光通信中关键器件_耦合器

中国科技信息２００５年第１０期 ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｍａｙ．２００５

光通信中关键器件－耦合器

冯霞 李平 葛祥友　山东大学信息科学与工程学院 ２５０１００

摘　要：随着光纤通信的迅速发展和日益普及，对耦合器的需求量与日俱增。本文从线性和非线性两个方面对耦合器的类型和特点进行了介绍。在线性部分对宽带耦合器作了较详细的分析。关键词：耦合器；光通信

１．引言

随着近几年光纤通信的迅速发展，光纤到家，光纤到路边的日益临近，对耦合器的需求量与日俱增。耦合器是将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的器件，属于光无源器件，广泛应用在光传输系统、有线电视、局域网中。以光孤子脉冲作为信息载体的全光通信系统已成为近年来的研究热点，非线性光纤耦合器作为此类系统的关键器件也引起高度重视。

２．耦合器技术性能指标

光耦合器的性能指标有插入损耗、分光比与隔离度等。现在以　定向耦合器为例对上面的各个性能指标进行描述。

图１ 定向耦合器

插入损耗：表示输入耦合器一个端口的功率与输出端口输出功率总和之差，即

（１）

其中，　为从输入端１或２输入的光功率，　为输出端３、４的输出功率。

分光比：表示耦合器输出端的功率分配

比，即　（２）

隔离度：反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从１端注入光功率，３、４端输出功率时，２端对１端的隔离度定义为，

（３）

光纤定向耦合器的插入损耗为０．２￣１ｄＢ，分光比１％￣９９％（根据需要），隔离度可大于６５ｄＢ。

３．　线性耦合器

下面分别介绍一下常见的几种线性耦合器。

３．１　定向耦合器

定向耦合器是指在光纤之间传输光信号来完成传统的光束分离功能的器件。双通道定向耦合器是优良平行的，传输常数相同的，相互之间距离很近的条波导构成。在两波导之间

３．２　保偏光纤耦合器

目前保偏光纤耦合器有熔融拉锥型和研磨抛光型两种。保偏光纤耦合器的最大特点是能稳定的传输两个正交的线偏振光，并能长距离的保持各自的偏振态不变。耦合器的参数如耦合比，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火焰形状、温度分布、拉伸速度等来控制。制造保偏光纤耦合器必须使两根保偏光纤偏振轴平行，这是制造保偏耦合器成败的关键。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２所示。

３．３　星型耦合器

星形耦合器是光纤通信网的关键部件，通常可采用　熔融拉锥光纤耦合器组成　星形耦合器，但其结构较为复杂。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。星型平板介质耦合器［１］的结构模型如图３所示。发射端口阵列位于以ｏ’为圆心的圆弧ｏ’ｐ’处，

图４　星型平板介质耦合器结构模型３．４　波导干涉耦合器［２］

多模干涉耦合器制作工艺简单、结构紧凑及容差性好，可以制成１ＸＮ和ＮＸＮ光开关、环形半导体激光器，还可以考虑制成用于无源光网络的光分路器。多模干涉耦合器的关键结构是能传输多个模式（一般大于３个）的多模波导。为了使光输入和输出多模波导，还必须由一些波导（一般为单模波导）放置在多模波导的起始端和终止端。分析多模波导场分布的方法很多，有全模式分析法、ＷＫＢ法、混合法、光束传输法和导模传输法等。输入（出）波导宽度及位置、干涉区长度等结构参量对多模波导耦合器性能参量存在一定的影响。

３．５　含布拉格光栅的光纤耦合器［３］

含光栅的光纤耦合器是一种可用于密集波分复用的、很有前途的波分复用器，它能使光纤布拉格光栅和光纤耦合器的优点得到很好的结合，容易做到低成本、高性能。目前对于布拉格光栅在对称光纤耦合器中作用的理论分析主要有两种，一种是普通耦合模理论，另一种是耦合超模理论。最近有人提出用统一耦合理论分析含布拉格光栅的对称光纤耦合器。由布拉格光栅和对称光纤耦合器组成的波分复用器如图４所示。在耦合区域内两完全相同的合纤芯（ａ和ｂ）共享同一包层，组成光纤耦合器的两根光纤为

单模光纤，它们的传播常数分别为．区域Ｌ１和Ｌ３代表普通方向耦合器部分，区域Ｌ１

代表含布拉格光栅的光纤耦合器部分。

的区域内，由于消逝场的重叠而发生相干耦合，光波可以从一个波导耦合到另一个波导中去。常用的制作方法是熔融拉锥法，就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输功率耦合的一种方法。定向耦合器可用耦合波方程分析。图１可用来表示熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理：入射光在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。在Ｙ型耦合器中，若直通臂与耦合臂的功率分别表示为Ｐ１（Ｌ）和Ｐ２（Ｌ），则标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的耦合比为

：（４）

式中Ｃ为耦合系数。

ｏｏ’＝Ｒ。带状波导宽度分别为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段口ｐ中以主模ψ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够激励起这个端口的主模。

由于　，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。

中国科技信息２００５年第１０期 ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｍａｙ．２００５

其中，

功率，

的传输特性及动态能量交换特性。在理论分析中要用到非线性 通过求解非线性光纤方向耦合器的光孤子动力学方程，可以分析非线性光纤耦合器中不同芯层内孤子脉冲的相位对能量交换特性的影响。当初始注入孤子信号的相位差选择恰当，可