熔融拉锥型全光纤耦合器

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是耦合系数。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。