耦合器基本原理

2πa V= λ
n12-n22
熔锥区截面示意图
两光纤波导之间的耦合
在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够 逼近，形成弱耦合。
弱耦合理论的基本思想是：相耦合的两波导中 的场，各自保持了该波导独立存在时的场分布和传 输系数，耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变 化。
两光纤耦合过程光功率分配状况
P1(z)=
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
ILi=
-10×lg
Pouti Pin
2、附加损耗（Excess Loss，EL）
指耦合器全部输出端口光功率总和相对全部输入光功率 的减少值。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
EL= -10×lg ∑Pout Pin
3、分光比（Coupling Ratio，CR） 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
耦合器的基本原理
刘新夫 2004-05
定义及分类
1、定 义 耦合器是一类能使传输中光信号在特殊结构的耦合区
发生耦合，并进行再分配的器件。
2、分 类 2.1 功能
光功率分配器(Splitter) 光波长耦合器(WDM coupler)
2.2 端口形式
X形耦合器(2×2 coupler)
Y形耦合器(1×2 coupler) 星形耦合器(M×N coupler,M、N>2) 树形耦合器(1、2×N coupler, N>2)
6、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL） 指当传输光信号的偏振态发生3600的变化时，器件各输
出端口输出光功率的最大变化量。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
PDL= -10×lg Min（Poutj） Max（Poutj）
6、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL） 指当传输光信号的偏振态发生3600的变化时，器件各输
指耦合器工作时，返回注入光的一端的输出光功率与
全部注入光功率的比较值。
P返
P注
Coupler
RL= -10×lg P返 P注
6、均一性（Uniformity） 对于均匀分光的耦合器，均一性定义为耦合器在工作
带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
Uniformity= -10×lg Min（Pout） Max（Pout）
因此，两多模光纤包层合并后，耦合臂的纤芯可以 “捕获）这些较高阶的模式，获得耦合光功率。
对于直通臂的较低阶的模式，由直通臂中输出，不 参与耦合。
宽带单模耦合器
当前光纤通信中采用的1310nm或1550nm的半导体 激光器一般都有±30nm的波长偏差，因此需要耦合器在 一个较宽的波长范围都能达到设计要求。
C D
0.1 7.561106 0
4000
4000
4500
5000
5500
6000 Z
6500
7000
7500
8000 8000
1、拉伸停止在C点，器件性能对波长最不敏感，离开C点， 波长敏感性逐渐增大，因此，如果拉伸停在C点，就能 在相应的中心波长获得最大的工作带宽，即“单窗口宽 带耦合器”。
2、如果拉伸停在D点，就能够改善两个中心波长的工作带 宽，即获得“双窗口宽带耦合器”。
2.3 工作带宽
单窗窄带耦合器(Standard Coupler) 单窗宽带耦合器(WFC) 双窗宽带耦合器(WIC)
2.4 传导模式
单模耦合器(Singlemode Coupler) 多模耦合器(Multimode Coupler)
耦合器的光学特性参数
1、插入损耗（Insertion Loss，IL） 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
熔融拉锥型WDM耦合器
在两光纤耦合过程中，其耦合系数C是包含波长λ 的量，因此，耦合系数对波长是敏感的，在制作过程中， 可以通过改变熔融拉锥条件，来增强这种敏感性，从而 制成波分复用器(WDM)。
如拉锥曲线图，拉伸终止在E点，两输出端口的一 端将获得1310nm波长的全部输出光功率，而另一端获 得1550nm波长的全部输出光功率。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
Pouti CR=
×100%
∑Pout
4、方向性（Directivity） 指耦合器工作时，输入一侧非注入光的一端的输出光
功率与全部注入光功率的比较值。
Pin Coupler
Pout
Directivity= -10×lg Pout Pin
5、回波损耗（Return Loss）
计算机
耦合机理
入端锥体 输入臂
耦合区
出端锥体 直通臂
耦合臂 入射光功率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 部分由“耦合臂”传到另一路光路。
熔锥型单模光纤耦合器
在单模光纤中，传导模是两个正交的的基模(HE11) 信号。传导模进入熔锥区后，纤芯变细，V值逐渐减少， 越来越多的光功率进入光纤包层。实际上的光功率是在 由包层作为芯，纤外介质(一般是空气)作为新的包层的 复合波导结构中传输的。
全
光纤蚀刻法
两光纤扭绞一起蚀刻，使光纤纤 心相接触实现耦合
方法简单，但产品不耐用对环 境温度敏感。
光 纤 型
光纤研磨法
对光纤侧面研磨，在磨面加匹配 液，再将光纤拼接。
可做成可调分光比耦合器，但 制作困难，成品率低，环境特 性不理想。
熔融拉锥法
平面波导型 平面光波导原理
体积小、分光比控制精确，易 于大批生产，尤其适合制作多 路均分耦合器。
目前通信领域的宽带耦合器的一般要求：1310nm 1550nm双窗口，每窗口带宽±50nm、分光比的变化不 大于5%。
宽带耦合器制作原理
用熔融拉锥工艺制作宽带耦合器的原理如图：
11 0.9
0.8
0.7
P(1.550.0075Z) 0.6
P(1.310.0075Z) 0.5
Yc(Z)
0.4
0.3
0.2
熔融拉锥型全光纤耦合器
熔融拉锥法（Fused Biconical Taper, FBT)
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， 实现传输光功率耦合的一种方法。
光源
光纤
夹具
光探测器
火焰
控制电路
熔融拉锥系统示意图
1-F2sin2(
C F
z)Biblioteka Baidu
P2(z)=
F2sin2(
C F
z)
P1(z)是直通臂的光功率， P2(z)是耦合臂的
光功率，z为拉锥长度。
12
2
1/F 1(14C22)2
耦合系数
C
2U2K0(Wdr) rV3K12(W)
U r(k2nc2o2) r是光纤半径，d是两光纤中心的间距，
W r( 2k2nc2)l nco和ncl分别是纤芯和包层的折射率，
(n c 2o n c 2)l (2 n c 2)o U和W是光纤的纤芯和包层参量，V是
V k k2rcno 2
孤立光纤的光纤参量，K0和K1是零阶 和一阶修正的第二类贝塞尔函数。
耦合比率与熔融拉锥长度的关系
1
0.9
0.8
C
D
0.7
P(1.550Z) 0.6
A
E
P(1.310Z) 0.5
Yc(Z)
0.4
B
0.3
0.2
0.1
0 4000
4500
5000
5500
6000 Z
6500
7000
7500
8000
熔锥型多模光纤耦合器
在多模光纤中，传导模若干个分立的模式，当传导 模（靠近光轴的模式为低阶模，离光轴较远的为高阶模） 进入熔锥区后，纤芯变细，同样导致V值逐渐减少，纤芯 中束缚的模式数减少，较高阶的模进入包层中，形成包 层模。
出端口输出光功率的最大变化量。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
PDL= -10×lg Min（Poutj） Max（Poutj）
耦合器的制作方法
制作方法
主要原理
特点
光学元件组合 型
光学元件（如透镜、发射镜、棱 镜等）的组合、拼接，耦合机理 为纯粹的几何光学原理
损耗大、与传输光纤耦合困 难，环境稳定性差。