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、熔融拉锥的结构

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50/50耦合器。假设我们向端口1输入1 mW的1550 nm的光，同样向端口4输入1 mW的1550 nm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1 mW，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1 mW，向端口4输入2 mW。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1×2耦合器。如果我们在1号端口输入2 mW，很容易知道到我们最终将在2号和3号端口测得得1 mW。

4、拉锥耦合器的互易性

在一个标准的50/50，2×2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1×2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2×2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1 mW，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1 mW，向端口3输入2 mW，那么我们将从端口1输出1.5 mW（端口2贡献0.5 mW，端口3贡献1 mW）。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1×2耦合器其本质就是一个2×2耦合器，只是其中一根光纤被剪短，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是越小越好。

图4. 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 =100 mW，Output 1端输出光功率P_out=89 mW，那么Output 1端的插损IL为：

IL= 10 × lg (89/100)

= 10 × (-0.05)     

= -0.5 dB             

图5. 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 =100 mW，Output 2端输出光功率P_out=9 mW，那么Output 2端的插损IL为：

IL= 10 × lg (9/100)

= 10 × (-1.04)  

 = -10.4 dB        

（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6. Coupler器件EL示意图。

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

EL= 10 × lg [(48+48)/100]

= 10 × (-0.017)         

 = -0.17 dB                 

（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，表征器件在工作波长范围内波长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）