光纤耦合器

一． 定义

熔融拉锥型光纤耦合器（FBT Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构耦合区发生耦合，并对进行再分配的光无源器件。早期多用在传输干路中取出一定的功率，用于监控等。随着光纤光学技术的迅猛发展，光纤耦合器逐步开发出1×2、1×4、1×8或2×2、4×4等多种耦合类型，以及多种不同的耦合比例应用。

二． 特点

1. 按一定功率比例将一束光分成两束或多束光传输。

2. 宽工作波长带宽、低附加损耗、高稳定性和可靠性。

3. 熔融拉锥技术制作，在405 nm-2000 nm波长范围内提供多种波长选择。

4. 提供FC/APC和FC/UPC两种接头可选。

三． 说明

1.  熔融拉锥耦合器

熔融拉锥耦合器是由两根互相平行的光纤组成，将两根光纤通过缠绕在一起，在高温的环境下拉伸，使光纤逐步融化的同时被拉伸，两根光纤的纤芯逐渐靠近至一定距离。这个通过光纤缠绕、熔融拉伸形成的两根光纤的融合区域称为耦合区域（Coupling Region），其结构如下图1所示。

图1. 熔融拉锥区域结构及光耦合分配示意图(黄色纤芯，蓝色包层，红色光能量)

耦合区域的长度L决定了两根光纤之间的耦合比。在制造过程中，在端口Pin端持续输入光波，然后实时监控每个输出端口的输出功率。当达到设计的耦合比时，全自动的制造过程就会停止拉伸。由此产生的耦合器本质上是一根光纤，但是有两根纤芯，只是两个芯非常接近。这个过程就被称为熔融拉锥(FBT)过程。

2. 原理

通过光纤的光的强度分布基本上是高斯分布。也就是说，强度在中心处最大，由中心越接近纤芯/包层界面能量逐渐减小。值得注意的是：呈高斯分布的能量的尾部能量略微延伸越过了纤芯和包层的边界。这个尾部能量的光波叫做倏逝波。图2表示光波在光纤中的横截面中的能量分布图。垂直虚线表示光纤芯/包层边界。红色的部分就是倏逝波能量。

图2. 光在光纤中传输的能量分布(红色部分表示倏逝波的能量)

在FBT过程中，两根的平行光纤的纤芯非常接近，以至于倏逝波可以从一根纤芯“泄漏”到另一根纤芯中。在耦合区产生的能量交换的程度主要取决于纤芯间的间距‘d’和耦合区的长度‘L’从图1中可以发现,如果耦合长度足够长,能量可以完全从一根光纤耦合到另一根光纤。如果它的长度再长一些，耦合过程就会继续将能量转移回原来的光纤中。通过选择合适的长度，可以实现任意给定的功率传递比。这就是为什么我们能通过对拉锥过程的控制制作50/50或10/90耦合器。

3.我们通过一个实例来了解一下

图3. 2×2端口结构50/50拉锥耦合器。

如图3所示的熔融拉锥器件是一个1550 nm 50/50耦合器。假设我们向端口1输入1mW的1550nm的光，同样向端口4输入1mW的1550nm的光。那么我们在输出端口2和3能分别测得多大的光功率? 很明显，我们将在每个输出端口测得1mW，每个输入端口的光都被分成了50/50两个相等的部分。

再假设我们向端口1输入1mW，向端口4输入2mW。现在输出端口2和3能分别测得多大? 根据前面的结论，每条路径输入的光能量被分割成两个相等的部分，所以现在我们在每个输出端口测得1.5 mW(端口1贡献0.5 mW，端口4贡献1 mW)。

我们进一步分析一下，仍然使用图3，一个50/50耦合器。假设端口4现在被破坏了（例如被切断了，一般的三端口器件都是先做成4端口，然后再将4端口的光纤弄断并做粗糙处理，避免光滑的断面产生反射回波）变成了一个1x2耦合器。如果我们在1号端口输入2mW，很容易知道到我们最终将在2号和3号端口测得得1mW。

4. 拉锥耦合器的互易性

在一个标准的50/50，2x2耦合器中，如果翻转光输入输出反向，因为其结构的对称性，我们很容易理解它的正反向传输具有相同的性质。然而，当使用1x2耦合器时，人们有时会产生疑惑，因为器件的明显不对称会给人一种错觉，认为它反向传输的工作原理会和正向传输时不一样。

继续上一个2x2耦合器的示例，如果光由原来的两个“输出”端口2和3输入，光是否会100%的从端口1出来呢?当然不是，光同样也想从被破坏的端口4出来。因此，如果我们只在从端口2输入1mW，那么只有0.5 mW从端口1输出。或者，如果我们向端口2输入1mW，向端口3输入2mW，那么我们将从端口1输出1.5 mW（端口2贡献0.5mW，端口3贡献1mW）。这种能量分配方式与正向传输是一致的。所以拉锥型耦合器具有互易性，正反方向传输具有相同的性质。

综上我们要知道，一个1x2耦合器其本质就是一个2x2耦合器，只是其中一根光纤被剪断，破坏了(以减少从断面的反射)。

5.关键参数

（1）插入损耗IL (Insertion Loss)

     是指增加Coupler而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口的光功率之比，即：

IL=10 lg（P_out /P_in）

式中： P_out为输出端口的光功率，P_in为输入端口的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗越小越好。

图7. 1×2光纤耦合器输出端1插损测试示意图。

以图7为例，可知Input端输入光功率P_in =100mW，Output 1端输出光功率P_out=90mW，那么Output 1端的插损IL为：

IL= 10 × lg (89/100)

= 10 × (-0.05)

= -0.5dB

图8. 1×2光纤耦合器输出端2插损测试示意图。

同理，由图8可知Input端输入光功率P_in =100mW，Output 2端输出光功率P_out=95mW，那么Output 2端的插损IL为：

IL= 10 × lg (9/100)

= 10 × (-1.04)

= -10.4dB

（2）附加损耗 Excess Loss (Isolation)

附加损耗是指光纤耦合器整体的能量传输损失情况。定义为：所有输出通道的功率之和与入射光总功率值的比的分贝数，表示为：

EL= 10×lg[ (P_out1 + P_out2 )/P_in ]

式中：P_in表示光输入的光功率，P_out1表示通道1光输出的光功率，P_out2表示通道2光输出的光功率。该器件的性能要求EL越小越好。

图9 Coupler器件EL示意图

由图9可知Input端输入光功率P_in =100mW，Output 1端输出光功率P_out=48mW，那么Output 2端输出光功率P_out=48mW，则器件的附加损耗为：

EL= 10 × lg [(48+48)/100]

= 10 × (-0.017)

= -0.17dB

（3）均匀性Uniformity

因为不同波长的光在光纤中的损耗值不同，因此光纤耦合器的均匀性定义为在整个工作波长范围内，最小输出光功率P_Min.out与最大输出光功率P_Max.out的比值，表征器件随输入功率在工作波长范围内变化时输出光功率的稳定性，均匀性值越小越好。

（注：一般计算结果为负值，但实际填写或使用时常常会将负号省略）

1.光源分光/合束

在日常的生产制造、实验中，我们通常都有多个工位或者实验装置需要相同波长的光源提供光信号/能量。但是通常一台光源只有有限的输出接口，无法满足我们的需求，购置多台光源的成本又会极大的增加我们的成本。如图1和2所示，光源功率足够大时，可以引入光纤耦合器的应用，将光源的光按一定比例（如50:50）将光分成两部分输出，为两套或者通过级联为多套工位或系统提供光源。

图1. 一个光源分成2个子光源输出。

图2. 通过级联1×2光纤耦合器，一个光源可分成4个子光源输出。

2. 光纤干涉仪-MZ干涉

图3. 光纤耦合器在MZ干涉技术中的应用。

由端1发出的窄带激光，在R处收到扰动信号的调制而发生相位改变，经过一定时间后到达2端。同理由2端发出的窄带激光，在经过一定时间后到达1端。两者存在一定的信号时延，通过测量信号时延，即可以确定扰动的位置。