第三章 光功率分配器
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第三章 光功率分配器
Bergh等人发明的光纤研磨法，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。
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第三章 光功率分配器
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。
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第三章 光功率分配器
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第三章 光功率分配器
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第三章 光功率分配器
项 目 工作波长 插入损耗(最大．dB) 均匀性(±dB)
1(2)×3 1(2)×4 1(2)×8 1(2)×12 1(2)×16
1310、1550nm, 其他可选 5.3 0.5 7.0 0．6 10.6 1.2 13.2 L6 14.2 1.8
6） PDL 分别对各输出端口而言
j) / Max(P j)] PDL = -10lg [Min(P out 华南师大光电学院 out 黄旭光
第三章 光功率分配器
7) 隔离度(Isolation) 指光纤耦合器件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 。
• 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 工艺方面更易控制，且没有路数的限制
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第三章 光功率分配器
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，并实时监控光纤输出端口的光 功率。
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第三章 光功率分配器
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 技术尚在发展、完善之中。
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第三章 光功率分配器
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。
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星形耦合器: 具有N×N(N>2)端口的耦合器
项 目 4× 4 8× 8 16×16 1310、1550nm，其他可选
工作波长
插 入 损 耗 (dB) ≤ 7． 0 均匀性(士 0． 8 dB) 方向性 60dB
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第三章 光功率分配器
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。有对称和非对称两种基本结构。 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。
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第三章 光功率分配器
第三章 光功率分配器
1. 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)、光纤传感技术等领域的迅猛 发展，应用越来越广泛。
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方向性
工作温度
~60dB
- 40℃～85℃
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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≤ 5％。实际 上可用在1250～1600nm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”。
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第三章 光功率分配器
• 耦合机理 传导模进入熔锥区，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”。
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第三章 光功率分配器
(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。
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1 x 8 Splitter Test Data
0 -2 -4
IL(dB)
-6 -8 -10 -12 1510 1530 1550 1570 1590 1610
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IL1 IL2 IL3 IL4 IL5 IL6 IL7 IL8
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• Real Sample: 1 x 2n broadband splitter
Insertion loss of 1 x 4 splitters: Y junction: 0mm, 3dB; 2mm, 3.7dB; opt., 3.15dB FWC loss: regular, 0.7 dB; FWC taper, 0.2 dB Prop. loss: 0.1 dB ( 0.05 dB/cm x 2 cm ) Fab. Loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/junction x 2 ) 0.8dB Assem. loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/end x 2 ) Non-uniformity: 0.3 dB Total loss: regular, 8.9 dB; opt., 7.3 dB
2. 类型 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
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3.光耦合器 分立光学元件组合型、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。
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第三章 光功率分配器
•
全光纤器件: 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。
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华南师大光电学院6 - 6 m Nhomakorabea旭光 m
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黄旭光 6 – 6.358 mm
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第三章 光功率分配器
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 : ①体积小， 重量轻，易于集成。②机械及环境稳定 性好。缺点:①技术尚不完善，分光比难 控制 , 在商品化方面还需努力。②波导 制作工艺需投入价格昂贵设备。③制作 波导母板成本较高，非批量生产得不偿 失。
工作温度
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≤ 10.6 1.2
≤14.2 2． 0
-40C ~ 85C
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第三章 光功率分配器
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 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(N>2)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 光功率分配器
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
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5）均匀性(Uniformity) 用来衡量均分器件的“不均匀程度”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。
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第三章 光功率分配器
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，只要适当 调整b1、b2的相对大小，就可做成任意 分光比的宽带耦合器。
Wavelength (nm)
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6.光功率分配器的特性参数 1) 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 2) 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。体现器件质量的指标，反 映器件的固有损耗，与分光比无关。 华南师大光电学院 黄旭光
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Bergh等人发明的光纤研磨法，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。
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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。
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项 目 工作波长 插入损耗(最大．dB) 均匀性(±dB)
1(2)×3 1(2)×4 1(2)×8 1(2)×12 1(2)×16
1310、1550nm, 其他可选 5.3 0.5 7.0 0．6 10.6 1.2 13.2 L6 14.2 1.8
6） PDL 分别对各输出端口而言
j) / Max(P j)] PDL = -10lg [Min(P out 华南师大光电学院 out 黄旭光
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7) 隔离度(Isolation) 指光纤耦合器件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 。
• 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 工艺方面更易控制，且没有路数的限制
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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，并实时监控光纤输出端口的光 功率。
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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 技术尚在发展、完善之中。
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第三章 光功率分配器
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。
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星形耦合器: 具有N×N(N>2)端口的耦合器
项 目 4× 4 8× 8 16×16 1310、1550nm，其他可选
工作波长
插 入 损 耗 (dB) ≤ 7． 0 均匀性(士 0． 8 dB) 方向性 60dB
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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。有对称和非对称两种基本结构。 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。
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1. 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)、光纤传感技术等领域的迅猛 发展，应用越来越广泛。
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方向性
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~60dB
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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≤ 5％。实际 上可用在1250～1600nm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”。
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• 耦合机理 传导模进入熔锥区，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”。
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(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。
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• Real Sample: 1 x 2n broadband splitter
Insertion loss of 1 x 4 splitters: Y junction: 0mm, 3dB; 2mm, 3.7dB; opt., 3.15dB FWC loss: regular, 0.7 dB; FWC taper, 0.2 dB Prop. loss: 0.1 dB ( 0.05 dB/cm x 2 cm ) Fab. Loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/junction x 2 ) 0.8dB Assem. loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/end x 2 ) Non-uniformity: 0.3 dB Total loss: regular, 8.9 dB; opt., 7.3 dB
2. 类型 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
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3.光耦合器 分立光学元件组合型、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。
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•
全光纤器件: 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。
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≤14.2 2． 0
-40C ~ 85C
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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 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(N>2)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 光功率分配器
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
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5）均匀性(Uniformity) 用来衡量均分器件的“不均匀程度”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。
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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，只要适当 调整b1、b2的相对大小，就可做成任意 分光比的宽带耦合器。
Wavelength (nm)
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6.光功率分配器的特性参数 1) 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 2) 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。体现器件质量的指标，反 映器件的固有损耗，与分光比无关。 华南师大光电学院 黄旭光