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熔融拉锥型全光纤耦合器_光波技术基础

时间:2021-11-04 百科知识 联系我们

熔融拉锥型全光纤耦合器_光波技术基础

1.制作方法及特点

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。

加热源是氢氧焰或丙烷(或丁烷等)氧焰等,固定式或移动式;计算机精确控制各种过程参量,随时监控光纤输出端口的光功率变化。图9.2.1是熔融拉锥系统示意图

图9.2.1 熔融拉锥系统示意图

熔融拉锥法的特点如下:①极低的附加损耗;②方向性好;③良好的环境稳定性;④控制方法简单、灵活;⑤制作成本低廉,适于批量生产。

2.耦合机理

熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理如图9.2.2所示。

对于熔融拉锥型单模光纤耦合器,其单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图如图9.2.3所示。当传导模进入熔锥区时,随着纤芯的不断变细,V值逐渐减小,有越来越多的光功率渗入光纤包层中。实际上光功率是在由包层作为芯,纤外介质(一般是空气)作为新包

图9.2.2 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理图

图9.2.3 单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图

层的复合波导中传输的;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的比例“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。

将一根光纤看作是另一光纤的扰动,在弱导近似下,假设光纤是无吸收的,则耦合方程组为

其中,A1、A2分别是两根光纤的模场振幅;β1、β2是两根光纤在孤立状态的传播常数;C0耦合系数。自耦合系数相对于互耦合系数可以忽略,且近似有C12=C21=C。方程组满足z=0时,A1(z)=A1(0)、A2(z)=A2(0)的解为

其中,

其中,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是光纤的线芯和包层参量,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。每根光纤中的功率为

已假定光功率由一根光纤注入,初始条件为P1(0)=1和P2(0)=0,F2代表着光纤之间耦合的最大功率。当两根光纤相同时,有β1=β2,F2=1。

对于熔融拉锥型多模光纤耦合器,在多模光纤中,传导模是若干个分立的模式,并在数值孔径角内:

其中,a为纤芯半径,n1为芯区折射率,θ为传导模与光轴的夹角,λ为传输光的波长。

总的模式数为

其中,V为归一化频率。

图9.2.4 多模熔融拉锥结构示意图

多模熔融拉锥结构如图9.2.4所示。当传导模进入多模光纤耦合器的熔锥区时,纤芯逐渐变细,同样会导致V值减小,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。由于在熔锥区中,两光纤的包层合并,所以当输出端纤芯又逐渐变粗时,“耦合臂”的纤芯将可以一定比例“捕获”这些较高阶的模式,获得耦合光功率。但是,对于“直通臂”纤芯中传输的较低阶的模式,却只能继续由“直通臂”输出,不参与耦合过程。因此,与单模耦合器不同,多模耦合器的两输出端的传导模一般来说是不同的,器件性能对传输光信号的模式比较敏感。为了克服这种缺陷,人们对传统的熔融拉锥工艺进行了改进,使多模信号在熔锥区能够实现模式混合,各阶模式均参与耦合过程,使输出端的模式一致,从而消除器件的模式敏感性。