第四章-無源耦合器課件

第四章無源光耦合器器件4.1概述4.2熔融拉錐型全光纖耦合器4.3波導(dǎo)型光耦合器4.4耦合器前景展望1精選ppt定義：能使傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)內(nèi)發(fā)生耦合，并進(jìn)行再分配的器件?；蚬怦詈掀魇菍?shí)現(xiàn)光信號分路/合路的功能器件。光耦合器的功能是把一個輸入光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。耦合器（coupler）基本結(jié)構(gòu):耦合器多為雙向無源器件，基本形式有X型、Y型、樹型、星型等第四章無源光耦合器器件2精選ppt第四章無源光耦合器器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信號重要應(yīng)用在光纖網(wǎng)絡(luò)尤其是應(yīng)用在局域網(wǎng)在波分復(fù)用器件上應(yīng)用3精選ppt光耦合器分類從端口形式X型、Y型、星型以及樹型從工作帶寬的角度單工作窗口的窄帶單工作窗口的寬帶雙工作窗口的寬帶從傳導(dǎo)光模式多模與單模從器件工藝實(shí)現(xiàn)方式分立光學(xué)元件組合型光纖型光耦合器集成波導(dǎo)型4精選ppt幾種常見光耦合器結(jié)構(gòu)示意圖5精選ppt光耦合器類型T型光耦合器——是一種2×1的3端耦合器，可把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖的輸入光信號組合在一起，輸入一根光纖。主要用做不同分路比的功率分配器或組合器。星型光耦合器——是一種n×m的耦合器，可把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖。

第四章無源光耦合器器件6精選ppt定向光耦合器——是一種2×2的3端或4端耦合器。只用于作分路器，不能作合路器。波分復(fù)用/解復(fù)用器——波分復(fù)用器是與波長有關(guān)的耦合器，用于把多個不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器用于把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號分配給不同的光接收機(jī)。第四章無源光耦合器器件7精選ppt第四章無源耦合器常用光耦合器類型示意圖1（b）星型（c）定向型（d）波分復(fù)用型（a）T型423λ1λ2λN8精選ppt4.1.2描述光耦合器特性的一般技術(shù)參數(shù)1．插入損耗(InsertionLoss)插入損耗定義為----指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。（或說是一個指定輸入端光功率Pic和另一個指定輸出端的光功率Poc的比值。

第四章無源光耦合器器件9精選ppt2．附加損耗(Excessloss)全部輸出端口的輸出光功率總和相對于全部輸入光功率的減少值。附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的指標(biāo)，反映的是器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響。所以插入損耗不能反映器件制作質(zhì)量的優(yōu)劣。（4.2）第四章無源光耦合器器件10精選ppt3．分光比（或耦合比）（CouplingRatio）是指耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，在具體應(yīng)用中用相對于輸出總功率的百分比來表示。(4.3)第四章無源光耦合器器件11精選ppt4.方向性（Directivity）方向性是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。定義為從一個輸入端到另一個輸入端的插入損耗，即在耦合器正常工作時，輸入一側(cè)非注入光的一端的輸出功率與全部注入光功率的比較值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：(4.4)第四章無源光耦合器器件12精選ppt熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理第四章無源光耦合器器件13精選ppt5.均勻性（Uniformity）

均勻性就是用來衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。對均分性的分路器定義均勻性(dB)為所有輸出端在整個工作波長范圍內(nèi)(帶寬內(nèi))最大插入損耗與最小插入損耗之差，即各輸出端口輸出功率的最大變化量。非均分型的分路器則不具有該指標(biāo)。(4.5)第四章無源光耦合器器件14精選ppt6.偏振靈敏度或偏振相關(guān)損耗(PolarizationDependentLoss)

定義為不同偏振態(tài)線偏振光入射時，最大插入損耗值和最小插入損耗值之差。是指當(dāng)光信號的偏振發(fā)生3600變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量。是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參數(shù)，俗稱偏振靈敏度。(4.6)第四章無源光耦合器器件15精選ppt線偏振光：16精選ppt自然光：17精選ppt部分偏振光：18精選ppt7．隔離度(Isolation)波長隔離度定義為被隔離的工作波長在該輸出端的插入損耗。即指光纖耦合器件的某一光路對其它光路中的光信號的隔離能力。它的意義是與反映WDM器件對不同波長信號的分離能力。Pt是某一光路輸出端測到的其它光路信號的功率值；Pin是被檢測光信號的輸入功率值。(4.7)第四章無源光耦合器器件19精選ppt4.1.3光耦合器的制作方法⑴光纖型全光纖型耦合器的制造方法有熔錐和研磨法兩種。①熔錐型光纖耦合器。把兩根光纖或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作的各種器件。這種方法可以構(gòu)成Y型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器等。②研磨型光纖耦合器。研磨型光纖耦合器制作過程是：將兩根光纖一邊的包層研磨掉大部分剩下很薄的一層然后將兩根光纖研磨的一側(cè)拼合在一起，中間涂上一層折射率匹配液，于是兩根光纖可以通過包層里的消失場發(fā)生耦合，得到所需的耦合功率。第四章無源光耦合器件20精選ppt⑵微器件型：用自聚焦透鏡和分光片（光部分透射、光部分反射）、濾光片（一個波長的光透射，另一個波長反射）或光柵（不同波長的光有不同反射方向）等微光學(xué)器件可以構(gòu)成Y型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器。用2＊2的耦合器同樣可以構(gòu)成星狀耦合器。自聚焦透鏡在光無源器件中起著非常重要的作用。

第四章無源光耦合器器件21精選ppt⑶波導(dǎo)型：在以平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，同時又做波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇。一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。第四章無源光耦合器器件22精選ppt

4.2.1熔錐型光纖器件是全光器件中最具代表性的也是構(gòu)成其它器件的一種基礎(chǔ)器件，在光纖通信中得到了廣泛的使用，這是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：(1)極低的附加損耗。目前，利用熔錐法制作的標(biāo)準(zhǔn)X(或Y)型耦合器的附加損耗已低于0.05dB，這是其他方法所難以達(dá)到的。(2)方向性好。這類器件的方向性指標(biāo)一般都超過60dB，保證了傳輸信號的定向性，并極大地減少了線路之間的串?dāng)_。(3)良好的環(huán)境穩(wěn)定性。在經(jīng)過適當(dāng)保護(hù)后，受環(huán)境條件的影響可以限制到很小的程度。(4)控制方法簡單、靈活。可以方便地改變器件的性能參數(shù)。(5)制作成本低廉、適于批量生產(chǎn)。

第四章無源光耦合器器件23精選ppt“熔融拉錐(fusedbucolicaltaper，簡稱FBT)”法就是將兩根(或以上)去除涂覆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波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。第四章無源光耦合器器件24精選ppt熔融拉錐型全光纖耦合器第四章無源光耦合器器件25精選ppt4.2.2耦合機(jī)理對于單模光纖，傳導(dǎo)模是兩個正交的基模(HE11X,HE11y)信號。當(dāng)其進(jìn)入熔錐區(qū)時，隨著纖芯不斷變細(xì)，光纖截止頻率V逐漸減小，越來越多的光功率滲入光纖包層中。“耦合區(qū)”構(gòu)成了“光纖包層為芯，空氣為新包層”的復(fù)合波導(dǎo)，光信號在其中傳輸；在輸出端，纖芯逐漸變粗，V值重新增大，光功率被兩根纖芯以特定的比例“捕獲”，實(shí)現(xiàn)功率分配。第四章無源光耦合器器件26精選ppt第四章無源光耦合器器件27精選ppt標(biāo)準(zhǔn)熔融拉錐型單模光纖耦合器的功率變換關(guān)系式：(4-15)第四章無源光耦合器器件28精選ppt圖4.5耦合比率與熔融拉錐長度的關(guān)系第四章無源光耦合器器件29精選ppt式中為纖芯半徑，芯區(qū)折射率，傳導(dǎo)模與光軸夾角，傳輸光波長?？偟哪Ｊ綌?shù)為：在多模光纖中，傳導(dǎo)模是若干個分離的模式，不僅應(yīng)在數(shù)值孔徑角內(nèi)，還要滿足(4.16)(4.17)第四章無源光耦合器器件30精選ppt第四章無源光耦合器器件31精選ppt4.2.3星型耦合器星形耦合器的功能類似于自由空間的無線電通訊，將輸入信號混合并將其傳播至輸出通道。因此，星形耦合器是將無線電傳播系統(tǒng)的長處引入光纖傳輸系統(tǒng)。然而，缺點(diǎn)是混合通道的相干，會導(dǎo)致半音及接收機(jī)靈敏度的惡化，而且，對多模光纖的星形耦合器，模噪聲會增加。第四章無源光耦合器器件32精選ppt星型耦合器的制作方法:直接拉制法；單元拼接法。

直接拉接法：將N根光纖，以合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)緊密接觸后，在較強(qiáng)加熱源作用下，一次熔融拉錐獲得N×N星型耦合器。制造光纖耦合器有兩種基本工藝：混合棒法和熔接法。熔接法:采用熔融拉制法制造的多纖耦合器是將兩根或多根光纖，把涂覆層去掉清洗干凈后，擰絞成麻花狀，然后在加熱熔融狀態(tài)下邊加熱邊向兩邊拉伸而成，中間部位是啞鈴狀的雙錐體。熔接法的工作原理：在雙錐體的前半部，隨著光纖逐漸變細(xì)，原來在光纖中傳播的芯模逐漸變成包層膜并向前傳播，在雙錐區(qū)光信號以使所有光纖“公有化”了，即發(fā)生光耦合。在雙錐體后半部分，隨著光纖逐件變粗，包層膜又逐漸轉(zhuǎn)換為芯模，使光功率分配到各個光纖中，這就是多纖星狀耦合器的工作原理?；旌习舴ǎ河帽〔Ａ瑢⑤斎牍饫w的光混合然后在輸出光纖中對混合的光進(jìn)行分配。分透射式和反射式。第四章無源光耦合器器件33精選ppt單元拼接法：在N不大于8的星型耦合器，可以采用2×2器件作為基本單元；如果N不小于16，則采用44或88器件作為基本單元。第四章無源光耦合器器件34精選ppt星型耦合器示意圖35精選ppt4.2.4樹型耦合器樹型耦合器：指具有1(2)×N(N＞2)端口組態(tài)的功率分配器件,它用于CATV等技術(shù)中的重要器件。盡管功率均分的樹型耦合器是標(biāo)準(zhǔn)器件，其關(guān)鍵參數(shù)同星型耦合器一樣，也是插入損耗和均勻性等

制作的方法:在制作方法上采用直接拉制法和基本單元拼接法.第四章無源光耦合器器件36精選ppt第四章無源光耦合器器件37精選ppt樹型耦合器示意圖第四章無源光耦合器器件38精選ppt4.2.5寬帶耦合器：寬帶耦合器（WBC）是利用獨(dú)特的帶寬拓展技術(shù)（非對稱工藝）改變器件的波長特性，使帶寬拓展到±50nm，而且在這個帶寬范圍內(nèi)均能滿足低附加損耗、低偏振相關(guān)損耗等指標(biāo)。第四章無源光耦合器器件39精選ppt圖4.5耦合比率與熔融拉錐長度的關(guān)系第四章無源光耦合器器件40精選ppt改變分光比的方法：（1）對兩根相同光纖中的一根進(jìn)行預(yù)腐蝕或預(yù)拉伸，造成傳播常數(shù)的偏差，然后再同未處理的另一根光纖熔融拉錐成寬帶耦合器。優(yōu)點(diǎn)：光纖容易獲得，傳播常數(shù)偏差的調(diào)整方便，原則上可以實(shí)現(xiàn)任意分光比。缺點(diǎn)：制作工序較繁瑣，預(yù)處理后光纖機(jī)械性能變差，制作效率低。（2）直接采用結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異的商用光纖，通常是外徑相同，纖芯直徑有差異。優(yōu)點(diǎn)：制作工序簡單，光纖機(jī)械性能比較好，制作效率較高。缺點(diǎn)：光纖不容易獲得，傳播常數(shù)偏差的調(diào)整不方便，原則上不可以實(shí)現(xiàn)任意分光比。目前在應(yīng)用通信領(lǐng)域中的寬帶耦合器一般要求是：1310nm和1550nm雙窗口，每窗口帶寬±50nm、分光比變化不大于5％。第四章無源光耦合器器件41精選ppt4.2.6熔融拉錐型WDM耦合器制作原理：耦合系數(shù)對波長是敏感的，在制作器件時可以通過改變?nèi)廴诶F條件，增強(qiáng)這種敏感性，從而制成波分復(fù)用器（WDM）即合波/分波耦合器。優(yōu)點(diǎn)：是插入損耗低（最大值<5dB，典型0.2dB），無需波長選擇器件，制造簡單，更易于批量生產(chǎn)，此外還具有較好的光通路帶寬／通路間隔比和溫度穩(wěn)定性。不足之處：是尺寸稍大，復(fù)用波長數(shù)少，隔離度較（20dB左右）低，一般不用在目前的密集波分復(fù)用系統(tǒng)中。第四章無源光耦合器器件42精選ppt第四章無源光耦合器器件43精選ppt將若干個這種器件適當(dāng)組合，還可以實(shí)現(xiàn)更多功能。例如制作成上下波長型、中繼型等WDM器件，這些器件正在獲得廣泛的應(yīng)用。其中較成熟的熔融拉錐型WDM，是全光纖放大（EDFA）系統(tǒng)中用于泵浦光耦合的1480/1550nm、980/1550nmWDM。第四章無源光耦合器器件44精選ppt參Er光纖的放大原理圖45精選ppt圖4.11摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本結(jié)構(gòu)46精選ppt摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性摻鉺光纖(EDFA)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。

設(shè)計高增益摻鉺光纖(EDFA)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，EDFA的增益取決于Er3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。

對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。波長為1480nm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達(dá)100mW,泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光效率在6dB/mW以上。第四章無源光耦合器器件47精選ppt波長為980nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10dB/mW，而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。

?對波分復(fù)用器的基本要求是：插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。

?光隔離器的作用是:防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲

?

對光隔離器的的基本要求是：插入損耗小，反射損耗大。第四章無源光耦合器器件48精選pptMMC-X—XXX-—XXXX---XX/XX-—X--—X---XX/XXX--XX*XX

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└─→封裝尺寸：3.0*54等

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└─→輸入輸出形式：FC/UPC，F(xiàn)C/APC等

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└→光纖類型：2=50/125μm,3=62.5/125μm,4=其他

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└──→尾纖類型：0=250μm,1=900μm,2=2mm,3=3mm,4=其它

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└───→分光比：01/99,50/50或其它

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└────→工作波長：850=850nm,1310=1310nm,8513=850和1310nm

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└─────→端口：1×2或2×2

└─────→等級：P=優(yōu)級，A=標(biāo)準(zhǔn)級，X=用戶指定49精選ppt幾種常見光耦合器結(jié)構(gòu)示意圖50精選ppt4.3波導(dǎo)型光耦合器光波導(dǎo)的基本概念：1.導(dǎo)波光：受到約束的光波。2.光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇?.介質(zhì)光波導(dǎo)的三要素：“芯/包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布低傳輸損耗光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質(zhì)中，長距離無輻射的傳輸。第四章無源光耦合器器件51精選ppt波導(dǎo)型耦合器是指利用平面介質(zhì)光波導(dǎo)工藝制作的一類光耦合器件。其技術(shù)不僅包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作，還需考慮到器件與傳輸線路的耦合。所以從工藝的角度來講，更為復(fù)雜。但由于器件本身具有明顯的優(yōu)越性，使這種制作方法逐漸發(fā)展成為制作光耦合器的一種重要法。第四章無源光耦合器器件52精選ppt光波導(dǎo)器件按其組成材料可分為四種基本類型：鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)、硅基二氧化硅光波導(dǎo)、InGaAsP/InP光波導(dǎo)和聚合物光波導(dǎo)。LiNbO3晶體是一種比較成熟的材料，它有極好的壓電、電光和波導(dǎo)性質(zhì)。除了不能做光源和探測器外，適合制作光的各種控制、耦合和傳輸元件。硅基沉積二氧化硅光波導(dǎo)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，主要有氮氧化硅和摻鍺的硅材料，國外已比較成熟。第四章無源光耦合器器件53精選ppt基于磷化銦（InP）的InGaAsP/InP光波導(dǎo)的研究也比較成熟，它可與InP基的有源與無源光器件及InP基微電子回路集成在同一基片上，但其與光纖的耦合損耗較大。

第四章無源光耦合器器件54精選ppt

聚合物光波導(dǎo)是近年來研究的熱點(diǎn)。在兩個近紅外傳輸窗口（1330nm和1550nm）光損耗小，聚合物具有一定的熱穩(wěn)定性，可以承受制作器件的熔接溫度，并且在器件使用的過程中對環(huán)境變化有一定的穩(wěn)定性，具有盡可能低的雙折射率，確保聚合物材料的光學(xué)各向同性。當(dāng)前研究的有聚甲基丙烯酸甲酯衍生出來的氟代，氘代聚甲基丙烯酸酯，耐高溫聚合物聚酰（xian）亞胺的氟代衍生物，交聯(lián)含氟聚芳醚以及聚硅氧烷等。第四章無源光耦合器器件55精選ppt該波導(dǎo)的熱光系數(shù)和電光系數(shù)都比較大，很適合于研制高速光波導(dǎo)開關(guān)、平面陣列波導(dǎo)光柵（AWG）等。采用極化聚合物作為工作物質(zhì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是材料配置方便、成本很低。同時由于有機(jī)聚合物具有與半導(dǎo)體相容的制備工藝而使得樣品的制備非常簡單。聚合物通過外場極化的方法可以獲得高于鈮酸鋰等無機(jī)晶體的電光系數(shù)。第四章無源光耦合器器件56精選ppt第四章無源光耦合器器件光波導(dǎo)的制作方法：在鈮酸鋰等襯底材料上，以薄膜沉積、光刻、擴(kuò)散等工藝形成所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)耦合器的優(yōu)點(diǎn)：①體積小，重量輕，易于集中。②機(jī)械及穩(wěn)定性好。③耦合分光比易于精確控制，在母板定型后，可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。④易于制成小型化的寬帶耦合器。57精選ppt與熔融拉錐耦合器比較，還存在不足：①還須解決與光纖的耦合技術(shù)問題②技術(shù)尚不完善③波導(dǎo)制作工藝需要投入價格昂貴的設(shè)備④由于制作薄到母板的成本較高，非批量的生產(chǎn)往往得不償失。⑤對于較少路數(shù)（N≤8）的耦合器，熔融拉錐型具有更低損耗。第四章無源光耦合器器件58精選ppt4.3.2波導(dǎo)耦合器的結(jié)構(gòu)單模波導(dǎo)型單模波導(dǎo)型分路器是對單模光信號進(jìn)行功率分配的器件，可由離子交換玻璃波導(dǎo)、Ti擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)或聚合物波導(dǎo)構(gòu)成。分之波導(dǎo)方向耦合器間隙漸變的方向耦合器第四章無源光耦合器器件59精選ppt分之波導(dǎo)特點(diǎn)：由于這種結(jié)構(gòu)的帶寬與光的分布耦合無關(guān)，僅取決于模色散的限制，因此極適合制作寬帶分路器，單窗口帶寬可達(dá)100nm。圖4.13是實(shí)物圖。分支波導(dǎo)制作的關(guān)鍵：抑制分支點(diǎn)產(chǎn)生二階橫模即確定最佳的分支角。前者要求在分支點(diǎn)前面選擇合適的斜坡形波導(dǎo)；后者則要求兼顧最小分支角和分支點(diǎn)處散射損耗隨分支角增大而增加。對于非均分的分路器，應(yīng)當(dāng)采用非對稱分支，分光比通過調(diào)整分支角來控制。樹形分路器可以采用對稱多分支結(jié)構(gòu)，當(dāng)然更多的是采用兩分支波導(dǎo)串接的方法。其在工藝上更容易控制。而且原則上沒有路數(shù)的限制。第四章無源光耦合器器件60精選ppt(1)分支波導(dǎo)第