第三章光功率分配器

1、第三章光功率(gngl)分配器基本功能光功率分配器(分路器)是把光信号分为多路输出的无源光器件。 早期它多用在从传输干路取出一定的功率，用于监控等。近年来，随着光纤通信、光纤用户网、光纤CATV、无源光网络(PON)、光纤传感技术(jsh)等领域的迅猛发展，应用越来越广泛。 华南师大光电学院 黄旭光共三十五页2. 类型(lixng) 耦合型分路器 - 光耦合器 分支型分路器 光耦合器: 使光信号在特殊的耦合区发 生耦合，并进行再分配的器件。 分支型分路器: 由分叉光路直接把光信 号分为多路输出的器件第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页3.光耦合器 分立光学元件组合型

2、、全光纤 型、平面波导型等。 早期的分立光学元件(如棒透镜、反射镜、棱镜等)的组合(zh)拼接，耦合机理直观，可由几何光学方法进行描述。存在损耗大、与光纤耦合困难、环境稳定性较差等不足。第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 全光纤器件(qjin): 直接在两根(或以上)光纤之间形成某种形式的耦合。 最先由Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法，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，从而使光纤纤芯相接触，实现两根光纤间的耦合。这种方法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而且对环境温度的变化很敏感，无实用价值。第三章光功率(gn

3、gl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页Bergh等人发明(fmng)的光纤研磨法，将每根光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光通量，研磨结束后，在磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。克服了分立元件法的一些缺点，分光比可调, 但制作困难，成品率低，环境特性也不理想。 第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 八十年代初开始用光纤熔融拉锥法。 将两根(或多根)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧(lin c)拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的耦合波导结构。 制作光纤耦合器的主要方法，具有极低的

4、附加损耗(0.05dB)、方向性好(60dB)、稳定性好、方法简单、灵活、成本低廉、适于批量生产等优势。第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 采用氢氧焰或丙烷氧焰等加热源，或电加热采用固定式或可移动式, 用计算机控制各种参量，并实时监控(jin kn)光纤输出端口的光功率。 第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 集成化是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(b do)原理制作的光耦合器具有体积小、易于大批量生产等特点，尤其适于制作多路均分(如64路以上)的树形和星形耦合器。但分光比难控制。其技

5、术尚在发展、完善之中。第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页耦合机理传导模进入(jnr)熔锥区，纤芯不断变细，V值渐减小，越来越多光功率渗入包层中。在熔锥区两包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。在输出端，纤芯渐变粗，V值增大，光功率被两纤芯以特定比例“捕获”。第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页星形耦合器: 具有(jyu)NN(N2)端口的耦合器第三章光功率(gngl)分配器 项

6、 目 44 88 1616 工作波长 1310、1550nm，其他可选 插入损耗(dB) 70 10.6 14.2 均匀性(士dB) 08 1.2 20 方向性 60dB 工作温度 -40C 85C华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 星形耦合器制作方法: 直接拉制法和基本单元拼接法。 直接拉制法: 将N根光纤，以合适的拓扑(tu p)结构紧密接触后，在较强加热源作用下，一次熔融拉锥获得星形耦合器 树形耦合器:具有1(2)N(N2)端口的功率分配器件，在制作方法上可采用直接拉制法和基本单元拼接法。 第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页第三章光功率(gngl)分配器华南

7、师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页第三章光功率分配器 项 目 1(2)3 1(2)4 1(2)8 1(2)12 1(2)16 工作波长 1310、1550nm, 其他可选插入损耗(最大dB) 5.3 7.0 10.6 13.2 14.2均匀性(dB) 0.5 06 1.2 L 6 1.8方向性 60dB工作温度 - 4085华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页 4. 宽带耦合器 上述耦合器整个带宽只有20nm。宽带耦合器的要求：1310nm和1550nm双窗口，每窗口带宽土50nm、分光比变化(

8、binhu) 5。实际上可用在12501600nm整个范围，分光比变化 10 如将拉伸终止在C点，器件性能将对波长最不敏感。如能使C点处于所希望的分光比位置，就能在相应中心波长获最大工作带宽，这是所谓“单窗口宽带耦合器”。第三章光功率分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页 如将拉伸终止点选在D，就可改善两个中心波长的工作带宽，获得所谓的“双窗口宽带耦合器”。 技术关键是能够将C(或D)点调整到所需要的功率分配比位置。从实质上讲，就是要使两光纤之间实现不完全功率转换。当两光纤传播常数b不相等时，光纤间的最大耦合功率F2小于1。因此(ync)，只要适当调整b1、b2的相对大小，就可

9、做成任意分光比的宽带耦合器。 第三章光功率分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页(1)对两相同光纤中的一根预腐蚀或预拉伸，造成传播常数偏差，再熔锥成宽带耦合器。优点是，光纤容易获得，传播常数偏差调整方便。缺点(qudin)是工序较繁琐，预处理后的光纤机械性能变差，制作效率较低。(2)采用结构参数存在差异的商用光纤(外径相同，纤芯直径有差异)。优缺点与上法正相反，但对于分光比较为固定的情况(市场需求大的1:1器件)，采用该法很有优势。 第三章光功率分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页6 - 6 mm华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页6 6.358

10、mm华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页6 6.5 mm华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页 平面波导光耦合器: 利用平面光波导工艺制作的光耦合器件。从技术及工艺角度来讲，更为复杂。优点: 体积小，重量轻，易于集成。机械及环境稳定性好。缺点:技术尚不完善(wnshn)，分光比难控制, 在商品化方面还需努力。波导制作工艺需投入价格昂贵设备。制作波导母板成本较高，非批量生产得不偿失。 第三章光功率分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页 第三章光功率(gngl)分配器5. 分支型波导分路器可由离子交换玻璃波导、SiO2/Si波导或聚合物波导构成。有对称和非对称

11、两种基本(jbn)结构。由于与光的分布耦合无关，其带宽仅取决于模色散的限制，因此极适合制作宽带分路器，单窗口带宽可达100nm。华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 制作关键: 抑制分支点产生二阶横模及确定量佳的分支角。前者要求在分支点前面选择合适的斜坡形波导；后者要兼顾最小分支角和分支点处散射损耗随分支角增大而增加。对于非均分分路器，应采用非对称分支，分光比通过调整分支角来控制。树形分路器可采用对称多分支结构，但更多采用两分支波导串接方法。因为在工艺(gngy)方面更易控制，且没有路数的限制 第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页第三章光功率(gngl)分配器华南师大

12、光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页 Real Sample: 1 x 2n broadband splitter Insertion loss of 1 x 4 splitters: Y junction: 0mm, 3dB; 2mm, 3.7dB; opt., 3.15dBFWC loss: regular, 0.7 dB; FWC taper, 0.2 dBProp. loss: 0.1 dB ( 0.05 dB/cm x 2 cm )Fab. Loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/junction x 2 ) Assem. loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/end

13、x 2 )Non-uniformity: 0.3 dBTotal loss: regular, 8.9 dB; opt., 7.3 dB0.8dB第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院(xuyun) 黄旭光共三十五页6.光功率分配器的特性参数 插入损耗(IL) 指定输出端口的光功率与全部输入功率的比值。不仅有固有损耗因素，还有分光比的影响 附加损耗(Excess Loss) 所有输出端口的光功率总和与全部输入功率的比值。体现器件质量

14、的指标，反映(fnyng)器件的固有损耗，与分光比无关。第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页3) 分光比(Coupling Ratio) 分配器特有技术术语，定义为各输出端口输出功率的比值，常用(chn yn)百分比表示。4）方向性(Directivity) 输入侧非注入光的一端的输出光功率与全部注入光功率的比值，以dB为单位第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页5）均匀性(Uniformity) 用来衡量均分器件的“不均匀程度(chngd)”的参数。定义为在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化量。第三章光功率(gngl)分配

15、器6） PDL 分别对各输出端口而言PDL = -10lg Min(Poutj) / Max(Poutj) 华南师大光电学院 黄旭光共三十五页7) 隔离度(Isolation) 指光纤耦合器件(qjin)的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。隔离度高，意味着线路之间的“串话(crosstalk)小。第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页 光分路器形成了熔融拉锥型器件为主、波导型器件逐渐发展起来的局面。光分路器已成为仅次于光连接器的重要无源器件。随着光纤通信、光纤CATV、局域网、光纤用户网及接入网的迅速发展，光分路器的需求会进一步增大。多路数的树形星形分路器将越来越重要，宽带化是对光分路器的基本(jbn)要求。从批量生产、宽带和树形的角度，波导型分路器具有优势。未来的光分路器将是宽带、集成化(无源集成和与有源器件集成)、低损耗、易接入的器件。第三章光功率(gngl)分配器华南师大光电学院 黄旭光共三十五页内容摘要第三章光功率分配器。光功率分配器(分路器)是把光信号分为多路输出的无源光器件。型、平面波导型等。44。88。1616。宽带