（光学工程专业论文）熔融拉锥型光纤宽带耦合器特性研究.pdf

附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：三鼬日 期：丝! 兰竺9 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一：缉一名：埠 山东大学硕士学位论文 中文摘要 光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分，耦合器在光无源器件中起着很 重要的作用，其性能的优劣对系统的传输质量有决定性影响。熔融拉锥法已经成 为当今制作光纤耦合器的主要方法，它具有很大优势：极低的附加损耗，良好的 方向性，良好的环境稳定性，简单灵活的控制方法，廉价的制作成本。 “宽带化”已经成为新型电信网的主要特征之一，相应的器件技术也将实现 向宽带技术的过渡，宽带耦合器全面取代标准耦合器是大势所趋。本文对熔融拉 锥型耦合器的现状、应用和发展，尤其是熔融拉锥型宽带光纤耦合器的原理及制 造工艺进行了详细的论述。对宽带光纤耦合器的理论分析表明：非对称耦合器具 有波长响应平坦的特性，而且非对称程度的大小直接影响耦合器输出功率的分配 ( 即分束比) ；通过在拉锥过程中控制组合波导的不同直径比，可以得到不同分 束比的宽带耦合器。同时对熔融拉锥型光纤耦合器的扭转特性和应变响应进行了 相应的实验研究。实验结果表明：耦合器的耦合比不但对扭转和应变敏感，而且 变化呈单调性；同时耦合器的附加损耗和工作波长不受扭转作用的影响，并且这 种扭转操作具有可重复性。 由于光子晶体波导具有传统介质波导所不具有的一些独特的性质。用光子晶 体做成的定向耦合器也就有一些特有的功能。在第四章里对光子晶体的特点、理 论分析方法和制备方法进行了相应的介绍；并且对光子晶体波导定向耦合器进行 了分析研究，研究表明：对于不同的频率，光子晶体定向耦合器耦合系数是不同 的，并且耦合系数和对应的频率之间近似直线关系。 关键词：光通信器件熔锥型光纤耦合器宽带 一一 些壅查兰堡主兰些堡苎 p a s s i v e o p t i c a l d e v i c e sa r ec r u c i a l c o m p o n e n t so fo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i na d d i t i o n ，c o u p l e r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei np a s s i v eo p t i c a ld e v i c e s ，a n di t s q u a l i t y h a sas i g n i f i c a n ta f f e c t o nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r , f u s e d b i c o n i c a lt a p e rt h e o r yi sw i d e l yu s e di nm a k i n gf i b e rc o u p l e r s t h i sm e t h o dh a s m a n y a d v a n t a g e s ，s u c h 褐s m a l le x c e s sl o s s ，p e r f e c td i r e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，s i m p l ec o n t r o l ， a n dl o w e rc o s t ，c t c ， w i d eb a n d h a sb e e no n e i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i co f n e w - d e v e l o p e d t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，a n di t sd e v i c e sw i l l d e v e l o pt o w a r d st h ew i d e b a n d t e c h n o l o g y i ti s t h en n dt h a ts t a n d a r dc o u p l e r sw i l lb er e p l a c e d b yw i d e b a n d c o u p l e r s i nt h i sp a p e r ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o u p l e r , e s p e c i a l l yt h et e c h n o l o g ya n dt h e o r yo f f u s e db i c o n i c a lt a p e rw i d eb a n dc o u p l e r sa r e a n a l y z e dc o n c i s e l y , t h e o r e t i c a la n a l y s i s r e v e a l st h a tt h i sk i n do fc o u p l e r sh a v e w a v e l e n g t h f l a t t e n e dc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ed e g r e eo fa s y m m e t r yc a na f f e c tt h e s p l i t t i n gr a t i od i r e c t l y aw a v e l e n g t h - f l a t t e n e dc o u p l e r 诵t l l d i f f e r e n ts p l i t t i n gr a t i oc a n b eo b t a i n e db yc o n t r o l l i n gt h ed i a m e t e rr a t i oo ft w oc o u p l e da r m si nt h ep r o c e s so f f a b r i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h et w i s t i n gc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r a i n r e s p o n s eo f f u s e d - t a p e r e df i b e rc o u p l e r sa r es t u d i e dt h r o u g le x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ec o u p l i n gr a t i oo ff i b e rc o u p l e r si ss e n s i t i v et ot w i s t i n ga n ds t r a i n , a n d t h ec h a n g i n gc o u p l i n gr a t i oi sm o n o t o n et ot w i s t i n ga n g l e s i na d d i t i o nt h ec o u p l e r l o s sa n dt h ew o r k i n gw a v e l e n g t hs u f f e rn os i g n i f i c a n tc h a n g ea ta n ys t a g ea n dt h i s o p e r a t i o n i sr e p r o d u c i b l e s i n c e p h o t o n i cc r y s t a l sp o s s e sm a n yp a r t i c u l a r c h a r a c t e r i s t i cc o n v e n t i o n a l w a v e g u i d e sd o n th a v e ，t h ed i r e c t i o n a lc o u p l e rm a d eb yp h o t o n i cc r y s t a l sw i l ls h o w m a n ys p e c i a lf u n c t i o n s c h a r a c t e r i s t i c ，t h e o r e t i c a lm e t h o d sa n dm a t e r i a lp r e p a r a t i o n o fp h o t o n i cc r y s t a l sa r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r4 ，a n dp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u l d e d i r e c t i o n a l c o u p l e r s a r ea l s o d i s c u s s e d a n a l y z m g r e s u l t ss h o wt h a t c o u p l m _ g 4 山东大学硕七学位论文 c o e f f i c i e n to ft h ep h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d ed i r e c t i o n a lc o u p l e ri sd i f f e r e n tw h e nt h e f r e q u e n c yo fl i g h ti n c i d e n ti sc h a n g e a ，a n dc o u p l i n gc o e f f i c i e n ti s l i n e a rw i t ht h e c o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c y k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd c v i c c s ；f u s e d t a p e r e df i b e rc o u p l e r s ；w i d e b a n d 5 山东大学硕： 学位论文 第一章绪论 1 1 光通信发展的现状 1 ，1 1 光通信技术概况 自“电通信”问世以来，同轴电缆便独占鳌头，成为信息传输的主力，但 其通信容量有限，当今最先进的同轴电缆载波通信系统也只不过是“万线系统” ( 即同时只允许l 万对用户通话) 而已。无线电中波与短波可以传递声音，微波 可以传递图像，然而，它们的频率远远不能适应人类对信息量的传输需求。为了 寻找通信快车道，人们把触角伸向了比无线电短波、超短波和微波频率更高的光 波波段，于是现代光通信应运而生。激光是最理想的光通信光源，它频率极高， 颜色极纯，射向极好。光纤则是合适的传光介质。1 9 6 6 年7 月，英籍华人科学 家高琨集同行们研究之大成，提出了利用光导纤维( 简称光纤) 传递信息的设想。 1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司拉制出了世界上第一根可供实用的光纤，实现了高琨 的预言，产生了通信史上一场划时代的变革，高琨也由此享誉“光纤通信之父” 的美称。 光纤是一根头发丝般的玻璃丝，携带着信息的激光束就在它的纤芯中传播。 如今光纤通信干线已遍布世界。光纤通信技术具有许多非凡的特性。概括说，主 要体现在通信容量大、传输速率高、通信稳定、保密性能好、能节省大量非常昂 贵的稀有的有色金属、通信距离远、线路寿命长等方面。 光纤通信一经问世，就以其优异的性能博得使用者们的青睐。光纤通信的用 途非常广泛。诸如电话局之间的连线( 中继线) ，建立大容量通信干线和高速数 据传输以及卫星、微波地面信号引接( 即将卫星、微波信号在地面进行远距离传 输) 等都可一显身手，大有替代电缆通信之势，传递宽频带高速率的图像信号则 非它莫属。在过去的十年里，光传输速率提高了1 0 0 倍，预计在未来的1 0 年里 还将提高1 0 0 倍左右。目前i p 业务呈指数式增长，对光通信的发展带来了新的 机遇和挑战。 由于光纤的最大优点在于它具有传输长距离、大容量信息无可比拟的潜在能 力，又由于电子技术延伸至光子技术研究，显示出光予有很多优点可以发掘利用， 光纤通信利用光子技术将有无可限量的发展前途，因此。人们对光纤通信技术最 近阶段进展的注意力将集中于如下几个方面；f1 ) 、密集波分复用( d w d m ，d e n s e 山东大学硕士学位论文 w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x ) ”。( 2 ) 、宽带光纤放大器( e d f a ，e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) 。 ( 3 ) 、非零色散单模光纤( n z d f ，n o nz e r od i s p e r s i o n f i b e r ) ”3 。( 4 ) 、光子器件阵列集成( p i c ，p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 。 ( 5 ) 、光时分多路( o t d m ，o p t i c a l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) ”。( 6 ) 、全 光通信网( a o n ，a 1 1o p t i c a ln e t w o r k ) ”1 。 需要指出的是，现在的光纤通信实际上还不是真正意义上的光通信，只是一 种“电光通信”或者叫“半光通信”，因为在通信过程中要有电信号的参与，要 有电信号与光信号的相互转换。在“声电互变，电光互变”的通信系统中光束 只是在光纤中传播，通信两端仍是电信号在起作用。此外，光束沿光纤传输时， 难免要产生能量损耗，因此沿途要对光转换成电信号，对电信号进行放大处理， 再用放大后的电信号去控制光信号，继续送往下游光纤。实现全光通信不是一蹴 而就的事在技术上要解决一系列的问题。首先，要找到一种适合于进行全光传 输的通信方式；其次。要研制、生产出能让各种“非电”信号( 例如话音、图像 等) 直接转换成光信号和将光信号直接还原成“非电”信号的器件；第三，要有 能对光信号直接进行中继放大以补偿光能对光信号进行存储、处理的物件等。伴 随着科学技术的发展诸如此类的问题都已得到了相应的解决。在实现实用化的 光通信方式方面，“掺铒光纤放大器”的研制成功，一改以往对沿光纤传播的信 号进行中继放大时需要经历“光变电电放大电变光”过程的局面，使信 息存储技术进入一个崭新的阶段。 1 1 2 波分复用全光通信光纤网的发展现状 传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用( t d m ) 方式进行，但由于现代 通信网对传输容量要求的急剧增加。采用电的时分复用来提高传输容量的作法已 经接近硅和镓砷技术的极限，没有太多潜力可挖了。因受电子速率瓶颈的限制， 要使单信道速率达到4 0 g b s 以上已很困难，所以发展光的复用方式已成为必然。 光复用方式有很多种。但目前只有波分复用( w d m ) 方式进入大规模商用阶段， 而其它方式尚处于试验研究阶段。 波分复用技术的基本原理“。是：在同一根光纤中传输多个不同的光载波，每 个光载波携带各自的信息，每个波长相互间有一定的间隔( i t u t 建议波长间隔 有3 2 n m 、1 6 n m 、0 8 n m 等，这样不同波长的光信号便可避免引起路标干扰) 。 在发送端合波器把不同波长的信号光复合在一起送入一根光纤中传输。在接收 一些变查兰里主兰垫堕苎 端，再用分波器将这些不同波长的信号光分开，实现高速率、大容量的有效传输。 个光波波长信道的系统，由于“电子瓶颈”的限制，系统的通信容量不可能有 很大的增长a 采用波分复用技术，只要合波器和分波器的性能设计得当，不同波 长的光信号便可不受干扰的传输，从而实现一根光纤可传多路光信号的目的，使 通信容量成倍或数十倍、数百倍地增长，以满足日益增长的信息传输需求。在波 分复用技术研究初期，人们将1 3 u m 和1 5 5 u m 的波长信道复用到一根光纤中传 输，这是最简单的波分复用或称作粗波分复用。此复用方案中一根光纤只能 传输两个波长信道，即通信容量增长一倍。 为了更充分利用光纤低损耗带宽，并利用光纤放大器( e d f a ) 同时放大所有 波长信道，人们又提出了密集波分复用技术( d 1 r 蹦) 。d w d m 技术指在当前1 5 5 u m 波段密集放置更多信道，同时在一根光纤中传输。比如一个波长的传输速率为 2 5 g b s ，若采用8 个波长进行d w d m ，则一根光纤的传输容量就扩大了8 倍，总 的容量就为8 2 5 g b s = 2 0 g b s 。初期的w i ) m 与现在的d w d m 应用的是同一种技术 区别仅在于后者比前者波长间隔更小。w i ) m 波长间隔一般是几十个h i l l 而现在的 波分复用技术可以使波长间隔只有0 8 2 n m 甚至小于0 ，8 r i m 。所以现在通常所 说的波分复用技术一般是指d w d m 技术。在i t u t 建议标准中，规定信道间隔为 i o o g h z 的整数倍( 1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 g h z 等，即波长间隔为0 8 、1 6 、2 4 和3 2 n m ) 。现在人们已不满意这样的密集度，试验采用5 0 和3 3 3 g h z 的信道 间隔，甚至更窄，力求更充分地利用光纤的可用带宽。d w 咖的发展趋势将是波 段的进一步扩展( 现在是c 波段，正在发展l 和s 波段) ，倍道间隔进一步减小， 即传输容量进一步加大。 鉴于近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅速 t 2 ) g 如果认为1 9 9 5 年是起飞年的话其全球销售额仅仅为l 亿美元，而2 0 0 0 年 已超过4 0 亿美元，预计2 0 0 5 年可达1 2 0 亿美元，发展趋势之快令人惊讶。目前 全球实际敷设的w d m 系统已超过3 0 0 0 个。伴随掺饵光纤放大器( e d f a ) 的实用 化，密集w d m 技术在2 0 世纪9 0 年代以后获得了迅速发展，这一方面表现在w d m 技术已经越来越多地在网络中应用，8 2 5 g b i t s 、1 6 ( 4 0 g b i t s ) 的记录：没隔多久美国朗讯公司宣布将推出8 0 个波长的w d m 系统， 其总容量可达2 0 0 g b it s ( 8 0 ) 2 ) 耦合器以及树形( 1 x n ，n 2 ) 耦合器等：从工作带宽的角度划分，它 分为单工作窗口的窄带耦合器( s t a n d a r dc o u p l e r ) 、单工作窗口的宽带耦合器 ( w a v e l e n g t hf l a t t e n e dc o u p l e r ，简称w f c ) 和双工作窗口的宽带耦合器 ( w a v e l e n g t hi n d e p e n d e n tc o u p l e r ，简称w i c ) 。另外，由于传导光模方式的 不同，又有多模耦合器和单模耦合器之分。从器件工艺实现方式上来分，目前主 要有光纤型光耦合器和集成波导型光耦合器。光纤型光耦合器目前主要是基于熔 融拉锥技术，其制作工艺相对于集成波导型光耦合器件的工艺要简单；并且所制 作的器件具有损耗低等优点。但是随着光通信网络对光祸合器需求量的大幅增 加，对光耦合器的集成度提出了新的要求，光耦合器将向集成化的方向发展。 下面从线性和非线性两个方面对耦合器的类型和特点进行介绍。 线性耦合器 a 定向耦合器 定向耦合器是指在光纤之间传输光信号来完成传统的光束分离功能的器件。 双通道定向耦合器是优良平行的，传输常数相同的，相互之间距离很近的条波导 构成。在两波导之间的区域内，由于消逝场的重叠而发生相干耦合，光波可以从 一个波导耦合到另一个波导中去。常用的制作方法是熔融拉锥法，就是将两根( 或 两根以上) 除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉 伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输功率耦合的一种方法。 定向耦合器可用耦合波方程分析。图2 1 1 可用来表示熔融拉锥型光纤耦合器的 工作原理：入射光在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直 1 4 山东大学硕士学位论文 通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。在y 型耦合器中，若 直通臂与耦合臂的功率分别表示为只( l ) 和p 2 ( l ) ，则标准熔融拉锥型单模光纤耦 合器的耦合比为： 足= 鼻f ( 8 + 最) x 1 0 0 = s i n2 ( c z ) l o o 式中c 为耦合系数。 入射臂直通臂 二) 二= 二= 工j 二 反射臀耦台臂 图2 - 卜1熔融拉锥型光纤耦台器示意图 b 保偏光纤耦台器 目前保偏光纤耦合器有熔融拉锥型和研磨抛光型两种。保偏光纤耦合器的最 大特点是能稳定的传输两个正交的线偏振光，并能长距离的保持各自的偏振态不 变。耦合器的参数如耦合比，附加损耗等，主要由双锥体形状决定，而双锥体的 形状主要由火焰形状、温度分布、拉伸速度等来控制。制造保偏光纤耦合器必须 使两根保偏光纤偏振轴平行，这是制造保偏耦合器成败的关键。实验证明，折射 率匹配型保偏光纤便于制造低损耗、小尺寸的保偏耦合器，同时要较好的控制腰 部直径和锥体形状。耦合比可由拉伸长度来控制。消光比是评价保偏耦合器保偏 性能的主要参数。保偏光纤耦合器的结构如图2 1 2 所示。 图2 1 2保偏光纤耦合器结构示意图 山东大学硕士学位论文 c 星形耦合器 星形耦合器是光纤通信网的关键部件，通常可采用2 x 2 熔融拉锥光纾耦合器 组成n n 星形耦合器，但其结构较为复杂。平板介质光波导多端口耦合器结构 简单、祸台效率高，适于成批生产。n x n 星形平板介质耦合裂1 的结构模型如 图2 1 3 所示。发射端口阵列位子以o 为圆心的圆弧o p 处，d = r 。带状波导 宽度分别为a ( 发射端口) 和a ( 接受端口) 。当能量从n 个带状波导端口中任 一段口p 中以主模v 激励空间区域，接着以辐射模的形式向前传播照射接受阵 列。由于传输程中产生衍射，最后只有一部分被接受阵列所截获，i 耐辐射到接收 阵列中每个端口o p 。的能量只有一部分能够激励起这个端口的主模。由于n 1 ， 口、ar a ，0 、目很小，即r 口，因而可用菲涅耳近轴衍射理论来处理耦合 器中光传输问题。 圈2 - 1 3n n 星形平板介质耦合器结构模型 d 波导干涉耦合器旧 多模干涉耦合器制作工艺简单、结构紧凑及容差性好，可以制成i n 和n n 光开关、环形半导体激光器，还可以考虑制成用于无源光网络的光分路器。多模 干涉耦合器的关键结构是能传输多个模式( 一般大于3 个) 的多模波导。为了使 光输入和输出多模波导，还必须由一些波导( 一般为单模波导) 放置在多模波导 的起始端和终止端。分析多模波导场分布的方法很多，有全模式分析法、w k b 法、混合法、光束传输法和导模传输法等。输入( 出) 波导宽度及位置、干涉区 长度等结构参量对多模波导耦合器性能参量存在一定的影响。 山寒大学硕士学位论文 e 含布拉格光橱的光纤耦合器1 1 9 l 含光栅的光纤耦合器是一种可用于密集波分复用的、很有前途的波分复用 器，它能使光纤布拉格光栅和光纤耦合器的优点得到很好的结合，容易做到低成 本、高性能。目前对于布拉格光栅在对称光纤耦合器中作用的理论分析主要有两 种，一种是普通祸合模理论，另一种是耦合超模理论。最近有入提出用统一耦合 理论分析舍布拉格光栅的对称光纤耦合器。由布拉格光栅和对称光纤耦合器组成 的波分复用器如图2 1 4 所示。在耦合区域内两完全相同的合纤芯( a 和b ) 共 事同一包层，组成光纤耦合器的两根光纤为单模光纤。它们的传播常数分别为见 和风( p o = 展) 。区域厶和，代表普通方向耦合器部分，区域：代表含布拉格光 栅的光纤耦合器部分。 图2 - 1 4宙布拉格光栅的光纤耦合器 f 塑料光纤耦合器 塑料光纤耦合器的制造法是将除去包层的塑料光纤在加热过程中直接融合 在一起。通过对制作过程的控制，可获得具有任意预定耦合比的塑料光纤祸合器。 g 宽带耦合器 如果构成耦合器的两光纤在融锥区租细配比适当，则功率随波长最大转换点 可以落在对称臂耦合器功率随波长变化曲线的5 0 处，此时该点随波长变化不 灵敏。图2 1 5 ( a ) 为对称臂耦合器转换功率随波长变化的曲线。在p 点附近，功 率转换随波长变化最灵敏。如果两光纤在拉锥以后各自的本征模传播常数不同， 组合波导内两最低阶对称和反对称模拍耦合的最终结果使光纤功率在两光纤间 不能像对称臂一样实现全转换。如图2 1 5 ( b ) 所示。在p 点附近功率转换随波长 变化最不灵敏。因此，只要两光纤的芯径尺寸搭配恰当，可以得到波长响应平坦 的3 d b 单模光纤耦合器【2 0 1 。 山末大学琢士学位论文 图2 1 5 ( a ) 对称臂耦合器转换功率随波长变化关系 ( b ) 非对称臂耦合器转换功率随波长变化关系 由变分法可以得到在任意z 处副光纤可耦合到的功率p 2 为： b 2 b n 2 ( 罢) 其中，b 。为耦合到副光纤中的最大光功率，o = 百二了是耦合器的耦合拍长， r+p- 只，尻是传播常数。 非线性耦合器 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 关到另一个信道中，产生双芯之间的脉冲开关。当入射信号是孤子时，开关速度 可以达到f s 量级，脉冲截断可以避免。双芯光纤里光孤子开关的研究表现出很 好的开关特性，效率达到入射能量的9 6 左右1 2 i 】。现在有不少人正在研究三芯 非线性光纤耦合器的短脉冲开关特性田】，三芯非线性光纤耦合器有三角对称排 列结构和线排列结构。非线性耦合器是以光孤子为传输载体的全光通信系统的关 键器件，研究的重点在于光孤子在其中的传输特性及动态能量交换特性。在理论 分析中要用到非线性薛定谔方程组： k v + i “1 2 “= o h + 阡v = o 通过求解非线性光纤方向耦合器的光孤子动力学方程，可以分析非线性光纤 + 如一酽咖一扩 一2一2 塑西业鸳 山东大学硕士学位论文 耦合器中不同芯层内孤子脉冲的相位对能量交换特性的影响。当初始注入孤子信 号的相位差选择恰当，可以通过一个芯层的弱孤子脉冲来控制另一个芯层内强孤 子脉冲的传输行为，得到不同的开关特性。 2 1 3 描述光耦合器特性的一般技术参数 光耦合器是一种光无源器件，该领域内的一般技术术语对它也使用，同时， 它还另有一些体现自身特点的参数。 ( 1 ) 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 就光耦合器而言，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。该值通常以分贝( d b ) 表示，数学表达式为： n ，l = 一1 0 1 9 - 警( d b ) ( 2 1 1 ) l l n 其中i l 。是第i 个输出端口的插入损耗；p 。是第i 个输出端口测到的光功 率值；p 。、是输入端的光功率值。 ( 2 ) 附加损耗( e x c e s sl o s s ) 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减少 值。该值以分贝( d b ) 表示的数学表达式为： vp e ，= 一l o l g 咚里) ( 2 - 1 - 2 ) j l h 值得指出的是，对于光耦合器，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。因此不同种类 的光耦合器之间插入损耗的差异，并不能反映器件制作质量的优劣，这是与其他 无源器件不同的。 ( 3 ) 分光比( c o u p l i n gr a t i o ) 分光比是光耦合器特有的技术术语，它定义为耦合器个输出端口的输出功率 的比值，在具体应用中常常用相对输出总功率的百分比来表示： e 肚彘圳似 ( 2 - i - 3 ) 例如，对于标准x 型耦合器，l ：i 或5 0 ：5 0 代表了同样的分光比。实际工 程应用中，往往需要各种不同分光比的器件，这可以通过控制制作过程的停机点 9 坐查查兰堡主堂竺堡塞 来得到。 ( 4 ) 方向性( d i r e c t i v i t y ) 方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语，它是衡量器件定向传输特性的 参数。以标准x 型耦合器为例，方向性定义为在耦合器正常工作时，输入一侧非 注入光的一端的输出光功率与全部注入光功率的比较值，以分贝( d b ) 为单位的 数学表达式为： d = 一1 0 1 9 - 等( d b ) 。 ( 2 - 1 4 ) 其中，p 。代表注入光功率，p l 。代表输入一侧非注入光的一端的输出光功率。 ( 5 ) 均匀性( u n i f o r m i t y ) 对于要求均匀分光的光耦合器( 主要是树形和星形器件) ，实际制作时，因 为工艺的局限，往往不可能做到绝对的均分。均匀性就是用来衡量均分器件的“不 均匀程度”的参数。它定义为在器件的工作范围内，各输出端口输出光功率的最 大变化量。其数学表达式为： ，工：一l o l g 生型! 堡塑! ( 嬲) ( 2 十5 ) m a x ( p o u r j ) 、7 ( 6 ) 偏振相关损耗( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ) 偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感度的参量，俗 称偏振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生3 6 0 0 变化时，器件各输出端 口输出光功率的最大变化量： 尸。工= 一l 。喵面m i n ( p o o n ) ( 厕( 2 - i - 6 ) 在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，往往要求器件有 足够小的偏振相关损耗。否则将直接影响器件的使用效果。 ( 7 ) 隔离度( i s o l a t i o n ) 隔离度是指光纤耦合器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。隔离 度高，也就意味着线路之问的“串话”( c r o s s t a l k ) 小。对于光纤耦合器来说， 隔离度更有意义的适用于反映w d m 器件对不同波长信号的分离能力。其数学表达 式为： 卜川s 每c 船， ( 2 - i - 7 ) 山东大学硕士学位论文 式中，p 是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；p 。是被监测光信 号的输入功率值。 从上述定义可知，隔离度对于分波耦合器的意义更为重大，要求也就相应的 要高些，实际工程中往往需要隔离度达到4 0 d b 以上的器件；而一般来说，合波 耦合器对隔离度的要求并不苛刻，2 0 d b 左右将不会给实际应用带来明显不利的 影响。 2 1 4 光耦合器的应用 耦合器种类繁多，随着社会对信息需求量的增大，人们对网络性能也提出越 来越高的要求。为适应这种日益增长的需求，各种新型光器件包括耦合器件不断 涌现，更新换代。耦合器应用范围很广，耦合器不仅可以独立应用于w d m 系统中 实现相应的功能，还可以组成具有独特功能的新型光器件。事实上目前很多w d m 系统中的器件包含了一个或多个耦合器。如： 1 马赫一泽德干涉仪组成的复合器中包含多个t 型耦合器 2 平板阵列波导光栅中包含了星形耦合器 3 e d f a 中通过耦合器将泵浦光耦合到光纤 此外，耦合器在光网络系统中还有以下诸多方面的应用： 1 通过耦合器将光线中的信号取出来以监铡信号 2 它在网络中广泛应用： 耦合器在各种网络拓扑结构中都是必不可少的部分。 ( 1 ) 实现光纤线性总线如：u 形总线、s 形总线、线性双总线、双向单总线、 环状双向单总线等时需要用光纤t 形耦合器将各个节点的光收、发信机和一个光 纤连接起来，t 形耦合器起着总线抽头的作用。 ( 2 ) 星形拓扑结构如：传输型星形耦合器网络、反射型星形耦合器网络、分 布星形网络、有源星形网络等中，星形耦合器是最主要的器件。当前应用最广泛 的是用传输型星形耦合器构成的星形网。 在复合网络中如：星形总形拓扑结构、星形树形拓扑结构、环形星形总 线拓扑结构等中各种耦合器的综合应用使得网络更有效、成本更低廉。 光耦合器最主要的应用体现于它在网络中广泛使用。在光纤通信网络的基本 拓扑结构以及它们之间的不同组合中，耦合器都是必不可少的。 山东大学硕士学位论文 2 1 5 光耦合器的制作方法 制作光耦合器可以有多种方法，大致可分为分立光学元件组合型、全光纤型、 平面波导型等类。 早期采用的是分立光学元件( 例如棒透镜、反射镜、棱镜等) 的组合、拼按 等其耦合机理简单、直观，可由一般的几何光学方法进行描述。但这类方法存 在损耗大、与光纤传输线路耦合困难、环境稳定性较差等不足。后来，逐渐发展 到全光纤器件，即直接在两根( 或以上) 光纤之间形成某种形式的耦合。全光纤 定向耦合器的制造工艺有三类：磨抛法、腐蚀法、和熔锥法。磨抛法是把裸光纤 按一定曲率固定在开槽的石英基片上，再进行光学研磨、抛光，以除去一部分包 层，然后把两块这种磨抛好的裸光纤拼接在一起，利用两光纤之间的模场耦合以 构成定向耦合器。这种方法的缺点是器件的热稳定性和机械稳定性差。腐蚀法是 用化学方法把一段裸光纤包层腐蚀掉，再把两根己腐蚀后的光纤扭绞在一起，构 成光纤耦合器。其缺点是工艺的一致性较差，且损耗大，热稳定性差。熔锥法是 把两根裸光纤靠在一起，在高温火焰中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤， 使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器。用此方法所得光纤耦合器的实 用性能优于其他方法，是当前制作光耦合器的主要方法。集成化是未来光纤通信 发展的必然趋势，集成光学在通信器件方面的应用会越来越广泛。利用平面光波 导原理制作的光耦合器其具有体积小、分光比控制精确、易于大批量生产等特点， 尤其适于制作多路均分的树形和星形耦合器。目前其技术尚在发展、完善之中。 2 2 熔锥型光纤耦合器理论分析 熔融拉锥法是将两根( 或两根以上) 需要拉锥的光纤除去一段大约2 0 3 0 m m 的涂覆层，使之靠拢并在火焰下加热熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热 区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种办法。熔融区长度 和逐渐变细的双锥结构由要求的耦合特性决定。图2 - 2 1 定性的表示了熔融拉锥 型光纤耦合器的工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配， 一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。 山末大学硕士学位论文 backsclantptue：8arrmmiiiii；j；!：r 二二 图2 2 1熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理 t h o u g h o u ta m c o u p l i n ga r m i 皇生至生：f ( ，+ c 。) 爿+ i c 。： l 出 障：j ( 圳：+ f c 一。 q 。2 1 j 只c = ，= 一f 2s 1 72 晦。) 。一：一：， b n 恪) “ f ：【l + ( 属一压) 2 4 c2 p ( 2 ) 啦u2 k 。( f 吲r ) 。尹i 丽 式中，c 为耦合系数，r 是光纤半径，d 是两光纤中心的间距，u = r ( 七2 砣一y 1 和 一些壅查兰堡主兰垒丝苎 w = r 扣2 一一y 1 是光纤的纤芯和包层参量，r ：b ( 2 r 是光纤的归一化频率， = 幢一吧) 2 畦是相对折射率，和分别是纤芯和包层的折射率，k 和墨是零 阶和一阶修正的第二类贝赛尔函数。当初始条件为c ( 0 ) = l ，只( o ) ：0 ：且矗：层时， 有f = i ，则( 2 2 2 ) 式蜕为标准熔融拉锥型光纤耦合器的功率的功率变换关系 式： f 只o ) = c o s3 她) 1 只g ) ：s i n = 慨) ( 2 - 2 - 3 ) 由上式得到耦合器的耦合比为： d r ，= 音量。1 0 0 = s i n 2 ( q ) 1 0 0 ( 2 2 4 ) 尸+ 只 、 7 ” 2 3 熔锥型光纤宽带耦合器 2 3 1 引言 单模光纤耦合器是光纤通信系统、光纤传感系统、光纤测量技术和信号处理 系统中一种应用十分广泛的无源器件，随着光纤通信系统的发展和信息化时代的 到来，光纤星型耦合器及树型耦合器又是构成局域网重要的光无源器件，这些器 件在光纤用户网和光纤c a t v 中作为分支元件得到了普遍应用。然而，常规的 熔锥型光纤耦合器其耦合比对工作波长的依赖性很强，而工程上使用的半导体光 源产品，其中心波长不一致，且发射波长还随结温而变，使这种频带十分狭窄的 常规耦合器在波分复用光纤网等的应用中受到了限制。因此，人们将目光转向具 有波长响应平坦特性的宽带光纤耦合器的研制上【2 4 】。 1 9 8 5 年，m o r t i m o r e 提出了利用两根具有细微差别的单模光纤制作2 x 2 宽带 谱响应耦合器的方案【2 5 l 。以往的文献在研究光纤宽带耦合器时，对两臂具有固 定的光纤包层半径c 、岛的耦合器进行分析研究，并且c i 、包的取值对应于5 0 的功率分束比【2 6 l 。最近，w s h i n 和k o h 提出了一种新型的2 2 光开关，通过 对1 3 1 0 1 5 5 0 u r nw d m 耦合器腰部区域施加角度不同的扭转可以得到0 - 1 0 0 的 功率分束比【2 7 】。这里，对熔锥型非对称耦合器进行了理论计算与分析，通过在 制作过程中控制组合波导的不同直径比，可以得到不同分柬比波长响应平坦的宽 带耦合器，并通过实验对分柬比为5 0 的耦合器进行了验证。 山东丈学硕士学位论文 2 3 2 熔锥型光纤宽带耦合器原理 在用熔融拉锥法制作耦合器的过程中，由于两光纤的耦合段扭绞后熔融拉 伸，纤芯变得很细，可以认为由包层同周围介质构成波导，对组合波导的腰部作 弱导和弱耦合近似【28 1 ，在该段区域内组合波导的横截面近似不变，耦合区两臂 间的功率交换主要发生在等效圆锥型平行波导内。图2 3 1 就是非对称宽带光 纤耦合器区的横截面示意图。 龠霖八 j 拶 图2 - 3 1 耦合区横截面示意图 两光纤在拉锥以后，各自的本征模传播常数不同，导致组合波导内两最低阶 对称和反对称模拍耦合的最终结果使光功率在两光纤间不能象对称臂一样实现 全转换。原来在独立光纤纤芯中传输的模场变为在组合波导中传输，并由于细芯 几的影响，两光纤中的模场分布近似为三角形分布。这两个三角形近似场有相当 部分叠加。其最低次模取为叠加的同相模，第二个最低次模应取为叠加的反相模， 因此，模场可表示为： e 、g ，y ) = a t i 【- 一詈j a t 【一三j j c 2 - 3 - l ， 其中，：k + d ) 2 + yz ，= k d ：) 2 + ) ，2 扣( n c ：2 + c l 弦“：( + c ，2 q ， d 是两光纤中心间的距离，d 和d ：是两光纤中心到坐标原点的距离，1 、r 2 为考察点到两光纤中心的距离，口。，6 。为耦合系数，式中“+ ”、“”分别对应同 山东大学硕士学位论文 相模和反相模。 组合波导中妒埘为独立波导中基模的叠加，它们应满足h e t m h o l t z 方程： v 2 妒+ 押2 0 妊2 妒= 0 ( 2 3 2 ) 解方程( 2 3 2 ) 就可得到模式传输常数的表达式为： 展2 = 伽。2 螂 ( 2 3 3 ) 其中：三；是自由空间中的波数， 将( 2 3 1 ) 式中的攸，让代入( 2 3 3 ) 式可得到耦合器组合波导内两最低阶模的 传播常数为： 肛幽：+ 等 坐挚型 q ! ! l + 墼! l 2 口， 、 。 舯，= 去唑掣+ 磬咖 扣叫q 2 【- 一等+ 割小啦 ，= 甄一双- 一号卜 州， f 2 3 扪式是由两模式正交条件，即f k 贮威咖= o 得到的下面( 2 3 6 ) 式定义 盟+ 口， a 一= 坠+ ， 同时口一还应满足鼍- o 即 ( 2 - 3 - 6 ) 山东大学硕士学位论文 【口卜，她“华辱卜一+ _ 一晰川也，悴+ ，) _ 。 ( 2 3 - 7 ) a _ 1 2 - k ，_ 2 a + z r a - i c 2 2 + 斟h i 一一她一l ( 华一，) = 。 ( 2 - 3 8 ) 由( 2 3 6 ) 、( 2 3 7 ) 式或( 2 3 - 6 ) 、( 2 - 3 8 ) 式，并加上限制条件a