 目录 摘要l a b s t r a c t i i 目蜀乏i v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 光纤耦合器简介1 1 3 光纤耦合器发展历程2 1 4 光纤耦合器类型9 1 5 光纤耦合器制作方法。1 0 1 6 光纤耦合器性能参数1 0 1 7 典型光纤耦合器结构及原理1 1 1 8 本章小结一1 8 1 9 论文主要研究内容及创新点1 8 第二章光纤耦合器的理论分析方法2 0 2 1 耦合模理论。2 0 2 1 1 耦合模方程2 0 2 1 2 双光纤耦合2 l 2 1 3 耦合系数2 4 2 2 有效折射率法2 6 2 2 1 基本思想2 6 2 2 2 分析理论2 6 2 3 光束传播法一2 7 2 3 1 基本思想2 7 2 3 2 分析方法2 8 2 4 本章小结3 0 第三章l p f g u l p f g 耦合器设计与研制。31 3 1l p f g u l p f g 模式耦合理论。3 2 3 1 1 三层阶跃光纤模型分析3 2 3 1 2 三层阶跃光纤耦合模方程3 8 i v 目录 3 2l p f g u l p f g 传输谱41 3 2 1l p f g 透射谱4 l 3 2 2 切趾相移l p f g 透射谱4 3 3 2 3u l p f g 透射谱4 5 3 3l p f g u l p f g 写制方法4 7 3 3 1 紫外曝光写制法4 7 3 3 2c o ：激光脉冲法一4 7 3 4 高频c o ：激光写制l p f g u l p f g 4 8 3 4 1 均匀l p f g u l p f g 写制4 9 3 4 2 啁啾l p f g u l p f g 写制5 0 3 4 3 相移u l p f g 的写制5 2 3 5l p f g c u l p f g c 理论分析及数值模拟5 5 3 5 1 均匀l p f g c u l p f g c 耦合原理5 6 3 5 2 非均匀l p f g c u l p f g c 耦合原理。7 0 3 6l p f g c u l p f g c 实验研制7 3 3 6 1l p f g c u l p f g c 试验设计7 4 3 6 2l p f g c 耦合特性7 5 3 6 3u l p f g c 耦合特性7 6 3 7 本章小结。8 0 第四章多参数光纤光栅波长调谐器设计与研制8 1 4 1 光纤光栅波长调谐机构设计及理论分析。8 l 4 1 1 调谐机构设计8 l 4 1 2 理论分析8 2 4 2 光纤光栅波长调谐的数值模拟。8 4 4 3 光纤光栅波长调谐器实验分析8 6 4 3 1 波长调谐实验设计8 6 4 3 2 实验测量结果分析8 6 4 4 本章小结。8 9 第五章总结与展望9 0 致谢9 2 参考文献9 3 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使 用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。 光纤耦合器的出现，为光纤系统的小型化、集成化、紧凑化提供了技术保障 和物质基础，促进了光纤通信系统和光纤传感系统的迅猛发展。光纤耦合器的出 现，使得全光纤系统的研究从梦想变成了现实，也极大的优化了各种光纤系统的 性能并降低了系统的成本。光纤耦合器的出现，促进了各种光纤器件的发展，也 为研制各种性能优越的新型光纤器件以及新型光纤系统提供了技术基础。 随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用，光纤耦合器的地位和作用愈 来愈重要，并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。设计插入损耗 小、耦合效率高、分光比可调并可实现特殊耦合的光纤耦合器，一直是光学领域 科研工作者追逐的焦点和业内人士的奋斗目标。 近年来长周期光纤光栅耦合器的探索和研制引起了广大科研工作者的广泛 关注。长周期光纤光栅耦合器具有优越的滤波性能、插入损耗低、通道隔离度高、 制作容易等诸多优越特性，在滤波领域具有广阔的应用前景。 1 2 光纤耦合器简介 光纤耦合器一般具有以下几个特点：一是器件由光纤构成，属于全光纤型器 件；二是光场分波与合波主要通过模式耦合来实现；三是光信号传输具有方向性。 根据光的耦合原理，人们已经设计出了多种性能各异的光纤耦合器结构。包 括：x 型光纤耦合器、星型光纤耦合器、非线性光纤耦合器、双包层光纤耦合器、 光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦 合器、混合型光纤耦合器、单模微光纤耦合器等。 光纤耦合器已经成为光纤系统中最核心的基本元件之一，大部分光纤系统都 需要依赖光纤耦合器来实现光信号的分离或合成。基于光纤耦合器的应用研究也 获得了可喜的进展。基于光纤耦合器人们已经设计出各种性能优异的全光开关、 光纤滤波器、光纤传感器、频移器、共鸣器等光纤器件。 第一章绪论 1 3 光纤耦合器发展历程 光纤耦合器自二十世纪七十年代初问世至今，已被广泛使用于光纤系统之 中。其发展主要经历了三个阶段：萌芽阶段、早期阶段、发展阶段。 1 3 1 萌芽阶段 1 、物质基础一低损耗光纤问世 1 9 7 0 年，美国的c o m i n g ( 康宁) 公司率先成功拉制出损耗为2 0 d b k m 的低损耗 光纤【1 1 。这一光学领域的重大技术突破，为光纤的进一步研发提供了先进的技术 手段。同时，也为光纤耦合器的问世以及广泛应用奠定了雄厚的物质基础。 2 、理论依据一耦合模方程推导 1 9 7 2 年，澳大利亚的a w s n y d e r l 2 】成功推导出扰动均匀光纤系统中的耦合 模方程及耦合系数表达式，理论上分析了分别位于多边形各顶点以及多边形中心 的光纤系列耦合功率转换情况。同年，美国的w w i j n g a a r d 3 1 给出了两根相同或 相异的平行圆波导间的模场分布。1 9 7 3 年，p d m c i n t y r e 和a w s n y d e r 【4 j 在原 有基础上进一步研究了光纤各个模式间的功率转换。a w s n y d e r 和w w i j n g a a r d 出色的理论工作，为光纤耦合器的设计及光纤耦合器功率转换分析提 供了可靠的理论依据。 1 3 2 早期阶段 l 、光纤耦合器雏形一光纤连接器 1 9 7 1 年，d l b i s b e e 5 】率先采用熔接的方法实现了多模光纤之间的焊接。翌 年，r b d y o t t 6 】等人采用类似的熔接技术实现了单模光纤之间的焊接，所进行 的拉锥实验也获得了一定进展。d l b i s b e e 和r b d y o t t 等人采用熔融方法所设 计的光纤耦合器，可实现两根光纤之间的单路耦合和定向传输，这种熔融方法为 光纤耦合器的研制指明了方向。 c t 0 ”r i n 垡 图1 1 星型耦合器的横截面示意图 2 、光纤系统集成化基元一星型耦合器 2 第一章绪论 1 9 7 4 年，m c h u d s o n 和f l t h i e l 7 】提出了星型耦合器的思想，并设计出如 图1 1 所示的首个星型光纤耦合器。与传统t 形耦合器相比，这种多端口光纤星型 耦合器具有损耗更低、方向性更好、稳定性更高、各端口等效等诸多优点。星型 耦合器的出现为光纤通信系统和光纤传感系统向着集成化、小型化发展提供了技 术保障。 3 、光纤定向耦合器问世一光纤定向耦合器出现 1 9 7 5 年，h k u w a h a r a 等人【8 】将两根多模光纤缠绕并在耦合区填充折射率匹 配液，构成世界上第一个光纤定向耦合器，其结构如图1 2 所示。实验测得该耦 合器的耦合比为5 0 d b ，方向性为2 1 d b 。光纤定向耦合器的问世，标志着光纤耦 合器时代的到来，使得光纤通信和光纤传感系统的全光纤化成为可能。 图1 2 两根光纤制成的定向耦合器图1 3 化学腐蚀法制备锥形耦合器 4 、光纤耦合器新思路腐蚀锥形光纤耦合器 1 9 7 6 年，y y a m a m o t o 等人【9 j 率先采用化学腐蚀技术，制成如图1 3 所示锥形 结构的光纤耦合器，其耦合效率可达9 0 以上。这种方法为设计光纤耦合器提供 了一种新思路，为光纤耦合器的多元化开辟了新途径。 5 、光纤耦合器技术突破一熔融光纤定向耦合器 1 9 7 6 年，m k b a m o s k i 和h r f r i e d r i c h t 加j 采用聚焦的c 0 2 激光作为局部热 源，加热熔融两根c o m i n g 公司生产的多模光纤，首次制成如图1 4 所示的光纤定 向耦合器；通过调整光纤纤芯间距和相互作用长度，可以实现对耦合比的控制。 将加热熔融方法应用于光纤定向耦合器的制作，在技术上是一项重大的突破，为 光纤定向耦合器的大规模生产奠定了技术基础。 h e - n l a s e r 图1 4 熔融光纤定向耦合器图1 5 分布式t 形耦合器 3 第一章绪论 6 、光纤耦合器手工化抛磨型光纤耦合器 1 9 7 6 年，d h m c m a h o n 和r l g r a v e l 1 l 】采用机械抛磨方法移除多模光纤的 部分包层，制成分布式t 形耦合器，如图1 5 所示。 同年，h p h s u 和a f m i l t o n l l 2 j 采用类似的机械抛磨方法移除单模光纤的部 分包层，制成如图1 6 所示的抛磨型单模光纤耦合器。d h m c m a h o n 和h p h s u 等人提出的机械抛磨方法，为光纤耦合器的研制开辟了另一条途径。 广一一一一一一一一一一一一一一一一i ( a ) 图1 6 抛磨型单模光纤耦合器( a ) 光纤抛磨横截面示意图；( b ) 单模光纤耦合器 1 3 3 发展阶段 p e 随着熔融拉锥、机械抛磨、化学腐蚀等技术的出现，光纤耦合器开始迅猛发 展并进入高速发展阶段，各种结构丰富、功能优良的光纤耦合器如同雨后春笋一 般蓬勃发展。光纤耦合器逐步从实验室走向工业生产领域，其生产工艺日趋成熟 并得到了广泛应用。 l 、熔融与拉锥结合熔锥形光纤耦合器 1 9 7 7 年，b s k a w a s a k i 和k o h i l l t l 3 1 将熔融技术和拉锥技术结合，首次制 成了熔融双锥形耦合器，如图1 7 所示。这种熔融拉锥技术将耦合器的附加损耗 降低了一个数量级，实验测量的附加损耗为o 1 0 2 d b 。熔融技术与拉锥技术的结 合是光纤耦合器生产史上的一次重大飞跃，开启了光纤耦合器发展的新纪元，为 光纤耦合器的规模化生产从技术上提供了有力保证。 f u s ew h e r et a p e r st o u c h p o r t1 旷飞p o r t4 p o r t2 _ _ p o r t3 卜一l a m i 图1 7 熔融双锥形耦合器 2 、抛磨法的成熟一抛磨型多模光纤耦合器 1 9 7 8 ，y t s u j i m o t o 等人【1 4 】先将两根多模光纤分别嵌入两板中进行抛磨，再 将经打磨后的两根光纤拼接在一起，首次制成3 d b 抛磨型多模耦合器，其附加损 4 第一章绪论 耗小于0 3 d b ，如图1 8 所示。这种耦合器设计方法迅速被人们广泛采用，并将光 纤耦合器的发展推向一个新阶段。 图1 8 抛磨型耦合器横截面 图1 9 腐蚀法制作光纤耦合器示意图 3 、封装腐蚀法一可调谐单模光纤耦合器 19 7 9 年，s k s h e e m 和t g g i a l l o r e n z i i ”j 将两根光纤缠绕在一起放入盛有腐 蚀液( h f ：n h4 f = 1 ：4 ) 的四端口容器中腐蚀，首次制成耦合效率在0 - 2 d b 之 间、手动可调谐的单模光纤定向耦合器，如图1 9 所示。虽然此前光纤耦合器腐 蚀技术已经出现，但他们设计的光纤耦合器属于全功率转换型，这是首次将腐蚀 技术应用于功率分配型耦合器的成功设计。该耦合器通过旋转瓶帽控制两根光纤 的缠绕次数和光纤间的张力，可实现耦合比从0 至u 2 d b 之间的手动调谐。封装腐 蚀法的提出为可调谐型耦合器的设计提供了新的实现途径。 4 、光纤耦合器多芯化一双芯光纤耦合器 1 9 8 0 ，gs c h i f f n e r 等人【1 6 】首次成功拉制出双芯光纤，如图1 1 0 中所示。拉制 前预先在双芯之间填充一排空气孔，使两根光纤的两端分开，可制成双芯光纤耦 合器，并通过弯曲光纤调谐其耦合比。双芯光纤的出现有效地拓展了光纤传送容 量，而双芯光纤耦合器的出现进一步促进了光纤耦合器多元化发展的进程。 2 r 1 zr c r 一 ，、 ， r 、 、 婴 ， i夕 一 ( a )( b )( c ) ( d ) ( e ) 图1 1 0 叔芯光纤耦合器( a ) ( d ) 双芯光纤的拉制过程； ( e ) 将两根双芯光纤的两端分开制成的定向耦合器 5 、化学汽相沉积法与熔锥法结合一保偏型熔锥光纤耦合器 19 8 2 年，m k a w a c h i 等人【1 7 】采用单模单偏振熊猫型光纤，首次制成偏振保持 型熔锥光纤耦合器，如图1 1 1 所示。为使熔融过程中光纤扭曲变形最小化以保持 5 第一章绪论 偏振对称性，他们采用化学沉积法首先在熊猫光纤外围沉积一层s i 0 2 b 2 0 3 层， 然后进行拉锥。这种光纤耦合器能够保持很高的偏振特性，它的出现有力地推动 了相干通信系统和相干传感系统的发展。并且，保偏光纤耦合器也是构成高精度、 高性能光纤陀螺和水声器的基础元件之一。 i一 图1 1l 各种熊猫光纤组合图1 1 2 光纤光栅耦合器示意图 6 、光栅和光纤耦合器结合光纤光栅耦合器 1 9 8 5 年，p s t j r u s s e l l 和r u l r i c h 博j 首次将光栅放置于经侧面打磨的光纤纤 芯消逝场附近，制成了如图1 1 2 所示光纤光栅耦合器。这种耦合器可用于制作光 谱仪、滤波器、光开关等光纤通信器件，在波分复用领域具有得天独厚的优势。 7 、周期性微弯法一光纤模式耦合器 1 9 8 6 年，j n b l a k e 等人【l9 】首次采用周期性微弯方法，制成了职。模到幽模 之间的模式耦合器，如图1 1 3 所示。这种耦合器可用于制作频移器、幅度调制器 等光纤器件。周期性微弯法的采用，极大地丰富了光纤干涉和光纤传感的研究内 容，也拓宽了光纤器件的应用范围。 m u l t i c o r ef i b e r b u n d l e df i b e r 图1 1 3 对光纤施加周期性微弯 匡 8 、抛磨法与熔融法结合抛磨熔融耦合器 1 9 9 2 年，c vc r y a n 和c d h u s s e y 2 u j 将裸单模光纤悬浮在研磨轮上进行打 磨，之后安装到一对带有磁铁的v 型光纤固定器中，加热熔融制成了抛磨熔融耦 合器。这种方法具有制作简单、性能稳定、损耗较低且兼有熔锥形耦合器和抛模 型耦合器的优点，并且在某些特殊领域( 如采用色散平坦光纤和高双折射光纤制 作特殊用途的光纤耦合器领域) 具有独特的优势。 6 第一章绪论 9 、多芯与单芯光纤耦合一混合型光纤耦合器 1 9 9 3 年，k h i m e n o 等人【2 l 】率先提出多芯与单芯耦合制作光纤耦合器的思想， 并用可熔融连接器将双芯光纤和两根单芯光纤连接，经锥化制成了混合型光纤耦 合器，如图1 1 4 所示。这种新型制作技术可用于制作星型光纤耦合器，并对其发 展具有重要意义。 1 0 、保偏光纤新制作方法新型保偏光纤耦合器 1 9 9 4 年，a l y e 等人【2 2 】将两根保偏光纤偏振主轴按一定要求排列后熔锥， 用氢氟酸腐蚀耦合区两端使之分离，制作出新型保偏光纤耦合器，如图1 1 5 所示。 因复合光纤偏振主轴排列可直接在光纤加工平台上实现，故在制作过程中无须考 虑保偏光纤偏振主轴的排列问题。这既简化了保偏光纤耦合器制作工艺，又大大 降低了保偏光纤耦合器制作成本，同时有效提高了保偏光纤耦合器的性能，推动 了保偏光纤耦合器的规模化生产。 。t a p e r e db yf u s i o n + 、一。 图1 1 5 新型保偏光纤耦合器 4 ， 图1 1 6 光纤活性耦合器的结构 1 1 、特种光纤耦合器制作一塑料光纤活性耦合器 1 9 9 8 年，j z u b i a 等人【2 3 】首次制成带有液晶中间层的塑料光纤活性耦合器， 如图1 1 6 所示。这种活性耦合器兼有耦合器和光开关的特性，在光纤传感领域有 着广泛的应用。 1 2 、光纤耦合器的小型化一熔锥微型光纤耦合器 2 0 0 0 年，c lk a k a r a n t z a s 等人【2 4 j 首次报道了一种熔锥微型光纤耦合器，如图 1 1 7 所示。他们首先将两根光纤锥化到直径为1 5 1 x m ，然后用c 0 2 激光器将两根光 纤在很短长度内熔融在一起，制成熔锥微型光纤耦合器。这种耦合器长度不到一 个毫米，在小型化集成光学器件领域具有重要的应用。 z = 0z = l = 塞乡 三警多三蕊 图1 1 7 熔锥微型光纤耦合器 7 a ( l ) b ( l ) 第一章绪论 1 3 、长周期光纤光栅间的耦合一长周期光纤光栅耦合器 2 0 0 0 年，k s c l l i a n g 等人【2 5 1 分析了两根平行的长周期光纤光栅之间的耦合 机制，制成了长周期光纤光栅耦合器，如图1 1 8 所示。这种基于长周期光纤光栅 的耦合器可用于制作合分路器，在波分复用系统中有着广阔的应用前景。 1 4 、光子晶体光纤耦合器的问世一双芯光子晶体光纤耦合器 2 0 0 1 年，gk a k a r a n t z a s 等人【2 6 j 将未耦合的双芯光子晶体光纤用火焰进行热处 理，使其双芯间的空气孔塌缩产生强烈耦合制成双芯光子晶体光纤耦合器。光子 晶体光纤结构丰富，性能多样，采用熔锥、抛磨、填充、优化结构设计等多种手 段，可以设计出结构丰富、功能多样的光子晶体光纤耦合器。光子晶体光纤耦合 器的出现，极大地方便了光子晶体光纤与光源以及普通光学系统的耦合，有力地 推动了光子晶体光纤在光纤传感和光纤通信领域的应用。 1 5 、布喇格光纤耦合器的出现一布喇格光纤耦合器 2 0 0 4 年，r i l i e w 等人【27 j 首次设计出布喇格光纤耦合器，并采用有限时域差 分法进行了验证。这种布喇格光纤可以将纤芯基模有效转换成环形模，图1 1 9 给 出了布喇格光纤耦合器中光强的演变情况。布喇格光纤耦合器在光纤与环形共振 器间的耦合、微粒的操控以及各种滤波器件等领域具有诱人的应用前景。 图1 1 9 布喇格光纤耦合器中光强随距离的变化 传播距离为( a ) 0m l n ，( b ) 3 5m m ，( c ) 6 9m m ，a n d ( d ) 1 4 0m m 1 6 、非常规光纤耦合器一太赫兹光纤耦合器 2 0 0 7 年，h w c h e n 等【2 8 】人率先制成太赫兹单模光纤耦合器，如图1 2 0 所示。 由于反对称模截止，这种太赫兹光纤耦合器的耦合比不依赖于耦合区长度。在太 赫兹光纤通信系统、3 d b 功率分配器、太赫兹光纤内窥镜等领域，这种新型耦合 器具有广阔的应用前景。 c o u p l e df i b e r 卜，o c m 卜一9 5 c m 一图1 2 0 太赫兹光纤耦合器示意图 8 o u t p u t e n d 第一章绪论 1 7 、新型光纤光栅耦合器一超长周期光纤光栅耦合器 我们最近率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器，实验上实现了两个超 长周期光纤光栅之间的有效耦合。有关研究工作将在“第四章l p f g u l p f g 耦 合器设计与研制”详细阐述。 1 4 光纤耦合器类型 光纤耦合器因其分类标准不同