平面光波导分路器工作原理简介

1、6平面光波导分路器工作原理简介分路器作为FTTx网络的核心部件，其在无源光网络(Passive OpticalNetwork, PON)的一个典型应用表现在以下两个方面：1. 作为下行光信号(1490nm 和1550nm)的功率分配器(Power splitter) 使用2. 作为上行光信号(1310nm)的合束器(Combiner)使用详细的组网形式不是这里的讨论重点，读者可以参考相关专著(如GerdKeiser 的FTTX Concepts and Applications » )。这里主要讨论的是分路 器的工作原理和性能。目前市场上主流的分路器主要基于两种技术形式：熔融拉锥型(

2、FusedBiconical Taper, FBT)和平面光波导(PLC)型。同样的，两种技术形式孰优 孰劣，这里不作评论。无论基于何种技术形式的分路器，都是基于1x2基本结构的级联而成。FBT的1 x 2结构是一耦合器，而 PLC的是一 Y 分支结构。这个看似简单的 Y分支构件，其实并不简单，因为分路器的性 能优劣很大程度上就是由它决定的。如何设计一个性能优异的 Y分支结构属于技术机密(Classified technology),这里不便讨论。这里仅就基于平面 光波导技术的一个 Y分支结构的分路器，即1x2分路器的工作原理作一 简介。其实也就是从物理本质上粗略地解释为什么1x2分路器无论是

3、上行，还是下行信号，其插入损耗都是3 dB。1 x 2分路器的功能结构可以用图1(a)的框图来表示：一个单模输入波导，两个单模输出波导。中间用来分束的结构有很多种，这里只给出了3种结构：图1(b)的定向耦合器型(Directional Coupler, DC)，图1(c)的无间 距定向耦合器型(Zero-Gap Directional Coupler, ZGDC) ，以及图 1(d)的模 斑转换器型(Spot Size Converter, SSC)。定向耦合器型和零间距定向耦合 器型输入端都只用其中一个端口，并且无间距定向耦合器型其实是多模干 涉型(Multi-Mode Interferen

4、ce, MMI)。现行市场上热卖的 PLC分路器都是 SSC型的，之所以给出另外两种，是为了进行对比分析。首先来看图1(b)的DC,入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基 模(0阶模)。当该0阶模到达耦合区-两相互靠近的波导(间距为波长量级) 时，根据超模理论(Supermode theory),将会在耦合区激励出如图中所示 的两超模(由各独立波导中的0阶模叠加而成)：偶模(even mode)和奇模 (odd mode)，并且这两个超模具有几乎相等(近于简并)的传播常数。在偶 模中，位于2个波导内的电场波峰是同相位；而奇模中两波峰是反相位。根据这样的相位关系，两超模叠加的场分布光功率，可以

5、在相邻两波导中 周期性的，成二次正(余)弦函数的，不断的交替变换。图中示意图为刚好 等分(half = 3 dB)入射光强时的模式(FBT1 x 2分路器原理与此类同)。再来考察图1(c)中的ZGDC，同样的入射光在入射单模波导内只存在一 个模式：基模(0阶模)。虽然该结构也叫DC,但其工作模式与真正的 DC 完全不同。当入射0阶模到达两入射波导交叉点时，该处波导宽度突然增 大一倍，其场宽也必然增大，变成另一0阶模。由于这两个0阶模不满足场的连续性条件，因此必然同时伴随着另一模式-1阶模的激发，而且1阶模的强度与0阶模相同。如是在中间宽度 2w多模波导中便传输着两个模 式，并且最多只有这两个模

6、式：0阶模和1阶模（该2w波导为双模波导）。这样，在该区域内，光场分布就是这两个模式 （0阶模，1阶模）的相互干涉 场分布（前面提到的MMI） o图中示意图为刚好在两输出单模波导中等分 （half = 3 dB）输入光强时的模式。图1（d）就是现行市场上的PLC1 x 2分路器-Y分支。其工作原理如下： 当入射单模波导内的0阶模刚到达锥形区域-SSC时，这里波导结构并无 发生任何变化，因此仍然保持该0阶模的形态。当该0阶模继续在SSC中传播时，虽然波导宽度不断变宽到2w,此时该波导内可以存在两个模式（前已述）。然而，由于SSC区域变宽的很缓慢，在每一点，都可认为满 足场的连续性条件，所以并不会

7、激发起高阶模（这里是1阶模），而仅是0阶模的宽度随着波导的变宽而不断变宽，最后被输出单模波导等分（half =3 dB）输入光强。这三种类型的1 x2分路器，两输出端都可以等分输入光强。其中前两 种类型，由于在光传播方向上的结构是对称的，反过来用即光从任一原输 出端输入时，从原输入波导中输出3 dB(= half)的光这很好理解(1.另3 dB 的光从另外一波导输出；2.光路可逆-在光传播方向上结构对称)。然而， 第三种结构表像看来，也出现相同的结果，即光从任一原输出端输入时， 从原输入波导中输出3 dB(= half)的光。关键是这种情况下输出波导只有 一根，那另外3 dB的光去哪儿了呢？答

8、案是另外 3 dB的光辐射损耗掉了。 (这里顺便提一下，在前面的解释过程中其实还涉及到传播常数最接近原则”，读者有兴趣可以自己去了解一下)解释上面提到的这个现象， 我们只需要对比图1(e)和(f)就知道了。当从 一输入单模波导进来的0阶模到达两单模波导的交叉点时，将会同时等强度的激发起另一 0阶模和1阶模(前已述)。在图1(e)中，这两个模式的光可以保持原状继续往前传播。而在图 1(f)中，当两个模式的光继续往前传播时，SSC区域不断变窄到w(仅能存在一个基模)，0阶模在这个过程中能继续往前传播，并不发生截止，而只是模场的宽度逐渐变小；但 1阶模 (属于高阶模)，在到达单模输出波导之前，已经发

9、生截止 (该1阶模不能成 为单模波导的导波模，只能成为辐射模)，从而被辐射出去。由于0阶模和1阶模的强度相同，所以输出单模波导输出输入光强的一半-3 dBo在图1(g)和(h)中，给出了两个实例，可以形象的了解SSC区域0阶模的模场宽度压缩和1阶模的截止辐射。当频率相同的相干光从两输入波导同相入射时(图1(g),将产生偶模激振。当两波导的间距逐渐变成零时，偶模中间的波谷逐渐变小，直至形成波峰，变换成 0阶模。该0阶模可以从输出单模波导中输出，其静态场分布图如图2(c)所示。而当频率相同的相干光从两输入波导反相入射时(图1(h),将产生奇模激振。当两波导的间距逐渐变成零时，奇模将会变换成1阶模。该1阶模随着SSC不断变窄而发生截