（物理电子学专业论文）基于主动监控的光耦合器件的研究.pdf

i 摘 要 近几十年来，随着社会的发展，光纤通信一直在高速发展。光纤通信已经从电光 网络向全光网络在过渡，光纤通信的发展离不开光器件的发展。22 单模耦合器是一 种重要的光无源耦合器件。 本论文分析了光纤弱耦合理论，并针对传统的熔融拉锥法（fbt）制备 22 单模 耦合器方法的不足，提出了一种改进的熔融拉锥法，称为 tec 即模场扩散法。这种方 法大大改善了耦合区的应力状态，不易产生耦合区的断裂，从而提高了耦合器的可靠 性。并且对耦合器的性能指标以及测试方法进行了详细的论述。 光纤耦合器是目前光通信中必不可少的器件。目前人们常用的耦合器都是同种光 纤制备的。但是在一些特殊的场合下，例如现场维修，信号探测等，需要不同种光纤 制备的耦合器。不同种光纤的结构参数不同，其耦合效果如何一直是人们关注的问题。 本论文选用了三种常用的单模光纤作为耦合对象，从理论和实验上研究了光纤种类对 耦合性能的影响。 由于光纤通信以及某些实际工程需要，已有的基于直接监控的熔融拉锥法不再适 用。针对此问题，本论文提出了一种基于主动监控的熔融拉锥法制备 22 单模耦合器， 并设计了软件程序，通过实验分析该方法制备的耦合器性能。在特定参数设置的条件 下，采用主动监控法制备的单模耦合器插入损耗能控制在 0.2db 以内，但实际分光比 偏差比较大，导致器件一致性不好，这是下一步需要研究的工作方向。 关键词：光纤耦合器 熔融拉锥 不同种光纤 主动监控 ii abstract in recent decades, with social development, optical fiber communication successfully makes the transition from electro- optical network to all- optical network, the development of optical fiber communication requires that of optical devices. 22 single- mode coupler is an important passive optical coupling device. this thesis analyses the weak- coupling theory of optical fiber , and puts forword a improved method to make up the insufficiency of traditional fused biconical taper (fbt) used to preparation of 22 single- mode coupler. this method is called tec, a method of mode field diffusion. it greatly improves the stress state in coupling section, makes sure it not easy to fracture , and enhances the reliability of coupler. finally performance index and testing methods are discussed in detail. optical fiber coupler is an indispensable passive device in optical fiber communication. at present most fiber couplers are fabricated by the same type of optic- fiber. however, in some special occasions, such as field maintenance, signal detection and so on, optical fiber coupler fabricated by one type of fiber to another is required. coupling characteristic of one type of optic- fiber coupled with another has attracts most peoples attention. in this paper, three types offiber are chosen as experimental coupling objects. the method of fused biconical taper based on direct monitoring system couldnt meet the needs of fiber- optic communication. for that this paper provides a method of fused biconical taper based on active monitoring, designs a software program, and performs the experiment. key words：optical fiber coupler fused biconical taper active monitoring different types of optic- fiber 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并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 人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 光器件在光通信中的发展及其应用 自 1966 年英籍华人 c.k.kao1提出光纤通信的设想，这短短四十多年间光纤通信 一直经历着飞速的发展。目前光纤通信正经历着由光电混合网络向全光网络的过渡， 而光纤通信的发展离不开光器件的发展，两者相辅相成。光通信系统的发展既受限于 光器件的发展，同时又对光器件的发展提出更新更高的要求；而光器件的发展又必将 推动光通信网络快速发展2- 4。 光器件一般可以分为光无源器件和光有源器件两种。光无源器件指的是光通信系 统中需要消耗一定的能量、具有一定功能而没有光 电或电 光转换的器件。光无源 器件按器件的功能可以分为光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光开关、光隔离 器以、光环形器以及光衰减器等器件。光有源器件指的是光通信系统中将电信号转换 成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，有源器件按器件的功能可以分为括光 源、光检检测器和光放大器3- 6。常用光器件如表 1- 1 所示。 表 1- 1 常用光器件 光器件 常用器件 光源 led、ld 光检测器 apd 和 pin 光有源器件 光放大器 edfa、拉曼光放大器 光纤连接器 拆卸活动连接和永久固定连接 光纤耦合器 树形、星形耦合器 波分复用器 cwdm、dwdm 光开关 多路光开关、矩阵光开关 光隔离器 光隔离器 光无源器件 光衰减器 固定衰减器和可调衰减器 我国对光通信器件的研究工作普遍开始比较晚。首先对于光无源器件来说，研究 工作从 20 世纪 70 年代随着光纤技术的开始而起步的。在连接器方面，引进了光学定 2 中切削加工的 apt（插针直径为 1.78mm）连接器生产线，随后陶瓷套管大批量生产技 术的成功，光连接器的质量有了进一步的提高，最终国内拥有了许多组装散件生产连 接器的公司7- 9。而在光无源器件方面，已形成了一定规模的光耦合器产业。目前我国 所用的光耦合器和光连接器绝大部分都是由国内公司生产的。而近年来光无源器件产 业正向着光纤连接器的小型化、光纤耦合器的宽带化、波分复用器的密集化发展、光 开关的矩阵化以及光纤无限器件的集成化发展。对于光有源器件来说，我国有源市场 主要是生产一些低端的光有源产品，而这些高端的光有源产品以及测试仪器主要从国 外进口，其主要原因是这类高端产品需要大量资产的投入，以及大量的研究工作攻克 这些比较高的技术难点。由于之前的投入以及关注度较少，导致了现在我国光有源器 件没能形成真正的产业化市场10。 1.2 光耦合器件及其制作工艺 光耦合器又称分歧器，属于光无源器件，是实现对光信号光信号进行分路或合路 的功能器件，广泛应用于光纤通信，如电信网络，局域网，光纤有线电视网中11。 光耦合器从功能上可分为光功率分配器和光波长分配耦合器；从传导模式上，它 可分为：单模耦合器和多模耦合器；从端口形式上，它可分为：x 形耦合器、y 形耦 合器、星形耦合器以及树形耦合器等；从工作带宽上，它可分为：单工作窗口的窄带 耦合器、单工作窗口的宽带耦合器（wfc）和双工作窗口的宽带耦合器（wfc） 。几 种端口的形式如下图 1- 1 所示5： （a）22 定向耦合器 (b) y 形分支耦合器 图 1- 1 耦合器端口形式 直通臂 耦合臂 3 4 2 1 3 按其实现耦合的原理不同，光耦合器的结构又有许多种类，目前实用的有光纤型、 波导型和微器件型三种。光纤型耦合器的耦合是靠消逝场的作用，这就需要使光纤的 纤芯相互靠近。因此制作光耦合器的方法主要有：氢氟酸腐蚀法、侧面研磨法以及熔 融拉锥法10。 (1) 氢氟酸腐蚀法 氢氟酸腐蚀法12属于化学腐蚀法，又称蚀刻法。该工艺制作存在以下缺陷：制作 出的耦合器不耐用，对环境温度变化敏感，导致实用价值不高并且工艺一致性差。 该工艺最早由 sheem 和 giallorenzi 发明，其制作方法是将两根裸光纤互相扭绞在 一起，放入浸满氢氟酸的容器中进行化学腐蚀，从而除去一定长度的涂覆层和包层， 再通过扭力或张力使光纤纤芯接近，实现两光纤间的耦合13。由于其使用价值不高导 致目前采用该工艺制作的耦合器较少。 (2) 侧面研磨法 侧面研磨法该方法实用性虽然较化学腐蚀法有所提高，并且能利用不同折射率分 布的不同种类的单模光纤制备附加损耗低的耦合器，但是该工艺具有不可避免的缺点： 制作困难，需要大量的劳动量，并且成品率低，环境特性也不甚理想。 该工艺是由 r.a.bergh14首先提出的制作耦合器的方法。 其制作方法是将光纤预先 埋人玻璃块的弧形槽中，然后对光纤侧面进行研磨抛光，同时监测光通量。研磨结束 后在磨面上加入一小滴匹配液，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15。 (3) 熔融拉锥法 熔融拉锥法是将两根(或两根以上)除去徐覆层的光纤以一定方式靠拢， 在高温下加 热焰融，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16- 23。熔融拉锥法的工艺相当成熟，这种方法己成为当前制作光耦合器的 主要方法。熔融拉锥机是生产光纤耦合器的重要的设备，熔融拉锥过程都是由该机器 自动完成，精确性高，但封装和检测过程仍需人工完成。该方法具有附加损耗低，能 实现自动操作保证了器件良好的一致性，适合大批量生产，结构简单紧凑，环境稳定 性好，实现方法简单灵活24。 4 1.3 研究的目的和意义 本论文利用上海嘉慧公司生产的 jw2102 熔融拉锥系统制备耦合器，主要研究了 采用不同种光纤制备 22 单模耦合器以及基于主动监控的 22 单模耦合器制备。本论 文的主要研究内容为： (1) 本论文分析了光纤弱耦合理论，针对传统的熔融拉锥制备耦合器方法的不足， 本论文提出了一种改进的熔融拉锥法，称为 tec 即模场扩散法。这种方法大大改善了 耦合区的应力状态，不易产生耦合区的断裂，从而提高了耦合器的可靠性。并且详细 论述了耦合器的性能指标以及测试方法。本论文采用 tec 法制备 22 单模耦合器。 (2) 目前大多数学术文献只是针对同种光纤的研究进行探讨，针对此种情况，本论 文选用三种常用单模光纤进行了不同种光纤制备 22 单模耦合器的研究，从理论和实 验上研究了光纤种类对耦合器性能的影响。 (3) 基于工程需要，比如当通信光纤不能被直接监控来制备耦合器时，已有的基于 直接监控的熔融拉锥法不再适用。针对此问题，本论文提出了一种基于主动监控的熔 融拉锥法制备 22 单模耦合器，该方法制备的耦合器插入损耗能控制在 0.2db以内。 5 2 光纤耦合器及其原理分析 2.1 耦合原理 目前，国内外制备 22 单模耦合器普通采用熔融拉锥法来制备，该方法具有其他 方法无可比拟的优势。本论文采取弱耦合理论来详细分析两单模光纤耦合原理。 熔融拉锥型光纤耦合原理图如图 2- 125- 28所示。光功率从输入端输入，经过耦合器 熔锥区时分光，一部分光继续向前传输从直通臂输出，另一部分分光进入另一光纤从 耦合臂输出。本节主要探讨光功率在耦合区传输情况。 图 2- 1 熔融光纤耦合器制备示意图 一般采取基于瞬逝场理论的弱耦合模理论对光纤耦合进行分析。严格说来，采用 该耦合模理论进行分析时，需考虑纤芯等各种因素对矢量波动方程的影响。但这样分 析太过于复杂，因此忽略纤芯这个因素，只考虑包层和外部介质。两单模光纤内传输 模为两相互正交的基模 he11，两根光纤平行放置相互靠近。我们可以认为两光纤相距 足够远时，两光纤中传输的光波模场互不干扰独立传输。而当两根光纤纤芯足够逼近 时，一光纤中的光波在另一光纤中产生强化扰动，形成耦合。则如图 2- 1 所示，当光 波进入熔锥区时，纤芯逐渐变细，越来越多的光功率渗透入包层中，而当光波进入输 出端时，纤芯逐渐变粗，两光纤重新以一定的比例捕获光功率30- 33。两单模光纤的耦 合模波动方程如公式（2- 1）所示。 1 1111122 2 2222211 da (z) i(c )aic a dz da (z) i(c )aic a dz =+ =+ (2- 1) 1 耦合区 熔区 锥区 锥区 非输入端 输入端 耦合臂 直通臂 6 其中a (z) i （i=1，2）为两根光纤中的模场振幅， 1 、 2 为两根光纤在孤立状态 下的纵向传播常数； 11 c 、 22 c 为自耦合系数， 12 c 、 21 c 是互耦合系数，它们都是传播 方向 z的函数。自耦合系数 11 c 、 22 c 相对于 12 c 、 21 c 来说太小，可以取值为零。 则上式可以简化为： 1 11122 2 22211 da (z) i aic a dz da (z) iaic a dz =+ =+ (2- 2) 式（2- 2）为一微分方程组，消去参数 2 a (z)可得， 22 1 1 2 da ()a0 dz c+= (2- 3) 2 a (z)可用相同方式求解，其中为 1 、 2 两纵向传播常数的平均值，c 为互耦 合系数 12 c 、 21 c 的均方值，有， 12 2 + = (2- 4) 1221 cc c= (2- 5) 当 z=0 时，有 11 a (z)a (0)=， 22 a (z)a (0)=。代入式（2- 3） ，可求解为： 12 1121 12 2211 ( )(0)cos()(0)(0) sin() exp() 2 ( )(0)cos()(0)(0) sin() exp() 2 cc a zazif aazi z fcf cc a zazif aazi z fcf =+ =+ (2- 6) 其中有， 1 2 2 12 2 () 1 4 f c =+ (2- 7) )( )/()2( 2 1 3 0 22/1 wkrv rwdku c = (2- 8) 式中，f 为两光纤耦合的最大功率，c 为两光纤的耦合系数。u和w是光纤的归 一化横向传播常数， 0 k 和 1 k是零阶和一阶第二类变态汉克尔函数，d是两光纤中心的 距离，r是光纤半径34- 35。 7 将输入端注入光功率归一化处理为 1，则根据上式（2- 6）可求得两光纤中传输光 功率分别为： = = )(sin)()( )(sin1)()( 22 2 22 22 2 11 z f c fzazp z f c fzazp (2- 9) 其中， 1 p 为直通臂的光功率， 2 p 为耦合臂的光功率。为当两光纤为相同种类光纤 时， 两光纤纵向传播常数相同即 12 =， 则有两光纤耦合的最大功率 f 为 1， 上式 （2- 9） 可以简化为， 2 1 2 2 ( )cos () ( )sin () p zcz p zcz = = (2- 10) 可以看出，两输出光功率与参数 c，z 相关，z 近似为两光纤的拉锥长度，c 为耦 合系数。当光纤种类确定时，c 为定值，则可以通过调节两光纤的拉锥长度来制备不 同分光比的耦合器。 实际中常用下面的简化了的经验公式来计算: += += ) r /d(cr/dccexp r4n lv sinp ) r /d(cr /dccexp r4n lv cosp 2 210 2 0 2 2 2 210 2 0 2 1 (2- 11) 式（2- 11）中，为入射光波长，v为两光纤的归一化频率，l为耦合区的有效相 互作用长度， 0 n 为纤芯折射率，r为纤芯半径，d为两光纤间的中心距离，常数常数 0 c ， 1 c ， 2 c 依赖于 v，有 2 0 2 1 2 2 c5.27893.6630.384 c0.77691.22520.0152 c0.0750.00640.0009 vv vv vv =+ = + = (2- 12) 2.2 改进的熔融拉锥制备方法 目前国内外普遍采用熔融拉锥法（fbt）来制备 22 单模耦合器，但目前国内外 8 利用 fbt 法制备的 22 单模耦合器的失效率一般在千分之一以上，这远远高出实际工 程要求的控制在万分之一以内。研究光纤耦合器的失效率已经迫在眉睫。因此我们对 制备 22 单模耦合器的失效性进行了分析，主要原因如下： (1) 采用传统的熔融拉锥方法制作的 22 单模耦合器，其锥区相比拉锥前明显变 细， 这样会导致应力比较集中， 耦合器容易发生断裂， 从而降低了耦合器件的可靠性36。 从而造成耦合器的失效。 (2) 耦合器在由于使用的耦合胶问题使石英管发生破裂，造成耦合器失效。 (3) 耦合器在封装过程中出现问题从而使耦合器失效。 (4) 光纤耦合器的使用环境温湿度变化而造成光纤热胀冷缩， 进而对光学特性尤其 是插入损耗及偏振相关损耗产生影响37。 本论文主要针对原因（1）提出了一种模场扩散耦合方法，此方法是在对两根光纤 进行加热的同时，对光纤实行向两边匀速拉伸，当耦合器的耦合端有功率输出时停止 拉伸，然后只加热，不拉锥的过程。该方法利用在熔融区域内，光纤纤芯里固有的 ge2+ 的热扩散现象，导致模场直径增大，实现光纤间的光耦合38。通过控制扩散时间和温 度， 可以制造预定耦合比的不同产品。这种方法的优点是器件制作过程中可有效减小 对耦合区产生的应力，对光纤的损耗、偏振态等工作特性影响很小。而且没有变细的 拉锥区，两根光纤融合后的耦合区直径明显粗于熔融拉锥型光纤耦合器，因而大大改 善了耦合区的应力状态，不易产生耦合区的断裂，从而提高了耦合器的可靠性39。 该模场扩散耦合方法流程图如图 2- 3 所示。 图 2- 3 模场扩散耦合流程图 设置参数 启动 进火/加热 x 向拉伸 停止分光比 停止拉伸 停火 分光比 停止加热 实际分光比 退火/冷却 拉锥结束 9 由于在实验中采用拉锥到两光纤耦合臂有光输入时即停止拉锥，则耦合器的拉锥 长度 l 为一定值，根据公式（2- 10）可得出：采用该方法制备的耦合器件分光比只与 两纤芯间距离 d 相关。而两纤芯间距离 d 随着持续加热将越来越小，则可通过调节熔 融加热时间来实现制备不同分光比的耦合器件。实验中通过预设停火分光比来控制加 热时间，一般来说，最后的实际分光比略大于停火分光比。 2.3 光纤耦合器的性能指标及测试 光纤耦合器测试是用实验方法对耦合器的特征参数进行检验和评价，它除了有助 于改进耦合器的生产工艺外，对光纤传输理论的研究、耦合器的设计和使用，也是很 重要的。光纤测量是一门新技术，其测量原理、测量方法，甚至参数的定义和测试的 内容仍在不断完善之中。另外，由于光纤器件特性对外界因素的敏感性，测试结果除 与器件本身的特性有关外，还与测试时的外界条件密切相关。测试中，光源的种类及 其稳定性、光源- 光纤的耦合方式、光纤端面的处理及放置状态、测试条件极其检测信 号的处理等，都与光纤耦合器的测试结果密切相关，如何精确而可重复的测量耦合器 的参数是选择测量方法时要考虑的一个重要问题40- 41。 基于本论文采用新型拉锥工艺制作的 22 单模光纤耦合器的使用范围和实验室的 现有条件， 我们利用安捷伦公司的 agilent86142b型光谱仪及与之配套的可调谐光源组 成测试系统（如图 2- 4 所示） 。下面对其附加损耗、插入损耗、均匀性等主要性能参数 进行了测试。 图 2- 4 耦合器性能测试装置示意图 (1) 插入损耗（insertion loss） 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(db)表示，数学表达式为41 ： 光源 输入端 非输入端 耦合器 光谱仪 输出端 p1 输出端 p2 10 10lg() i out i in p ildb p = (2- 13) 其中， i il 是第 i个输出端口的插入损耗， i out p是第 i个输出端口输出的光功率值， in p 是输入端的光功率值42。在 22 单模耦合器中，输出端只有两个即耦合臂和直通 臂，本论文中我们主要测试直通臂的插入损耗 il1。 首先开启光源，选择光波长为 1550nm。将光源直接接入光谱仪，调试出合适的光 谱图，并保存为光功率值 in p 。将输入端光纤末端剥去一定长度的涂覆层后，用蘸酒精 的无纺布擦拭干净，用适配器连接到光源。采用同样的方法将输出端 p1 连接光谱仪， 调试出合适的光谱图，并保存为光功率 p1。最后在调出已保存的光功率 in p ，利用光谱 仪内置的运算功能即可计算出插入损耗 il1。 (2) 附加损耗（excess loss） 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小值。该 值以分贝(db)表示的数学表达式为43 10lg() out in p eldb p = (2- 14) 附加损耗是光纤耦合器重要的性能指标，反映耦合器件制作工艺水平与质量优劣。 目前采用熔融拉锥法制备耦合器，附加损耗最低能控制在 0.05db以内。 测试 22 单模耦合器时，首先开启光源，选择光波长为 1550nm。将光源直接接入 光谱仪，调试出合适的光谱图，并保存为光功率值 in p 。将输入端用适配器连接到光源， 将输出端 p1 连接光谱仪，调试出合适的光谱图，并保存为光功率 p1。采用同样的方 法调试出 p2 的光谱图并保存为 p2，则可计算出两输出端口总输出光功率为 12out ppp=+ ，最后再调出已保存的光功率 in p ，利用光谱仪内置的运算功能即可计 算出耦合器的附加损耗。 (3) 分光比 分光比是光耦合器所持有的技术术语，它定义为耦合器各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44， 11 100% i out out p cr p = (2- 15) 在实验中，停火分光比这个参数主要决定耦合器的实际分光比，我们可以通过调 节停火分光比的大小来制备不同分光比的耦合器。比如制备 1%的 22 单模耦合器时， 需调节停火分光比约为 0.53%。 测试 22 单模耦合器时，首先首先开启光源，选择光波长为 1550nm。将耦合器的 输入端接入光源，将耦合器的耦合臂接入光谱仪，即可得到输出端 p2 的光谱曲线，保 存为 p2，接着采用相同的方法将耦合器的输出端 p1 接入光谱仪，即可得到输出端 p1 的光谱曲线，并保存为 p1，则可计算出总的输出光功率曲线 12out ppp=+ ，最后， 利用光谱仪的计算功能得到耦合器的分光比曲线。 (4) 方向性 方向性也是光精耦合器所持有的 个技术术语，它是衡量器件定向传输特性的参数。 以标准 x 形耦合器为例，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(db)为单位的数学表达式为45： 2 1 10lg() in in p dldb p = (2- 16) 其中， 1 in p代表注入光功率， 2 in p代表输入一侧非注入光的输出光功率。 用同样的方法获得耦合器的输入光功率 1in p后； 将耦合器输入一侧注入光一端接入 可调谐光源，非注入光一端接入光谱仪，得到输入侧非注入光一端的输出光功率 2in p； 利用光谱仪的计算功能运算得到方向性曲线。 (5) 均匀性 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带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化量。其 数学表达式为46： () 10lg() () out out min p fldb max p = (2- 17) 12 将耦合器输入端接入可调谐光源，输出端接光谱仪之后即可得到耦合器的输出光 out p； 利用光谱仪的运算功能获得最大输出光功率曲线 maxout p . 和最小输出光功率曲线 minout p . ；运算即可得到耦合器均匀性曲线。 耦合器的性能指标有很多，如插入损耗、附加损耗、分光比、均匀性等。这些可 对光纤耦合器输入与输出的光功率作数学运算获得。这里利用可调谐光源和光谱分析 仪等所搭建的光无源器件测试系统，测试了熔锥型光纤耦合器的各项光学性能。所用 仪器为安捷伦科技公司生产的 agilent86142b型光谱分析仪、86142b 型可调谐光源、 81636b型光功率计和 8169a型偏振态控制器组成。 可调谐光源输出端为被测耦合器提 供波长为 1550nm 的输入光，利用光谱仪的内置功能可得出耦合器光学性能参数曲线。 2.4 小结 本章 2.1 节根据弱耦合模理论建立了两单模光纤耦合的耦合模方程， 推导出当两光 纤相同时，直通臂和耦合臂的光功率经验公式，并得出结论：当光纤种类确定时，可 以通过调节两光纤的拉锥长度来制备不同分光比的 22 单模耦合器。本章 2.2 节分析 了传统的 fbt 法制备 22 单模耦合器失效性的原因。针对采用传统的熔融拉锥法制备 耦合器时，拉锥区相比拉锥前明显变细，这样降低了耦合器件的可靠性的缺陷，提出 了一种改进的方法即模场扩散法，该方法采用先边拉锥边热，然后停止拉锥继续加热 的方式制备耦合器，本论文采用该方法来制备 22 单模耦合器。最后本章 2.3 节给出 了光纤耦合器的性能指标以及利用安捷伦公司的 agilent86142b 型光谱仪及与之配套 的可调谐光源组成测试系统来测试的方法。 13 3 不同种光纤之间制备 22 耦合器的研究 目前，不论国际和国内都广泛采用熔融拉锥法来制备 22 耦合器，但在以往的研 究中，大多数学术论文和学术研究都是针对同种光纤采用熔融拉锥法制备耦合器而言 的。而由于光纤通信的发展和某些特定实际工程的需要，本论文针对不同种类的光纤 之间制备 22 耦合器在理论和实验方面进行了详尽的分析和研究。 3.1 不同种光纤耦合原理分析 针对两光纤耦合，本论文采取弱导耦合原理进行了理论分析。在熔锥区，两根光 纤包层合在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。将一根光纤看做是另一根光纤的扰动。 在弱导近似下，并假设光纤是无吸收的28，当两根光纤发生耦合时，根据式（2- 8）推 导出，每根光纤中的功率为， = = )(sin)()( )(sin1)()( 22 2 22 22 2 11 z f c fzazp z f c fzazp (3- 1) 式中，c 为耦合系数， 2 f 为光纤之间耦合的最大功率。 2 1 2 2 21 4 )( 1 += c f (3- 2) )( )/()2( 2 1 3 0 22/1 wkrv rwdku c = (3- 3) = = = = = 2 2 2/ )( )( 2/1 222 2/1222 2/1222 k krnv nnn nkrw nkru co coclco cl co (3- 4) 14 这里，r是光纤半径，d是两光纤中心的间距， co n和 cl n 分别是纤芯和包层的折射 率，u和w是光纤的归一化横向传播常数，v为光纤的归一化频率， 0 k 和 1 k是零阶 和一阶第二类变态汉克尔函数，1和 2是光纤的纵向传播常数。 为了研究不同厂家不同种类的光纤之间的耦合，本实验选取了三种光纤，这三种 光纤分别是美国 corning 公司生产的 smf- 28 型单模光纤， 武汉长飞公司生产的匹配包 层单模光纤（g.652.b）以及长飞的大保实大有效面积非零色散位移光纤（g.655） 。 这三种光纤的结构参数如表 3- 1 所示。 表 3- 1 三种光纤的结构参数 光纤名称 康宁 smf28 长飞 g.652.b 长飞 g.655 纤芯折射率（ 0 n） 1.460 1.4628 1.4643 包层折射率（ 1 n） 1.456 1.456 1.456 光纤纤芯直径（2a） 8.5m 8.5m 8.5m 当 a， 0 n ， 1 n ， 0 给定时，由基模 lp01的本征值方程 11 00 ()() ()() j uk w uw j uk w = (3- 5) 可以求出这三种光纤基模 lp01对应的纵向传播常数 分别为： 28smf = 5.9022 (3- 6) .652.gb = 5.9162 (3- 7) .655g =5.9163 (3- 8) 将这三种光纤的结构参数以及值代入公式（3- 1）中，可得到分光比 cr 与拉锥 长度的关系曲线，如图 3- 1 所示。 由公式（3- 1）可以看出，当两光纤种类确定时，即耦合系数 c 以及两光纤之间耦 合的最大功率 2 f 确定后，分光比 cr 为一周期变化函数，并且周期变化的快慢与 c f 相 关。而两光纤耦合能达到的最大分光比与参数 2 f 相关，通常有 2 1f 。当分光比控制 在 2%以下时，图 3- 1 这三条曲线基本上是重合的。因此，我们可以得出以下结论：当 两不同种类的光纤相互之间进行耦合时，如果分光比控制在 2%以下，那么其耦合特性 15 与实际光纤种类无关。利用这一结论，制作分光比小于 2%的 22 单模耦合器时可以 不用考虑光纤的种类。 00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 分光比 cr 拉锥长度 l/m 长飞g.652.b和 长飞g.655的耦合 康宁smf28和 长飞g.652.b 的耦合 康宁smf28和 长飞g.655的耦合 图 3- 1 不同种光纤耦合输出分光比 3.2 不同种光纤实验研究 上文对不同种类的光纤之间制备耦合器进行了理论分析，在本节中我们将采用上 海嘉慧公司生产的 jw2102 光纤熔融拉锥设备来制备这种特殊的 22 单模耦合器，并 通过测试设备对耦合器进行详细的测试和分析，验证该理论的可行性与正确性。 3.2.1 实验设备 图 3- 2 光纤熔融拉锥系统实物图 拉锥长度 l（m） 分光比 cr 16 该实验采用上海嘉慧公司生产的 jw2102 光纤熔融拉锥系统，该熔融拉锥系统是 利用改进的熔融拉锥的方法来制作光纤耦合器。这种方法可以用计算机精确的控制各 种过程参量，并随时监控光纤输出端口的光功率变化，从而实现各种器件制作的目的。 该系统实物图如图 3- 2 所示。 该光纤熔融拉锥设备可以制备多种耦合器，比如单模窄带耦合器，多模耦合器， 单模单/双窗口宽带耦合器，单模小尺寸窄带耦合器，单模小尺寸单窗口宽带耦合器， 波分复用器（1310/1550、980/1550、1480/1550 等） ，衰减器，滤波器，以及保偏光纤 耦合器等多种光通信器件。在本论文中，我们主要利用该熔融拉锥设备制备 22 单模 耦合器。该设备制备的耦合器附加损耗能控制在 0.1db 以内，器件一致性好，成品率 高，能满足光纤通信需要。 该系统主要由光源、主机、计算机以及一些辅助设备组成。该光纤熔融拉锥系统 安装图如图 3- 3 所示。 光源 主机 计算机 工作台 稳压电源 高纯氢 真空泵 硅胶管 真空管接头 硅胶管氢气管接头 lpt com1 lpt com1 图 3- 3 熔融拉锥系统安装图 (1) 光源 采用嘉慧公司生产的激光可调谐光源，波长可选择为 1310nm、1550nm 以及两种 波长的混合波。其技术指标如表 3- 2 所示。 表 3- 2 光源技术指标 中心波长 1310/15505nm 输出功率 3db 稳定度 0.01/15mindb 17 打开电源开关，初始波长为 1310nm，按绿色按钮可进行波长切换，实验中选用 1550nm 波长作为输出光。 (2) 辅助设备 辅助设备由氢气发生器、真空泵、稳压电源等组成。真空泵主要产生负压，使光 纤吸附在夹具上，使石英槽吸附在封装台上。稳压电源主要给系统提供稳定的工作电 压。氢气发生器主要提供高纯度氢产生氢氧焰加热光纤熔融区。 (3) 主机 熔融拉锥系统中主机主要来实现拉锥功能，由光纤拉伸机构、自动封装机构、光 功率监测、氢气流量控制、紫外光固化五部分构成。 图 3- 4 为主机控制面板。 图 3- 4 主机控制面板 1) 点动：拉锥机自动开始短暂拉锥并自动停止。 2) 吸台：拉锥光纤夹具吸力开启/关闭。 3) 吸台：封装台夹具吸力开启/关闭。 4) 开始：开始拉锥至预先设定处自动停止。 5) 停止：手动停止拉锥或电机运动。 6) 封装：封装台运动至预先设定之原点（封装）位置。 7) 预拉：开始拉锥至预先设定长度停止。 8) 复位：所有电机回复初始位置。 9) 加热：封装台加热器开始加热进行热固化。 18 10) 复位：封装台电机回复初始位置。 (4) 计算机 这为熔融拉锥系统的软件部分，该软件是基于 windows 操作环境采用 visual basic 语言进行编程实现的，起到系统运动参数的设置和系统自动控制的功能。该软件主要 包括系统界面以及参数设置两大部分。该拉锥系统软件界面如图 3- 5 所示 图 3- 5 软件界面图 界面可以分为曲线显示模块，操作模块，拉锥产品参数模块以及光功率检测模块 等。 (1) 曲线显示模块 图 3- 6 曲线显示模块 19 该模块主要显示熔融拉锥过程中， 两光功率通道 p1， p2 的光功率和 el 随时间 t(s) 变化的曲线图，以及分光比和拉锥长度等参数。实验中应注意观察三曲线的变化情况。 若分光比变化大，则为打结时两结点间的距离过短，小于 1cm。解决办法是增大两结 点之间的距离。若拉锥长度过大或过小，原因为火头过高或过低，氢气流量过大或过 小，那么可通过适当调节火头高度或氢气流量来解决该问题。 本论文实验室制作耦合器的过程中，严格控制操作环境的温度和湿度等各种外界 条件，有时也会出现制作的耦合器附加损耗过大，究其主要原因是人工操作的差异和 参数设置的合理性造成的。通过对拉制耦合器过程的光功率和附加损耗曲线的实时显 示进行分析，发现附加损耗大的主要原因有以下三大类，并对不同的原因提出了不同 的解决办法。 1) 附加损耗出现在前段。其主要表现形式是： 在拉锥刚刚开始时直通臂的光 功率有较大下降然后又慢慢恢复，但较原功率还是有所减小。造成这种情况的主要 原因是裸光纤没有擦干净或打结太偏或二者兼而有之。解决办法是将裸光纤擦拭干 净，将结打正。 在刚刚开始时直通臂的功率有较大下降但不会恢复。造成这种情 况的主要原因是开始延时过长，在刚刚开始拉锥时熔融的光纤因重力的作用而发生 弯曲。 2) 附加损耗出现在开始耦合之前。其主要表现形式是在刚刚开始耦合之前直通臂 的光功率出现较大的波动并伴随有下降。造成这种情况的主要原因是夹具错位或开始 延时过短，其解决办法是： 调整夹具错位； 增大开始延时时间； 增大氢气流 量。 3) 附加损耗出现在耦合区。其主要形式是在耦合区直通臂的光功率有明显减小。 造成这种情况的主要原因是开始延时过长或拉锥速度过慢或氢气流量过大。解决办法 是：减小开始延时时间；增大拉锥速度；减小氢气流量。 (2) 操作显示模块 操作显示模块主要用于显示操作的进程情况，也可用于校准功率。当两光功率 p1， p2 监测到的光功率值存在较大误差时，需利用功率校准功能进行实时的功率校准。该 校准功能需要输入密码进行验证，验证密码为 jw2102051228。 20 图 3- 7 操作显示模块 (3) 拉锥产品参数模块 图 3- 8 当前拉锥产品参数 如图 3- 8 所示，该区域只是用来显示当前拉锥产品类型及其主要拉锥参数设置， 不可进行修改 (4) 光功率监测模块 图 3- 9 光功率监测模块 如图 3- 9 所示， p1：通道 1 的光功率 p2：通道 2 的光功率 21 il1：通道 1 的插入损耗 il2：通道 2 的插入损耗 el：器件的附加损耗 cr：通道 1 的分光比 校准值：两个通道之间的功率补偿 log：线性/非线性显示切换 波长：波长选择，有 850nm、1310nm、1550nm 可选，可根据实际需要选择，本 实验选择与光源对应的波长 1550nm。 3.2.2 参数设置及实验流程 在本实验中，我们需要对参数进行最优化设置。 (1) 系统硬件设置： 1) 氢气流量设置为 166sccm。 2) 使用的光源为 1550nm（光源波长可选 1310nm/1550nm） 。 3) 火头高度的调整：根据大量实验，在以上设定值的条件下，火头高度为 6.5mm 时，温度和稳定性达到工艺要求。 (2) 系统软件参数设置 1) 在拉锥设置模块中： 拉锥速度（mm/min） ：该参数是用来设置拉锥时夹具双向移动的速度，单位是毫 米/分。其值可根据需要而定，一般设置为 1214mm/min。本实验设置为 10 mm/min。 停止分光比（） ：用来设置软件实际停止拉锥时的分光比，其值一般比实际需要 分光比要有所提前。本实验设置为 0.03。 设定周期：该参数是用来设置拉锥过程中的周期数，即在第几个周期的设定分光 比处停机，拉普通的分路器一般只需一个周期，拉波分复用器一般需多个周期，因此 本实验制备普通单模耦合器，应设置为一个周期。 开始延时（ms） ：该参数是用来设置拉锥时光纤的预熔时间，即让光纤在开始拉锥 之前有一个预熔的过程,使其在熔融状态下开始拉伸，一般设置在 10- 1000ms 范围内。 本实验设置为 200ms。 22 图 3- 10 软件参数设置 结束延时（ms） ：该参数是用来设置拉锥结束后夹具正向继续运动的时间，即火头 退火后光纤继续拉伸的时间，本实验设置为 10ms。 点动步长（mm） ：该参数用来设置执行点动操作时，夹具的正向拉伸距离，可根 据需要设置。本实验设置为 0。 夹具原始距离（mm） ：该参数用以标注拉锥夹具的原始距离，本系统出厂时一般 设置为 40mm。本实验设置为 40mm。 停火分光比（） ：用来设置软件火头退回时的分光比。本实验设置为 0.46%。 停火延时：用来设置火头退回后继续拉锥的时间。本实验设置为 0 2) 火头设置 扫描长度（mm） ：该参数用来设置正常拉锥时火头左右移动扫描的长度。 扫描速度（mm/min） ：该参数用来设置正常拉锥时火头左右移动扫描时的电机运 动速度。 3) 固化设置 23 固化温度（） ：该参数用来设置热固化时封装台加热器的加热温度，可根据实际