耦合器基本原理

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。
弱耦合理论的基本思想是：相耦合的两波导中
的场，各自保持了该波导独立存在时的场分布和传 输系数，耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变 化。
两光纤耦合过程光功率分配状况
P1(z)= 1-F2sin2( C z ) F P2(z)= F2sin2( C z ) F
熔锥型单模光纤耦合器
在单模光纤中，传导模是两个正交的的基模(HE11) 信号。传导模进入熔锥区后，纤芯变细，V值逐渐减少， 越来越多的光功率进入光纤包层。实际上的光功率是在 由包层作为芯，纤外介质(一般是空气)作为新的包层的
复合波导结构中传输的。
2πa V= λ
n12-n22
熔锥区截面示意图
两光纤波导之间的耦合
宽带单模耦合器
当前光纤通信中采用的1310nm或1550nm的半导体 激光器一般都有±30nm的波长偏差，因此需要耦合器在
一个较宽的波长范围都能达到设计要求。
目前通信领域的宽带耦合器的一般要求：1310nm 1550nm双窗口，每窗口带宽±50nm、分光比的变化不 大于5%。
宽带耦合器制作原理
用熔融拉锥工艺制作宽带耦合器的原理如图：
P1(z)是直通臂的光功率， P2(z)是耦合臂的 光功率，z为拉锥长度。

1 2
2
1/ F 1
2 3 2 1
( 1 2 ) 4C
2
2
耦合系数 C
U
W
2 2
2 U K 0 (Wd r ) rV K (W )
2
r ( k n co )
r ( k n cl )
耦合器的基本原理
刘新夫
2004-05
定义及分类
1、定 义
耦合器是一类能使传输中光信号在特殊结构的耦合区 发生耦合，并进行再分配的器件。
2、分
类
光功率分配器(Splitter)
2.1 功能 光波长耦合器(WDM coupler)
X形耦合器(2×2 coupler)
2.2 端口形式 Y形耦合器(1×2 coupler) 星形耦合器(M×N coupler,M、N>2) 树形耦合器(1、2×N coupler, N>2)
可以通过改变熔融拉锥条件，来增强这种敏感性，从而
制成波分复用器(WDM)。 如拉锥曲线图，拉伸终止在E点，两输出端口的一 端将获得1310nm波长的全部输出光功率，而另一端获 得1550nm波长的全部输出光功率。
E
B
熔锥型多模光纤耦合器
在多模光纤中，传导模若干个分立的模式，当传导
模（靠近光轴的模式为低阶模，离光轴较远的为高阶模） 进入熔锥区后，纤芯变细，同样导致V值逐渐减少，纤芯
中束缚的模式数减少，较高阶的模进入包层中，形成包
层模。 因此，两多模光纤包层合并后，耦合臂的纤芯可以 “捕获）这些较高阶的模式，获得耦合光功率。 对于直通臂的较低阶的模式，由直通臂中输出，不 参与耦合。
2 2 2
2 2 2
r是光纤半径，d是两光纤中心的间距，
nco和ncl分别是纤芯和包层的折射率，
U和W是光纤的纤芯和包层参量，V是 孤立光纤的光纤参量，K0和K1是零阶 和一阶修正的第二类贝塞尔函数。
( n co n cl ) ( 2 n co )
V krn co 2 k
2

6、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL） 指当传输光信号的偏振态发生3600的变化时，器件各输 出端口输出光功率的最大变化量。 Pin Pout1 Coupler Pout2
PDL= -10×lg
Min（Poutj） Max（Poutj）
6、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL） 指当传输光信号的偏振态发生3600的变化时，器件各输 出端口输出光功率的最大变化量。 Pin Pout1 Coupler Pout2
耦合比率与熔融拉锥长度的关系
1 0.9 0.8 0.7 P ( 1.55 0 Z ) 0.6 P ( 1.31 0 Z ) 0.5 Yc( Z ) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 4000 4500 5000 5500 6000 Z 6500 7000 7500 8000
C
D
A
Pin
Pout1
Coupler Pout2
Pouti ILi= -10×lg Pin
2、附加损耗（Excess Loss，EL） 指耦合器全部输出端口光功率总和相对全部输入光功率 的减少值。 Pin Pout1
Coupler
Pout2
EL= -10×lg
∑Pout Pin
3、分光比（Coupling Ratio，CR） 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
¼ â Ë ¤¼ º ð ´ Ì ¬ ¸ â Ë Ë ¼ ¨» ¤ À ¸ Ï Ä Ê Ò Å Ê ¾ £ Ê ¸ Ï Ï ··ò µ â Ë ´ Ì ¨ ¸ Ï Ê ¾ · à à Ó ¤ µ Ö é Ï Ð Ï ¼ ´ Ê Ï ñ ¹ ³ Á È ò ½ Î ¶  « È É ö É É ¾ ׳ ¾ â ¸ Ô â Ë à æ Ð ¤ ¬ Ú ¤ æ Ó ¤ ä ¶ ¸ Ï ² Â Ñ Ã £ Ô Ã Â » Å Ä Å ô¿ Ã Ö ×§Ñ Ë ¸ Ï Ñ Ã ·Ò £ Ô ¼ ¸ Ï Å ¼ ¡ Ï â Ë Ð ¤ ¨¹ ¬ Ù « â Ë ´ Ó £ Ô º í è Ð ² ¿ Ï Í Ð Û Ú ­ ¶ ¨ È È ¿ ×· ¼ æ ¨µ Í Å Â ² » Ð ¼ æ â ¨µ ­ í Å Â ¸ ² » Ô ¿
Pin
Pout1 Coupler Pout2
CR=
Pouti ∑Pout
×100%
4、方向性（Directivity） 指耦合器工作时，输入一侧非注入光的一端的输出光 功率与全部注入光功率的比较值。 Pin
Coupler
Pout
Pout Directivity= -10×lg Pin
5、回波损耗（Return Loss） 指耦合器工作时，返回注入光的一端的输出光功率与 全部注入光功率的比较ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
单窗窄带耦合器(Standard Coupler) 2.3 工作带宽 单窗宽带耦合器(WFC) 双窗宽带耦合器(WIC)
单模耦合器(Singlemode Coupler) 2.4 传导模式
多模耦合器(Multimode Coupler)
耦合器的光学特性参数
1、插入损耗（Insertion Loss，IL） 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一 定的方式靠拢，在高温加热下熔融，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法。
光纤 光 源
夹具 光探测器
火焰 控制电路 计算机
熔融拉锥系统示意图
耦合机理
输入臂 入端锥体
耦合区
出端锥体
直通臂
耦合臂 入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再 分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一 部分由“耦合臂”传到另一路光路。
1 1 0.9 0.8 0.7 P ( 1.55 0.0075 Z ) 0.6 P ( 1.31 0.0075 Z ) 0.5 Yc ( Z ) 0.4 0.3 0.2 0.1 7.561 10
6
C
D
0 4000 4000
4500
5000
5500
6000 Z
6500
7000
7500
PDL= -10×lg
Min（Poutj） Max（Poutj）
耦合器的制作方法
Å ô·¨ Ö ×¼ · â §Ô þ é Ï ¸ Ñ ª » ×¹ Í Ð ôÒ Ö ª â §Ô þ ¨È · ¸ Ñ ª » £ ç Í µ È © à é Ï ¢ ½ µ £ µ ×¹ ¡ ª ¾ â à · Î â Î ´ ´ µ » ¹ ¸ ­ í Ô ¿ Ì µ Ø ã µ ¢ ¢ ä µ ¢ â ½ ¡ ·É ½ ¡ ¿ ð Ã ó ¢ è « ä â Ë é Ï § Ë ¹ ´ ¡ Ó ´ Ê ¸ Ï ñ ¹ ¿ ´ Ó ¬ é Ï ö í Å ¼ £ ñ ¹ º ¿ Ñ ¬ ·½ È ¨ Ð é £ à £ º ³ Î ¶ Ô ² ¡ §Ô í Ñ ­ ¿ ¬ « ö ·² Í Â Ô · £ µ ² Å º Ã Ó ¶ º Ð £ · ¡ ô·â È é Ï ô£ « µ Ö ¸ ±ñ ¹ Å ¬ µ ¬ É ·Á Í ¬ ·½ Ø £ ³ Å Ê µ £ º ³ Ì £ ¡
8000 8000
1、拉伸停止在C点，器件性能对波长最不敏感，离开C点， 波长敏感性逐渐增大，因此，如果拉伸停在C点，就能
在相应的中心波长获得最大的工作带宽，即“单窗口宽
带耦合器”。 2、如果拉伸停在D点，就能够改善两个中心波长的工作带 宽，即获得“双窗口宽带耦合器”。
熔融拉锥型WDM耦合器
在两光纤耦合过程中，其耦合系数C是包含波长λ 的量，因此，耦合系数对波长是敏感的，在制作过程中，
P返
Coupler
P注
P返 RL= -10×lg P注
6、均一性（Uniformity） 对于均匀分光的耦合器，均一性定义为耦合器在工作 带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量。 Pin Pout1 Coupler Pout2
Uniformity= -10×lg
Min（Pout） Max（Pout）
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