平面光波導(dǎo)分路器工作原理簡介

1、平面光波導(dǎo)分路器工作原理簡介分路器作為FTTx網(wǎng)絡(luò)的核心部件，其在無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive OpticalNetwork, PON)的一個典型應(yīng)用表現(xiàn)在以下兩個方面：1.作為下行光信號(1490nm和1550nm)的功率分配器(Power splitter)使用2.作為上行光信號(1310nm)的合束器(Combiner)使用詳細的組網(wǎng)形式不是這里的討論重點，讀者可以參考相關(guān)專著(如GerdKeiser的FTTX Concepts and Applications )。這里主要討論的是分路 器的工作原理和性能。目前市場上主流的分路器主要基于兩種技術(shù)形式：熔融拉錐型(FusedBiconica

2、l Taper, FBT)和平面光波導(dǎo)(PLC)型。同樣的，兩種技術(shù)形式孰優(yōu) 孰劣，這里不作評論。無論基于何種技術(shù)形式的分路器，都是基于1x2根本結(jié)構(gòu)的級聯(lián)而成。FBT的1 x 2結(jié)構(gòu)是一耦合器，而PLC的是一Y分支結(jié)構(gòu)。這個看似簡單的Y分支構(gòu)件，其實并不簡單，因為分路器的性 能優(yōu)劣很大程度上就是由它決定的。如何設(shè)計一個性能優(yōu)異的Y分支結(jié)構(gòu)屬于技術(shù)機密(Classified technology),這里不便討論。這里僅就基于平面 光波導(dǎo)技術(shù)的一個Y分支結(jié)構(gòu)的分路器，即1x2分路器的工作原理作一 簡介。其實也就是從物理本質(zhì)上粗略地解釋為什么1x2分路器無論是上行，還是下行信號，其插入損耗都是3

3、dB。1 x 2分路器的功能結(jié)構(gòu)可以用圖1(a)的框圖來表示：一個單模輸入波導(dǎo)，兩個單模輸出波導(dǎo)。中間用來分束的結(jié)構(gòu)有很多種，這里只給出了3種結(jié)構(gòu)：圖1(b)的定向耦合器型(Directional Coupler, DC)，圖1(c)的無間 距定向耦合器型(Zero-Gap Directional Coupler, ZGDC)，以及圖1(d)的模 斑轉(zhuǎn)換器型(Spot Size Converter, SSC)。定向耦合器型和零間距定向耦合 器型輸入端都只用其中一個端口，并且無間距定向耦合器型其實是多模干 涉型(Multi-ModeInterference, MMI)。現(xiàn)行市場上熱賣的PLC分路

4、器都是SSC型的，之所以給出另外兩種，是為了進行比照分析。首先來看圖1(b)的DC,入射光在入射單模波導(dǎo)內(nèi)只存在一個模式：基 模(0階模)。當該0階模到達耦合區(qū)-兩相互靠近的波導(dǎo)(間距為波長量級)時，根據(jù)超模理論(Supermode theory),將會在耦合區(qū)鼓勵出如圖中所示 的兩超模(由各獨立波導(dǎo)中的0階模疊加而成)：偶模(even mode)和奇模(odd mode)，并且這兩個超模具有幾乎相等(近于簡并)的傳播常數(shù)。在偶 模中，位于2個波導(dǎo)內(nèi)的電場波峰是同相位；而奇模中兩波峰是反相位。根據(jù)這樣的相位關(guān)系，兩超模疊加的場分布光功率，可以在相鄰兩波導(dǎo)中 周期性的，成二次正(余)弦函數(shù)的，不

5、斷的交替變換。圖中示意圖為剛好 等分(half = 3dB)入射光強時的模式(FBT1 x 2分路器原理與此類同)。再來考察圖1(c)中的ZGDC， 同樣的入射光在入射單模波導(dǎo)內(nèi)只存在一 個模式：基模(0階模)。雖然該結(jié)構(gòu)也叫DC,但其工作模式與真正的DC完全不同。當入射0階模到達兩入射波導(dǎo)交叉點時，該處波導(dǎo)寬度突然增 大一倍，其場寬也必然增大，變成另一0階模。由于這兩個0階模不滿足場的連續(xù)性條件，因此必然同時伴隨著另一模式-1階模的激發(fā)，而且1階模的強度與0階模相同。如是在中間寬度2w多模波導(dǎo)中便傳輸著兩個模 式，并且最多只有這兩個模式：0階模和1階模該2w波導(dǎo)為雙模波導(dǎo)。這樣，在該區(qū)域內(nèi)，

6、光場分布就是這兩個模式0階模，1階模的相互干預(yù) 場分布前面提到的MMI o圖中示意圖為剛好在兩輸出單模波導(dǎo)中等分half = 3dB輸入光強時的模式。圖1d就是現(xiàn)行市場上的PLC1 x 2分路器-Y分支。其工作原理如下： 當入射單模波導(dǎo)內(nèi)的0階模剛到達錐形區(qū)域-SSC時， 這里波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并無 發(fā)生任何變化，因此仍然保持該0階模的形態(tài)。當該0階模繼續(xù)在SSC中傳播時，雖然波導(dǎo)寬度不斷變寬到2w,此時該波導(dǎo)內(nèi)可以存在兩個模式前已述。然而，由于SSC區(qū)域變寬的很緩慢，在每一點，都可認為滿 足場的連續(xù)性條件，所以并不會激發(fā)起高階模這里是1階模，而僅是0階模的寬度隨著波導(dǎo)的變寬而不斷變寬，最后被輸出單模波

7、導(dǎo)等分 half=3 dB輸入光強。這三種類型的1 x2分路器，兩輸出端都可以等分輸入光強。其中前兩 種類型，由于在光傳播方向上的結(jié)構(gòu)是對稱的，反過來用即光從任一原輸 出端輸入時，從原輸入波導(dǎo)中輸出3 dB(= half)的光這很好理解(1.另3 dB的光從另外一波導(dǎo)輸出；2.光路可逆-在光傳播方向上結(jié)構(gòu)對稱)。然而， 第三種結(jié)構(gòu)表像看來，也出現(xiàn)相同的結(jié)果，即光從任一原輸出端輸入時， 從原輸入波導(dǎo)中輸出3 dB(= half)的光。關(guān)鍵是這種情況下輸出波導(dǎo)只有 一根，那另外3 dB的光去哪兒了呢？答案是另外3 dB的光輻射損耗掉了。 (這里順便提一下，在前面的解釋過程中其實還涉及到傳播常數(shù)最接

8、近原那么，讀者有興趣可以自己去了解一下)解釋上面提到的這個現(xiàn)象， 我們只需要比照圖1(e)和(f)就知道了。當從 一輸入單模波導(dǎo)進來的0階模到達兩單模波導(dǎo)的交叉點時，將會同時等強度的激發(fā)起另一0階模和1階模(前已述)。在圖1(e)中，這兩個模式的光可以保持原狀繼續(xù)往前傳播。而在圖1(f)中，當兩個模式的光繼續(xù)往前傳播時，SSC區(qū)域不斷變窄到w(僅能存在一個基模)，0階模在這個過程中能繼續(xù)往前傳播，并不發(fā)生截止，而只是模場的寬度逐漸變小；但1階模 (屬于高階模)，在到達單模輸出波導(dǎo)之前，已經(jīng)發(fā)生截止 (該1階模不能成 為單模波導(dǎo)的導(dǎo)波模，只能成為輻射模)，從而被輻射出去。由于0階模和1階模的強度相同，所以輸出單模波導(dǎo)輸出輸入光強的一半-3 dBo在圖1(g)和(h)中，給出了兩個實例，可以形象的了解SSC區(qū)域0階模的模場寬度壓縮和1階模的截止輻射。當頻率相同的相干光從兩輸入波導(dǎo)同相入射時(圖1(g),將產(chǎn)生偶模激振。當兩波導(dǎo)的間距逐漸變成零時，偶模中間的波谷逐漸變小，直至形成波峰，變換成0階模。該0階?？梢詮妮敵鰡文２▽?dǎo)中輸出，其靜態(tài)場分布圖如圖2(c)所示。而當頻率相同的相干光從兩輸入波導(dǎo)反相入射時(圖1(h),將產(chǎn)生奇模激振。當兩波導(dǎo)的間距逐漸變成零時，奇模將會變換成1階模。該1階模隨著SS