第四章 无源耦合器

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第四章 无源光耦合器器件
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标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率 变换关系式：
P1 ( z ) = cos 2 (Cz ) 2 P2 ( z ) = sin (Cz )
(4-15)
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图4.5 耦合比率与熔融拉锥长度的关系
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定向光耦合器——是一种2×2的3端或4端 是一种2 端或4 定向光耦合器 是一种 耦合器。只用于作分路器， 耦合器。只用于作分路器，不能作合路 器。 波分复用/ 解复用器——波分复用器是 与 波分复用器是 波分复用 / 解复用器 波分复用器 波长有关的耦合器， 波长有关的耦合器，用于把多个不同波 长的发射机输出的光信号组合在一起， 长的发射机输出的光信号组合在一起， 输入到一根光纤； 输入到一根光纤；解复用器用于把一根 光纤输出的多个不同波长的光信号分配 给不同的光接收机。 给不同的光接收机。
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熔融拉锥型全光纤耦合器
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4.2.2 耦合机理 对于单模光纤，传导模是两个正交的基模(HE11X, HE11y)信号。当其进入熔锥区时，随着纤芯不断 变细，光纤截止频率V逐渐减小，越来越多的光 功率渗入光纤包层中。“耦合区”构成了“光 纤包层为芯，空气为新包层”的复合波导，光 信号在其中传输；在输出端，纤芯逐渐变粗，V 值重新增大，光功率被两根纤芯以特定的比例 “捕获”，实现功率分配。
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4.2.3 星型耦合器 星形耦合器的功能类似于自由空间的无线 电通讯，将输入信号混合并将其传播至输出通 道。因此，星形耦合器是将无线电传播系统的 长处引入光纤传输系统。然而，缺点是混合通 道的相干，会导致半音及接收机灵敏度的恶化， 而且，对多模光纤的星形耦合器，模噪声会增 加。
MIN ( POUTi ) U .L = −10 log (dB) MAX ( POUT )
(4.5)
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6. 偏振灵敏度或偏振相关损耗 (Polarization Dependent Loss) 定义为不同偏振态线偏振光入射时， 定义为不同偏振态线偏振光入射时，最大插入损 耗值和最小插入损耗值之差。 耗值和最小插入损耗值之差。是指当光信号的偏振发 变化时， 生3600变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变 化量。是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏 化量。 感程度的参数，俗称偏振灵敏度。 感程度的参数，俗称偏振灵敏度。
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第四章
无源耦合器
常用光耦合器类型示意图
（a）T型 1 4 （c）定向型 2 3 λ1 λ2 λ
N
（b）星型
（d）波分复用型
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4.1.2 描述光耦合器特性的一般技术参数 1．插入损耗 ．插入损耗(Insertion Loss) 插入损耗定义为----指定输出端口的光功率相对全部 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。（或说是一个指定输入端光功 。（或说 输入光功率的减少值。（或说是一个指定输入端光功 和另一个指定输出端的光功率P 的比值。 率Pic和另一个指定输出端的光功率Poc的比值。
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4.1 概述 4.2 熔融拉锥型全光纤耦合器 4.3 波导型光耦合器 4.4 耦合器前景展望
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定义： 定义：能使传输中的光信号在特殊结构的耦合 区内发生耦合，并进行再分配的器件。 区内发生耦合，并进行再分配的器件。或光耦 合器是实现光信号分路/合路的功能器件 合路的功能器件。 合器是实现光信号分路 合路的功能器件。 光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多 个输出， 个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输 出。 耦合器（ 耦合器（coupler）基本结构 耦合器多为双向 ）基本结构: 基本形式有X型 无源器件 ， 基本形式有 型、Y型、树型、星 型 树型、 型等
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4.2.1 熔锥型光纤器件是全光器件中最具代表性的也是 构成其它器件的一种基础器件， 构成其它器件的一种基础器件，在光纤通信中得到了广 泛的使用，这是因为它具有以下特点： 泛的使用，这是因为它具有以下特点： (1)极低的附加损耗。目前，利用熔锥法制作的标准X(或Y) 极低的附加损耗。 极低的附加损耗 型耦合器的附加损耗已低于0.05dB，这是其他方法所难 以达到的。 (2)方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB， 方向性好。 方向性好 保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的 串扰。 (3)良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的 良好的环境稳定性。 良好的环境稳定性 影响可以限制到很小的程度。 (4)控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。 控制方法简单、 控制方法简单 灵活。 (5)制作成本低廉、适于批量生产。 制作成本低廉、 制作成本低廉 适于批量生产。
PIN 2 D.L = −10 log (dB) PIN 1
(4.4)
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熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理
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5.均匀性（Uniformity） 均匀性（ 均匀性 ） 均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程 均匀性就是用来衡量均分器件的“ 的参数。 度”的参数。对均分性的分路器定义均匀性 (dB)为所有输出端在整个工作波长范围内 带 为所有输出端在整个工作波长范围内(带 宽内)最大插入损耗与最小插入损耗之差 最大插入损耗与最小插入损耗之差， 宽内 最大插入损耗与最小插入损耗之差，即各 输出端口输出功率的最大变化量。 输出端口输出功率的最大变化量。非均分型的 分路器则不具有该指标。 分路器则不具有该指标。
E.Li
∑P = −10 log
OUTi
PIN
( dB )
（4.2）
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3．分光比（或耦合比）（ ．分光比（或耦合比）（Coupling ）（ Ratio）是指耦合器各输出端口的输出功 ） 率的比值， 率的比值，在具体应用中用相对于输出 总功率的百分比来表示。 总功率的百分比来表示。
P.D.L = −10 log
MIN ( POUT j ) MAX ( POUT j )
(dB)
(4.6)
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线偏振光：
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自然光：
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部分偏振光： 部分偏振光：
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7．隔离度(Isolation) 波长隔离度定义为被隔离的工作波长在该输出 端的插入损耗。 端的插入损耗。即指光纤耦合器件的某一光路 对其它光路中的光信号的隔离能力。 对其它光路中的光信号的隔离能力。它的意义 是与反映WDM器件对不同波长信号的分离能 是与反映 器件对不同波长信号的分离能 力。
Pt I = −10 log (dB) Pin
(4.7)
Pt是某一光路输出端测到的其它光路信号的功率值；Pin是被检测光信号 是某一光路输出端测到的其它光路信号的功率值； 的输入功率值。 的输入功率值。
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4.1.3光耦合器的制作方法 光耦合器的制作方法
⑴ 光纤型 全光纤型耦合器的制造方法有熔锥和研磨法两 种。 ①熔锥型光纤耦合器。把两根光纤或多根光纤排列，用熔 熔锥型光纤耦合器。把两根光纤或多根光纤排列， 拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成Y型耦 拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成 型耦 合器、定向耦合器和波分解复用器等。 合器、定向耦合器和波分解复用器等。 研磨型光纤耦合器。研磨型光纤耦合器制作过程是： ② 研磨型光纤耦合器。研磨型光纤耦合器制作过程是：将 两根光纤一边的包层研磨掉大部分剩下很薄的一层然后 将两根光纤研磨的一侧拼合在一起， 将两根光纤研磨的一侧拼合在一起，中间涂上一层折射 率匹配液， 率匹配液，于是两根光纤可以通过包层里的消失场发生 耦合， 耦合，得到所需的耦合功率。
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“熔融拉锥 熔融拉锥(fused bucolical taper，简称 熔融拉锥 ，简称FBT)”法就是 法就是 将两根(或以上 去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢， 或以上)去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢 将两根 或以上 去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢， 在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸， 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波导结构， 形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦 合的一种方法。 合的一种方法
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耦合器（ 耦合器（coupler） ）
主要功能再分配光信号 重要应用在光纤网络 尤其是应用在局域网 在波分复用器件上应用
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光耦合器分类
从端口形式 X型、Y型、星型以及树型 从工作带宽的角度 单工作窗口的窄带 单工作窗口的宽带 双工作窗口的宽带 从传导光模式 多模与单模 从器件工艺实现方式 分立光学元件组合型 光纤型光耦合器 集成波导型
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微器件型： ⑵ 微器件型： 用自聚焦透镜和分光片（光部分透射、 用自聚焦透镜和分光片（光部分透射、光 部分反射）、滤光片（一个波长的光透射，另 部分反射）、滤光片（一个波长的光透射， ）、滤光片 一个波长反射）或光栅（ 一个波长反射）或光栅（不同波长的光有不同 反射方向）等微光学器件可以构成Y型耦合器 型耦合器、 反射方向）等微光学器件可以构成 型耦合器、 定向耦合器和波分解复用器。 定向耦合器和波分解复用器。用2＊2的耦合器 ＊ 的耦合器 同样可以构成星状耦合器。 同样可以构成星状耦合器。自聚焦透镜在光无 源器件中起着非常重要的作用。 源器件中起着非常重要的作用。
POUTi I . L i = − 10 log ( dB ) PIN
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2．附加损耗(Excess loss)全部输出端口的输出光功 ．附加损耗 全部输出端口的输出光功 率总和相对于全部输入光功率的减少值。 率总和相对于全部输入光功率的减少值。附加损耗是体 现器件制造工艺质量的指标， 现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带 来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的 来的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的 输出功率状况，不仅有固有损耗的因素， 输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光 比的影响。所以插入损耗不能反映器件制作质量的优劣。 比的影响。所以插入损耗不能反映器件制作质量的优劣。
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在多模光纤中，传导模是若干个分离的模式，不 仅应在数值孔径角内，还要满足
4an1 sin θ = mλ (m = 1,2,3,LL) (4.16) 式中为 a 纤芯半径， n1 芯区折射率， θ 传
导模与光轴夹角， λ 传输光波长。 总的模式数为：
V2 M = 2
(4.17)
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⑶ 波导型 ： 在以平板衬底上制作所需形状的光波导， 在以平板衬底上制作所需形状的光波导， 衬底作支撑体，同时又做波导包层。波导的材 衬底作支撑体，同时又做波导包层。 料根据器件的功能来选择。一般是 料根据器件的功能来选择。一般是SiO2，横截 面为矩形或半圆形。 面为矩形或半圆形。
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几种常见光耦合器结构示意图
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光耦合器类型 型光耦合器——是一种2×1的3端耦合器，可把 是一种2 端耦合器， T型光耦合器 是一种 一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根 光纤，或把两根光纤的输入光信号组合在一起， 光纤，或把两根光纤的输入光信号组合在一起， 输入一根光纤。 输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分 配器或组合器。 配器或组合器。 星型光耦合器——是一种 n×m 的耦合器 ， 可把 n 是一种n 的耦合器， 可把n 星型光耦合器 是一种 根光纤输入的光功率组合在一起， 根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配 根光纤。 给m根光纤。
POUTi C.R = ×100% ∑ POUTi
(4.3)
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4.方向性（Directivity） 方向性是衡量器件定向传输特性的 参数。 参数。定义为从一个输入端到另一个输 入端的插入损耗，即在耦合器正常工作 入端的插入损耗， 时，输入一侧非注入光的一端的输出功 率与全部注入光功率的比较值， 率与全部注入光功率的比较值，数学表 达式为： 达式为：