熔锥型宽带耦合器的研制

拉锥型耦合器原理简介

拉锥型耦合器原理简介拉锥型耦合器，发展于20世纪90年代，具有对光信号进行能量分配，波长合，解复用等功能。

尽管2008年后，PLC的出现和发展，对拉锥型耦合器均分能量部分功能进行了削弱，但对于不同能量分光比，以及成本较低的波分型耦合器来说，在目前用于5G项目的波分模块监控端（可根据不同方案设计成不同分光比，带宽要求），以及用于EDFA模块上面，依然有着不可替代的作用。

那么，不同功能的耦合器，是否需要不同种类的材料才能制造出来呢？答案是否。

只要两根光纤，重合在一起，通过火温，夹具，拉锥速度，停火点等变化，就可以制作成不同分光比(0.5%~99.5%)，不同带宽(+-10nm,+-20nm,+-40nm,全带宽)的光能量分配的器件，也可以制作成不同波长分配的器件（1550/1310nm，1480/1550nm，980/1550nm）。

居然可以这么神奇？下面我们细说一下拉锥型耦合器的原理。

耦合器的最简单形式由两个紧密放置的平行单模光纤组成。

这种结构的基本操作涉及两个波导之间的部分或完全传输功率。

功率交换是由于一个波导模式到另外一个波导模式的消逝尾部之间的光耦合,其中光发射,第二波导的自然模式。

这种光学交互也可以看作是复合结构的对称和反对称超级模式之间的跳动。

均匀间隔的并行交互区域在耦合过程中起着关键作用。

交互区域具有纵向不变结构,可通过耦合模式分析了解该区域发生的光耦合。

图1 a: 由一对相同的单模波导形成的复合结构的对称和非对称模场图1b: 沿z 传播的两种模式的相对相位差及其在z=π/2 的叠加在波导-1 中取消并加入波导-2在跨交互区域的耦合模式分析中,假定彼此平行的两个均匀波导作为复合结构 . 由两个单模波导形成的复合系统可以显示支持两种模式,一种是对称(偶数)模式,另一种是反对称(奇数)模式。

这两种模式称为复合结构的正常模式或超模,具有不同的传播常量当光耦合到其中一个波导中时,它会激发对称和反对称超模的线性组合,如图1 所示。

光纤耦合器的理论_设计及进展

第30卷第1期 2010年3月物理学进展PROGRESS IN PH YSICS V ol.30No.1 M ar.2010文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44收稿日期:2009-11-18基金项目:国家自然科学基金(10674075,10974100,60577018)、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、国家863计划项目(2006A A01Z 217)、光电信息技术科学教育部重点实验室开放基金项目资助*Ema il:zhangw g@nanka 光纤耦合器的理论、设计及进展林锦海,张伟刚(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要: 系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X 型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。

作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。

关键词:光纤光学;光纤耦合器;光纤通信;光纤传感;超长周期光纤光栅中图分类号:T N253;T N929 文献标识码:A0 引言光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件,是光纤系统中使用最多的光无源器件之一,在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。

光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。

根据光的耦合原理,人们已经设计出了多种光纤耦合器器结构。

包括:X 型光纤耦合器、星型光纤耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等。

随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。

熔融拉锥型耦合器

熔融拉锥型耦合器
熔融拉锥型耦合器是将两根或多根光纤捆在一起，然后在拉锥机上熔融拉伸，并实时监控分光比的变化，分光比达到要求后结束熔融拉伸，其中一端保留一根光纤（其余剪掉）作为输入端，另一端则作多路输出端。

目前成熟拉锥工艺一次只能拉1×4以下，1×4以上器件，则用多个1×2连接在一起，再整体封装在分路器盒中。

莱择光电生产的熔融拉锥型保偏耦合器（也称拉锥分路器，FBT Coupler），能使在光纤中传输的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，进行光功率的再分配，可以根据需要实时监控，制作出不同分光比耦合器，该耦合器广泛用于光纤激光器、光纤放大器、通信系统和光纤到户中。

实验19WDM光波分复用器

1.9 WDM光波分复用器实验者：钦（12342080）合作者：王唯一（12342057）（大学物理科学与工程技术学院，光信息科学与技术12级2班B13）2015 年3 月26 日，19%,70%-、实验目的和容1,了解WDM光波分复用器的工作原理和制作工艺，即熔融拉锥技术。

2,认识WDM光波分复用器的基本技术参量的实际意义，学会测量插入损耗、附加损耗、隔离度、偏振相关损耗等。

3,分析测量误差的来源。

二、实验基本原理在熔融拉锥技术中，具体制作方法一般是将两根（或者两根以上）除去涂覆层的裸光纤以一定方式靠近，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，利用计算机监控其光功率耦合曲线，并根据耦合比与拉伸长度控制停火时间，最后形成双锥结构。

采用熔融拉锥法实现光纤间传输光功率耦合的耦合系数与波长有关，光传输波长发生变化时，耦合系数也会变化，即耦合器的分光比发生变化。

考虑到熔融拉锥的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系数与传输波长的关系越大，所以尽量减少熔融拉锥中耦合的次数，最好在一个周期完成耦合。

合理改变熔融拉锥条件，能够获得不同功能的全光纤耦合器件。

熔融拉锥机的控制原理模块图如图1所示。

熔融拉锥型光纤耦合器工作原理示意图如图2所示。

图1熔融拉锥机系统控制示意图图2熔融拉锥型光纤耦合器工作原理示意图1、单模耦合器在单模光纤中传导模是两个正交的基模HE H信号。

图3是单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图。

但传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，归一化频率V逐渐减小，有越来越多的光功率掺入光纤包层中。

实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质（一般是空气）作为包层的复合波导中传播的；在输出端, 随着纤芯的逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定比例“捕获"。

在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。

将一根光纤看做是另一光纤的扰动，在弱导近似下，并假设光纤是无吸收的，则有折射率包层j纤芯图3单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图耦合方程组~ — = "01 + Gi)A| + iC i2A2』"Z (1)必(z)_“丄厂“丄，.—: ------- K 卩=+C")儿+zC01Ajdz式中，儿、人?分别是两根光纤的模场振幅；A、“2是两根光纤在孤立状态的传播常数；Gj是耦合系数。

球聚焦型3×1光纤熔锥耦合器的研究

ＸＩＮＧｉｈｎ，Ｃａ．ｏｇＺＨＡＯｎ．ｉＺＨＡＮＧｎｙｎ，ＡＮＧｈｉｐｎＺｅｇｗｅ，Ｘｉ — ｉｇＷＺ —ｅｇ
ＭＡａ— ｏ，Ｎｉ —ｕＯＨｉａＷＡＧＱｎｇｏｔｇ
（．ｃｏｌｆｈｓｓｎｌｔｎｃ，ｎｎＵｉｒｔ，ａｅｇ７０４Ｃｉ；１ＳｈｏｏＰｙｉｄＥｅｒｉＨｅａｎｅｓｙＫｉｎ５０，ｈｎｃａｃｏｓｖｉｆ４ａ
摘要：以线性耦合波方程为基础，采用散射矩阵的方法讨论了等三角分布的熔锥型３× 光１纤耦合器，并用射线理论分析了球聚焦透镜光纤的端面效应。将未封装的３３熔锥光纤耦合Ｘ器在束腰处切断，并将锥端面熔成聚焦球端，利用光信号在光纤锥形区和球聚焦透镜中特有的传输和耦合特性，实现了光纤的耦合、连接和分束。结果表明：用该方法耦合效率可达７％采０
左右。同时大大增加了耦合系统的失调容差，降低了调试和封装的难度，因而有着广泛的实际
应用价值。
关键词：光通信；射矩阵；聚焦型；锥耦合器；散球熔３×１光纤耦合器
中图分类号：Ｎ５Ｔ２３
文献标识码：Ａ
Ｓｕｙｏｈｐｅｉａｏｕｓｄ３ × １ｆｂｒｏｔｃｆｓｄｂｃｎｃｌｃｕｌｒｔｄｆｔｅｓｈｒｃｌｆｃｅｅ — ｐｉｕｅｉｏｉａｏｐｅｉ
ｐｉｇｃａａｔｒｔｎｔｅｔｐｒｄａｅｄｏｔｂｒｔｉｕａｐｅｃｏｕｅｎａｅＲｓｌｈｗｔａｈｌｈｃｅｉｉｉｈａｅｅｒａａｐｉｆｅｈｃｒｌｒｓｈｒａｆｓｄｅｄｆｃ．ｅｕｔｓｏｈｔｅｎｒｓｃｎｃｉｗｉｃｉｌｃｓｔｃｕｌｇｅｉｉｎｙｉｒｖｂｕ０，ｎｈｏｅａｔｉｔｒａｃｆｈｏｐｉｇｓｓｅｉｌｇｌｃｅｅ．ｔｈｏｐｉｆｃｅｃｍｐｏｅａｏｔ％ａｄｔｅｔｌｒｎｓｕｂｎｅｏｅｃｕｌｙｔｍｅｙｉｒａｄＡｅｎ７ｄｔｎｓａｒｎｓｔｓｍｅｔ，ｈｉｉｕｔｓｏｅｕｇｎｄｅｃｐｕａｉｎｉｇｅｔｅｕｅ．ｅｅｏｅｔｉｃｕｌｒｗｌｈｖｉｅｙａｉｍｅｔｅｄｆｃｌｅｆｄｂｇｉｇａｎａｓｌｔｓｒａｌｒｄｃｄＴｒｆｒｈｓｏｐｅｉａｅｗｄｌｉｎｏｙｈｌｐａｔａｐｌａｉｎ．ｒｃｉｌｐｉｔｓｃａｃｏＫｅｒｓｏｔａｏｙｗｏｄ：ｐｉｌｍｍｕｉａｉｎ；ｃｔｒｎｔｘ；ｐｅｃｏｕｅｆｓｄｂｅｎｃｌｏｐｅ；ｃｃｎｃｔｏｓａｔｉｇｍａｒｓｈｒａｆｃｓｄ；ｕｅｉｏｉａｃｕｌｒ３×１ｆｒｃｕｌｒｅｉｉｌｂｏｐｅｉｅ

拉锥式耦合器原理及制作讲诉

FOCI
❖插入损耗 I.L （Insertion Loss）
Pin Coupler
POUT1
I .L1
10 log
POUT1 PIN
(dB)
POUT2
I .L2
10 log
POUT 2 PIN
(dB)
FOCI
❖偏振敏感损耗 P.D.L (Polarization Dependent Loss)
Pin Coupler
拉锥式耦合器原理及制作培训人：周进文
目录
FOCI
❖ 光纤基本知识 ❖ 耦合器器件介绍 ❖ 耦合原理概述 ❖ 参数验证实验 ❖ 烧结制作流程
光纤基本知识
FOCI
❖ 什么是光纤？
是一种纤芯折射率比包层折射率高的石英玻璃丝。
❖ 光纤基本结构：
涂覆层（Coating）
包层（Cladding）
纤芯（Core）
熔融拉锥法就是将两根（或两根以上）除
去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方式。
光纤
光源
夹具
FOCI
光探测器
火焰
控制电路
熔融拉锥系统示意图
计算机
耦合机理
入端锥体输入臂
耦合区
FOCI
出端锥体直通臂
FOCI
FOCI
C-WD-AC-50-S-1210-35-NC/NC
❖ C-WD:产品名称 ❖A: 光纤种类（D、C） ❖C: 穿线方式（L） ❖ 50：分光比 ❖S: 出货等级（H、A） ❖ 12：端口形式（22） ❖ 10：出纤长度（05、15、20） ❖ 35：工作波长（13、15、85、RX） ❖ NC/NC：无连接头（FC/FC、SC/SC等）

光纤耦合器的发展与制作201993

3、光纤的传光原理
分析光纤的传输原理有两种方法：
• 几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论
应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤
• 波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤
4 光纤光缆制造技术 4.1 光纤材料
1、光纤的诞生 • 早在古希腊的玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光，他们利
用玻璃的这种性质，制作了各种流光异彩的玻璃工艺品。十九世纪中期英国的丁达尔(J. Tyndall)利用实验证明利用光的全反射原理，光线在水中可以实现弯曲传播。
1、光纤的诞生
• 1927年英国的贝尔德(J. G.Baird)提出利用光的全反射现象制成石英光纤，从此以后人们把注意力集中到石英这种材料上。早期的光纤只有纤芯，利用空气－石英构成的界面实现光线的全反射，由于这种结构的开放性，经常引起光线的泄漏。为解决这一问题人们实验在玻璃纤维上涂覆塑料，以降低光线的泄漏同时对玻璃芯起一定的保护。这时初步形成了光纤纤芯－包层结构，但由于塑料包层难以做到均匀一致，而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平滑理想，光能量损失很大。
纤芯坯料棒内坩埚
包层坯料棒
纤芯玻璃
熔炉
外坩埚
包层玻璃
拉制光纤 (到拉丝机)
直接熔化法：可用于制造石英光纤、卤化物光纤和硫属光纤
具有可连续制造的优点
但坯料棒熔化过程中容易带来杂质，它的最低损耗值为5 dB/km
光纤拉丝机
精密输送机构
光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝 d = 10~25 mm; L = 60~120 cm

熔锥型光纤双窗宽带分路器EL与PDL的实验研究

双窗光分路器PDL≤0.1dB 的速度区间(mm/s) 0.12-0.18 0.16-0.22 0.18-0.26 0.16-0.32 0.20-0.34 0.26-0.46 0.08-0.46
市场上提供的优级双窗宽带分路器的PDL，在小分光比时最小为0.15dB[4]。由上可知，本文得到副路1550nm的PDL小于0.1dB的各分光比光纤双窗宽带分路器，其经济效益是相当可观的。 2.2 结果分析在制作熔锥型光纤分路器的过程中，影响PDL的因素包括形状双折射、两根光纤打绞而引起的扭曲、拉伸过程中由于温度场以及拉伸速度引起的应力双折射等。扭曲对偏振相关损耗的影响，不仅与打绞的位置有关，与拉锥过程中两光纤的扭曲程度有关[5]，应力双折射对 PDL的影响非常复杂[6]。 b c
0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
速度(mm/s)
(b) 1550nm 副路的 PDL 平均值与拉伸速度关系图 4 五个分光比光纤分路器 1310/1550nm 副路 PDL 与拉伸速度变化关系图 Fig.4 1310/1550nmCoupled arm’s PDL of 5 different optical couplers versus stretching speed
-0.25
-0.20
附加损耗(dB)
-0.15
-0.10
1310nm 1550nm
-0.05
0.00 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
速度(mm/s)
图 2 分光比为 30/70 的光分路器 EL 与拉伸速度关系图 Fig.2 Relationship between EL of optical couplers with 30/70and stretching speed