第三章 光功率分配器

1、華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器1.1. 基本功能基本功能光功率分配器光功率分配器( (分路器分路器) )是把光信號分為是把光信號分為多路輸出的無源光器件。多路輸出的無源光器件。 早期它多用在從傳輸干路取出一定的功早期它多用在從傳輸干路取出一定的功率，用于監(jiān)控等。近年來，隨著光纖通率，用于監(jiān)控等。近年來，隨著光纖通信、光纖用戶網、光纖信、光纖用戶網、光纖CATVCATV、無源光網、無源光網絡絡(PON)(PON)、光纖傳感技術等領域的迅猛、光纖傳感技術等領域的迅猛發(fā)展，應用越來越廣泛。發(fā)展，應用越來越廣泛。 華南師大光電學院 黃旭光2. 2. 類型類型 耦合型分路器

2、耦合型分路器 - - 光耦合器光耦合器 分支型分路器分支型分路器 光耦合器光耦合器: : 使光信號在特殊的耦合區(qū)發(fā)使光信號在特殊的耦合區(qū)發(fā) 生耦合，并進行再分配的器件。生耦合，并進行再分配的器件。 分支分支型分路器型分路器: : 由分叉光路直接由分叉光路直接把光信把光信 號分為多路輸出的器件號分為多路輸出的器件第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光3.3.光耦合器光耦合器 分立光學元件組合型、全光纖分立光學元件組合型、全光纖 型、平面波導型等。型、平面波導型等。 早期的分立光學元件早期的分立光學元件( (如棒透鏡、反射鏡、如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等棱鏡等) )的組合拼接，耦

3、合機理直觀，可的組合拼接，耦合機理直觀，可由幾何光學方法進行描述。存在損耗大、由幾何光學方法進行描述。存在損耗大、與光纖耦合困難、環(huán)境穩(wěn)定性較差等不足。與光纖耦合困難、環(huán)境穩(wěn)定性較差等不足。第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 全光纖器件全光纖器件: : 直接在兩根直接在兩根( (或以上或以上) )光光纖之間形成某種形式的耦合。纖之間形成某種形式的耦合。 最先由最先由SheemSheem和和GiallorenziGiallorenzi發(fā)明的發(fā)明的蝕刻蝕刻法法，將兩根裸光纖扭絞在一起，浸入氫，將兩根裸光纖扭絞在一起，浸入氫氟酸中，腐蝕掉光纖四周的涂覆層和包氟酸中，腐蝕掉光

4、纖四周的涂覆層和包層，從而使光纖纖芯相接觸，實現(xiàn)兩根層，從而使光纖纖芯相接觸，實現(xiàn)兩根光纖間的耦合。光纖間的耦合。這種方法雖然簡單，但制作出來的耦合這種方法雖然簡單，但制作出來的耦合器不僅不耐用，而且對環(huán)境溫度的變化器不僅不耐用，而且對環(huán)境溫度的變化很敏感，無實用價值。很敏感，無實用價值。第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光BerghBergh等人發(fā)明的等人發(fā)明的光纖研磨法光纖研磨法，將每根光，將每根光纖預先埋入玻璃塊的弧形槽中，然后對纖預先埋入玻璃塊的弧形槽中，然后對光纖的側面進行研磨拋光，同時監(jiān)視光光纖的側面進行研磨拋光，同時監(jiān)視光通量，研磨結束后，在磨面上加一小滴

5、通量，研磨結束后，在磨面上加一小滴匹配液，再將光纖拼接，做成光纖耦合匹配液，再將光纖拼接，做成光纖耦合器。器?？朔朔至⒃ǖ囊恍┤秉c，分光比克服了分立元件法的一些缺點，分光比可調可調, , 但制作困難，成品率低，環(huán)境特但制作困難，成品率低，環(huán)境特性也不理想。性也不理想。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 八十年代初開始用光纖熔融拉錐法。八十年代初開始用光纖熔融拉錐法。 將兩根將兩根( (或多根或多根) )除去涂覆層的光纖以一除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐時向兩側拉伸，最終

6、在加熱區(qū)形成雙錐體形式的耦合波導結構。體形式的耦合波導結構。 制作光纖耦合器的主要方法，具有極低制作光纖耦合器的主要方法，具有極低的附加損耗的附加損耗(0.05dB)(0.05dB)、方向性好、方向性好(60dB)(60dB)、穩(wěn)定性好、方法簡單、靈活、成本低廉、穩(wěn)定性好、方法簡單、靈活、成本低廉、適于批量生產等優(yōu)勢。適于批量生產等優(yōu)勢。第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 采用氫氧焰或丙烷氧焰等加熱源，或電加采用氫氧焰或丙烷氧焰等加熱源，或電加熱采用固定式或可移動式熱采用固定式或可移動式, , 用計算機控制用計算機控制各種參量，并實時監(jiān)控光纖輸出端口的光各種參量，并實

7、時監(jiān)控光纖輸出端口的光功率。功率。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 集成化是光纖通信發(fā)展的必然趨勢，集集成化是光纖通信發(fā)展的必然趨勢，集成光學在通信器件方面的應用會越來越成光學在通信器件方面的應用會越來越廣泛。廣泛。 利用平面光波導原理制作的光耦合器具利用平面光波導原理制作的光耦合器具有體積小、易于大批量生產等特點，尤有體積小、易于大批量生產等特點，尤其適于制作多路均分其適于制作多路均分( (如如6464路以上路以上) )的樹的樹形和星形耦合器。但分光比難控制。其形和星形耦合器。但分光比難控制。其技術尚在發(fā)展、完善之中。技術尚在發(fā)展、完善之中。第三章第三章光功率分

8、配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 耦合機理耦合機理傳導模進入熔錐區(qū)，纖芯不斷變細，傳導模進入熔錐區(qū)，纖芯不斷變細，V V值漸值漸減小，越來越多光功率滲入包層中。在熔錐減小，越來越多光功率滲入包層中。在熔錐區(qū)兩包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成區(qū)兩包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合。在輸出端，纖芯漸變粗，弱耦合。在輸出端，纖芯漸變粗，V V值增大，值增大，光功率被兩纖芯以特定比例光功率被兩纖芯以特定比例“捕獲捕獲”。第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光

9、電學院 黃旭光星形耦合器星形耦合器: : 具有具有N NN(N2)N(N2)端口的耦合器端口的耦合器第三章第三章光功率分配器光功率分配器 項 目 44 88 1616 工作波長 1310、1550nm，其他可選 插 入 損 耗(dB) 70 10.6 14.2 均 勻 性 ( 士dB) 08 1.2 20 方向性 60dB 工作溫度 -40C 85C華南師大光電學院 黃旭光 星形耦合器制作方法星形耦合器制作方法: : 直接拉制法和基直接拉制法和基本單元拼接法。本單元拼接法。 直接拉制法直接拉制法: : 將將N N根光纖，以合適的拓撲根光纖，以合適的拓撲結構緊密接觸后，在較強加熱源作用下，結構緊

10、密接觸后，在較強加熱源作用下，一次熔融拉錐獲得星形耦合器一次熔融拉錐獲得星形耦合器 樹形耦合器樹形耦合器: :具有具有1(2)1(2)N(N2)N(N2)端口的功端口的功率分配器件，在制作方法上可采用直接率分配器件，在制作方法上可采用直接拉制法和基本單元拼接法。拉制法和基本單元拼接法。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器 項 目 1(2)3 1(2)4 1(2)8 1(2)12 1(2)16 工作波長 1310、1

11、550nm, 其他可選插入損耗(最大dB) 5.3 7.0 10.6 13.2 14.2均勻性(dB) 0.5 06 1.2 L 6 1.8方向性 60dB工作溫度 - 4085華南師大光電學院 黃旭光 4. 4. 寬帶耦合器寬帶耦合器 上述耦合器整個帶寬只有上述耦合器整個帶寬只有20nm20nm。寬帶耦合。寬帶耦合器的要求：器的要求：1310nm1310nm和和1550nm1550nm雙窗口，每窗雙窗口，每窗口帶寬土口帶寬土50nm50nm、分光比變化、分光比變化 5 5。實際。實際上可用在上可用在125012501600nm1600nm整個范圍，分光比整個范圍，分光比變化變化 10 10

12、如將拉伸終止在如將拉伸終止在C C點，器件性能將對波長點，器件性能將對波長最不敏感。如能使最不敏感。如能使C C點處于所希望的分光點處于所希望的分光比位置，就能在相應中心波長獲最大工作比位置，就能在相應中心波長獲最大工作帶寬，這是所謂帶寬，這是所謂“單窗口寬帶耦合器單窗口寬帶耦合器”。第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 如將拉伸終止點選在如將拉伸終止點選在D D，就可改善兩個中，就可改善兩個中心波長的工作帶寬，獲得所謂的心波長的工作帶寬，獲得所謂的“雙窗雙窗口寬帶耦合器口寬帶耦合器”。 技術關鍵是能夠將技術關鍵是能夠將C(C(或或D)D)點調整到所需點調整到所需要的功

13、率分配比位置。從實質上講，就要的功率分配比位置。從實質上講，就是要使兩光纖之間實現(xiàn)是要使兩光纖之間實現(xiàn)不完全功率轉換不完全功率轉換。當兩光纖傳播常數(shù)當兩光纖傳播常數(shù)b b不相等時，光纖間的不相等時，光纖間的最大耦合功率最大耦合功率F F2 2小于小于1 1。因此，只要適當。因此，只要適當調整調整b b1 1、b b2 2的相對大小，就可做成任意分的相對大小，就可做成任意分光比的寬帶耦合器。光比的寬帶耦合器。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光(1)(1)對兩相同光纖中的一根預腐蝕或預拉伸，對兩相同光纖中的一根預腐蝕或預拉伸，造成傳播常數(shù)偏差，再熔錐成寬帶耦合造成傳播常

14、數(shù)偏差，再熔錐成寬帶耦合器。優(yōu)點是，光纖容易獲得，傳播常數(shù)器。優(yōu)點是，光纖容易獲得，傳播常數(shù)偏差調整方便。缺點是工序較繁瑣，預偏差調整方便。缺點是工序較繁瑣，預處理后的光纖機械性能變差，制作效率處理后的光纖機械性能變差，制作效率較低。較低。(2)(2)采用結構參數(shù)存在差異的商用光纖采用結構參數(shù)存在差異的商用光纖( (外外徑相同，纖芯直徑有差異徑相同，纖芯直徑有差異) )。優(yōu)缺點與上。優(yōu)缺點與上法正相反，但對于分光比較為固定的情法正相反，但對于分光比較為固定的情況況( (市場需求大的市場需求大的1:11:1器件器件) )，采用該法很，采用該法很有優(yōu)勢。有優(yōu)勢。 第三章第三章光功率分配器光功率分配

15、器華南師大光電學院 黃旭光6 - 6 mm華南師大光電學院 黃旭光6 6.358 mm華南師大光電學院 黃旭光6 6.5 mm華南師大光電學院 黃旭光 平面波導光耦合器平面波導光耦合器: : 利用平面光波導工利用平面光波導工藝制作的光耦合器件。從技術及工藝角藝制作的光耦合器件。從技術及工藝角度來講，更為復雜。優(yōu)點度來講，更為復雜。優(yōu)點: : 體積小，體積小，重量輕，易于集成。重量輕，易于集成。機械及環(huán)境穩(wěn)定機械及環(huán)境穩(wěn)定性好。缺點性好。缺點: :技術尚不完善，分光比難技術尚不完善，分光比難控制控制, , 在商品化方面還需努力。在商品化方面還需努力。波導波導制作工藝需投入價格昂貴設備。制作工藝需

16、投入價格昂貴設備。制作制作波導母板成本較高，非批量生產得不償波導母板成本較高，非批量生產得不償失。失。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光 第三章第三章光功率分配器光功率分配器5. 5. 分支型波導分路器分支型波導分路器可由離子交換玻璃波導、可由離子交換玻璃波導、SiOSiO2 2/Si/Si波導或聚合波導或聚合物波導構成。有對稱和非對稱兩種基本結構。物波導構成。有對稱和非對稱兩種基本結構。由于與光的分布耦合無關，其帶寬僅取決于由于與光的分布耦合無關，其帶寬僅取決于模色散的限制，因此極適合制作寬帶分路器，模色散的限制，因此極適合制作寬帶分路器，單窗口帶寬可達單窗口帶寬

17、可達100nm100nm。華南師大光電學院 黃旭光 制作關鍵制作關鍵: : 抑制分支點產生二階橫模及確定量佳的抑制分支點產生二階橫模及確定量佳的分支角。前者要求在分支點前面選擇合分支角。前者要求在分支點前面選擇合適的斜坡形波導；后者要兼顧最小分支適的斜坡形波導；后者要兼顧最小分支角和分支點處散射損耗隨分支角增大而角和分支點處散射損耗隨分支角增大而增加。對于非均分分路器，應采用非對增加。對于非均分分路器，應采用非對稱分支，分光比通過調整分支角來控制。稱分支，分光比通過調整分支角來控制。樹形分路器可采用對稱多分支結構，但樹形分路器可采用對稱多分支結構，但更多采用兩分支波導串接方法。因為在更多采用兩

18、分支波導串接方法。因為在工藝方面更易控制，且沒有路數(shù)的限制工藝方面更易控制，且沒有路數(shù)的限制 第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光RealSample:1x2nbroadbandsplitterInsertion loss of 1 x 4 splitters: Y junction: 0mm, 3dB; 2mm, 3.7dB; opt., 3.15dBFWC loss: regular, 0.7 dB; FWC taper, 0.2 dBProp. loss: 0.1 dB ( 0.05 dB/cm x 2

19、cm )Fab. Loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/junction x 2 ) Assem. loss: 0.2 dB ( 0.1 dB/end x 2 )Non-uniformity: 0.3 dBTotal loss: regular, 8.9 dB; opt., 7.3 dB0.8dB第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器-12-10-8-6-4-20151015301550157015901610Wavelength(nm)IL(dB)IL1IL2IL3IL

20、4IL5IL6IL7IL81x8SplitterTestData華南師大光電學院 黃旭光6.6.光光功率分配器功率分配器的特性參數(shù)的特性參數(shù) 1)1) 插入損耗插入損耗(IL)(IL) 指定輸出端口的光功率與全部輸入功率指定輸出端口的光功率與全部輸入功率的比值。不僅有固有損耗因素，還有分的比值。不僅有固有損耗因素，還有分光比的影響光比的影響 2)2) 附加損耗附加損耗(Excess Loss)(Excess Loss) 所有輸出端口的光功率總和與全部輸入所有輸出端口的光功率總和與全部輸入功率的比值。體現(xiàn)器件質量的指標，反功率的比值。體現(xiàn)器件質量的指標，反映器件的固有損耗，與分光比無關。映器件的

21、固有損耗，與分光比無關。第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光3) 3) 分光比分光比(Coupling Ratio)(Coupling Ratio)分配分配器特有技術術語，定義為各輸出端器特有技術術語，定義為各輸出端口輸出功率的比值，常用百分比表示口輸出功率的比值，常用百分比表示。4 4）方向性）方向性(Directivity)(Directivity) 輸入側非注入光的一端的輸出光功率與輸入側非注入光的一端的輸出光功率與全部注入光功率的比值，以全部注入光功率的比值，以dBdB為單位為單位第三章第三章光功率分配器光功率分配器華南師大光電學院 黃旭光5 5）均勻性）均勻性(Uniformity) (Uniformity) 用來衡量均分器件的用來衡量均分器件的“不均勻程度不均勻程度”的的參數(shù)。定義為在器件工作帶寬范圍內，參數(shù)。定義為在器件工作帶寬范圍內，各輸出端口輸出光功率的最