光纤通信 光波导的横向耦合和耦合器
光纤耦合器的工作原理
光纤耦合器的工作原理光纤耦合器是光纤通信领域中的重要设备，用于将光信号从一个光纤传输到另一个光纤上，实现对光信号的分离、合并、调制和解调等功能。
其工作原理及结构一般可分为两大类：分束耦合器和合束耦合器。
一、分束耦合器（Star Coupler）分束耦合器是光纤耦合器中最常见的一种类型，也是应用最广泛的一种。
其工作原理基于光的干涉现象。
分束耦合器主要包括一束单模光纤输入接口和多束单模光纤输出接口。
输入光信号通过输入接口进入分束器内部，然后在分束器内部的特殊平台上发生分束变换。
平台上通常有一系列的光栅或其他透镜等元件，用于调整光信号的传播路径和干涉条件。
通过合理设计平台结构和元件参数，可以实现将输入光信号均匀地分派到各输出接口，并且使各输出光束相位保持一致。
分束耦合器的工作原理可以用以下步骤来描述：1. 输入光信号通过输入接口进入分束耦合器内部。
2. 在分束器内部的平台上发生分束变换。
这是通过光栅或者透镜等元件实现的，其作用是将输入光束分为多个光束，并将它们引导到不同的输出接口上。
3. 分束后的光束根据设计的干涉条件进行干涉。
这是由于输入光束的分向和分束的导致的，并且使得不同的光束在某些点上会具有相干性。
4. 干涉后的光束将被重新聚焦在每个输出接口上，并通过输出接口传出。
总结来说，分束耦合器的工作原理是通过光的分束、干涉和聚焦等过程，将输入光信号分成多个光束并重新聚焦到输出接口上，实现光的转换和分发功能。
二、合束耦合器（Re-Coupler）合束耦合器是光纤耦合器中的另一种常见类型，主要用于将多个光线合并为一个光线。
它与分束耦合器的工作原理正好相反。
合束耦合器主要包括多束单模光纤输入接口和一束单模光纤输出接口。
输入光信号通过输入接口进入合束器内部，然后在合束器内部的特殊平台上发生合束变换。
通过合理设计平台结构和元件参数，可以实现将多个输入光束合并为一个输出光束，并使其相位保持一致。
合束耦合器的工作原理可以用以下步骤来描述：1. 多个输入光信号通过多个输入接口进入合束耦合器内部。
5.1+光纤连接器和耦合器
4 光纤耦合器
光纤耦合器的功能是实现光信号的分路/合路， 就是把一个输入的光信号分配给多个输出或者把多 个输入的光信号组合成一个输出。
12
分路器 (3端口)
合路器 (3端口)
耦合器 (4端口)
光纤耦合器的分类
N星型耦合器 （多端口）
1
合波器
分波器
2 1 2
13
1 2 1 2
3
产生光纤连接损耗因素
端面反射 横向错位 角度倾斜 端面间非调心型 按连接方式：分为对接耦合式和透镜耦合式 按光纤相互接触关系：平面接触式和球面接触式
5
插针－套筒式光纤连接器
6
光纤连接器的分类
FC型光纤活动连接器 SC型光纤活动连接器 ST型光纤活动连接器 双锥型光纤活动连接器 DIN光纤活动连接器 MT-RJ型光纤活动连接器 LC型光纤活动连接器 MU型光纤活动连接器
6.1 光纤连接器和耦合器
1 光无源器件
光无源器件: 不含光能源的光功能器件的总称。 作用: 连接、耦合、分配、隔离、滤波等。
2
2 光纤连接器
光纤连接器：两根光纤之间完成活动连接的器件。 用途：各类有源及无源光器件之间、光器件与光纤线路之 间、各类测试仪器与光纤通信系统或光纤线路间的活动连 接。
光耦合器结构
熔锥型光纤耦合器 研磨型光纤耦合器 微光元件型光纤耦合器 集成光波导型耦合器
14
光耦合器实物
P1/N P1/N
P1/N
N×N
1×N
15
光纤耦合器性能参数
插入损耗 附加损耗 耦合比 串扰
16
7
FC型光纤活动连接器示意
8
光纤通信-第三节光波导的横向耦合和耦合器
( 1 . 5 5 m )
Optical fiber communications
17.03.2019
当Input1和Input2同时有能量输入，两光场频率相同，位相不同。 Output1和Output2的输出功率比值范围是很大的。
波导没有损失和反射，即输入波导的功率等于输出波导的功率。 Pin1+P1n2=Pout1+Pout2
2
Optical fiber communications
17.03.2019
若：
2 P () z p ( 0 ) c o s k z 1 1
2 P () z p ( 0 ) s i n k z 2 1
A、两波导中传输功率的变化规律是能量在两波导中周期性的转换。 B、在波导中，光功率从P2(0)=0到z=L0处最大。 /k ，转换 此时，P1(L0)=0,即光功率全部耦合进第二波导，L 0 2 长度，取不同的长度，即可改变两耦合波导的输出功率比，这就是 定向耦合器的基本原理。
0 . 7 5 P 0 . 2 5 P c o s 1 2 1
0 . 2 5 P 0 . 7 5 P c o s 1 2 2
c o s c o s 1 2
P 1 P 2 P
1 3 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( )p o u t1 | m a x 1 0 2) 2 2 3 1 P 0 . 2 5 P 0 . 7 5 P p o u t2 m 1 2 i n 2 3 12 2 P ( 0 . 7 5 P . 2 5 P ( ) p o u t 1| m i n 12 0 2) 2
z=0, a1(0), a2(0)
Optical fiber communications
光纤耦合器
预制棒体积： Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm 光纤体积： Vfiber= d2l/4, d=125 um 拉丝长度l：
Vpreform = Vfiber l = 6.4 10-5D2L (km)
二、光纤无源器件的蓬勃发展
光纤通信元件包括有源器件和无源器件等。 光纤通信的发展促进了光源、探测器等有源 器件的发展，同时由于工程应用的需要，各 种各样的光无源器件也相应的出现。光纤的 发展给光无源器件带来了新的一页。
3、光纤的构造
纤芯，光信号的传输
包层，限制光信号溢出 一次涂敷层（预涂层）， 保护光纤增加韧性 缓冲层，减少对光纤的压
力 二次涂敷层（套塑层），
加强光纤的机械强度
纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度 的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺 入 作极 用少 是量 提掺高杂纤剂芯，的如折射P2率O5。和纤G芯eO直2，径掺一杂般剂为的2a ＝3～100μm
1、光纤的诞生
1955年，美国人B. I. Hirschowitz (西斯乔威 兹) 把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管 中，将它们放在高温炉中拉制，得到玻璃(纤芯) －玻璃(包层)结构的光纤，解决了光纤的漏光问 题，这一结构在后来被广泛采用，就是今天的 光纤结构。但这时的光纤损耗是非常大高于 1000 dB/km，即使是利用优质的光学玻璃制 作光纤也无法得到低损耗的光纤。人们曾经一 度对玻璃这种材料产生怀疑，转向塑料光纤、 液芯光纤的研制。
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
2、光纤标准
通信用光纤经过二十几年的发展形成了一系列标准。 ITU-T国际电信联盟目前将单模光纤分为G.652
(完整word版)光纤耦合器光纤耦合器
光纤耦合器光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter），是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到，与光纤连接器分列被动元件中使用最大项的（根据ElectroniCat资料，两者市场金额在2003年约达25亿美元）。
光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属于DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（MicroOptics）、光波导式（WaveGuide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）。
烧结方式的制作法，是将两条光纤并在一起烧融拉伸，使核芯聚合一起，以达光耦合作用，而其中最重要的生产设备是融烧机，也是其中的重要步骤，虽然重要步骤部份可由机器代工，但烧结之后，仍须人工作检测封装，因此人工成本约占10～15％左右，再者采用人工检测封装须保品质的一致性，这也是量产时所必须克服的，但技术困难度不若DWDMmodule及光主动元件高，因此初期想进入光纤产业的厂商，大部分会从光耦合器切入，毛利则在20～30％。
国外业者有JDS、E-Tek、Oplink、Gould等，目前都已直接在大陆设厂生产耦合器跳线先说配线架吧，就是外线（电信线路）和内线进行交换为了方便管理而设的线路管理的机架。
通常外线是架好不用动的，内现在表层，员工调了位置或人员流动时就要对号码或分机进行相应的移动，这就是跳线。
跳线，实际上就是将用户的端口在交换机上（网络）和配线架上（语音）做一个调整，但现在的弱电几乎都是在配线架上面完成，网络和语音都在一块的，这就是网管的基本工作。
另外顺便说一句，现在还有一种光纤跳线，在配线架上面用的，俗名也叫跳线/尾纤，呵呵。
尾纤尾纤又叫猪尾线，只有一端有连接头，而另一端是一根光缆纤芯的断头，通过熔接与其他光缆纤芯相连，常出现在光纤终端盒内，用于连接光缆与光纤收发器（之间还用到耦合器、跳线等）。
什么是光纤耦合器？光纤耦合器的原理与用途是什么？
什么是光纤耦合器？光纤耦合器的原理与用途是什么？众所周知，光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，那么这就需要光纤耦合器来实现了。
那么，什么是光纤耦合器，光纤耦合器的原理与用途又是什么呢？什么是光纤耦合器1 别名：光纤耦合器又称光纤适配器，又称光纤法兰。
2 定义：光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。
3分类：根据光纤不同分类SC光纤耦合器:应用于SC光纤接口，若是8条细的铜触片，则是RJ-45接口，若是一根铜柱则是SC光纤接口。
LC光纤耦合器:应用于LC光纤接口，连接SFP模块的连接器，路由器常用。
FC光纤耦合器:应用于FC光纤接口，一般在ODF侧采用。
ST光纤耦合器:应用于ST光纤接口，常用于光纤配线架。
光纤耦合器的原理与用途是什么光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光纤耦合器来实现。
光纤耦合器又称光分路器、分光器，是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用M×N来表示一个分路器有M个输入端和N个输出端。
在光纤CATV系统中使用的光分路器一般都是1×2、1×3以及由它们组成的1×N光分路器1...原理可以分为熔融拉锥型和平面波导型两种，熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；平面波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。
这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。
熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体，而且可以耐孚机械振动和温度变化等优点，目前成为市场的主流制造技术。
可见光波段光纤耦合器
光纤耦合器是一种用于将光信号进行耦合、分束、组合的设备，广泛应用于光纤通信、光谱分析、生物医疗等领域。
在可见光波段，光纤耦合器的工作原理主要是基于光的全反射现象。
在可见光波段，光纤耦合器通常由两个平行的光纤阵列组成，每个阵列由不同波长的光信号组成。
当光信号通过光纤时，其传播路径受到折射率的影响。
如果光纤阵列的间隔恰好与光线的波长相符，那么光线将会完全被反射，无法穿透界面，形成全反射。
这一现象是光纤耦合器工作的基础。
当光线通过光纤耦合器时，光线会在两个平行光纤阵列的交界面上发生多次全反射，最终形成光束的聚焦。
通过调整光纤阵列的间隔和角度，可以控制光束的发散角度和方向，从而实现光束的耦合和分散。
因此，可见光波段光纤耦合器具有较高的光学精度和稳定性，能够实现精确的光束控制。
在应用方面，可见光波段光纤耦合器在光谱分析领域具有广泛的应用。
通过将不同波长的光线耦合进入一根光纤，光谱分析仪可以实现对光线的分光，并测量各个波长的强度。
这种设备广泛应用于环境监测、食品安全、医疗诊断等领域。
此外，可见光波段光纤耦合器在光纤通信中也发挥着重要作用。
在通信系统中，光纤是传输光信号的主要媒介。
通过光纤耦合器可以将多个光信号耦合进入同一根光纤，实现高速数据传输。
总的来说，可见光波段光纤耦合器是一种具有重要应用价值的光学器件。
它能够实现精确的光束控制和耦合，从而在光谱分析、光纤通信等领域发挥关键作用。
随着光学技术和制造工艺的发展，可见光波段光纤耦合器的性能和精度有望进一步提高，为更多领域的应用提供更多可能性。
光纤耦合器原理
光纤耦合器原理
光纤耦合器是一种能够将光信号从一根光纤传输到另一根光纤的装置。
它在光通信、光传感和光学成像等领域有着广泛的应用。
光纤耦合器的原理是通过光的折射和反射来实现光信号的传输和耦合。
下面我们将详细介绍光纤耦合器的原理。
首先，光纤耦合器的基本原理是利用光的全反射和折射。
当光线从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
而当光线从光密介质射向光疏介质时，会发生全反射现象。
光纤耦合器利用这些光学现象，通过精确设计的光学元件，将光信号从一根光纤传输到另一根光纤。
其次，光纤耦合器的原理还涉及到光的耦合和分离。
在光纤耦合器中，光信号需要从光源耦合到光纤中，然后从光纤耦合到接收器中。
而在光纤传输的过程中，由于光的波长和传播方式的不同，需要对光信号进行耦合和分离。
这就需要通过光学元件来实现光的耦合和分离。
最后，光纤耦合器的原理还包括光的损耗和衰减。
在光纤传输过程中，由于光的衍射、散射和吸收等现象，会导致光信号的损耗和衰减。
因此，光纤耦合器需要通过精确设计和优化，来减小光信号的损耗和衰减，以保证光信号的传输质量。
总之，光纤耦合器的原理是基于光的折射、反射、耦合和分离等光学现象，通过精确设计的光学元件，将光信号从一根光纤传输到另一根光纤。
同时，光纤耦合器还需要考虑光信号的损耗和衰减等问题，以保证光信号的传输质量。
希望通过本文的介绍，能够让读者对光纤耦合器的原理有一个更加深入的了解。
阵列光波导器件对准耦合的工艺要求
阵列光波导器件对准耦合的工艺要求作者：王麓雅杨林阳波来源：《电子世界》2012年第19期【摘要】精确对准耦合是阵列波导器件封装制造的关键技术，本文通过对光波导单模耦合模型的分析，研究了界面反射和几何对准偏差对模场耦合损耗的影响规律，提出了阵列波导器件对准耦合的工艺要求。
【关键词】阵列波导器件；集成光子器件；耦合损耗；几何对准偏差1.引言集成光子器件（Photonic Integrate Circuit，PIC）是以光电子集成技术为基础光子器件，是支撑下一代光纤通信高速发展的基础[1，2]。
阵列波导器件是集成光子器件的重要基础性部件，它采用半导体工艺在一个衬底上制造出波导光路，将分立光学元件的各种功能集成在同一光学衬底表面上，实现光功率分配、光开关、光滤波等功能，具有常规由许多分立光学元件构成的庞大光学系统的光信息处理能力。
阵列波导器件具有集成程度高、结构紧凑、体积小、抗干扰能力强、性能一致性好、可靠高、易于大规模生产等突出优势，成为集成光电子器件研究的前沿[3]。
光纤通信中常的阵列波导器件有：光耦合器（Coupler、Splitter）、复用器/解复用器、光调制器、光开关、可调谐光滤波器（OTF）等[4]。
阵列波导器件的对准封装是在视觉系统的引导下，利用两个6自由度亚微米精度对准平台，将输入阵列光纤、波导功能芯片和输出阵列光纤实现模场匹配的光学对准与模场耦合，并采用胶固化技术或焊接技术将各个模块精确固定，获得器件完整功能的生产过程。
阵列波导器件的对准过程需要将数十甚至数百通道同时实现亚微米级定位精度的精确对准，对准与封装成为阵列波导器件制造的基础，也是制约阵列波导器件发展的瓶颈之一。
本文通过分析单模光纤的模场耦合规律研究阵列波导器件对准耦合的工艺要求，为进一步研究阵列波导器件的对准提供技术指导。
2.阵列波导器件对准耦合理论阵列波导器件的对准封装工艺流程如下：（1）高精度阵列光纤制造。
将光纤带精确定位在石英基或硅基的V形槽中，然后采用胶固化技术将光纤带固定，制成光纤数量达到数十根甚至数百根的阵列光纤模块。
光纤耦合器 Coupler
光纤耦合器又名：分歧器光纤耦合器（Coupler）是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到，与光纤连接器分列被动元件中使用最大项的。
光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属于DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）。
烧结方式的制作法，是将两条光纤并在一起烧融拉伸，使核芯聚合一起，以达光耦合作用，而其中最重要的生产设备是融烧机，也是其中的重要步骤，虽然重要步骤部份可由机器代工，但烧结之后，仍须人工作检测封装，因此人工成本约占10～15％左右，再者采用人工检测封装须保品质的一致性，这也是量产时所必须克服的，但技术困难度不若DWDM module及光主动元件高，因此初期想进入光纤产业的厂商，大部分会从光耦合器切入，毛利则在20～30％。
光耦合器又名：光电隔离器光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
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jk21 exp
j z
a1 ( z )
失配位相常数， 1 2
k12,k21两波导的偶合系数，决定于耦合波导的系数也与波长有关。
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications
1-6 2020/3/20
k12, k21 当两波导完全相同时，
k12, k21 k 为实数
耦合波的传输矩阵
j sin kz a1(0)
cos kz
a2
0
P1 ( z )
a1 ( z )a1
1 2
a12
0 cos 2
kz
a22 (0) sin 2
kz
p1(0) cos2 kz p2 (0)sin2 kz
P2 (z)
a2 (z)a2
1 2
a22
0 sin 2
kz
a22 (0)cos2kz
a1(z) a1(0)cos kz ja2 (0)sin kz
a2 (z) a2 (0)cos kz ja1(0)sin kz
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications
1-8 2020/3/20
a1( z) a2 (z)
cos kz j sin kz
Optical fiber communications 1-11 2020/3/20
Problem Symmetric Directional Coupler
a)参考一对定向耦合器，当工作波长为1.55µm时，耦合系数为 k=10cm-1,耦合区域的有效折射率为 neff=1.5,选择合适的耦合波长，使得该耦合器的搭线功率为 10%，（ie如果在Input1有非0功率输入那么teouput2有10% 的功率输出，output1有90%的输出）（工作波长为1.55 µm ） 请问使得搭线功率为10%的最短耦合长度是多少？
Copyright Wang Yan
第三节 Optical fiber
communications
光波导的横向耦合和耦合器
1-1 2020/3/20
1
3
2
4
2×2定向耦合器 Directional Couplers
1：输入端； 3、4：输出； 2：理想情况下2端无输出
Y型分支 Y—Coupler
A作用：将光信号进行分路与和路，定向耦合可以 监测光纤中的光功率
p1(0)sin2 kz p2 (0) cos2 kz
Optical fiber communications
1-9 2020/3/20
若：
P1(z) p1(0) cos2 kz
P2 (z) p1(0)sin2 kz
Copyright Wang Yan
A、两波导中传输功率的变化规律是能量在两波导中周期性的转换。 B、在波导中，光功率从P2(0)=0到z=L0处最大。
相位匹配条件
D、方程的解： 方程：
k12, k21 k
da1 z
dz
jka2 (z)
1 2
da2 z
dz
jka1 ( z )
解：a1(z) c1 exp( jkz) c2 exp( jkz)
a2 (z) c1 exp( jkz) c2 exp( jkz)
初始条件： z=0, a1(0), a2(0)
通过损耗（Through
put
loss）：
LTHP
10 Lg
P3 P1
插入损耗（excess
loss）：
LE
10
lg
P3
P4 P1
搭线损耗（Torp loss ）：
LTEP
10 lg
P4 P1
Optical fiber communications
1-3 2020/3/20
Copyright Wang Yan
two modes leads to less than perfect power exchange.
Symmetric Directional couplers In the symmetric case the power coupling complete.
Copyright Wang Yan
对间距为d的两相同光纤：
k
0
u2
2 n1a2 V 2
K0 d / a K1
u,w归一化径向相位常数和复位常数 K0,k1:0阶和１阶修正的Bessel Furetion
Copyright Wang Yan
Optical fiber nications
1-7 2020/3/20
C、有效耦合条件 1 2or1 2
Tap:搭成窃听电话
方向性（Directionality）
LD
10
P2 P1
隔离度 （Isolation）
L( dB )
10 lg
P2 P3 P4
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications
1二-4、2耦020合/3/2方0 程
（平行）
A:思路：分折两波导中波的耦合作用，应把两平行波导看作另一统 一的体系。来求解这一整体机构中的场，而后分折其耦合物性，由 于边界条件复杂，这样做是很困难的。 弱耦合理论：在弱耦合情况下，可采用微绕法来使分折简化，相应 的理论称为耦合摸理论，是传输理论的重要组成部分。思想是：相 耦合的两波导中的场，各保持了该波导独立存在时的场分布和传输 系数，偶合的小、影响表现在场的复数振幅的沿途变化。。
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-5 2020/3/20
B、设两波导中的复数振幅a1(z),a2(z).由于偶合作用，他们沿途变 化。其变化规律可用两独立的一阶微分方程组表示：
da1 z dz
jk12
exp
j z a2 (z)
da2z dz
此时，P1(L0)=0,即光功率全部耦合进第二波导，L0 2 ，/ k转换长
度，取不同的长度，即可改变两耦合波导的输出功率比，这就是定 向耦合器的基本原理。
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-10 2020/3/20
A symmetric Directional couplers A finite difference in propagation constant between the
B原理：横向耦合（通过渐消场相互作用）
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications
1-2 2020/3/20
二、2×2定向耦合器 （Directional couplers－Definitions ）
分束比（Splitting Ratio）：
P3 / P4