光纤耦合器2015

1、光纤无源器件光纤无源器件之光纤耦合器之光纤耦合器光电光电新技新技术讲术讲座座光纤耦合器光纤耦合器光纤的发展光纤的发展光纤无源器件的蓬勃发展光纤无源器件的蓬勃发展耦合模理论耦合模理论耦合器件种类及应用耦合器件种类及应用光纤耦合器的制作光纤耦合器的制作一、一、光纤的发展光纤的发展1.1.光纤的诞生光纤的诞生2.2.光纤的构造与分类光纤的构造与分类3.3.光纤传光原理光纤传光原理4.4.光纤光缆的制作光纤光缆的制作1 1、光纤的诞生、光纤的诞生在光纤出现之前，人们一直在追寻一种性能稳定在光纤出现之前，人们一直在追寻一种性能稳定的，廉价的，方便使用的介质来传输光信号。最的，廉价的，方便使用的介质来传输

2、光信号。最初人们认识到光的直线传播，反射特性后除了利初人们认识到光的直线传播，反射特性后除了利用大气做为波导，还开始采用各种介质利用作为用大气做为波导，还开始采用各种介质利用作为光的传输介质。例如介质透镜、反射镜波导、气光的传输介质。例如介质透镜、反射镜波导、气体透镜波导等，使光束限制在一定范围内并沿确体透镜波导等，使光束限制在一定范围内并沿确定路线传播。在半导体激光器和集成光路中用到定路线传播。在半导体激光器和集成光路中用到的平面型介质波导也被尝试作为光波导使用，由的平面型介质波导也被尝试作为光波导使用，由于制作成本高，工艺复杂，不适于大量铺设。能于制作成本高，工艺复杂，不适于大量铺设。能不

3、能象电信号依靠铜缆传输一样，找到一种光波不能象电信号依靠铜缆传输一样，找到一种光波导来实现光信号廉价、低损耗的稳定传输呢？导来实现光信号廉价、低损耗的稳定传输呢？ 1 1、光纤的诞生、光纤的诞生早在古希腊的玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光，他们利早在古希腊的玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光，他们利用玻璃的这种性质，制作了各种流光异彩的玻璃工艺品。十九世用玻璃的这种性质，制作了各种流光异彩的玻璃工艺品。十九世纪中期英国的丁达尔纪中期英国的丁达尔(J. Tyndall)(J. Tyndall)利用实验证明利用光的全反射利用实验证明利用光的全反射原理，光线在水中可以实现弯曲传播。原理，光线在

4、水中可以实现弯曲传播。1 1、光纤的诞生、光纤的诞生19271927年英国的贝尔德年英国的贝尔德(J. G.Baird)(J. G.Baird)提出利用光提出利用光的全反射现象制成石英光纤，从此以后人们把的全反射现象制成石英光纤，从此以后人们把注意力集中到石英这种材料上。早期的光纤只注意力集中到石英这种材料上。早期的光纤只有纤芯，利用空气石英构成的界面实现光线有纤芯，利用空气石英构成的界面实现光线的全反射，由于这种结构的开放性，经常引起的全反射，由于这种结构的开放性，经常引起光线的泄漏。为解决这一问题人们实验在玻璃光线的泄漏。为解决这一问题人们实验在玻璃纤维上涂覆塑料，以降低光线的泄漏同时对玻

5、纤维上涂覆塑料，以降低光线的泄漏同时对玻璃芯起一定的保护。这时初步形成了光纤纤芯璃芯起一定的保护。这时初步形成了光纤纤芯包层结构，但由于塑料包层难以做到均匀一包层结构，但由于塑料包层难以做到均匀一致，而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平致，而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平滑理想，光能量损失很大。滑理想，光能量损失很大。 1 1、光纤的诞生、光纤的诞生19551955年，美国人年，美国人B. I. Hirschowitz (B. I. Hirschowitz (西斯乔威兹西斯乔威兹) ) 把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，将它们放在高温炉中拉

6、制，得到玻璃将它们放在高温炉中拉制，得到玻璃( (纤芯纤芯) )玻玻璃璃( (包层包层) )结构的光纤，解决了光纤的漏光问题，结构的光纤，解决了光纤的漏光问题，这一结构在后来被广泛采用，就是今天的光纤这一结构在后来被广泛采用，就是今天的光纤结构。但这时的光纤损耗是非常大高于结构。但这时的光纤损耗是非常大高于1000 1000 dB/kmdB/km，即使是利用优质的光学玻璃制作光纤，即使是利用优质的光学玻璃制作光纤也无法得到低损耗的光纤。人们曾经一度对玻也无法得到低损耗的光纤。人们曾经一度对玻璃这种材料产生怀疑，转向塑料光纤、液芯光璃这种材料产生怀疑，转向塑料光纤、液芯光纤的研制。纤的研制。 1

7、966年，英籍华裔学者英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于长原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章2 2、光纤标准、光纤标准通信用光纤经过二十几年的发展形成了一系列标准。通信用光纤经过二十

8、几年的发展形成了一系列标准。ITU-TITU-T国际电信联盟目前将单模光纤分为国际电信联盟目前将单模光纤分为G.652G.652（G.652AG.652A、G.652BG.652B、G.652CG.652C和和G.652DG.652D）、）、G.653G.653（G.653AG.653A和和G.653BG.653B）、）、G.654G.654（G.654AG.654A、G.654BG.654B和和G.654G.654）、）、G.655G.655（G.655AG.655A、G.655BG.655B和和G.655CG.655C）以）以及用于及用于S+C+LS+C+L三波段传输的三波段传输的G.65

9、6G.656光纤（标准名称为光纤（标准名称为宽带光传输用非零色散单模光纤和光缆特性宽带光传输用非零色散单模光纤和光缆特性）按照零色散波长将单模光纤分为按照零色散波长将单模光纤分为6 6种种非色散位移光纤：非色散位移光纤：G.652G.652色散位移光纤：色散位移光纤：G.653 G.653 将零色散窗口从将零色散窗口从1310nm1310nm移到移到1550nm1550nm窗口窗口截止波长位移光纤：截止波长位移光纤： G.654G.654非零色散位移光纤：非零色散位移光纤：G.655 G.655 将零色散窗口从将零色散窗口从1310nm1310nm移到移到14601500nm14601500n

10、m色散平坦光纤（色散平坦光纤（1310-1550nm1310-1550nm都是低色散）都是低色散）色散补偿光纤（色散补偿光纤（1550nm1550nm有很大负色散）有很大负色散）3 3、光纤的构造、光纤的构造纤芯，光信号的传输纤芯，光信号的传输 包层，限制光信号溢出包层，限制光信号溢出 一次涂敷层（预涂层），一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性保护光纤增加韧性 缓冲层，减少对光纤的压缓冲层，减少对光纤的压力力二次涂敷层（套塑层），二次涂敷层（套塑层）， 加强光纤的机械强度加强光纤的机械强度纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的的SiOSiO2 2,

11、 ,纯度可达纯度可达99.99999%99.99999%，其余成份为掺，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如入极少量掺杂剂，如P P2 2O O5 5和和GeOGeO2 2，掺杂剂的，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a2a3 3100100 mm包层：含有少量掺杂剂的高纯度包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiOSiO2 2, ,掺杂剂掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径径2b2b125125140140 mm一次涂层：厚度一次涂层：厚度5 54040 mm，材料一般为环氧树，材料一般为环氧树脂或硅橡

12、胶，可承受脂或硅橡胶，可承受7kg7kg拉力拉力缓冲层：厚度缓冲层：厚度100100 mm二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯 1层层2层光纤层光纤 345层护层层护层 5层大约层大约0.9mm左右左右光纤光纤的分类的分类1 1从原材料分：从原材料分：石英系光纤石英系光纤多组份玻璃光纤多组份玻璃光纤氟化物光纤氟化物光纤塑料光纤塑料光纤液芯光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤掺杂光纤，如掺铒光纤 由于石英系光纤具有传输衰减小，由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。在通信系统中得到广泛

13、应用。光纤分类光纤分类2 2按照光纤横截面上折射率分布特征按照光纤横截面上折射率分布特征n(r) n(r) 分：分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SISI表表示示Step Index fibberStep Index fibber） 纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用（常用GIGI表示表示Graded Index fibber Graded Index fibber ）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为纤芯折射率

14、连续变化，包层的折射率则为一常数。一常数。WW型光纤型光纤 等等ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤阶跃型光纤渐变型光纤渐变型光纤 n1 r a n1 1 - 2 ( r/a ) g 1/2 r a n2 a r b n2 1 - 2 1/2 a 2m 2m 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等硒碲化合物和卤化物光纤等3 3、 光纤的传光原理光纤的传光原理 分析光纤的传输原理有两种方法：分析光纤的传输原理有两种方法：几何光

15、学法几何光学法：将光看成一条条的几何射线：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论来分析，也称射线理论 应用条件应用条件：光波的波长远小于光纤的几何：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤尺寸，只适用于多模光纤波动光学法波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。斯韦方程组求解，也称模式理论。 它既可它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤用于多模光纤，也可用于单模光纤4 光纤光缆制造技术光纤光缆制造技术选材的准则：选材的准则：1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕2. 在特定波长损耗低在特定

16、波长损耗低3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：按材料分类：1. 无源玻璃纤维；无源玻璃纤维；2. 有源玻璃纤维；有源玻璃纤维；3. 塑料纤维塑料纤维4.1 光纤材料光纤材料无源玻璃纤维无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：玻璃纤维的主材：SiO2 - 物理和化学稳定性好物理和化学稳定性好- 对通信光波段的透明性好对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素增加非线性效应：通过掺入硫属元素GeO2-SiO2纤芯，纤芯，SiO2包层包层P2O5-SiO2纤芯

17、，纤芯，SiO2包层包层SiO2纤芯，纤芯，B2O3-SiO2包层包层在在0.28m mm具有极低损耗具有极低损耗SiO2中掺GeO2或P2O5，折射率增加SiO2中掺氟或B2O3，折射率减小典型组合：典型组合：1、GeO2-SiO2纤芯，纤芯，SiO2包层包层2、P2O5-SiO2纤芯，纤芯，SiO2包层包层3、SiO2纤芯，纤芯，B2O3-SiO2包层包层4、GeO2- B2O3-SiO2纤芯，纤芯， B2O3-SiO2包层包层卤化物玻璃纤维卤化物玻璃纤维红外光纤（氟化物光纤）红外光纤（氟化物光纤）：低损耗范围：0.28mm，最低损耗窗口：2.55 mm，理论最小损耗：0.010.001d

18、B/km。缺点：不成熟，性能不稳定有源玻璃纤维有源玻璃纤维掺稀土光纤：掺稀土光纤：在SiO2中掺入稀土元素实现光放大（或吸收），如：掺铒光纤（EDF）、掺钕光纤。硫属化合物玻璃纤维硫属化合物玻璃纤维非线性光纤：非线性光纤：用作非线性光学器件。如：As40S58Se2纤芯As2S3包层塑料光纤（塑料光纤（POF）参数有机玻璃POFPMMA POF加氟聚合物POFPFP POF纤芯直径0.4mm0.1250.3mm包层直径1mm0.250.6mm数值孔径0.250.2损耗150dB/km 650nm6080dB/km 6501300nm带宽2.5Gb/s, 100km2.5Gb/s, 300km特

19、点：特点：更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合低成本、低续接成本低成本、低续接成本损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输使用范围还十分有限，主要用于接入网使用范围还十分有限，主要用于接入网4.2 光纤制造光纤制造两种基本方法两种基本方法1. 直接熔化法：直接熔化法： 按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净 组分直接制造成光纤组分直接制造成光纤2. 汽相氧化过程：汽相氧化过程： - 高纯度金属卤化物高纯度金属卤化物(如如SiCl4和和GeCl4)与氧反应生成

20、与氧反应生成SiO2微微粒粒 - (通过四种不同的方法通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面将微粒收集在玻璃容器的表面 - 烧结烧结 (在尚未熔化的状态将在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体转化成玻璃体) 制成预制棒制成预制棒 - 拉丝成纤拉丝成纤直接熔化法：双坩埚法直接熔化法：双坩埚法纤芯坯料棒 内坩埚包层坯料棒纤芯玻璃外坩埚熔炉 拉制光纤 (到拉丝机)包层玻璃直接熔化法：直接熔化法：可用于制造石英可用于制造石英光纤、卤化物光光纤、卤化物光纤和硫属光纤纤和硫属光纤具有可连续制造具有可连续制造的优点的优点但坯料棒熔化过但坯料棒熔化过程中容易带来杂程中容易带来杂质，它的最低损质，它的最

21、低损耗值为耗值为5 dB/km光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝光纤拉丝机光纤拉丝机d = 1025 mm; L = 60120 cm精密输送机构精密输送机构夹具预制棒拉丝炉光纤粗细监测仪裸光纤涂覆机 已涂覆光纤光纤卷绕几点关键几点关键为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加以保护。以保护。送棒机构与牵引辊的速度要一致，以保持光纤外径的送棒机构与牵引辊的速度要一致，以保持光纤外径的均匀性。均匀性。激光测径，紫外固化激光测径，紫外固化外径的波动控制在外径的波动控制在0.50.5微米之内。微米之内。拉丝的速度可以调整

22、，拉丝的速度可以调整，600m/min1000m/m600m/min1000m/m预制棒体积： Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm光纤体积： Vfiber= d2l/4, d=125 um拉丝长度l： Vpreform = Vfiber l = 6.4 10-5D2L (km)拉丝原理：拉丝原理：保持芯/包层结构不变！二、二、光纤无源器件的蓬勃发光纤无源器件的蓬勃发展展光纤通信元件包括有源器件和无源器件等。光纤通信元件包括有源器件和无源器件等。光纤通信的发展促进了光源、探测器等有源光纤通信的发展促进了光源、探测器等有源器件的发展，同时由于工程应用的需要，各器件的发展，同时

23、由于工程应用的需要，各种各样的光无源器件也相应的出现。光纤的种各样的光无源器件也相应的出现。光纤的发展给光无源器件带来了新的一页。发展给光无源器件带来了新的一页。光纤无源器件包括光纤无源器件包括光纤活动连接器光纤活动连接器光纤耦合器光纤耦合器光纤衰减器光纤衰减器光纤滤波器光纤滤波器光纤隔离器光纤隔离器光开关光开关光纤环行器光纤环行器光纤调制器光纤调制器耦合器（耦合器（couplercoupler）主要功能再分配光信号主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用在波分复用器件上应用耦合器（耦合器（couplercoupler）基

24、本结构基本结构耦合器是双向无源器件耦合器是双向无源器件基本形式有树型、星型基本形式有树型、星型与耦合器对应的有分路器与耦合器对应的有分路器（splittersplitter）耦合器耦合器以图形表示以图形表示 1423两波导之间的横向耦合两波导之间的横向耦合 当两波导的间距足够大时，各当两波导的间距足够大时，各自模式场分布形式不会改变，自模式场分布形式不会改变，称两波导之间为弱耦合。称两波导之间为弱耦合。 在弱耦合条件下，在弱耦合条件下，波导之间光波导之间光场的横向耦合可用各波导独立场的横向耦合可用各波导独立时传输模式间的模式耦合方程时传输模式间的模式耦合方程来描述。来描述。 在两个正规光波导互

25、相平行靠近时，波导之间会发生横向耦在两个正规光波导互相平行靠近时，波导之间会发生横向耦合，其物理过程可以看成是：波导合，其物理过程可以看成是：波导1中的模通过进入公共层的中的模通过进入公共层的电磁场使波导电磁场使波导2中的介质极化，从而影响了波导中的介质极化，从而影响了波导2中的模中的模三、耦合模理论三、耦合模理论)()()()()()(221122221111zajzajkdzzdazajkzajdzzda两波导之间的横向耦合两波导之间的横向耦合考虑两波导中都只有单模存在的情况，单模的传输常数分别考虑两波导中都只有单模存在的情况，单模的传输常数分别为为两波导中模场的表达式分别为两波导中模场的

26、表达式分别为则耦合后的总电场可以写为则耦合后的总电场可以写为pnnmpnpqmnqmzpqjAkjdzdA,expSqmpnmpqmndsnnpkk*202202zjAjkdzdAzjAjkdzdA121212212121expexp111222expexpAajzAajz21、zjEEzjEE22021101exp,exp 2211EzAEzAE定义模式沿波导正向传输时，定义模式沿波导正向传输时，p,q=+.kkk*2112则耦合模方程变为：则耦合模方程变为：由模式耦合方程所规定的模由模式耦合方程所规定的模耦合系数，具有对称性。耦合系数，具有对称性。当两光波导折射率完全相同时，当两光波导折射

27、率完全相同时，kkk2112)()()()()()(22122*111zajzjkadzzdazajkzajdzzda)()()()()()(22122111zajzjkadzzdazjkazajdzzdaSqmpnmpqmndsnnpkk*202202可以证明模式耦合只能在两个相互简并的模之间发生，即：12则耦合模方程进一步变为：则耦合模方程进一步变为：)()()()()()(212211zajzjkadzzdazjkazajdzzda)()(212211jkzjkzzjjkzjkzzjededezaececeza其通解为：其通解为：设初始条件为：设初始条件为：12(0)0,(0)0aa22

28、221( )sin ()(0)azkz a22211( )cos ()(0)a zkz a如果如果 ，则则传输功率在两个波导之间周期性交替传递传输功率在两个波导之间周期性交替传递)0()0()cos()sin()sin()cos()()(2121aakzkzjkzjkzezazazj)0()0(),0()0(2211aaaa22221( )sin ()(0)azkz a)(sin)0()(212kLaLakLo2/光从波导1完全耦合至波导2的长度为耦合长度，在其奇数倍长度耦合长度，在其奇数倍长度处也可实现完全耦合处也可实现完全耦合熔锥型光纤耦合器光功率的分配熔锥型光纤耦合器光功率的分配 耦合光

29、功率耦合光功率P P2 2跟以下参数有关：跟以下参数有关：拉伸区长度拉伸区长度2L+W2L+W拉伸区内逐渐变小的光纤半径拉伸区内逐渐变小的光纤半径r r耦合区中两根光纤的半径差耦合区中两根光纤的半径差DrDr总拉伸长度总拉伸长度光约束在光约束在纤芯中传播纤芯中传播光纤半径减小光纤半径减小V V明显减小明显减小部分光在部分光在纤芯外传播纤芯外传播发生耦合发生耦合P P3 3P P1 1P P2 2P P0 0光输入光输入后向反后向反( (散散) )射光射光直通功率直通功率耦合功率耦合功率火焰宽度决定火焰宽度决定拉伸时决定拉伸时决定四、四、耦合器件种类及应用耦合器件种类及应用按照结构分按照结构分1

30、 12 2，2 2 2 2，3 33 3，1 1 NN，N N NN光耦合器光耦合器18单模光纤耦合器的二级构造单模光纤耦合器的二级构造 四四、耦合器件种类及应用耦合器件种类及应用2 2 2 2光耦合器光耦合器熔锥型光纤耦合器的结构图熔锥型光纤耦合器的结构图 耦合器实物图耦合器实物图四、四、耦合器件种类及应用耦合器件种类及应用按照传输波长分按照传输波长分窄带耦合器窄带耦合器，宽带耦合器，波分复用器，宽带耦合器，波分复用器，波长敏感耦合器波长敏感耦合器窄带耦合器，工作带宽为窄带耦合器，工作带宽为10 nm；宽带耦合；宽带耦合器，工作带宽为器，工作带宽为40 nm）或不同波段的合波）或不同波段的合

31、波功能（波分复用器）功能（波分复用器） 2 1直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1， 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2公共臂公共臂熔锥光纤型波长耦合器熔锥光纤型波长耦合器 1 2P 0 P1 P2波分复用器波分复用器WDMWavelength Division MultiplexerWDMWavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信根光纤

32、中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。号区分出来。波分复用器波分复用器波分复用器（图例）波分复用器（图例） 1传送器传送器 2传送器传送器 1+ 2 1+ 2 1接收器接收器 2接收器接收器波分复用器波分复用器二类用途一类用于通信系统，作为一类用于通信系统，作为1300 nm1300 nm和和1550 nm1550 nm的合波、分波的合波、分波器；器；另一类用于掺杂光纤的激光器和放大器，作为信号光和泵浦另一类用于掺杂光纤的激光器和放大器，作为信号光和泵浦光的合波器。主要工作波长有光的合波器。主要工作波长有1017/1310 nm1017/1310 nm、807/1550 nm8

33、07/1550 nm、980/1550980/1550和和1480/1550 nm1480/1550 nm等几种，等几种，其中研制其中研制1480/1550 nm1480/1550 nm的波分复用的难度最大。由于其波分的波分复用的难度最大。由于其波分间隔小间隔小(70 nm)(70 nm)，受到熔锥形耦合器中固有的偏振分离现象的，受到熔锥形耦合器中固有的偏振分离现象的限制，它的波长隔离一般只有限制，它的波长隔离一般只有15 dB15 dB左右。因此，通过这种左右。因此，通过这种研制工艺，要想在同一个光通信波段研制工艺，要想在同一个光通信波段(1310 nm(1310 nm或或1550 nm)1

34、550 nm)，即在小于即在小于40 nm40 nm的波段内实现二个以上的波分复用，似乎是的波段内实现二个以上的波分复用，似乎是不可能的。为此，不可能的。为此，McLandrichMcLandrich通过改变常规耦合器的拉锥工通过改变常规耦合器的拉锥工艺，首先研制成功了艺，首先研制成功了1550 nm1550 nm波段最小波分复用间隔为波段最小波分复用间隔为16 16 nmnm的窄带波分复用器。的窄带波分复用器。 输入光输入光 1 4 3 2 1 4 3 2光光 栅栅输入光输入光光光 栅栅其它波长耦合器其它波长耦合器-光栅型光栅型光栅具有特殊性质：光栅具有特殊性质：(与与波长相关波长相关的反射

35、特性的反射特性)不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们可以被分开。不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们可以被分开。mdisinsin光栅光栅：材料材料（结构结构）中的周期性扰动中的周期性扰动midsinarcsin光纤光纤自聚焦透镜自聚焦透镜光栅光栅 1+ 2+ 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1 2 3光栅型波长耦合器光栅型波长耦合器介质薄膜干涉型滤波器介质薄膜干涉型滤波器介质薄膜型波长耦合器介质薄膜型波长耦合器自聚焦透镜自聚焦透镜 1+ 2 1+ 2 1 2介质薄膜滤波器介质薄膜滤波器 1 2介质薄膜型波长耦合器介质薄膜型波长耦合器 1+ 2+ 3+ 4 2 3 4 4 3 2 1 1+

36、 2+ 3+ 4 1介质薄膜介质薄膜1 1介质薄膜介质薄膜2 2介质薄膜介质薄膜3 3波长介质膜波长耦合器波长介质膜波长耦合器四、四、耦合器件种类及应用耦合器件种类及应用按照偏振模式分按照偏振模式分普通耦合器普通耦合器，保偏耦合器保偏耦合器保偏光纤耦合器保偏光纤耦合器是应用于光纤传感系统和光纤相干系统等是应用于光纤传感系统和光纤相干系统等对偏振敏感系统的重要光纤无源器件。保偏光纤耦合器的对偏振敏感系统的重要光纤无源器件。保偏光纤耦合器的最大特点是能稳定地传输两个正交的线偏振光，并能长距最大特点是能稳定地传输两个正交的线偏振光，并能长距离地保持各自的偏振态不变。这就为能制造离地保持各自的偏振态不

37、变。这就为能制造高性能、高精高性能、高精度度光纤传感器和光纤惯性器件提供了条件。保偏光纤耦合光纤传感器和光纤惯性器件提供了条件。保偏光纤耦合器能将在一根保偏光纤中传输的线偏振光分成二路，在二器能将在一根保偏光纤中传输的线偏振光分成二路，在二根保偏光纤中传输，并保持偏振态不变，即保持仍沿主轴根保偏光纤中传输，并保持偏振态不变，即保持仍沿主轴传输，且具有传输，且具有高的消光比高的消光比。额外损耗、耦合比、消光比受。额外损耗、耦合比、消光比受保偏光纤自身因素影响。保偏光纤自身因素影响。四、四、耦合器件种类及应用耦合器件种类及应用按照偏振模式分按照偏振模式分普通耦合器普通耦合器，保偏耦合器保偏耦合器保

38、偏光纤耦合器应用。保偏光纤耦合器为相干光通信保偏光纤耦合器应用。保偏光纤耦合器为相干光通信和光纤陀螺等用户的产品开发提供了甚为关键的光学和光纤陀螺等用户的产品开发提供了甚为关键的光学器件。以国外研究非常活跃的光纤陀螺为例，保偏光器件。以国外研究非常活跃的光纤陀螺为例，保偏光纤耦合器以其无与伦比的优势取代了机械旋转质量陀纤耦合器以其无与伦比的优势取代了机械旋转质量陀螺的烦冗操作和诸多的日常维护，也克服了环形激光螺的烦冗操作和诸多的日常维护，也克服了环形激光陀螺的锁定现象，更省去了为保持小转速时的灵敏度陀螺的锁定现象，更省去了为保持小转速时的灵敏度所采取的防机械抖动措施。光纤陀螺则既便于使用又所采

39、取的防机械抖动措施。光纤陀螺则既便于使用又更精确，因此比起传统的陀螺，它具有更为广阔的应更精确，因此比起传统的陀螺，它具有更为广阔的应用前景。基于用前景。基于SagnacSagnac干涉原理的干涉型光纤陀螺已成干涉原理的干涉型光纤陀螺已成为波音为波音777777导航系统的一部分。导航系统的一部分。四、四、耦合器件种类及应用耦合器件种类及应用按照偏振模式分按照偏振模式分普通耦合器普通耦合器，保偏耦合器保偏耦合器此外，它还可应用于小汽车、火车和船舶的导航和运此外，它还可应用于小汽车、火车和船舶的导航和运动监测，如天线、摄像机的稳定器，机器人、铲车、动监测，如天线、摄像机的稳定器，机器人、铲车、农业

40、机械的控制和导航，煤气、电力、通信、电缆光农业机械的控制和导航，煤气、电力、通信、电缆光缆的管道测绘，航天飞机、火箭的导航。仅日本尼桑缆的管道测绘，航天飞机、火箭的导航。仅日本尼桑公司车辆导航系统对光纤陀螺的需求量就达每月公司车辆导航系统对光纤陀螺的需求量就达每月2500250030003000个，即个，即250025003 3300030003 3个保偏光纤耦个保偏光纤耦合器。播种和喷药用直升飞机每年需要合器。播种和喷药用直升飞机每年需要100010003 3个保偏个保偏光纤耦合器。由此可见，随着相干光通信和光纤陀螺光纤耦合器。由此可见，随着相干光通信和光纤陀螺等的快速发展，保偏光纤耦合器的

41、需求量也会与日俱等的快速发展，保偏光纤耦合器的需求量也会与日俱增。增。 五、五、光纤耦合器光纤耦合器的制作的制作方法：方法：蚀刻法，研磨法，熔融拉锥法蚀刻法，研磨法，熔融拉锥法1.1.蚀刻法：最先是由蚀刻法：最先是由SheemSheem和和GiallorenziGiallorenzi发明，发明，将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包层，从而使光纤纤蚀掉光纤四周的涂覆层和包层，从而使光纤纤芯相接近，实现两光纤间的耦合。这种方法虽芯相接近，实现两光纤间的耦合。这种方法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而然简单，但制作出来的耦合

42、器不仅不耐用，而且对环境温度的变化很敏感，缺乏使用价值。且对环境温度的变化很敏感，缺乏使用价值。五、五、光纤耦合器光纤耦合器的制作的制作方法：方法：2.2.研磨法：研磨法：BerghBergh等人发明等人发明了光纤研磨法，是将每根了光纤研磨法，是将每根光纤预先埋入玻璃块的弧光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，同时监面进行研磨抛光，同时监视光通量，研磨结束后，视光通量，研磨结束后，在磨面上加以小滴匹配液，在磨面上加以小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤再将光纤拼接，做成光纤耦合器。这种办法克服了耦合器。这种办法克服了分立元件法的一些缺点，分立元件法的一

43、些缺点，并可做成分光比可调的耦并可做成分光比可调的耦合器（目前仍是制作这类合器（目前仍是制作这类器件的一种选择），器件器件的一种选择），器件的实用性也有所提高，但的实用性也有所提高，但制作困难，成品率低，环制作困难，成品率低，环境特性也不理想。境特性也不理想。五、五、光纤耦合器光纤耦合器的制作的制作方法：方法：3.3.熔融拉锥法：具体是将两根（或两根以上）除去涂覆熔融拉锥法：具体是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光的耦合。常用的加热源是氢氧波导结构，实现传输光的耦合。常用的加热源是氢氧焰或氢焰等，加热源有的采用固定式，有的采用可移焰或氢焰等，加热源有的采用固定式，有的采用可移动式。这种方法可以用计算机较精确地控制各种过程动式。这种方法可以用计