光纤耦合器及其应用.pdf

收稿日期 2005 09 11 作者简介 黄天水 19722 男 硕士研究生 研究方向为非线性光纤光学 文章编号 1673 1255 2006 06 0037 05 光纤耦合器及其应用 黄天水 曹文华 五邑大学信息学院 广东 江门529020 摘 要 光纤耦合器是一种定向耦合器 是光纤通信系统中重要器件之一 虽然目前光纤耦合器的大部分应用还 只涉及到它的线性特性 但是耦合器中的非线性效应自1982年起就开始研究 其中一个重要应用是全光开关 介绍了 光纤耦合器的基本结构及工作原理 重点对光纤耦合器进行了线性与非线性理论分析 具体介绍了几种光纤耦合器 的应用实例 关键词 光纤耦合器 全光开关 非线性效应 中图分类号 TN622 文献标识码 A Fiber Coupler and Its Applications HUANG Tian2shui CAO Wen2hua Information School of Wuyi University Jiangmen 529020 China Abstract Fiber coupler is a directional coupler that is crucial component for optical fiber communica2 tion systems Although present applications of fiber coupler mostly interfere in linear characteristics its nonlinear effect has been already investigated since 1982 However all optical switching is very important application in its nonlinear effect The basic structure and work principle of fiber coupler are introduced The analysis of its linear and nonlinear theory is done Several coupler applications are presented finally Key words fiber coupler all optical switching nonlinear effect 光纤耦合器也称光定向耦合器 是一种多根 光纤之间或光源与光纤之间实现光功率定向传 输的一种无源器件 传输的光的能量大小往往决 定耦合器的工作状态 当输入光能量较低时 光 纤耦合器处于线性工作状态 当输入光能量高到 一定程度后 光纤中将产生非线性效应 即工作 在非线性工作状态 全光开关是非线性光纤耦合 器的一个非常重要的应用实例 同时在目前也是 热门的研究课题 本文将介绍光纤耦合器的线性 与非线性理论及其在光开关与其他方面的应用 1 工作原理及理论描述 自从Jensen在1982年发表了关于非线性定向 耦合器的经典论文 1 以来 人们对它的研究更加广 泛深入 如果用具有很大磁化系数的绝缘材料制成 2根波导 把2根波导相互靠近放在一起 就做成了 最简单的耦合器 同理做成的两芯的光纤耦合器是 四端口器件 二输入和二输出端口 光由一个输入 端口引入 根据能量的不同直接耦合进2个输出端 口或其中之一 光由某根光纤输入 再从同一根光 纤输出 这根光纤叫直通臂 而另一根光纤称为交 叉臂 如图1所示 图1 光纤耦合器的基本结构 光纤耦合器的物理机制 2 可以理解为 当 一束光由光纤耦合器的一个纤芯入射时 因为不 同的模式能量 2个纤芯中的光束 由于自相位 第21卷第6期 2006年12月 光 电 技 术 应 用 ELECTRO OPTIC TECHNOLOGY APPLICATION Vol 21 No 6 December 2006 调制 SPM 引起的相移也不同 结果 即使是对 称的光纤耦合器因为非线性效应也表现出不对 称性 实际上 这种情况与非对称光纤耦合器中 的情况很类似 在非对称光纤耦合器中 不同的 模传播常数引起2个纤芯间的相对相移 并阻碍 了两者间全部能量的转移 考虑耦合效应 SPM效应和群速度色散 GVD 效应后 光纤耦合器的理论模型由下述 归一化方程组描述 i 9u1 9 s 2 92u1 9 2 u1 2 u1 Ku2 0 1 i 9u2 9 s 2 92u2 9 2 u2 2 u2 Ku1 0 2 且s sgn 2 1 K kLD z LD T T0 u1 LD 1 2 A1 u2 LD 1 2 A2 这里 LD T20 2 是色散长度 T0是脉冲半宽度 A1和A2分别为耦合器2纤芯中光波的复振 幅 2为二阶色散系数 k为耦合系数 为非 线性系数 当输入光的能量较低时 耦合器处于线性工 作状态 当输入光的能量较高时 非线性效应不 可忽略 2 工作状态及其理论分析 2 1 低能量输入情况 2 1 1 低能量连续光束输入情况 当低能量光束从光纤耦合器的一个输入端 口入射时 与时间有关的项可以设为零 自相位 调制引起的相移很微弱 而SPM项也可以忽略 耦合模方程可以描述为 dA1 dz ikA2 3 dA2 dz ikA1 4 考虑边界条件A1 0 A0和A2 0 0 则上述 方程的解为 A1 z A0cos kz 5 A2 z A0sin kz 6 由上述解可知光在光纤耦合器内传输时一部分 能量会周期性的转移到第2个纤芯 最大转移距 离在kz m 2处 其中m是整数 第一次最大 能量转移到第2个纤芯的最短距离称为耦合长 度 可表示为Lc 2k 输出能量P1 A1 2 和P2 A2 2 长度L处的能量为 P1 L P0cos2 kl P2 L P0sin2 kl 7 式中的P0 A 2 0为输入端口总能量 图2给出了 耦合器2根纤芯的功率比作为归一化长度kz的 变化曲线 实线表示P1 P0 虚线表示P2 P0 图2 对称耦合器中2根纤芯的功率比作为kz的函数的曲线 2 1 2 线性脉冲开关情况 就低能量光脉冲而言 式 1 式 2 中的非 线性 效 应 可 以 忽 略 对 宽 脉 冲 输 入 由 于 LD LC 此时GVD效应也可以忽略 开关情况 与低能量连续光束类似 对于窄脉冲输入 此时 LD与LC大小可比 或者LDPc 几乎没有能量转移到另一纤芯中 阻碍 状态 这样 依能量而定 一束光就能从一输出 端口转换到另一输出端口 图4中的虚线表示宽 脉冲即准连续波输入情况下的计算结果 可见此 时的开关性能较连续波输入时要差 2 2 2 非线性超短光脉冲情况 当输入为超短光脉冲时 非线性效应和 GVD对耦合器开关特性有明显影响 耦合模方 程同式 1 式 2 图5表示了双芯耦合器中孤 子脉冲的开关特性 3 初始输入同式 9 N 2 LDP0 4KP P P0 PC是对连续波开关能量 的归一化 选择K 1 KL 2 由图5可以看 出 在输入脉冲峰值功率较低时 非线性效应 SPM 可以忽略 脉冲能量绝大部分都转移到另 一根纤芯中 所以入射芯的输出能量接近于0 而2芯的输出能量接近于1 随着入射脉冲峰值 功率的增加 转移能量减少 当峰值功率增加到 一定程度之后 SPM效应 427 十分明显 它阻碍 了能量向另一根纤芯转移 这时1芯的输出能量 明显高于2芯的输出能量 图5 脉冲透射能量作为P P0 PC的函数曲线 3 耦合器的应用 3 1 保偏光纤耦合器 保偏光纤耦合器可以分为熔融拉锥型与研磨 抛光型2种 它的优点是在稳定的传输2个正交的 线偏振光的同时 能长距离的保持各自的偏振态不 变 8 其性能参数如耦合比 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制造工艺来 控制 制造保偏光纤耦合器必须使2根光纤偏振轴 平行 只有这样才能制造出保偏耦合器 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6所示 图6 保偏光纤耦合器示意图 3 2 星型耦合器 星形耦合器是光纤通信网的关键部件 通常 采用2 2熔融拉锥光纤耦合器组成N N星 形耦合器 其结构较复杂 9 平板介质光波导多 端口耦合器结构简单 耦合效率高 适于成批生 产 N N星型平板介质耦合器结构模型如图7 所示 发射端口阵列位于以o 为圆心的圆弧o p 93第6期 黄天水等 光纤耦合器及其应用 处 oo R 带状波导宽度为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 一端口p中以主模 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 由于传输过 程中产生衍射 最后只有一部分被接受阵列所截 获 而辐射到接收阵列中每个端口op 的能量只 有一部分能激励起这个端口的主模 由于N 1 a a 很小 即R a 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 图7 星形耦合器结构示意图 3 3 全波光纤耦合器 光纤在制造过程中 若其中的氢氧根离子的 浓度较大 会在1385 nm处形成一个吸收峰 需 采取特别的措施来保证氢氧根离子的浓度小于 10 6 1998年6月有人研制出全波光纤 消除了 1385 nm水峰 带宽达到了1280 1625 nm 伴 随着该光纤的出现 光通信网的各种节点器件的 宽带特性日显重要 熔锥型全波光纤耦合器是光 纤通信系统中重要的基本器件之一 其带宽达到 了390 nm 1260 1650 nm 利用带宽拓展技术 非对称工艺 来改变器件的波长特性 使其带宽 达到260 1650 nm 使得在其带宽范围内均能 满足分光精度的要求 而且满足低附加损耗 低 偏振相关损耗 10212 3 4 光纤光栅耦合器 光纤光栅耦合器是光纤光栅和光纤耦合器 工艺技术相结合派生的一种新型全光纤器件 它 既具有光纤光栅优良的光谱特性 又兼有光纤耦 合器多端口的特点 克服了光纤光栅后向反射式 工作的缺点 是一种插入损耗小 波长选择性好 的偏振无关器件 可用于制作波分复用通信系统 中的分插复用器 OADM 进行信号的上 下载 也可以用于抑制掺铒光纤放大器 EDFA 系统 中的自发辐射噪声 提高系统的信噪比 另外 还 可用于模式分离和非线性开关等等 因此 光纤 光栅耦合器在光纤通信系统中会得到广泛应 用 13 图8所示为光纤光栅耦合器原理图 在没有 光栅的情况下 当信号由端口1入射时 全部信 号都由端口4输出 若在耦合区的适当位置写入 布拉格光纤光栅后 由于光纤光栅的耦合作用 满足布拉格条件的信号由光栅反射并进入纤芯 2 由端口2输出 其余信号仍由端口4输出 图8 光纤光栅耦合器原理图 3 5 塑料光纤耦合器 塑料光纤耦合器以其制造简单 价格低廉 芯径大 一般在0 3 1 mm 接续便利 连接成 本低 选材广 泛韧性好和力学性能优良等优点 最适合作为终端短距离通信网 如 局域网有线 电视网尤其是光纤到户或最后1 km的应用 而 且 全氟塑料光纤的带宽和损耗等主要性能已经 接近石英光纤 塑料光纤将进入一个全新的发展 时期 与塑料光纤有关的各项研究和应用前景广 阔 14 15 3 6 全光开关 光纤耦合器的非线性效应也有许多潜在的 应用 如作为超快全光开关 16 17 逻辑运算 器 18 脉冲压缩器或鉴别器 19 20 信号放大 器 21 等 其中研究最多的是作为高速信号处理 的全光开关 其开关速度很快 可以 100 fs 在 低入射光功率的情况下 耦合器呈线性特性 输 出功率与耦合长度有关 但随着光功率的增加 非线性效应改变了耦合长度 使耦合到另一波导 的光减少 当光功率足够高时 几乎所有的光都 从入射光纤的端口输出 从而随着入射光功率的 变化 光从耦合器的一个端口转移到另一个端口 输出 实现了开关效应 如图9所示 04 光 电 技 术 应 用 第21卷 图9 作为非线性开关的光纤耦合器示意图 4 结 束 语 目前研究耦合器常用的理论有2种 耦合模 理论与非线性超模理论 本文利用耦合模理论研 究了耦合器中光波传输特性 在实际应用中光纤 耦合器发挥了巨大的作用 作为全光纤型器件 光纤耦合器具有其他一些器件不能比拟的优势 比如插损低 低色散 高功率特性好等 另外 光 纤耦合器本身造价比较低廉 生产工艺和品质控 制比较成熟 光通信的发展对光通讯器件提出了 一些更新更高的要求 从而促进了光纤耦合器技 术的发展 反过来 光纤耦合器的推陈出新也推 动了光通信的不断进步 参 考 文 献 1 Jensen S M The nonlinear coherent coupler J IEEE J Quantum Electron 1982 18 2 1580 1583 2 Agrawal G P Nonlinear Fiber Optics M third ed BeiJing Publishing House of Electronics Industry 2002 3 Trillo S Wabnitz S Wright E M et al Soliton switching in fiber nonlinear directional coupler J Opt Lett 1988 13 11 672 674 4 YasumotoK Maeda H Maekawa N Lightwave Technol 1996 14 9 628 5 Artigas D Dios F Canal F Mod Opt 1997 44 2 1207 6 Vigil S R Zhou Z Canfield B K et al Opt Soc Am B 1998 15 8 895 7 Marchese D Sairo M De Jha A et al Opt Soc Am B 1998 15 2 2361 8 林小莉 李平 王强 光纤通信用耦合器性能参数 及应用 J 光子技术 2003 1 1 33237 9 邱亮 丁竹 杨祥林 N N星型平板光波导耦合 器的理论模型 J 东南大学学报 1998 28 1 33236 10 张瑞峰 葛春风 熔锥型全波耦合器 J 物理学 报 2003 52 2 3902394 11 张瑞峰 葛春风 奇偶交错空分滤波器 J 光电子 激光 2002 13 6 6522656 12 胡智勇 张瑞峰 葛春风 等 熔锥型光纤耦合器 在光纤通信中的最新应用 J 光通信技术 2003 27 3 29231 13 朱松林 用统一耦合模理论分析含布拉格光栅的 对称光纤耦合器的传输特性 J 光学学报 2001 21 8 9902995 14 孟华茂 熔融拉锥型塑料光纤耦合器 D 秦皇 岛 燕山大学 2003 15 夏可宁 塑料光纤耦合器的研究 D 秦皇岛 燕 山大学 2003 16 S RFriberg Y Silberberg M K Oliver et al Ul2 trafast all2optical switching in a dual2core fi ber non2 linear coupler J Appl Phys Le