光纖耦合器2015

1、光纖無源器件光纖無源器件之光纖耦合器之光纖耦合器光電光電新技新技術(shù)講術(shù)講座座光纖耦合器光纖耦合器光纖的發(fā)展光纖的發(fā)展光纖無源器件的蓬勃發(fā)展光纖無源器件的蓬勃發(fā)展耦合模理論耦合模理論耦合器件種類及應(yīng)用耦合器件種類及應(yīng)用光纖耦合器的制作光纖耦合器的制作一、一、光纖的發(fā)展光纖的發(fā)展1.1.光纖的誕生光纖的誕生2.2.光纖的構(gòu)造與分類光纖的構(gòu)造與分類3.3.光纖傳光原理光纖傳光原理4.4.光纖光纜的制作光纖光纜的制作1 1、光纖的誕生、光纖的誕生在光纖出現(xiàn)之前，人們一直在追尋一種性能穩(wěn)定在光纖出現(xiàn)之前，人們一直在追尋一種性能穩(wěn)定的，廉價的，方便使用的介質(zhì)來傳輸光信號。最的，廉價的，方便使用的介質(zhì)來傳輸

2、光信號。最初人們認(rèn)識到光的直線傳播，反射特性后除了利初人們認(rèn)識到光的直線傳播，反射特性后除了利用大氣做為波導(dǎo)，還開始采用各種介質(zhì)利用作為用大氣做為波導(dǎo)，還開始采用各種介質(zhì)利用作為光的傳輸介質(zhì)。例如介質(zhì)透鏡、反射鏡波導(dǎo)、氣光的傳輸介質(zhì)。例如介質(zhì)透鏡、反射鏡波導(dǎo)、氣體透鏡波導(dǎo)等，使光束限制在一定范圍內(nèi)并沿確體透鏡波導(dǎo)等，使光束限制在一定范圍內(nèi)并沿確定路線傳播。在半導(dǎo)體激光器和集成光路中用到定路線傳播。在半導(dǎo)體激光器和集成光路中用到的平面型介質(zhì)波導(dǎo)也被嘗試作為光波導(dǎo)使用，由的平面型介質(zhì)波導(dǎo)也被嘗試作為光波導(dǎo)使用，由于制作成本高，工藝復(fù)雜，不適于大量鋪設(shè)。能于制作成本高，工藝復(fù)雜，不適于大量鋪設(shè)。能不

3、能象電信號依靠銅纜傳輸一樣，找到一種光波不能象電信號依靠銅纜傳輸一樣，找到一種光波導(dǎo)來實現(xiàn)光信號廉價、低損耗的穩(wěn)定傳輸呢？導(dǎo)來實現(xiàn)光信號廉價、低損耗的穩(wěn)定傳輸呢？ 1 1、光纖的誕生、光纖的誕生早在古希臘的玻璃制作工人就發(fā)現(xiàn)玻璃可以傳輸可見光，他們利早在古希臘的玻璃制作工人就發(fā)現(xiàn)玻璃可以傳輸可見光，他們利用玻璃的這種性質(zhì)，制作了各種流光異彩的玻璃工藝品。十九世用玻璃的這種性質(zhì)，制作了各種流光異彩的玻璃工藝品。十九世紀(jì)中期英國的丁達(dá)爾紀(jì)中期英國的丁達(dá)爾(J. Tyndall)(J. Tyndall)利用實驗證明利用光的全反射利用實驗證明利用光的全反射原理，光線在水中可以實現(xiàn)彎曲傳播。原理，光線在

4、水中可以實現(xiàn)彎曲傳播。1 1、光纖的誕生、光纖的誕生19271927年英國的貝爾德年英國的貝爾德(J. G.Baird)(J. G.Baird)提出利用光提出利用光的全反射現(xiàn)象制成石英光纖，從此以后人們把的全反射現(xiàn)象制成石英光纖，從此以后人們把注意力集中到石英這種材料上。早期的光纖只注意力集中到石英這種材料上。早期的光纖只有纖芯，利用空氣石英構(gòu)成的界面實現(xiàn)光線有纖芯，利用空氣石英構(gòu)成的界面實現(xiàn)光線的全反射，由于這種結(jié)構(gòu)的開放性，經(jīng)常引起的全反射，由于這種結(jié)構(gòu)的開放性，經(jīng)常引起光線的泄漏。為解決這一問題人們實驗在玻璃光線的泄漏。為解決這一問題人們實驗在玻璃纖維上涂覆塑料，以降低光線的泄漏同時對玻

5、纖維上涂覆塑料，以降低光線的泄漏同時對玻璃芯起一定的保護(hù)。這時初步形成了光纖纖芯璃芯起一定的保護(hù)。這時初步形成了光纖纖芯包層結(jié)構(gòu)，但由于塑料包層難以做到均勻一包層結(jié)構(gòu)，但由于塑料包層難以做到均勻一致，而且塑料包層與玻璃纖芯之間界面不夠平致，而且塑料包層與玻璃纖芯之間界面不夠平滑理想，光能量損失很大?；硐耄饽芰繐p失很大。 1 1、光纖的誕生、光纖的誕生19551955年，美國人年，美國人B. I. Hirschowitz (B. I. Hirschowitz (西斯喬威茲西斯喬威茲) ) 把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，將它們放在高溫爐中拉

6、制，得到玻璃將它們放在高溫爐中拉制，得到玻璃( (纖芯纖芯) )玻玻璃璃( (包層包層) )結(jié)構(gòu)的光纖，解決了光纖的漏光問題，結(jié)構(gòu)的光纖，解決了光纖的漏光問題，這一結(jié)構(gòu)在后來被廣泛采用，就是今天的光纖這一結(jié)構(gòu)在后來被廣泛采用，就是今天的光纖結(jié)構(gòu)。但這時的光纖損耗是非常大高于結(jié)構(gòu)。但這時的光纖損耗是非常大高于1000 1000 dB/kmdB/km，即使是利用優(yōu)質(zhì)的光學(xué)玻璃制作光纖，即使是利用優(yōu)質(zhì)的光學(xué)玻璃制作光纖也無法得到低損耗的光纖。人們曾經(jīng)一度對玻也無法得到低損耗的光纖。人們曾經(jīng)一度對玻璃這種材料產(chǎn)生懷疑，轉(zhuǎn)向塑料光纖、液芯光璃這種材料產(chǎn)生懷疑，轉(zhuǎn)向塑料光纖、液芯光纖的研制。纖的研制。 1

7、966年，英籍華裔學(xué)者英籍華裔學(xué)者高錕高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信光纖通信的基礎(chǔ)。 指明通過指明通過“原材料的提純制造出適合于長原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向這一發(fā)展方向光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) )1998年在英國接受年在英國接受IEE授予的獎?wù)率谟璧莫務(wù)? 2、光纖標(biāo)準(zhǔn)、光纖標(biāo)準(zhǔn)通信用光纖經(jīng)過二十幾年的發(fā)展形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)。通信用光纖經(jīng)過二十

8、幾年的發(fā)展形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)。ITU-TITU-T國際電信聯(lián)盟目前將單模光纖分為國際電信聯(lián)盟目前將單模光纖分為G.652G.652（G.652AG.652A、G.652BG.652B、G.652CG.652C和和G.652DG.652D）、）、G.653G.653（G.653AG.653A和和G.653BG.653B）、）、G.654G.654（G.654AG.654A、G.654BG.654B和和G.654G.654）、）、G.655G.655（G.655AG.655A、G.655BG.655B和和G.655CG.655C）以）以及用于及用于S+C+LS+C+L三波段傳輸?shù)娜ǘ蝹鬏數(shù)腉.65

9、6G.656光纖（標(biāo)準(zhǔn)名稱為光纖（標(biāo)準(zhǔn)名稱為寬帶光傳輸用非零色散單模光纖和光纜特性寬帶光傳輸用非零色散單模光纖和光纜特性）按照零色散波長將單模光纖分為按照零色散波長將單模光纖分為6 6種種非色散位移光纖：非色散位移光纖：G.652G.652色散位移光纖：色散位移光纖：G.653 G.653 將零色散窗口從將零色散窗口從1310nm1310nm移到移到1550nm1550nm窗口窗口截止波長位移光纖：截止波長位移光纖： G.654G.654非零色散位移光纖：非零色散位移光纖：G.655 G.655 將零色散窗口從將零色散窗口從1310nm1310nm移到移到14601500nm14601500n

10、m色散平坦光纖（色散平坦光纖（1310-1550nm1310-1550nm都是低色散）都是低色散）色散補(bǔ)償光纖（色散補(bǔ)償光纖（1550nm1550nm有很大負(fù)色散）有很大負(fù)色散）3 3、光纖的構(gòu)造、光纖的構(gòu)造纖芯，光信號的傳輸纖芯，光信號的傳輸 包層，限制光信號溢出包層，限制光信號溢出 一次涂敷層（預(yù)涂層），一次涂敷層（預(yù)涂層），保護(hù)光纖增加韌性保護(hù)光纖增加韌性 緩沖層，減少對光纖的壓緩沖層，減少對光纖的壓力力二次涂敷層（套塑層），二次涂敷層（套塑層）， 加強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度加強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度纖芯：位于光纖中心部位，主要成分是高純度纖芯：位于光纖中心部位，主要成分是高純度的的SiOSiO2 2,

11、 ,純度可達(dá)純度可達(dá)99.99999%99.99999%，其余成份為摻，其余成份為摻入極少量摻雜劑，如入極少量摻雜劑，如P P2 2O O5 5和和GeOGeO2 2，摻雜劑的，摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率。纖芯直徑一般為作用是提高纖芯的折射率。纖芯直徑一般為2a2a3 3100100 mm包層：含有少量摻雜劑的高純度包層：含有少量摻雜劑的高純度SiOSiO2 2, ,摻雜劑摻雜劑有氟或硼，其作用是降低包層折射率，包層直有氟或硼，其作用是降低包層折射率，包層直徑徑2b2b125125140140 mm一次涂層：厚度一次涂層：厚度5 54040 mm，材料一般為環(huán)氧樹，材料一般為環(huán)氧樹脂或硅橡

12、膠，可承受脂或硅橡膠，可承受7kg7kg拉力拉力緩沖層：厚度緩沖層：厚度100100 mm二次涂敷層：原料大都采用尼龍或聚乙烯二次涂敷層：原料大都采用尼龍或聚乙烯 1層層2層光纖層光纖 345層護(hù)層層護(hù)層 5層大約層大約0.9mm左右左右光纖光纖的分類的分類1 1從原材料分：從原材料分：石英系光纖石英系光纖多組份玻璃光纖多組份玻璃光纖氟化物光纖氟化物光纖塑料光纖塑料光纖液芯光纖液芯光纖摻雜光纖，如摻鉺光纖摻雜光纖，如摻鉺光纖 由于石英系光纖具有傳輸衰減小，由于石英系光纖具有傳輸衰減小，通信頻帶寬，機(jī)械強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，通信頻帶寬，機(jī)械強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在通信系統(tǒng)中得到廣泛

13、應(yīng)用。光纖分類光纖分類2 2按照光纖橫截面上折射率分布特征按照光纖橫截面上折射率分布特征n(r) n(r) 分：分：階躍型光纖，也稱突變型光纖（常用階躍型光纖，也稱突變型光纖（常用SISI表表示示Step Index fibberStep Index fibber） 纖芯與包層的折射率均為一常數(shù)，其界面纖芯與包層的折射率均為一常數(shù)，其界面處呈階躍式變化。處呈階躍式變化。漸變型光纖，也稱梯度光纖或自聚焦光纖漸變型光纖，也稱梯度光纖或自聚焦光纖（常用（常用GIGI表示表示Graded Index fibber Graded Index fibber ）纖芯折射率連續(xù)變化，包層的折射率則為纖芯折射率

14、連續(xù)變化，包層的折射率則為一常數(shù)。一常數(shù)。WW型光纖型光纖 等等ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2階躍型光纖階躍型光纖漸變型光纖漸變型光纖 n1 r a n1 1 - 2 ( r/a ) g 1/2 r a n2 a r b n2 1 - 2 1/2 a 2m 2m 短波長與長波長光纖為石英系光纖，而超長波短波長與長波長光纖為石英系光纖，而超長波長光纖為非石英系光纖，如重金屬氧化物、硫長光纖為非石英系光纖，如重金屬氧化物、硫硒碲化合物和鹵化物光纖等硒碲化合物和鹵化物光纖等3 3、 光纖的傳光原理光纖的傳光原理 分析光纖的傳輸原理有兩種方法：分析光纖的傳輸原理有兩種方法：幾何光

15、學(xué)法幾何光學(xué)法：將光看成一條條的幾何射線：將光看成一條條的幾何射線來分析，也稱射線理論來分析，也稱射線理論 應(yīng)用條件應(yīng)用條件：光波的波長遠(yuǎn)小于光纖的幾何：光波的波長遠(yuǎn)小于光纖的幾何尺寸，只適用于多模光纖尺寸，只適用于多模光纖波動光學(xué)法波動光學(xué)法：光波按電磁場理論，用麥克：光波按電磁場理論，用麥克斯韋方程組求解，也稱模式理論。斯韋方程組求解，也稱模式理論。 它既可它既可用于多模光纖，也可用于單模光纖用于多模光纖，也可用于單模光纖4 光纖光纜制造技術(shù)光纖光纜制造技術(shù)選材的準(zhǔn)則：選材的準(zhǔn)則：1. 能拉長、拉細(xì)、具有一定的柔韌性、可卷繞能拉長、拉細(xì)、具有一定的柔韌性、可卷繞2. 在特定波長損耗低在特定

16、波長損耗低3. 能使纖芯的折射率略高于包層，滿足波導(dǎo)條件能使纖芯的折射率略高于包層，滿足波導(dǎo)條件按材料分類：按材料分類：1. 無源玻璃纖維；無源玻璃纖維；2. 有源玻璃纖維；有源玻璃纖維；3. 塑料纖維塑料纖維4.1 光纖材料光纖材料無源玻璃纖維無源玻璃纖維玻璃纖維的主材：玻璃纖維的主材：SiO2 - 物理和化學(xué)穩(wěn)定性好物理和化學(xué)穩(wěn)定性好- 對通信光波段的透明性好對通信光波段的透明性好折射率差的引入：通過在折射率差的引入：通過在SiO2中摻入不同雜質(zhì)中摻入不同雜質(zhì)增加非線性效應(yīng)：通過摻入硫?qū)僭卦黾臃蔷€性效應(yīng)：通過摻入硫?qū)僭谿eO2-SiO2纖芯，纖芯，SiO2包層包層P2O5-SiO2纖芯

17、，纖芯，SiO2包層包層SiO2纖芯，纖芯，B2O3-SiO2包層包層在在0.28m mm具有極低損耗具有極低損耗SiO2中摻GeO2或P2O5，折射率增加SiO2中摻氟或B2O3，折射率減小典型組合：典型組合：1、GeO2-SiO2纖芯，纖芯，SiO2包層包層2、P2O5-SiO2纖芯，纖芯，SiO2包層包層3、SiO2纖芯，纖芯，B2O3-SiO2包層包層4、GeO2- B2O3-SiO2纖芯，纖芯， B2O3-SiO2包層包層鹵化物玻璃纖維鹵化物玻璃纖維紅外光纖（氟化物光纖）紅外光纖（氟化物光纖）：低損耗范圍：0.28mm，最低損耗窗口：2.55 mm，理論最小損耗：0.010.001d

18、B/km。缺點(diǎn)：不成熟，性能不穩(wěn)定有源玻璃纖維有源玻璃纖維摻稀土光纖：摻稀土光纖：在SiO2中摻入稀土元素實現(xiàn)光放大（或吸收），如：摻鉺光纖（EDF）、摻釹光纖。硫?qū)倩衔锊ＡЮw維硫?qū)倩衔锊ＡЮw維非線性光纖：非線性光纖：用作非線性光學(xué)器件。如：As40S58Se2纖芯As2S3包層塑料光纖（塑料光纖（POF）參數(shù)有機(jī)玻璃POFPMMA POF加氟聚合物POFPFP POF纖芯直徑0.4mm0.1250.3mm包層直徑1mm0.250.6mm數(shù)值孔徑0.250.2損耗150dB/km 650nm6080dB/km 6501300nm帶寬2.5Gb/s, 100km2.5Gb/s, 300km特

19、點(diǎn)：特點(diǎn)：更好的韌性、更耐用，可用于環(huán)境惡劣的場合更好的韌性、更耐用，可用于環(huán)境惡劣的場合低成本、低續(xù)接成本低成本、低續(xù)接成本損耗比玻璃纖維高，一般用于短距離傳輸損耗比玻璃纖維高，一般用于短距離傳輸使用范圍還十分有限，主要用于接入網(wǎng)使用范圍還十分有限，主要用于接入網(wǎng)4.2 光纖制造光纖制造兩種基本方法兩種基本方法1. 直接熔化法：直接熔化法： 按傳統(tǒng)制造玻璃的工藝將處在熔融狀態(tài)的石英玻璃的純凈按傳統(tǒng)制造玻璃的工藝將處在熔融狀態(tài)的石英玻璃的純凈 組分直接制造成光纖組分直接制造成光纖2. 汽相氧化過程：汽相氧化過程： - 高純度金屬鹵化物高純度金屬鹵化物(如如SiCl4和和GeCl4)與氧反應(yīng)生成

20、與氧反應(yīng)生成SiO2微微粒粒 - (通過四種不同的方法通過四種不同的方法)將微粒收集在玻璃容器的表面將微粒收集在玻璃容器的表面 - 燒結(jié)燒結(jié) (在尚未熔化的狀態(tài)將在尚未熔化的狀態(tài)將SiO2轉(zhuǎn)化成玻璃體轉(zhuǎn)化成玻璃體) 制成預(yù)制棒制成預(yù)制棒 - 拉絲成纖拉絲成纖直接熔化法：雙坩堝法直接熔化法：雙坩堝法纖芯坯料棒 內(nèi)坩堝包層坯料棒纖芯玻璃外坩堝熔爐 拉制光纖 (到拉絲機(jī))包層玻璃直接熔化法：直接熔化法：可用于制造石英可用于制造石英光纖、鹵化物光光纖、鹵化物光纖和硫?qū)俟饫w纖和硫?qū)俟饫w具有可連續(xù)制造具有可連續(xù)制造的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)但坯料棒熔化過但坯料棒熔化過程中容易帶來雜程中容易帶來雜質(zhì)，它的最低損質(zhì)，它的最

21、低損耗值為耗值為5 dB/km光纖預(yù)制棒置備好之后進(jìn)行光纖拉絲光纖預(yù)制棒置備好之后進(jìn)行光纖拉絲光纖拉絲機(jī)光纖拉絲機(jī)d = 1025 mm; L = 60120 cm精密輸送機(jī)構(gòu)精密輸送機(jī)構(gòu)夾具預(yù)制棒拉絲爐光纖粗細(xì)監(jiān)測儀裸光纖涂覆機(jī) 已涂覆光纖光纖卷繞幾點(diǎn)關(guān)鍵幾點(diǎn)關(guān)鍵為了防止石墨在高溫下氧化，充入氬氣等惰性氣體加為了防止石墨在高溫下氧化，充入氬氣等惰性氣體加以保護(hù)。以保護(hù)。送棒機(jī)構(gòu)與牽引輥的速度要一致，以保持光纖外徑的送棒機(jī)構(gòu)與牽引輥的速度要一致，以保持光纖外徑的均勻性。均勻性。激光測徑，紫外固化激光測徑，紫外固化外徑的波動控制在外徑的波動控制在0.50.5微米之內(nèi)。微米之內(nèi)。拉絲的速度可以調(diào)整

22、，拉絲的速度可以調(diào)整，600m/min1000m/m600m/min1000m/m預(yù)制棒體積： Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm光纖體積： Vfiber= d2l/4, d=125 um拉絲長度l： Vpreform = Vfiber l = 6.4 10-5D2L (km)拉絲原理：拉絲原理：保持芯/包層結(jié)構(gòu)不變！二、二、光纖無源器件的蓬勃發(fā)光纖無源器件的蓬勃發(fā)展展光纖通信元件包括有源器件和無源器件等。光纖通信元件包括有源器件和無源器件等。光纖通信的發(fā)展促進(jìn)了光源、探測器等有源光纖通信的發(fā)展促進(jìn)了光源、探測器等有源器件的發(fā)展，同時由于工程應(yīng)用的需要，各器件的發(fā)展，同時

23、由于工程應(yīng)用的需要，各種各樣的光無源器件也相應(yīng)的出現(xiàn)。光纖的種各樣的光無源器件也相應(yīng)的出現(xiàn)。光纖的發(fā)展給光無源器件帶來了新的一頁。發(fā)展給光無源器件帶來了新的一頁。光纖無源器件包括光纖無源器件包括光纖活動連接器光纖活動連接器光纖耦合器光纖耦合器光纖衰減器光纖衰減器光纖濾波器光纖濾波器光纖隔離器光纖隔離器光開關(guān)光開關(guān)光纖環(huán)行器光纖環(huán)行器光纖調(diào)制器光纖調(diào)制器耦合器（耦合器（couplercoupler）主要功能再分配光信號主要功能再分配光信號重要應(yīng)用在光纖網(wǎng)絡(luò)重要應(yīng)用在光纖網(wǎng)絡(luò)尤其是應(yīng)用在局域網(wǎng)尤其是應(yīng)用在局域網(wǎng)在波分復(fù)用器件上應(yīng)用在波分復(fù)用器件上應(yīng)用耦合器（耦合器（couplercoupler）基

24、本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)耦合器是雙向無源器件耦合器是雙向無源器件基本形式有樹型、星型基本形式有樹型、星型與耦合器對應(yīng)的有分路器與耦合器對應(yīng)的有分路器（splittersplitter）耦合器耦合器以圖形表示以圖形表示 1423兩波導(dǎo)之間的橫向耦合兩波導(dǎo)之間的橫向耦合 當(dāng)兩波導(dǎo)的間距足夠大時，各當(dāng)兩波導(dǎo)的間距足夠大時，各自模式場分布形式不會改變，自模式場分布形式不會改變，稱兩波導(dǎo)之間為弱耦合。稱兩波導(dǎo)之間為弱耦合。 在弱耦合條件下，在弱耦合條件下，波導(dǎo)之間光波導(dǎo)之間光場的橫向耦合可用各波導(dǎo)獨(dú)立場的橫向耦合可用各波導(dǎo)獨(dú)立時傳輸模式間的模式耦合方程時傳輸模式間的模式耦合方程來描述。來描述。 在兩個正規(guī)光波導(dǎo)互

25、相平行靠近時，波導(dǎo)之間會發(fā)生橫向耦在兩個正規(guī)光波導(dǎo)互相平行靠近時，波導(dǎo)之間會發(fā)生橫向耦合，其物理過程可以看成是：波導(dǎo)合，其物理過程可以看成是：波導(dǎo)1中的模通過進(jìn)入公共層的中的模通過進(jìn)入公共層的電磁場使波導(dǎo)電磁場使波導(dǎo)2中的介質(zhì)極化，從而影響了波導(dǎo)中的介質(zhì)極化，從而影響了波導(dǎo)2中的模中的模三、耦合模理論三、耦合模理論)()()()()()(221122221111zajzajkdzzdazajkzajdzzda兩波導(dǎo)之間的橫向耦合兩波導(dǎo)之間的橫向耦合考慮兩波導(dǎo)中都只有單模存在的情況，單模的傳輸常數(shù)分別考慮兩波導(dǎo)中都只有單模存在的情況，單模的傳輸常數(shù)分別為為兩波導(dǎo)中模場的表達(dá)式分別為兩波導(dǎo)中模場的

26、表達(dá)式分別為則耦合后的總電場可以寫為則耦合后的總電場可以寫為pnnmpnpqmnqmzpqjAkjdzdA,expSqmpnmpqmndsnnpkk*202202zjAjkdzdAzjAjkdzdA121212212121expexp111222expexpAajzAajz21、zjEEzjEE22021101exp,exp 2211EzAEzAE定義模式沿波導(dǎo)正向傳輸時，定義模式沿波導(dǎo)正向傳輸時，p,q=+.kkk*2112則耦合模方程變?yōu)椋簞t耦合模方程變?yōu)椋河赡Ｊ今詈戏匠趟?guī)定的模由模式耦合方程所規(guī)定的模耦合系數(shù)，具有對稱性。耦合系數(shù)，具有對稱性。當(dāng)兩光波導(dǎo)折射率完全相同時，當(dāng)兩光波導(dǎo)折射

27、率完全相同時，kkk2112)()()()()()(22122*111zajzjkadzzdazajkzajdzzda)()()()()()(22122111zajzjkadzzdazjkazajdzzdaSqmpnmpqmndsnnpkk*202202可以證明模式耦合只能在兩個相互簡并的模之間發(fā)生，即：12則耦合模方程進(jìn)一步變?yōu)椋簞t耦合模方程進(jìn)一步變?yōu)椋?()()()()()(212211zajzjkadzzdazjkazajdzzda)()(212211jkzjkzzjjkzjkzzjededezaececeza其通解為：其通解為：設(shè)初始條件為：設(shè)初始條件為：12(0)0,(0)0aa22

28、221( )sin ()(0)azkz a22211( )cos ()(0)a zkz a如果如果 ，則則傳輸功率在兩個波導(dǎo)之間周期性交替?zhèn)鬟f傳輸功率在兩個波導(dǎo)之間周期性交替?zhèn)鬟f)0()0()cos()sin()sin()cos()()(2121aakzkzjkzjkzezazazj)0()0(),0()0(2211aaaa22221( )sin ()(0)azkz a)(sin)0()(212kLaLakLo2/光從波導(dǎo)1完全耦合至波導(dǎo)2的長度為耦合長度，在其奇數(shù)倍長度耦合長度，在其奇數(shù)倍長度處也可實現(xiàn)完全耦合處也可實現(xiàn)完全耦合熔錐型光纖耦合器光功率的分配熔錐型光纖耦合器光功率的分配 耦合光

29、功率耦合光功率P P2 2跟以下參數(shù)有關(guān)：跟以下參數(shù)有關(guān)：拉伸區(qū)長度拉伸區(qū)長度2L+W2L+W拉伸區(qū)內(nèi)逐漸變小的光纖半徑拉伸區(qū)內(nèi)逐漸變小的光纖半徑r r耦合區(qū)中兩根光纖的半徑差耦合區(qū)中兩根光纖的半徑差DrDr總拉伸長度總拉伸長度光約束在光約束在纖芯中傳播纖芯中傳播光纖半徑減小光纖半徑減小V V明顯減小明顯減小部分光在部分光在纖芯外傳播纖芯外傳播發(fā)生耦合發(fā)生耦合P P3 3P P1 1P P2 2P P0 0光輸入光輸入后向反后向反( (散散) )射光射光直通功率直通功率耦合功率耦合功率火焰寬度決定火焰寬度決定拉伸時決定拉伸時決定四、四、耦合器件種類及應(yīng)用耦合器件種類及應(yīng)用按照結(jié)構(gòu)分按照結(jié)構(gòu)分1

30、 12 2，2 2 2 2，3 33 3，1 1 NN，N N NN光耦合器光耦合器18單模光纖耦合器的二級構(gòu)造單模光纖耦合器的二級構(gòu)造 四四、耦合器件種類及應(yīng)用耦合器件種類及應(yīng)用2 2 2 2光耦合器光耦合器熔錐型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖熔錐型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖 耦合器實物圖耦合器實物圖四、四、耦合器件種類及應(yīng)用耦合器件種類及應(yīng)用按照傳輸波長分按照傳輸波長分窄帶耦合器窄帶耦合器，寬帶耦合器，波分復(fù)用器，寬帶耦合器，波分復(fù)用器，波長敏感耦合器波長敏感耦合器窄帶耦合器，工作帶寬為窄帶耦合器，工作帶寬為10 nm；寬帶耦合；寬帶耦合器，工作帶寬為器，工作帶寬為40 nm）或不同波段的合波）或不同波段的合

31、波功能（波分復(fù)用器）功能（波分復(fù)用器） 2 1直通臂直通臂耦合臂耦合臂 1， 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2公共臂公共臂熔錐光纖型波長耦合器熔錐光纖型波長耦合器 1 2P 0 P1 P2波分復(fù)用器波分復(fù)用器WDMWavelength Division MultiplexerWDMWavelength Division Multiplexer在一條光纖中傳輸多個光信號，這些光信號頻率不同，在一條光纖中傳輸多個光信號，這些光信號頻率不同，顏色不同。波分復(fù)用器就是要把多個光信號耦合進(jìn)同一顏色不同。波分復(fù)用器就是要把多個光信號耦合進(jìn)同一根光纖中；解波分復(fù)用器就是從一根光纖中把多個光信根光纖

32、中；解波分復(fù)用器就是從一根光纖中把多個光信號區(qū)分出來。號區(qū)分出來。波分復(fù)用器波分復(fù)用器波分復(fù)用器（圖例）波分復(fù)用器（圖例） 1傳送器傳送器 2傳送器傳送器 1+ 2 1+ 2 1接收器接收器 2接收器接收器波分復(fù)用器波分復(fù)用器二類用途一類用于通信系統(tǒng)，作為一類用于通信系統(tǒng)，作為1300 nm1300 nm和和1550 nm1550 nm的合波、分波的合波、分波器；器；另一類用于摻雜光纖的激光器和放大器，作為信號光和泵浦另一類用于摻雜光纖的激光器和放大器，作為信號光和泵浦光的合波器。主要工作波長有光的合波器。主要工作波長有1017/1310 nm1017/1310 nm、807/1550 nm8

33、07/1550 nm、980/1550980/1550和和1480/1550 nm1480/1550 nm等幾種，等幾種，其中研制其中研制1480/1550 nm1480/1550 nm的波分復(fù)用的難度最大。由于其波分的波分復(fù)用的難度最大。由于其波分間隔小間隔小(70 nm)(70 nm)，受到熔錐形耦合器中固有的偏振分離現(xiàn)象的，受到熔錐形耦合器中固有的偏振分離現(xiàn)象的限制，它的波長隔離一般只有限制，它的波長隔離一般只有15 dB15 dB左右。因此，通過這種左右。因此，通過這種研制工藝，要想在同一個光通信波段研制工藝，要想在同一個光通信波段(1310 nm(1310 nm或或1550 nm)1

34、550 nm)，即在小于即在小于40 nm40 nm的波段內(nèi)實現(xiàn)二個以上的波分復(fù)用，似乎是的波段內(nèi)實現(xiàn)二個以上的波分復(fù)用，似乎是不可能的。為此，不可能的。為此，McLandrichMcLandrich通過改變常規(guī)耦合器的拉錐工通過改變常規(guī)耦合器的拉錐工藝，首先研制成功了藝，首先研制成功了1550 nm1550 nm波段最小波分復(fù)用間隔為波段最小波分復(fù)用間隔為16 16 nmnm的窄帶波分復(fù)用器。的窄帶波分復(fù)用器。 輸入光輸入光 1 4 3 2 1 4 3 2光光 柵柵輸入光輸入光光光 柵柵其它波長耦合器其它波長耦合器-光柵型光柵型光柵具有特殊性質(zhì)：光柵具有特殊性質(zhì)：(與與波長相關(guān)波長相關(guān)的反射

35、特性的反射特性)不同波長的光具有不同的衍射角，因此它們可以被分開。不同波長的光具有不同的衍射角，因此它們可以被分開。mdisinsin光柵光柵：材料材料（結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)）中的周期性擾動中的周期性擾動midsinarcsin光纖光纖自聚焦透鏡自聚焦透鏡光柵光柵 1+ 2+ 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1 2 3光柵型波長耦合器光柵型波長耦合器介質(zhì)薄膜干涉型濾波器介質(zhì)薄膜干涉型濾波器介質(zhì)薄膜型波長耦合器介質(zhì)薄膜型波長耦合器自聚焦透鏡自聚焦透鏡 1+ 2 1+ 2 1 2介質(zhì)薄膜濾波器介質(zhì)薄膜濾波器 1 2介質(zhì)薄膜型波長耦合器介質(zhì)薄膜型波長耦合器 1+ 2+ 3+ 4 2 3 4 4 3 2 1 1+

36、 2+ 3+ 4 1介質(zhì)薄膜介質(zhì)薄膜1 1介質(zhì)薄膜介質(zhì)薄膜2 2介質(zhì)薄膜介質(zhì)薄膜3 3波長介質(zhì)膜波長耦合器波長介質(zhì)膜波長耦合器四、四、耦合器件種類及應(yīng)用耦合器件種類及應(yīng)用按照偏振模式分按照偏振模式分普通耦合器普通耦合器，保偏耦合器保偏耦合器保偏光纖耦合器保偏光纖耦合器是應(yīng)用于光纖傳感系統(tǒng)和光纖相干系統(tǒng)等是應(yīng)用于光纖傳感系統(tǒng)和光纖相干系統(tǒng)等對偏振敏感系統(tǒng)的重要光纖無源器件。保偏光纖耦合器的對偏振敏感系統(tǒng)的重要光纖無源器件。保偏光纖耦合器的最大特點(diǎn)是能穩(wěn)定地傳輸兩個正交的線偏振光，并能長距最大特點(diǎn)是能穩(wěn)定地傳輸兩個正交的線偏振光，并能長距離地保持各自的偏振態(tài)不變。這就為能制造離地保持各自的偏振態(tài)不

37、變。這就為能制造高性能、高精高性能、高精度度光纖傳感器和光纖慣性器件提供了條件。保偏光纖耦合光纖傳感器和光纖慣性器件提供了條件。保偏光纖耦合器能將在一根保偏光纖中傳輸?shù)木€偏振光分成二路，在二器能將在一根保偏光纖中傳輸?shù)木€偏振光分成二路，在二根保偏光纖中傳輸，并保持偏振態(tài)不變，即保持仍沿主軸根保偏光纖中傳輸，并保持偏振態(tài)不變，即保持仍沿主軸傳輸，且具有傳輸，且具有高的消光比高的消光比。額外損耗、耦合比、消光比受。額外損耗、耦合比、消光比受保偏光纖自身因素影響。保偏光纖自身因素影響。四、四、耦合器件種類及應(yīng)用耦合器件種類及應(yīng)用按照偏振模式分按照偏振模式分普通耦合器普通耦合器，保偏耦合器保偏耦合器保

38、偏光纖耦合器應(yīng)用。保偏光纖耦合器為相干光通信保偏光纖耦合器應(yīng)用。保偏光纖耦合器為相干光通信和光纖陀螺等用戶的產(chǎn)品開發(fā)提供了甚為關(guān)鍵的光學(xué)和光纖陀螺等用戶的產(chǎn)品開發(fā)提供了甚為關(guān)鍵的光學(xué)器件。以國外研究非?；钴S的光纖陀螺為例，保偏光器件。以國外研究非?；钴S的光纖陀螺為例，保偏光纖耦合器以其無與倫比的優(yōu)勢取代了機(jī)械旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀纖耦合器以其無與倫比的優(yōu)勢取代了機(jī)械旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺的煩冗操作和諸多的日常維護(hù)，也克服了環(huán)形激光螺的煩冗操作和諸多的日常維護(hù)，也克服了環(huán)形激光陀螺的鎖定現(xiàn)象，更省去了為保持小轉(zhuǎn)速時的靈敏度陀螺的鎖定現(xiàn)象，更省去了為保持小轉(zhuǎn)速時的靈敏度所采取的防機(jī)械抖動措施。光纖陀螺則既便于使用又所采

39、取的防機(jī)械抖動措施。光纖陀螺則既便于使用又更精確，因此比起傳統(tǒng)的陀螺，它具有更為廣闊的應(yīng)更精確，因此比起傳統(tǒng)的陀螺，它具有更為廣闊的應(yīng)用前景?；谟们熬??；赟agnacSagnac干涉原理的干涉型光纖陀螺已成干涉原理的干涉型光纖陀螺已成為波音為波音777777導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分。導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分。四、四、耦合器件種類及應(yīng)用耦合器件種類及應(yīng)用按照偏振模式分按照偏振模式分普通耦合器普通耦合器，保偏耦合器保偏耦合器此外，它還可應(yīng)用于小汽車、火車和船舶的導(dǎo)航和運(yùn)此外，它還可應(yīng)用于小汽車、火車和船舶的導(dǎo)航和運(yùn)動監(jiān)測，如天線、攝像機(jī)的穩(wěn)定器，機(jī)器人、鏟車、動監(jiān)測，如天線、攝像機(jī)的穩(wěn)定器，機(jī)器人、鏟車、農(nóng)業(yè)

40、機(jī)械的控制和導(dǎo)航，煤氣、電力、通信、電纜光農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制和導(dǎo)航，煤氣、電力、通信、電纜光纜的管道測繪，航天飛機(jī)、火箭的導(dǎo)航。僅日本尼桑纜的管道測繪，航天飛機(jī)、火箭的導(dǎo)航。僅日本尼桑公司車輛導(dǎo)航系統(tǒng)對光纖陀螺的需求量就達(dá)每月公司車輛導(dǎo)航系統(tǒng)對光纖陀螺的需求量就達(dá)每月2500250030003000個，即個，即250025003 3300030003 3個保偏光纖耦個保偏光纖耦合器。播種和噴藥用直升飛機(jī)每年需要合器。播種和噴藥用直升飛機(jī)每年需要100010003 3個保偏個保偏光纖耦合器。由此可見，隨著相干光通信和光纖陀螺光纖耦合器。由此可見，隨著相干光通信和光纖陀螺等的快速發(fā)展，保偏光纖耦合器的

41、需求量也會與日俱等的快速發(fā)展，保偏光纖耦合器的需求量也會與日俱增。增。 五、五、光纖耦合器光纖耦合器的制作的制作方法：方法：蝕刻法，研磨法，熔融拉錐法蝕刻法，研磨法，熔融拉錐法1.1.蝕刻法：最先是由蝕刻法：最先是由SheemSheem和和GiallorenziGiallorenzi發(fā)明，發(fā)明，將兩根裸光纖扭絞在一起，浸入氫氟酸中，腐將兩根裸光纖扭絞在一起，浸入氫氟酸中，腐蝕掉光纖四周的涂覆層和包層，從而使光纖纖蝕掉光纖四周的涂覆層和包層，從而使光纖纖芯相接近，實現(xiàn)兩光纖間的耦合。這種方法雖芯相接近，實現(xiàn)兩光纖間的耦合。這種方法雖然簡單，但制作出來的耦合器不僅不耐用，而然簡單，但制作出來的耦合

42、器不僅不耐用，而且對環(huán)境溫度的變化很敏感，缺乏使用價值。且對環(huán)境溫度的變化很敏感，缺乏使用價值。五、五、光纖耦合器光纖耦合器的制作的制作方法：方法：2.2.研磨法：研磨法：BerghBergh等人發(fā)明等人發(fā)明了光纖研磨法，是將每根了光纖研磨法，是將每根光纖預(yù)先埋入玻璃塊的弧光纖預(yù)先埋入玻璃塊的弧形槽中，然后對光纖的側(cè)形槽中，然后對光纖的側(cè)面進(jìn)行研磨拋光，同時監(jiān)面進(jìn)行研磨拋光，同時監(jiān)視光通量，研磨結(jié)束后，視光通量，研磨結(jié)束后，在磨面上加以小滴匹配液，在磨面上加以小滴匹配液，再將光纖拼接，做成光纖再將光纖拼接，做成光纖耦合器。這種辦法克服了耦合器。這種辦法克服了分立元件法的一些缺點(diǎn)，分立元件法的一

43、些缺點(diǎn)，并可做成分光比可調(diào)的耦并可做成分光比可調(diào)的耦合器（目前仍是制作這類合器（目前仍是制作這類器件的一種選擇），器件器件的一種選擇），器件的實用性也有所提高，但的實用性也有所提高，但制作困難，成品率低，環(huán)制作困難，成品率低，環(huán)境特性也不理想。境特性也不理想。五、五、光纖耦合器光纖耦合器的制作的制作方法：方法：3.3.熔融拉錐法：具體是將兩根（或兩根以上）除去涂覆熔融拉錐法：具體是將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光的耦合。常用的加熱源是氫氧波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光的耦合。常用的加熱源是氫氧焰或氫焰等，加熱源有的采用固定式，有的采用可移焰或氫焰等，加熱源有的采用固定式，有的采用可移動式。這種方法可以用計算機(jī)較精確地控制各種過程動式。這種方法可以用計