第六章 光纤通信器件

第6章 光纤通信器件

6.2 光耦合器

光耦合器 (Coupler) 是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。

目前，光耦合器已形成一个多功能、多用途的产品系列。从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波）耦合器。

从端口形式上，可分为 X 形 (2×2 )、Y 形(1×2 )、星形( N ×N, N ＞2) 以及树形 (1×N , N ＞2 ）耦合器。

从工作带宽上，可分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。

另外，由于传导光模式的不同，又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分。

一、耦合机理

1 ．单模光纤耦合器

在单模光纤中，传导模是两个正交的基模(HE 11模) ，耦合器中光场强分布如图所示。

传导模进入熔融锥区，纤心不断变细， V 值逐渐减小，有越来越多的光功率进入光纤包层中，实际光功率是在以包层为心、光纤外介质为包层的复合波导中传输的。

在输出端，随着纤心的逐渐变粗，V 值增大，光功率被两根纤心以特定比例捕获。在熔锥区，两根光纤包层合并在一起，两根光纤纤心足够接近，形成弱耦合，如图所示。

假定光功率由一根光纤注入，初始条件为()101=P , ()002=P 。由此可求得每根光纤中

的功率为

()()()()⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛==⎪⎭⎫ ⎝⎛-==z F C F z A z P z F C F z A z P 2222222211sin sin 1 可以看出，经过耦合区后，能量从第1根光纤向第2根光纤发生了转移，转移的能量有多少取决于两根光纤结构的差别、藕合系数和耦合长度

显然，2F 代表着光纤之间藕合的最大功率。

当两根光纤相同时，有βββ==21，则1=F 。 定义耦合臂输出的光功率()z P 2与直通臂输入的光功率()01P 之比为耦合比率。下图就是耦合比率与熔融拉伸长度的关系曲线。

最大耦合比率可以达到 100 ％。而且，对于不同的波长，耦合比率是不同的。即对某一个波长耦合比率可以达到100％，可以从耦合臂得到最大的输出。这时对另一个波长来说，耦合比率可能达到0，将从直通臂输出。

2．多模光纤耦合器

阶跃多模光纤的模式总数N ＝V 2

/2，当传导模（靠近光轴为低阶模，离光轴较远的是高阶模）进入多模光纤耦合器的熔锥区时，纤心变细，V 值变小，纤心中束缚的模式数减小，较高阶模进入包层，形成包层模。

在熔锥区，两光纤包层合并，在输出端纤心又逐渐变粗时，耦合臂的纤心将以一定比例捕获这些高次模式，获得耦合光功率，但低次模不参与耦合。

二、描述光耦合器特性的一些技术参数

表示光纤耦合器性能的主要参数有插入损耗，附加损耗，分光比与隔离度(串音)。

在实际的耦合器中，信号通过它时，总会有一些损耗。两种基本类型的损耗就是插入损耗和附加损耗。

1 ．插入损耗 (Insertion Loss)

插入损耗是指光功率从特定的端口到另一端口路径的损耗。从输入端口k 到输出端口j 的插入损耗可表示为 )(lg 10,,,dB P P L j out k

in ki i =

式中，k in P ,为第k 个输入端口的光功率，j out P ,为第j 个输出端口的光功率。

插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与分光比有很大的关系。

2 ．附加损耗 (Excess Loss)

附加损耗定义为输入功率与总输出功率的比值 )(lg 10,dB P P L j j

out in e ∑= 插入损耗并不能反映器件制作质量，这一点值得注意。

3．分光比(Coupling Ration)

分光比是某一输出端口的光功率与所有输出端口光功率之比

%100,,⨯=∑j j

out i

out i P

P CR 它是光耦合器特有的技术指标。它说明输出端口间光功率分配的百分比。对于2×2耦合器可以是

%1002,1,2

,2⨯+=out out out P P P CR

4．隔离度(Isolation)

隔离度是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，也就意味着线路之间的“串扰” (crosstalk ）小。对于光纤耦合器来说，隔离度更有意义的是用于反映WDM 器件对不同波长信号的分离能力。其数学表达式是

)(lg 10dB P P I in

t -= 式中：t P 是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值．in P 是被检测光信号的输入功率值。

从上述定义可知，隔离度对于分波耦合器的意义更为重大，要求也就相应地要高些，实际工程中往往需要隔离度达到40dB 以上的器件；而一般来说，合波耦合器对隔离度的要求并不苛刻，20dB 左右将不会给实际应用带来明显不利的影响。

5．方向性 (Directivity)

方向性是光耦合器特有的技术指标 , 是衡量器件定向传输特性的参数。以X 形耦合器为例，

方向性定义为耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值。

)(lg 10.1

2dB P P L D in in -= 式中，1in P 代表总注入光功率；2in P 代表输入端非注入光端口的输出光功率。

6．均匀性（ Uniformity )

对于要求均匀分光的光耦合器（主要是树形和星形器件），实际制作时，因为工艺的局限，往往不可能做到绝对的均分。

均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程度”的参数。它定义为在器件的工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化量．其数学表达式为

)()max ()min(lg

10.dB P P L F out out -= 式中：)min(out P 为最小输出光功率；)max (out P 为最大输出光功率。 7．偏振相关损耗 (Polarization Dependent Loss)

衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，也称为偏振灵敏度。

偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量，俗称偏振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生360°变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化量

)()max()

min(lg 10..dB P P L D P outj outj j -=

在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，为了不影响器件的使用效果往往要求器件有足够小的偏振相关损耗。

6.3 波分复用/解复用器

一、光波分复用器的工作原理

光波分复用器是对不同波长的光波进行分离(分波、解复)与合并(合波、复用)的光无源器件。

光波分复用器：将不同波长的光信号混合在一起送入同一根光纤中传输。

光解复用器：将一根光纤中传来的多波长信号按波长进行分离。

它在高速光通信系统、接入网、全光网络等领域中，光纤频带资源有着广阔的应用前景。 本质上讲，波分复用/解复用器就是一种方向耦合器。从耦合机理分析可知，对于不同的波长，耦合比率是不同的。即对某一个波长耦合比率可以达到100％，可以从耦合臂得到最大的输出。这时对另一个波长来说，耦合比率可能达到0，将从直通臂输出。因此通过合理地设计耦合器的结构，就可以实现合波和分波的目的。

实际的光波分复用器件的一个端口，作为器件的输出/输入端； N 个端口作为器件的输入/输出端．如图所示。