光纤耦合器的理论_设计及进展

2021-03-23 来源：小侦探旅游网

第30卷第1期 2010年3月文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44

物理学进展

PROGRESSINPHYSICSVol.30No.1 Mar.2010 光纤耦合器的理论、设计及进展

林锦海,张伟刚

(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)

摘要: 系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合

类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。

关键词:光纤光学;光纤耦合器;光纤通信;光纤传感;超长周期光纤光栅中图分类号:TN253;TN929 文献标识码:A

展方向和应用前景。本文报道了作者设计的超长周

期光栅耦合器,以及从实验上实现两个超长周期光纤光栅之间有效耦合的实验结果。

光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件,是光纤系统中使用最多的光无源器件之一,在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。

根据光的耦合原理,人们已经设计出了多种光纤耦合器器结构。包括:X型光纤耦合器、星型光纤耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等。

随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。设计插入损耗小、耦合效率高、分光比可调并可实现特殊耦合的光纤耦合器,一直是光学领域科研工作者追逐的焦点和业内人士的奋斗目标。

本文总结了光纤耦合器的发展历程、类型、制作方法、性能参数、光纤耦合器的理论分析方法;在此基础上,对典型光纤耦合器的结构、工作原理及耦合特性进行了详细阐述;指出并展望了光纤耦合器发

光纤耦合器自问世至今,已被广泛使用于光纤

系统之中。其发展主要经历了三个阶段:萌芽阶段、早期阶段、发展阶段。111 萌芽阶段

(1)物质基础)))低损耗光纤问世

1970年,美国的Corning(康宁)公司率先成功拉制出损耗为20dB/km的低损耗光纤[1]。这一光学领域的重大技术突破,为光纤的进一步研发提供了先进的技术手段。同时,也为光纤耦合器的问世以及广泛应用奠定了雄厚的物质基础。

(2)理论依据)))耦合模方程推导

1972年,澳大利亚的Snyder[2]成功推导出扰动均匀光纤系统中的耦合模方程及耦合系数表达式,理论上分析了分别位于多边形各顶点以及多边形中心的光纤系列耦合功率转换情况。同年,美国的Wijngaard[3]给出了两根相同或相异的平行圆波导间的模场分布。1973年,Snyder和McIntyre[4]原有基础上进一步研究了光纤各个模式间的功率转

0 引言

1 光纤耦合器的发展历程

收稿日期:2009-11-18

基金项目:国家自然科学基金(10674075,10974100,60577018)、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、国家863计划项目(2006AA01Z217)、光电信息技术科学教育部重点实验室开放基金项目资助*Email:zhangwg@nankai.edu.cn

物理学进展第30卷

换。Snyder和Wijngaard出色的理论工作,为光纤耦合器的设计及光纤耦合器功率转换分析提供了可靠的理论依据。112 早期阶段

(1)光纤耦合器雏形)))光纤连接器

1971年,Bisbee率先采用熔接的方法实现了多模光纤之间的焊接。翌年,Dyott等人采用类似的熔接技术实现了单模光纤之间的焊接,所进行的拉锥试验也获得了一定进展。

Bisbee和Dyott等人采用熔融方法所设计的光

[6]

[5]

纤耦合器,可实现两根光纤之间的单路耦合和定向传输,这种熔融方法为光纤耦合器的研制指明了方向。

(2)光纤系统集成化基元)))星型耦合器

1974年,Hudson和Thiel[7]提出了星型耦合器的思想,并设计出如图1所示的第一个星型光纤耦合器。与传统的T形耦合器相比,这种多端口的光纤星型耦合器具有损耗更低、方向性更好、稳定性更高、各端口等效等诸多优点。星型耦合器的出现为光纤通信系统和光纤传感系统向着集成化、小型化发展提供了技术保障。

图1 星型耦合器的横截面示意图

(3)光纤定向耦合器问世)))光纤定向耦合器

出现

1975年,Kuwahara等人[8]将两根多模光纤缠绕并在耦合区填充折射率匹配液,构成世界上第一个光纤定向耦合器,其结构如图2所示。实验测得该耦合器的耦合功率为50dB,方向性为21dB。光纤定向耦合器的问世,标志着光纤耦合器时代的到来,使得光纤通信和光纤传感系统的全光纤化成为可能。

器提供了一种新思路,为光纤耦合器的多元化开辟了新途径。

图3 化学腐蚀法制成的锥形耦合器

(5)光纤耦合器技术突破)))熔融光纤定向耦合器

1976年,Barnoski和Friedrich[10]采用聚焦的CO2激光作为局部热源,加热熔融两根Corning公司生产的多模光纤,首次制成如图4所示的光纤定向耦合器;通过调整光纤纤芯间距和相互作用长度,可以实现对耦合比的控制。将加热熔融方法应用于光纤定向耦合器的制作,在技术上是一项重大的突破,为光纤定向耦合器的大规模生产奠定了技术基础。

(6)光纤耦合器手工化)))抛磨型光纤耦合器1976年,McMahon和Gravel采用机械抛磨方法移除多模光纤的部分包层,制成分布式T形耦合器,如图5所示。

同年,Hsu和Milton[12]采用类似的机械抛磨方[11]

图2 两根光纤制成的定向耦合器

(4)光纤耦合器新思路)))腐蚀锥形光纤耦合器

1976年,Yamamoto等人率先采用化学腐蚀技术,制成如图3所示锥形结构的光纤耦合器,其耦合效率可达90%以上。这种方法为设计光纤耦合[9]

第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

法移除单模光纤的部分包层,制成如图6所示的抛

磨型单模光纤耦合器。McMahon和Hsu等人提出的机械抛磨方法,为光纤耦合器的研制开辟了另一条途径。113 发展阶段

随着熔融拉锥、机械抛磨、化学腐蚀等技术的出现,光纤耦合器开始迅猛发展并进入高速发展阶段,各种结构丰富、功能优良的光纤耦合器如同雨后春笋一般蓬勃发展。光纤耦合器逐步从实验室走向工业生产领域,其生产工艺日趋成熟并得到了广泛应用。

(1)熔融与拉锥结合)))熔锥形光纤耦合器1977年,Kawasaki和Hill[13]将熔融技术和拉锥技术结合,首次制成了熔融双锥形耦合器,如图7所示。这种熔融拉锥技术将耦合器的附加损耗降低了一个数量级,实验测量的附加损耗为011~012dB。熔融技术与拉锥技术的结合是光纤耦合器生产史上的一次重大飞跃,开启了光纤耦合器发展的新纪元,为光纤耦合器的规模化生产从技术上提供了有力保证。

图6 抛磨型单模光纤耦合器(a)光纤抛磨横截面示意图;(b)单模光纤耦合器

计方法迅速被人们广泛采用,并将光纤耦合器的发展推向一个新阶段。

图7 熔融双锥形耦合器

(2)抛磨法的成熟)))抛磨型多模光纤耦合器

[14]

1978,Tsujimoto等人先将两根多模光纤分别嵌入两板中进行抛磨,再将经打磨后的两根光纤拼接在一起,首次制成3dB抛磨型多模耦合器,其附加损耗小于013dB,如图8所示。这种耦合器设图8 抛磨型耦合器横截面40

物理学进展第30卷

(3)封装腐蚀法)))可调谐单模光纤耦合器1979年,Sheem和Giallorenzi[15]将两根光纤缠绕在一起放入盛有腐蚀液(HFBNH4F=1B4)的四端口容器中腐蚀,首次制成耦合效率在0~2dB之间、手动可调谐的单模光纤定向耦合器,如图9所示。虽然此前光纤耦合器腐蚀技术已经出现,但他们设计的光纤耦合器属于全功率转换型,这是首次将腐蚀技术应用于功率分配型耦合器的成功设计。该耦合器通过旋转瓶帽控制两根光纤的缠绕次数和光纤间的张力,可实现耦合比从0到2dB之间的手动调谐。封装腐蚀法的提出为可调谐型耦合器的设计提供了新的实现途径。

图10 双芯光纤耦合器(a)~(d)双芯光纤的拉制过程;(e)

将两根双芯光纤的两端分开制成的定向耦合器

光纤陀螺和水声器的基础元件之一。

图9 腐蚀法制作光纤耦合器示意图

图11 制作保偏光纤耦合器可能的熊猫光纤组合

(4)光纤耦合器多芯化)))双芯光纤耦合器1980,Schiffner等人首次成功拉制出双芯光纤,如图10中所示。拉制前预先在双芯之间填充一排空气孔,使两根光纤的两端分开,可制成双芯光纤耦合器,并通过弯曲光纤调谐其耦合比。双芯光纤的出现有效地拓展了光纤传送容量,而双芯光纤耦合器的出现进一步促进了光纤耦合器多元化发展的进程。

(5)化学汽相沉积法与熔锥法结合)))保偏型熔锥光纤耦合器

1982年,Kawachi等人[17]采用单模单偏振熊猫型光纤,首次制成偏振保持型熔锥光纤耦合器,如图11所示。为使熔融过程中光纤扭曲变形最小化以保持偏振对称性,他们采用化学沉积法首先在熊猫光纤外围沉积一层SiO2-B2O3层,然后进行拉锥。这种光纤耦合器能够保持很高的偏振特性,它的出现有力地推动了相干通信系统和相干传感系统的发展。并且,保偏光纤耦合器也是构成高精度、高性能[16]

(6)光栅和光纤耦合器结合)))光纤光栅耦合器

1985年,Russell和Ulrich[18]首次将光栅放置于经侧面打磨的光纤纤芯消逝场附近,制成了如图12所示的光纤光栅耦合器。这种耦合器可用于制作光谱仪、滤波器、光开关等光纤通讯器件,在波分复用领域具有得天独厚的优势。

图12 光纤光栅耦合器示意图

(7)周期性微弯法)))光纤模式耦合器第1期

[19]

林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

1986年,Blake等人首次采用周期性微弯方

法,制成了LP01模到LP11模之间的模式耦合器,如图13所示。这种耦合器可用于制作频移器、幅度调制器等光纤器件。周期性微弯法的采用,极大地丰富了光纤干涉和光纤传感的研究内容,也拓宽了光纤器件的应用范围。

使之分离,制作出新型保偏光纤耦合器,如图15所示。因复合光纤偏振主轴排列可直接在光纤加工平台上实现,故在制作过程中无须考虑保偏光纤偏振主轴的排列问题。这既简化了保偏光纤耦合器制作工艺,又大大降低了保偏光纤耦合器制作成本,同时有效提高了保偏光纤耦合器的性能,推动了保偏光纤耦合器的规模化生产。

图13 对光纤施加周期性微弯

(8)抛磨法与熔融法结合)))抛磨熔融耦合器1992年,Cryan和Hussey[20]将裸单模光纤悬浮在研磨轮上进行打磨,之后安装到一对带有磁铁的V型光纤固定器中,加热熔融制成了抛磨熔融耦合器。这种方法具有制作简单、性能稳定、损耗较低且兼有熔锥形耦合器和抛模型耦合器的优点,并且在某些特殊领域(如采用色散平坦光纤和高双折射光纤制作特殊用途的光纤耦合器领域)具有独特的优势。

(9)多芯与单芯光纤耦合)))混合型光纤耦合器

1993年,Himeno等人[21]率先提出多芯与单芯耦合制作光纤耦合器的思想,并用可熔融连接器将双芯光纤和两根单芯光纤连接,经锥化制成了混合型光纤耦合器,如图14所示。这种新型制作技术可用于制作星型光纤耦合器,并对其发展具有重要意义。

图15 新型保偏光纤耦合器

(11)特种光纤耦合器制作)))塑料光纤活性耦合器

1998年,Zubia等人

[23]

首次制成带有液晶中间

层的塑料光纤活性耦合器,如图16所示。这种活性耦合器兼有耦合器和光开关的特性,在光纤传感领域有着广泛的应用。

图16 光纤活性耦合器的结构

(12)光纤耦合器的小型化)))熔锥微型光纤耦合器

2000年,Kakarantzas等人[24]首次报道了一种熔锥微型光纤耦合器,如图17所示。他们首先将两根光纤锥化到直径为15Lm,然后用CO2激光器将两根光纤在很短长度内熔融在一起,制成熔锥微型光纤耦合器。这种耦合器长度不到一个毫米,在小

图14 基于多芯光纤的耦合器

型化集成光学器件领域具有重要的应用。

(10)保偏光纤新制作方法)))新型保偏光纤耦合器

1994年,Ye等人

[22]

将两根保偏光纤偏振主轴

按一定要求排列后熔锥,用氢氟酸腐蚀耦合区两端图17 熔锥微型光纤耦合器

物理学进展第30卷

(13)长周期光纤光栅间的耦合)))长周期光纤光栅耦合器

2000年,Chiang等人[25]分析了两根平行的长周期光纤光栅之间的耦合机制,制成了长周期光纤光栅耦合器,如图18所示。这种基于长周期光纤光栅的耦合器可于制作合/分路器,在波分复用系统中有着广阔的应用前景。

图18 平行长周期光栅耦合器示意图

(14)光子晶体光纤耦合器的问世)))双芯光子晶体光纤耦合器

2001年,Kakarantzas等人

[26]

将未耦合的双芯

(17)新型光纤光栅耦合器)))超长周期光纤光栅耦合器

作者最近率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。有关研究工作将在/5超长周期光纤光栅耦合器的设计与实验0详细阐述。

光子晶体光纤用火焰进行热处理,使其双芯间的空气孔塌缩产生强烈耦合制成双芯光子晶体光纤耦合器。光子晶体光纤结构丰富,性能多样,采用熔锥、抛磨、填充、优化结构设计等多种手段,可以设计出结构丰富、功能多样的光子晶体光纤耦合器。光子晶体光纤耦合器的出现,极大地方便了光子晶体光纤与光源以及普通光学系统的耦合,有力地推动了光子晶体光纤在光纤传感和光纤通讯领域的应用。

(15)布喇格光纤耦合器的出现)))布喇格光纤耦合器

2004年,Iliew等人[27]首次设计出布喇格光纤耦合器,并采用有限时域差分法进行了验证。这种布喇格光纤可以将纤芯基模有效转换成环形模,图19给出了布喇格光纤耦合器中光强的演变情况。布喇格光纤耦合器在光纤与环形共振器间的耦合、微粒的操控以及各种滤波器件等领域具有诱人的应用前景。

(16)非常规光纤耦合器)))太赫兹光纤耦合器2007年,Chen等

[28]

2 光纤耦合器类型及性能参数

在本章中,将简介光纤耦合器的类型、制作方法、性能参数;重点阐述光纤耦合器的理论分析方法,并举实例加以说明。211 光纤耦合器类型

光纤耦合器因其分类标准不同,可有诸多分类方式。作者根据端口形式、对称性、工作带宽、制作方式、传输模式等特性,将其归纳为以下几种类型,如图21所示。

耦合器分类方式繁多,为简明起见,本文根据耦合器的结构是否对称及耦合比是否相等将其分为对称型耦合器和非对称型耦合器两种类型。对称型耦合器)))物理结构对称且耦合比相等的光纤耦合器;非对称耦合器)))物理结构不对称或耦合比不相等的耦合器,或物理结构不对称且耦合比也不相等的光纤耦合器。

人率先制成太赫兹单模光

纤耦合器,如图20所示。由于反对称模截止,这种太赫兹光纤耦合器的耦合比不依赖于耦合区长度。在太赫兹光纤通信系统、3dB功率分配器、太赫兹光纤内窥镜等领域,这种新型耦合器具有广阔的应用前景。第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

图21 光纤耦合器的类型表1 光纤耦合器制作方法

抛磨法

将裸光纤固定在石英制成的弧形槽

中,进行光学研磨,抛光,将经研磨后的两根光纤拼接在一起,经透过纤芯-包层界面的消逝场产生耦合。

弱耦合理论(瞬逝场耦合理论)

通过控制光纤曲率半径,抛磨深度和调节两根光纤的相对位置可以控制其耦合比,偏振不敏感,方向性好。热稳定性和机械稳定性差,制作过程费时。

熔锥法

将两根裸光纤扭绞一起,高温加热熔融(包括微火炉火焰法[50]、微加热器加热[51][52]法、电弧放电法、激光照射法[53]),同时在熔融过程中拉伸光纤形成双锥型耦合器。

强耦合理论(模激励理论)

工艺简单、制作周期短、制作成本低、适于微机控制的半自动化生产、成品器件附加损耗低、性能稳定、方向性好光学特性对熔合区横截面形状高度敏感,严格求解其场比较繁难。

腐蚀法

用化学方法将光纤腐蚀掉大部分包层,再把两根腐蚀后的光纤扭绞在一起构成光纤耦合器。

弱耦合理论(瞬逝场耦合)简单易行,耦合效率易调谐,制作周期短

工艺一致性差、不易控制、损耗大、热稳定性差。

制作过程

近似模型

优点

缺点

212 光纤耦合器制作方法

物理学进展第30卷

311 耦合模理论

耦合模理论[2,

59~64]

目前,制作光纤耦合器一般有抛磨法[33~38]、熔锥法[39~49]和腐蚀法[54~58,10,16],如表1所示。

由于熔融拉锥型光纤耦合器制作工艺成熟,适于批量生产等诸多优点,因此在生产和科学领域得到了广泛应用。

213 光纤耦合器的性能参数

(1)插入损耗(insertionloss)

插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值,其数学表达式为:

Pout

Li=10lgdB

是分析光纤耦合器耦合机

理的有力工具。耦合模理论最突出的优点在于能够诠释光波在波导中的物理行为,即波导中的同类模(导波模、包层模和辐射模)之间、不同类模(导波模与包层模、导波模与辐射模、包层模与辐射模)之间的功率交换行为。

耦合模理论能够比较全面、精确、细致的描述光纤耦合器的耦合器特性及功率转换过程,并能给出精确的解析解。缺点是需满足弱导近似条件,对构成光纤耦合器的横截面和折射率分布都有严格要求,

(1)

且推演、求解过程繁冗,受问题边界条件的限制,能够得到的解析解有限。

耦合模理论的核心是耦合模方程。下面从耦合模方程出发,对光纤耦合器进行分析。31111 耦合模方程

通过对单个波导独立传播时模式之间相互耦合的耦合波微分方程求解,可以分析两个光波导之间的耦合特性。单个独立波导的电场可表示为:

Ejp(x,y,z)=e(pj)(x,y)eiBp

示为:

(j)*

(j)z

(2)附加损耗(excessloss)

附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减少值,其数学表达式为:

Le=10lg

dBPoutE

(2)

(3)分光比(couplingratio)

分光比是指在某一端口输出功率Pi与各个端口总输出光功率之比,即

Cr=

@100%PiE

(3)

(5)

当有其它光纤存在时每个光纤的场可以表

(x,y,z)=

(4)隔离度(isolation)

光纤耦合器的某一光路对其他光路中的光信号的隔离能力。其数学表达式为:

I=-10lgdB(4)

式中Pl为某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值。

(j)p

(z)ep

(j)*

(x,y)(6)

考虑一个由n根任意横截面分布的无损平行光纤组成的光纤耦合系统,其中任意两个模之间满足的耦合模方程[2,

为:

dAp(z)(j)j

+iBpAp(z)=dz-i

g=1allmodesgXjq

j)(g)

J(pqA(qg)(z)

(7)

3 光纤耦合器的理论分析方法

耦合模理论是分析光纤耦合器最基本的方法,但由于光纤耦合器结构的复杂性,特别是当包层和空气间折射率差比较大时,电磁场理论分析变得非常复杂。因此,通常无法获得问题的解析解,耦合模理论适用范围有限。根据实际需要,一些数值分析方

法陆续被提出并逐步发展完善。比较常见的数值分析方法有:有效折射率法、有限元法、光束传播法等。这些理论分析方法各有千秋,本章将对各种方法的基本原理和特点分别进行阐述。式中下标p、q表示与模式有关的参量脚标,上

(j)

标j、g表示与光纤有关的参量脚标,Bp为光纤j中(j)(g)模式p的传播常数,Jpq为光纤j中第p个模与光

纤g中第q个模式之间的耦合系数,它们满足如下关系式:

Jpq

(j)(g)

X=Cp

QS(g)

(E-E)ep#eqdS

(g)(j)(g)

(8)

若仅考虑两根光纤之间的耦合,则由(7)式可知,耦合模方程

[4,62,64,65]

可表示为:

(9)

dA1(z)+iB1A1(z)=-iJ12A2(z)

dz 第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

dA2(z)+iB2A2(z)=-iJ21A1(z)(10)

若令a1(z)=A1(z)eiB1z、a2(z)=A2(z)eiB2z并带入(9)、(10)式,可得到等价的耦合模方程

[60,61]

J。假设光功率仅从光纤1中输入,利用边界条件

R(0)=1和S(0)=0,由(19)式可得:

R(z)=cosRz-iDsinRz

RiJS(z)=-sinRzR(20)(21)

为:

da1(z)=-iJ12a2(z)ei2Dz

(11)

dzda2(z)z

=-iJ21a1(z)ei2D(12)dzB1-B2

式中D=式中为传播常数之差或称为相

2位失配因子。31112 两根光纤耦合

(1)两根平行光纤耦合

当两根平行的光纤相互接近时,他们各自传导的模场将引起对方光纤介质的极化,并激励起传导模,从而使双方的模场发生渗透和重叠进而产生耦合。

如果我们定义两个辅助函数R(z)=a1(z)e-iDz

和S(z)=a2(z)eiD,那么耦合模方程可以转化为:

于是,光纤耦合器中两根光纤中的传输功率可

表示为:

P1=|a1(z)|=R(z)#R(z)

22D+Jcos2Rz=2R(22)

P2=|a2(z)|=S(z)#S(z)

Rz=Jsin2R(23)

作者对光功率在两根光纤之间耦合情况进行了模拟,如图22所示。从图中发现,随着D/J增大,两根光纤之间的耦合减弱。当两根光纤传播常数相等或者近似相等时,它们之间能够实现良好耦合。当D=0(即两根光纤传播常数B1=B2)且两根光纤的耦合长度z等于耦合长度Lc=P/(2J)的奇数倍时,两根光纤之间可实现100%全功率转换。另外,两根光纤的光功率分配随其耦合长度z呈周期性变化。

dR(z)+iDR(z)=-iJ12S(z)

dzdS(z)-iDS(z)=-iJ21R(z)dz

(13)(14)

对(13)(14)进行微分化简得到二阶微分方程:

d2R(z)2

+(J12J21+D)R(z)=0(15)2

d2S(z)+(J2

12J21+D)S(z)=02

求解二阶微分方程得到:

R(z)=C1cosRz+C2sinRz

S(z)=

i[(RC2+iDC1)cosRz+

J12(iDC2-RC1)sinRz]

(16)

(17)

(18)

式中,R=形式:

2J12J21+D,C1和C2是由R(0)和

S(0)决定的常数,所以R(z)和S(z)可以写为矩阵

R(z)S(z)

cosRz-iDsinRzR-

图22 平行光纤耦合器中光功率的分布情况

=iJ21

sinRzRR(0)S(0)

(19)

(2)两根弯曲光纤耦合

当两根光纤弯曲时,光纤传播常数和耦合系数均为z的函数[66],耦合模方程形式为:

dA1(z)+iB1(z)A1(z)=-iJ12(z)A2(z)(24)dzdA2(z)+iB2(z)A2(z)=-iJ21(z)A1(z)(25)dz考虑两根光纤传播常数相等时的情况。这时12

-iJsinRz

RcosRz+iDsinRz

R如果两根光纤相同或很相似,则有J12UJ21=

物理学进展第30卷

1(z)=B2(z)=B21(z)=JB(z),则有J12(z)UJ(z)。于是,耦合模方程可表示为:

eqt=Bv2

Jv2

dA1(z)+iB(z)A1(z)=-iJ(z)A2(z)(26)dzdA2(z)+iB(z)A2(z)=-iJ(z)A1(z)(27)dz假设光功率仅从光纤1中输入,利用边界条件A1(0)=1和A2(0)=0,可得到耦合模方程(26)(27)的解为:

A1(z)=e

式中󰀁B(z)=1z

-i󰀁Bz

W2r2

a2Jv2(W2)cosv2H2sinv2H2

(34)

式中J为第一类贝塞尔函数,K为第二类虚宗

量贝塞尔函数,v1和v2分别为两根光纤的模阶数,a1和a2分别为两根光纤纤芯的半径,Bv1和Bv2分别为两光纤中v1模和v2模的归一化常数。将(33)式和(34)式分别带入上式积分,化简得到耦合系数为:

(-1)v1-v2Kv1-v2

W1dP#a1

cos(󰀂Jz)sin(󰀂Jz)

(28)(29)

A2(z)=-ie

-i󰀁Bz

v+v

Jpq=Q#R cos(v1-v2)A+(-1)12

1B(z)z,J󰀂(z)=0z

J(z)z0

Kv1+v2

W1dP#cos(v1+v2)Aa1

(35)

对于无损光纤,经分析推导可得到两根光纤之间光功率满足如下关系式:

P1=|a1(z)|=cos(󰀂Jz)

(30)

其中,Q=

2XE1-E2

Av#Av2,R=

2Kv1(W1)Jv2(U2)1

2P2=|a2(z)|=sin(󰀂Jz)(31)

作者对无损弯曲光纤中光功率的转换情况进行了数值模拟,其结果如图23示。由图可见,当满足Lc=P/(2󰀂J)条件时,光纤耦合器可以实现全功率转换。

W1a1

Jv2(U2)W1a2

Kv2

若两根光纤相同,则a1=a2=a,W1=W2=W,U1=U2=U。并且,当且仅当两个模式之间传播常数相同时,才能实现有效耦合,即v1=v2=v。于是,对阶越折射率分布的单模光纤(v=0),其耦合系数[2,67]为:

2$UaV32

Wda2K1(W)(36)

[68]

对多模光纤,其高阶模之间的耦合系数为:

WdWd2K0+K2vcos(2vA)2$UaaJpq=

aV3Kv-1(W)#Kv+1(W)(37)其中,折射率差$=(n-n)/n,n1、n2分别为

图23 无损弯曲光纤耦合器中光功率的分布情况

光纤纤芯和包层的折射率,归一化频率V=2Pa(n21-n22)/K,U、W分别为纤芯和包层中模场的归一化

2222横向传播常数,分别满足U2=(k20n1-B)a,W=222(B-k20n2)a(k0=2P/K,B为纵向传播常数),K0,

31113 光纤耦合器耦合系数

为了详细分析光纤耦合器中光功率的转换情况,需要求解光纤耦合器耦合系数。考虑两根光纤耦合情形,方程(8)中的耦合系数可简化为:

X(EJpq=1-E2)eqt#eptdS

Kv分别为0阶模和v阶模的第二类贝塞尔函数,d为两根光纤的纤芯间距。在实际的光纤耦合器中,d一般与耦合区长度z及横向偏移量y有关,满足关系式d=(d0+z/Q)+y(d0为z=0的d值)为纤芯间最小间隔,Q为光纤曲率半径。

作者模拟了三个波段单模光纤耦合器的耦合系数随纤芯间距及耦合区长度的变化规律,如图24、图25所示。其中,所选光纤参数为n1=11458、n2=22Q(32)

光纤1和光纤2中的电场ept和eqt满足如下关系式:

ept=Bv1W11Kv1ra1Kv1(W1)cosv1H11sinv1H(33)

第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

114551、a=310Lm和Q=015m。由图可知,耦合系

数随耦合区长度的增加、光纤间距的增大而迅速减小。此外,耦合系数也与波长密切相关。

312 有效折射率法31211 基本思想有效折射率法[69~

71]

的基本思想是将光纤耦合

器等效为平板波导,从而将二维的波动方程简化、近

似为容易求解一维的波动方程,通过求解平板波导的传播常数进而计算出光纤耦合器的耦合系数。31212 分析方法

对于熔锥型光纤耦合器,我们考查图26中所示长半轴为2a,短半轴为2b,熔锥区为椭圆形的耦合器结构。

设在x=xi处,耦合器的厚度为2t(xi)。那么可用中间层折射率为n1,厚度为2t(x),两侧介质折射率为n2的无限大平板波导的模场TEn-1(TMn-1)的传播常数来定义有效折射率函数nx(x),进而折射率分布为nx(x),厚度为2a的平板波导的模式TMm-1(TEm-1)的传播常数就可近似为光纤耦合器

Exmn(Emn)模的传播常数,因此我们只需要分析平板

波导就可获得二维结构的解。

由以上分析知,有效折射率法分析光纤耦合器的关键是求解有效折射率nx(x),求解nx(x)又被转化为求解的平板介质波导的传播常数,平板介质波导的传播常数可由下式表出[72]:

u=gv-gv-vsin(g)1+vtcos(g)

(38)

图26 熔锥光纤耦合器的平面波导近似模型:(a)折射率分布为nx(x);(b)折射率分布为ny(y)

21/221/2

式中u=k[n21-nx(x)],v=k(n21-n2),g=

(m+1)P/[2(vt+1)],m=0,1,2,,为模阶数。进而,可以求出有效折射率

nx(x)=

[69]

因为偏振相关的耦合系数可以表示为Cx=

yyxyx

(B-Bx21)/2,Cy=(B11-B21)/2,式中B11(B11)和B21

11y

21)分别为模场E11(E11)和E21(E21)的传播常数,(B

所以我们可求出耦合系数,我们将通过这种方法获得的耦合系数记为Ccx和Ccy,Ccx和Ccy都相当精确,但是如果我们需要分析耦合器的偏振分离特性,

1/2

u222

n-2(n1-n2)

(39)

将有效折射率nx(x)带入平板介质波导方程

d2器的传播常数。我们需要计算Ccx-Ccy,Ccx和Ccy微小的误差都会

使Ccx-Ccy产生较大的误差。48

物理学进展第30卷

为了提高精度,图26(b)中我们可以得出相同的有效折射率函数ny(y),进而折射率分布为ny(y),厚度为2b的无限大平板波导是光纤耦合器的另外一个等效模型,将求出的耦合系数记为Cdx和Cdy,从而可推演出

[70]

常数张量,在本文中可以简化表示为:

Ex00

E=^

F(H)=12

Ey0

0Ez

(42)

方程(41)所对应的边值问题的泛函是:

R(Ccx-Ccy)+(Cdx-Cdy)Cx-Cy=(40)

RA+1式中R=a/b为纵横比,A为与模阶数和折射率差无关的形状相关因子。经研究发现当模远离截止时,A=1时对应矩形截面,A=2时对应椭圆形截面。

有效折射率法的优点是简单快捷,但是其准确性依赖于光纤的形状,容易引入较大的误差。313 有限单元法

有限单元法[73~77]是20世纪50年代中期至60年代末出现的一种数值计算方法。经过多年的研究已经比较成熟而且适用范围比较广泛。该方法的优点是不受结构复杂性的限制,对截面形状不规则、空气孔排列任意、材料折射率可组合等特殊结构均适用,因此在分析非对称光纤耦合器和光子晶体光纤耦合器领域具有得天独厚的优势。不足之处是计算量大,耗时长,开发相应软件较复杂,尚需不断的改进和完善。31311 基本思想

有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同的形状,因此能够模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法的另一个特点是根据不同的要求,它不仅可以用频率X作为待求的特征值,还可以采用模式的有效折射率作为待求的特征值。这意味着可以直接计算特定波长的传播特性,而不需要采用迭代的方法。下面进行详细阐述。31312 分析方法

(1)泛函公式

为了分析波导中电磁波的传导,需要求解下面的边界值问题:

¨@(^E¨@H)-kH=0

H@n=0¨@H@n=0

-1

k(^E|¨@H|-k0|H|)d88

(43)

-1

(2)三角形边单元

有限元分析首先需要将区域离散化为一系列二维的小单元,一般地,二维区域的划分单元多为三角形网格,而三维区域则多以四面体单元来划分。

图27 三角形边单元

将要求解的区域离散成若干个三角单元,每个单元三角形的顶点及相应的边点称为节点,这样即可近似地用每个三角单元节点的场值来代替整个场的连续分布。离散的基本要求是相邻单元间不能重叠或留有空隙,且一个单元的定点只能处在其相邻单元的定点上,而不能存在于其它单元的边上。单元大小的选择一般要根据剖分时采用的插值函数来选取,在场值变化大的地方需要相应加密离散单元。图27显示了三角形边单元的结构,它有6个节点,1~3在三角形的角上,表示磁场的轴向分量Hz,4~6在三角形的边上,代表磁场的切向分量。

(3)有限单元离散

将要计算的区域分成离散的单元,然后利用泛函的变分方法或迦辽金方法,可获得如下的特征值问题

in8on#1on#2

(41)

[78]

[77]

[K]{H}-B[M]{H}={0}

(44)

式中B为传播常数,[K]和[M]为有限元矩阵,{H}为由节点和边界变量构成的离散化磁场

矢量,求解代数特征值方程(44)就可以获得特征值

2B和特征向量{H},进而可以分析光纤器件的耦合其中,8是波导横截面,#1和#2分别是电场开路和磁场开路边界条件,k0是波矢量,^E是相对介电第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

特性。

314 光束传播法

光束传播法[79,80]是目前光波导器件研究与设

计领域最流行的方法之一,光束传播法能够清晰阐述沿轴向横截面有变化的光纤中光的传播情况,如锥形收缩、弯曲、耦合等,并能描述光在光纤中的衰减或偏振改变等特性,因此是分析光纤耦合器的重要工具。

31411 基本思想

光束传播法的基本思想是基于慢变包络近似,得出光束传播方程,并根据给定的初始场,一步一步地计算出各个传播截面上的场。

早期的光束传播法从标量波方程出发,通过慢变近似得到标量场,只能处理一个偏振分量,不能分辨出场的不同偏振(TE模或TM模)。另外它所采用的网格是均匀网格,在处理楔形、弯曲波导时不是很适合。由于上述这些缺点,人们做出了相应的改进,陆续提出了傅里叶变换光束传播法、有限差分光束传播法、有限元光束传播法、虚轴光束传播法、全矢量光束传播法等,这些方法都是BPM方法在某些特定条件下的改进,因而在应用上都有很大局限性,应用时需要仔细的选择,才能使分析与设计既精确又快捷。31412 分析方法

(1)光束传播方程

a、标量波传播方程

对于单色波在榜轴近似的条件下,标量场的波传播方程可以写为Helmholtz方程:

52<52<52<2

2+2+2+k(x,y,z)<=05x5y5z[81]

5u=i5u+5u+(k2-󰀂k)u225z2󰀂k5x5y

(48)

此式即为三维的光束传播方程。方程(48)是依

靠有限差分法求解的,下面我们以二维场u(x,y)为例对方程(48)求解。令横向可以被$x等分为栅格,而纵向被$z等分为一系列的平面,umi代表横向栅格点i和纵向平面m处的光场,则在第m个和第m+1个平面中间的光场可表示为:

m+1

-ui=iD2

m+12+(k(xi,z2)$z2󰀂k$x

+1umi+umi

-k󰀂

(49)

这里Dui=(ui+1+ui-1-2ui)是二次差分算

符,zm+21Szm+

$z,并且2

(50)

1m+1+1

aium+i-1+biui+ciumi+1=di

方程(50)中的系数可以在文献[82]中获得。这样只要给出了输入场u(x,y,z=0),就可以

求出沿z轴的光场变化。

b、失量波传播方程

当电场是矢量时,则应考虑矢量波传播方程,与标量波传播方程类似,我们可以将慢变场表示成如下的形式

[83,84]

^x=AxxEi5E^x+AxyE^y

5zi

5E^y

=AyxE^x+AyyE^y5z(51)(52)

Ai,j是复杂的微分算符,可表示为:

15(n2E^x)AxxE^x=152󰀂k5xn25x522

+^x+(k-󰀂k)E^x2E5y152E515(n2E^y)AyyE^y=22^y+2󰀂k5x5yn5y+(k2-󰀂k)E^y

15(n2E155^x)-AyxE^x=E^x

2󰀂k5yn25x5y5x(45)

-iXt

(53)

在这里标量电场E(x,y,z,t)=<(x,y,z)e,

k(x,y,z)=k0n(x,y,z),k0=2P,K是自由空间波

K长,n(x,y,z)是空间折射率分布。假设光波主要沿Z轴传播,那么<(x,y,z)可以表示为:

<(x,y,z)=u(x,y,z)ei󰀂

(46)

(54)

(55)

152y155AxyE^y=(nE^)-E^y25x5y2󰀂k5xn5y󰀂k=k0n0是传播常数的平均值,将方程(46)带

入方程(45)可得慢变场方程:

52u+2i󰀂5u+52u+52u+(k2-󰀂kk)u=05z25z5x25y2(47)在慢变近似下,可忽略慢变分量的二阶导数项,方程(47)可简化为:(56)

此时,方程为全矢量光束传播方程。应用有限差分法可以得到如下有限差分方程:

[1+i$zAAxx]E^m+x=

[1-i$z(1-A)Axx]E^xm-i$zAxyE^my(57)50

[1+i$zAAyy]E^y

mm+1

物理学进展第30卷

[1-i$z(1-A)Ayy]E^y-i$zAyxE^x(58)

参数A为求解有限差分方程的控制因子,在计算中,可利用迭代法对(57),(58)求解。

(2)全波方程

在传播方向上基于慢变包络近似,可以把所求的电磁场分解为沿z方向快变和慢变分量[78,

<(x,y,z)=d{ht}dz

+([K]-n0k0[M]){ht}={0}

-2in0k0[L]

其中

1([K]-n22

0k0[M])(61)224n0k0

式中{ht}为包含慢变横向磁场分量的各节点值[L]=[M]+

的列向量,[K]和[M]为有限元矩阵,{0}为零向量。

进一步,沿着z方向进行离散化,并将Galerkin.smethod应用于一阶波动方程可得到[86]:

[A]m{ht}m+1=[B]m{ht}m

(62)

其中

[A]m=-2in0k0[L]m+H$z{[K]m-n20k0[M]m}

(63)

[B]m=-2in0k0[L]m

+(H-1)$z{[K]m-nk[M]m}

85]

411 2@2光纤耦合器

2@2光纤耦合器亦称X型光纤耦合器,它是一种应用最为广泛的定向耦合器件。该种耦合器主要依靠消逝场的作用实现耦合,使两根光纤纤芯相互靠近,可以实现光功率的有效耦合。当光纤中传输的能量经过耦合区时,一部分能量通过消逝波传到包层中,并逐渐耦合到另外一根光纤之中。因此,大多数2@2光纤耦合器的耦合结构都应设计成使两个纤芯彼此靠近的结构,如图28所示。

(60)

图28 2@2光纤定向耦合器示意图

抛磨法、熔锥法和腐蚀法均可用于制作X型光纤定向耦合器,而前两种则较常用。熔锥法因成本低、性能好且易于批量生产等优点,使其应用更为广泛。

41111 抛磨型2@2光纤耦合器

(1)制作方法

抛磨法制作X型光纤定向耦合器,其方法是首先将两根单模光纤分别植入具有弧形凹槽的石英板进行光学打磨,然后将打磨好的两块石英板拼合在一起,最后在拼接区通过毛细作用注入折射率匹配液[33],如图29所示。该耦合器能量转换比依赖于纤芯间距和相互作用长度,耦合结果是部分能量从一根光纤传输到另一根光纤。

(64)

其中,m和(m+1)表示第m或第(m+1)个传播步,$z为沿z方向离散的步长,H为传播配置参数。光纤耦合器可以看作是一个沿z方向变化的结构,这样如果已知在初始位置z=0处初始的波长、场分布、输入光功率,就可以推导出该光场在光纤耦合器中传播时在不同位置上的场分布,进而求出光功率的分配情况。

4 典型光纤耦合器结构及原理

下面通过分析典型光纤耦合器的结构,具体阐述其工作原理和设计方法。

图29

抛磨型2@2光纤定向耦合器

第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

这种方法需要将光纤和石英板一起打磨,其操

作过程比较耗时。Hussey和Minelly[87]提出了一种基于研磨轮的打磨法,即把去除部分包层的光纤悬浮于一个用液态石蜡润滑过的研磨轮上进行打磨,如图30所示。这种新式打磨法只需打磨光纤本身,故大大缩短了耦合器制作时间。通过改变光纤打磨轮的作用角度或者使用不同直径的研磨轮,可以灵活调整打磨长度。

对于熔锥型光纤定向耦合器,其耦合机制与消

逝波无关,故无限包层近似不再适用。熔锥单模光纤耦合器中光纤间的功率转换,可用熔锥型耦合器腰部复合波导的对称模W+和非对称模W-的拍长来描述。其复合波导模式可以近似表示为W+UW1+W2,W-UW1-W2。其中,W1、W2分别为两个光纤独立传播时的基模。两根光纤输出端的能量分别为:P1=cos2(Jz),P2=

sin2(Jz),其中耦合系数J=

3PK/[32n2a2(1+1/V)2],归一化频率V=2Pa(n22-1/2n23)/K。复合波导的拍长可表示为Lb=P/J。在一[43]

个拍长内,一部分光功率从一根光纤传输到另一根光纤,然后再返回。

(2)影响因素

熔锥型光纤耦合器耦合功率一般会受到如下几

图30 光纤打磨装置示意图

个因素的影响:

a、入射波长:由于光纤耦合器的耦合系数与波长有关,因此波长的改变会引起耦合功率的变化。作者对光纤耦合器归一化功率随光纤波长变化规律进行了分析,模拟曲线如图31所示。由图可见,耦合功率随波长的改变呈周期性变化,其功率变化的周期并非恒定不变,而是随波长的增长周期亦变大。

(2)调谐特性

抛磨型光纤耦合器优点之一是具有灵活的可调谐性。通过巧妙设计调谐机构,可制成各种可调谐光纤耦合器。1982年,Digonnet和Shaw制作出耦合比在0~100%之间连续变化的可调谐单模光纤耦合器。他们将光纤耦合器置于一个带有微米螺丝的夹具之中,通过调谐光纤耦合器顶板和底板的相对位置,实现了光纤耦合器耦合比的调谐。

(3)包层厚度测量方法

光纤耦合器的耦合比与光纤间距密切相关。因此,如何准确测量光纤耦合器中剩余包层的厚度是一项很重要的工作。将已知折射率的液滴浸入于耦合器中抛光的衬底表面,通过对衰减进行非破坏性测量,可以测出光纤耦合器剩余包层的厚度,但这种方法很难获得剩余包层厚度的精确值。1994年,Das等人提出了一种能够准确测量光纤耦合器剩余包层厚度的新方法。其要点是:首先加热光纤耦合器,消除表面的不完整性并分成两半;然后,在显微镜下测量耦合器的横截面;最后,结合损耗校准曲线,准确测出剩余包层厚度。41112 熔锥型2@2光纤耦合器

熔锥法亦可用于制作2@2光纤定向耦合器。其要点是:将两根或者多根光纤扭绞在一起,通过高温加热熔融拉锥即可制成[13,39,94~97]。采用熔融拉锥法,可以制成各种类型的单模及多模光纤定向耦合器。

(1)工作原理[93]

[90~92]

[88,89]

[36]

图31 归一化耦合功率随波长K的变化曲线

b、周围介质折射率及熔锥比:熔锥型光纤耦合器的耦合功率与锥形区周围介质的折射率密切相关[41,42,

98~100]

,也与光纤几何形状、熔锥比及其对周

围介质的敏感性有关,图32是作者给出的理论模拟曲线。从图中发现:熔锥比愈大(光纤束腰半径越小),周围介质折射率对耦合器耦合功率的影响愈大。改变锥形区外部介质的折射率,可实现熔锥型单模光纤耦合器耦合系数在0~96%范围内的调谐[43]。通过控制熔锥比和拉锥形状,可研制对折射率敏感的光纤耦合器。这种耦合器既可用作传感器52

物理学进展第30卷

和光学开关,亦可制成折射率相对不敏感的光纤定向耦合器。Zheng和Snyder[45]的研究表明,只有横截面为哑铃型的光纤耦合器才具有对外部折射率不敏感的特性。图33给出了归一化耦合功率随熔锥比的变化曲线。从图中可见,调节熔锥比也可实现对光纤耦合器的调谐。研究表明:光纤耦合器熔锥过程中的缠绕次数会产生退耦效应,该效应会使模场重新分配,导致折射率发生改变,从而影响其分光比。因此,通过调节缠绕次数,亦可实现对光纤耦合器耦合比的调谐[101,

102]

度增大,则光纤的最大转换功率减小,而熔锥度也会对光纤耦合器的功率转换产生一定影响[105]。

由于光纤耦合器对外界折射率和温度等外界因素都很敏感,一般需要对光纤耦合器进行封装,这样可以减少外界环境的影响,且可以提高光纤耦合器的机械强度。

综上,熔融拉锥法因为分光比任意、偏振无关、低插入损耗([011dB)、高热稳定性和机械稳定性、工艺简单及适于规模化生产等诸多优点,迅速成为最受欢迎的光纤耦合器制作方法,并将耦合器的制作从实验室推向了生产领域。熔锥型光纤耦合器可于研制光开关[106]、波长计[107]、干涉仪[108]、起偏器[109]、滤波器[110]、多路复用器[111]、频移器[112]、传感器[113]等光纤无源器件,在光纤通信和光纤传感领域具有广阔的应用前景。412 星型光纤耦合器

星型光纤耦合器是指端口分布为M@N(N\\3)的光纤耦合器,该耦合器可将各输入端口的信号均匀分配到各输出端口。星型光纤耦合器是光纤局域网的主要构成元件之一,可构成星型光纤网络。在光纤网络结构中,星型光纤耦合器用于连接网络内部的端口。一般而言,网络内部端口较多,采用星型耦合器可大大减少光开关的数量。对于网络星型拓扑结构,用户之间的连接衰减随用户数量的增加呈对数形式增长;而对于公共拓扑和环状拓扑结构,用户之间的连接衰减随用户数量的增长呈线性增长。因此,网络拓扑结构设计一般首选星型拓扑。此外,星型光纤耦合器在光纤数据通讯网络[116]、光纤传输系统[117]、干涉测量、光学信息处理、光纤传感[118,119]等光学以及信息领域均具有重要的应用。

星型光纤耦合器有透射式和反射式两种。反射式星型光纤耦合器的每个端口同时作为输入端口和

[115][114][39]

[40]

。

c、温度:温度也是影响熔锥光纤耦合器耦合效率的一个重要因素。熔锥型光纤耦合器温度灵敏度与光纤几何结构及其制作材料有关,采用控制光纤耦合器形状、选择合适材料等方式,可研制基于光纤耦合器的温度传感器。反之,尽量降低光纤耦合器的温敏性,亦可制成性能较为稳定的光纤耦合器

[103,104]

输出端口,这种反射式设计的优点是既大大减少了端口,又节省了光缆;缺点是每一个端口需要一个T型耦合器,用于连接发射机和接收机[120]。

星型光纤耦合器有多种制作方法,其中熔融拉锥法和耦合器级联(即以多个2@2、1@2或者3@3光纤耦合器级联)是较为常见的两种方法。41211 熔锥式星型光纤耦合器

(1)制作方法

先将单根光纤分别拉制成双锥型结构,然后用。

d、非对称性:光纤耦合器的非对称性对耦合功

率也会产生至关重要的影响。若光纤耦合器非对称第1期

[121]

林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

Pr(z)=Jz)P0(0)2sin(JJ2

53(66)

粘合剂粘合在一起制成;或者先将光纤缠绕在

一起,然后置于微火之上加热熔融拉锥制成[122]。图34为熔锥式星型光纤耦合器制作示意图[123]。1985年,Imoto等人将光纤束插入石英管中用氢氧焰熔融拉锥,之后以粘合剂密封石英管端口,这种方法大大降低了耦合器的插入损耗。光纤耦合器的耦合比不受波长和入射光偏振态的影响,其插入损耗可用公式L=10log(Pin/Pout)=log10N近似表示

[125]

[124]

式中J0、J1、J2分别为中心光纤与周围光纤、相

邻最近两根光纤、光纤对间最近两根光纤之间的耦合系数,纤芯所处位置参见图35。Jav=(J1+J2)/2,J=

Jav+nJ0,n=N-1。

22。

图35 纤芯所处的位置:(a)等间距;(b)纤芯位于光纤

对中间

图34 熔锥型光纤星型耦合器制作示意图

作者分析了1@7星型光纤耦合器中心光纤与周围光纤的归一化功率随传输距离的变化关系,模拟的变化曲线如图36所示。由图可见,最大耦合功率等于七根光纤之间的均分功率1/7。当z=812mm或812mm的整数倍时,两个波段可获得相等的耦合功率。制作过程中若在该点停止拉锥,则能够获得波长平坦的响应。作者又分析了4@4星型光纤耦合器中每根光纤的归一化功率随传输距离的变化关系,其模拟曲线如图37所示(相关参数为a=118Lm,nco=114542,ncl=1145)。由图可见,在z=

s(m=1,3,5,,)处,可以获得相等的耦合功mP/4J率1/4。获得相等耦合功率的传输距离只与光纤之

熔融拉锥方法也可以用于制作非对称M@N

星型光纤耦合器。1981年,Gravel和Nelson[126]将不同纤芯直径的光纤经熔融拉锥后再进行焊接,制作出非对称2@8星型光纤耦合器。他们首先采用熔融拉锥法分别制成2@2和8@8光纤耦合器,然后将两个耦合器分别从正中央斩断,再分取两个耦合器的一半焊接形成2@8星型光纤耦合器。这种制作方法提高了光纤耦合器功率分配的均匀性,其平均附加损耗为216dB。采用相同的方法,可以研制非对称M@N星型光纤耦合器,但对光纤有如下特殊要求:一是M部分和N部分总纤芯横截面积应近乎相等,二是光纤应该具有相同的折射率类型和类似的数值孔径,三是M部分和N部分锥形末端直径应大致相同。

(2)耦合特性

Mortimore等人将光纤束置于玻璃毛细管中熔融拉锥,期间使用两个探测器分别探测113Lm和115Lm两个波段输出端的耦合功率。当两个波段的耦合功率相等时,耦合过程终止,即制成波长平坦的N@N星型光纤耦合器耦合器

[130]

[127~129]

间的强耦合系数Js有关,弱耦合系数Jw仅影响功率在P1和P3之间的转换。

和1@N型光纤星型

。这种光纤耦合器附加损耗为013dB,功

图36 归一化功率随传输距离变化关系曲线

率分配均匀性<1%。理论上,1@N星型光纤耦合器各光纤传输功率随传输距离变化的表达式可表示为[131]:

P0(z)=J2avcos(Jz)+2sin2(Jz)P0(0)(65)

J2一般熔锥式星型光纤耦合器的损耗偏差较大,在该耦合器中加入混合棒是一种减小损耗偏差的有54

物理学进展

[136]

第30卷

系统中的应用受到了限制。Mortimore设计出一种波长平坦的8@8星型单模光纤耦合器,较好地解决了这个问题。其制作方法与普通8@8星型单模光纤耦合器类似,只是在预拉锥形成熔锥型耦合区的两根光纤间的传播常数有微小差别。传播常数之差$B导致功率不完全转换,通过仔细控制预拉锥结构及耦合过程,可在很宽的窗口(超过400nm)范围内获得50%耦合输出。研究表明:波长K=1131Lm的附加损耗为0114dB,耦合均匀度为1162;波长K=1153Lm的附加损耗为0111dB,耦合均匀度为1142。

图37

归一化功率随传输距离变化关系曲线(a)Js=450m-1,Jw=0;(b)Js=450m-1,Jw=50m-1

效方法。这种制作工艺的要点是:首先将光纤捆绑成光纤束,然后放在氢氧焰上加热熔融拉锥形成双锥

形结构,进而在锥形束腰处切断,最后通过熔融焊接技术将混合棒插入中间完成制作过程。光纤在熔锥过程中不需要扭曲,这样就减小了光纤微弯引入的损耗偏离。采用这种方法,Ohshima等人研制出由阶跃型多模光纤制作的束腰直径为200Lm、附加损耗为312dB、损耗偏离度为0137dB的100@100星型光纤耦合器。

熔锥式星型光纤耦合器因制作工艺简易,故易于规模化生产。尤其是在制作端口较多的星型光纤耦合器时,既可节省大量时间和劳力,亦减小了器件体积

[134]

[132,133]

图38 单模光纤星型耦合器示意图:(a)8@8星型耦合器;(b)9@9星型耦合器

。

一般而言,以2@2光纤定向耦合器为基元构成的透射式N@N星型光纤耦合器,需要log2N级,每级包含N/2个2@2光纤定向耦合器,共需

(N/2)log2N个[137]。

1985年,Wang等人[138]以熔锥式3@3星型光纤耦合器为基元,实现了透射型9@9光纤星型耦合器,其附加损耗为1146dB,均匀性为1150dB。这种光纤耦合器的每一输入端口光功率都被分配到三个端口,每个中间输出端口功率又被分配到三个3@3光纤星型耦合器,如图38(b)所示。

M.E.Marhic提出了另外一种制作N@N(N=L@M)星型光纤耦合器的方法。该方法以L@M耦合器和M@L耦合器为基元,耦合器按图39所示方式组合而成。即从每一个L@M耦合器取出一个输出端口,连接到一个M@L耦合器的输入端口;重复该过程,直到所有L@M耦合器输出端口都连接到M@L耦合器输入端口为止。由于输入和输[139]

41212 组合式星型光纤耦合器

组合式星型光纤耦合器是以多个2@2、1@2或者3@3光纤耦合器为基元按照不同的排列方式组合而成。如果端口比较多的话,这种制作方法比较耗时,结构会比较复杂、器件体积也会增大。(1)透射组合式星型光纤耦合器

1985年,Mortimore

[135]

以八根单模光纤为基

元,采用在合适的光纤对之间形成3dB熔融耦合区的方法,制成8@8星型单模光纤耦合器。该光纤耦合器由三列光纤组成,其中每列中的两根光纤通过熔融拉锥形成耦合区,而后一列直接在前一列合适的输出光纤对之间再形成熔融耦合区,如图38(a)所示。这种方法不需要光纤之间的焊接,故消除了焊接损耗,有利于紧凑型器件的研制。该耦合器的附加损耗为0113dB,耦合均匀度为0173dB。由于这种星型光纤耦合器工作波长窗口较窄,因此在波分复用第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

出之间相互连接为单一连接,因此避免了多通道信

号传输产生的干涉效应。该方法适合多端口、高质量星型单模光纤耦合器的研制。

图39 L@M和M@L星型拼接成的N@N星型耦合器

(2)反射组合式星型光纤耦合器

透射式星型网络可以大大减小传输过程的附加损耗,但这需要大量的光纤和组件,而采用反射式星型单模光纤耦合器可节省一半的光纤和组件。Saleh和Kogelmk以3dB耦合器和反射镜为基元,实现了反射式光纤星型耦合器。设计这种耦合器的一个关键问题是避免多通道间的干扰,因此需遵循一定的连接法则进行连接。构成一个N=lm的N型反射式光纤耦合器,需要ml个透射型m@m星型耦合器,m(m-1)/2个透射型的l@l星型耦合器,m个反射式的l星型耦合器。如图40所示,N型反射式光纤耦合器的一般连接法如下:

1、l-group#i中l个透射式m@m星型耦合器端口i(i=1,2,,,m),通过一个l星型耦合器连接在一起;2、l-group#j中l个透射式m@m星型耦合器端口i(i,j=1,2,,,m,iXj),通过一个垂直方向上的透射式l@l星型耦合器,连接到l-group#j中l个透射式m@m星型耦合器端口j。

在这种反射组合式星型光纤耦合器中,任何一个输入端口的光功率都被均匀分配到所有的端口输出。Saleh和Kooelmk设计的上述光纤耦合器存在一个主要问题,即光信号的反射会回到信号的输入端口。为此,T.Hermes设计了一种能将任意一个输入端口信号平均分配到其他端口输出的新的反射式星型光纤耦合器,有效的避免了信号返回源端[140]

[137]

图40 反射n型耦合器的一般组合方式

口的问题。

组合式星型光纤耦合器的优点是结构比较灵活,可以组成任意端口数的星型耦合器;缺点是若光纤端口较多,其结构会变得复杂,相应的体积亦会显著增大。

41213 其他类型的星型光纤耦合器

另一种制作星型光纤耦合器的方法是将输入输出光纤束置于一个透明管中,在输入和输出光纤束中间填充油或透明环氧液等高折射率材料制成混合部分。该混合部分横截面的形状是光纤功率均匀分配的关键因素,一般采用方形或者矩形混合部分以获得均匀的功率分配。若在混合部分终端以反射镜取代输出光纤,则可研制反射式星型光纤耦合器。

附加损耗及N@N星型光纤耦合器内在的1/N功率分配损耗,在一定程度上限制了光纤星型网络中可支持的节点数,导致可承受的用户数量受限。为解决这个问题,一种补偿的方法是在制作星型耦合器过程中引入光纤放大器。文献[145]报道了将掺铒光纤放大器(EDFA)作为每个节点输入端的前置放大器的方法,其优点是大大增加了接收端的灵敏度,使得能够容纳的网络用户增加了20倍;缺点是每个EDFA均需一个泵浦激光器进行泵浦。[142~144]

[141]

[146]

物理学进展第30卷

Willne等人将EDFA放置到星型网络的中心,其优点是几个EDFA可以共用一个泵浦激光器进行泵浦,大大较少了光纤耦合器制作过程中泵浦激光器的数量;缺点是每个接收机均需一个EDFA,制作成本大为增加。为减少EDFA的数量,文献[147]提出了一种使用更少EDFA的星型光纤耦合器。这种光纤耦合器由m个N@N被动星型耦合器、一个(m+1)@(m+1)被动星型耦合器、m个高功率EDFA、m个带通滤波器及m个带阻滤波器组成。该方法通过使用m个高功率EDFA,能够将光纤网络可承受的规模增大m倍。

基于透射式结构的星型光纤耦合器需要大量的光纤和相应的元件,而采用反射式结构可以节省一半的光纤和组件。Zeng等人[148]将EDFA引入反射式光纤星型结构,设计出一种无损宽带放大型64端口反射式星型光纤耦合器。该反射式光纤耦合器由八个8@1树型光纤耦合器、八个EDFA、四个泵浦激光二极管、一个树型光纤耦合器及一个反射镜组成,它具有高泵浦功率和双倍放大过程的优势,故能够在1530~1565nm光谱范围内对损耗进行完全补偿。

透射式光纤耦合器的每一用户均需两根光纤进行连接,采用反射式结构可减少光纤一半的用量。但如果用户之间距离很遥远,这两种光纤耦合器所需光纤数量会显著增长,而采用分布式结构则可大大减少光纤用量。分布式耦合器是将原来一个整体的星型光纤耦合器拆分为更小的若干部分,这些更小的耦合器分别布设于网络中的各个节点。光纤耦合器的分散大大较少了网络建设过程中所需要的光纤数量,从而节省了成本。然而,它所实现的功能和集中式星型光纤耦合器并无二致。此外,分布式星型光纤耦合器还具有更可靠、更经济、且可灵活扩展等优点。

413 双包层光纤耦合器

双包层光纤耦合器主要用于双包层光纤之间的耦合。目前一般采用抛磨法或熔锥法来制作双包层光纤耦合器。

41311 抛磨型双包层光纤耦合器

2007年,Wang等人[149]设计了一种特殊的双包层光纤耦合器。该耦合器采用侧面打磨法制作,所用的双包层光纤由传统单模光纤拉丝塔拉制而成,与普通单模光纤的区别是将单模光纤高折射率涂覆层[114]

以低折射率聚合体材料取代。纤芯、内包层、外包层直径分别为714Lm,125Lm,180Lm。

(1)制作方法

首先将光纤置于V型凹槽中,用氧化铝粉在黄铜板上粗磨;然后,用氧化铈粉在聚亚安酯板上精细研磨,通过实时监测耦合功率控制打磨深度,注意内包层不需全部打磨掉,应留下约20Lm的内包层结构;最后,将打磨完成的两块半板拼合,完成制作过程,如图41所示。

图41 双包层光纤耦合器示意图

(2)耦合特点

该种双包层光纤耦合器主要用于荧光检测领域,其优点是可以有效避免背景信号干扰。在荧光检测实验中,光纤F1纤芯中传输的激发光几乎不受双包层耦合器的影响,可直接从P1端传输到P2端,而从检测物体激发出的荧光则在光纤F1内包层传输。经过双包层光纤耦合器,一部分荧光信号被耦合到光纤F2的P4端,从而实现了激发光与荧光信号的有效分离,避免了荧光检测中背景光对传感信号的干扰。

但是,这种双包层光纤耦合器的耦合效率并不高。图42是Wang等人所测的双包层光纤耦合器耦合效率随波长的变化曲线图。由图可见,该耦合器耦合效率在10~15%之间。显然,耦合效率较低。因此,如何进一步提高耦合效率,是深入研究亟需解决的问题。

41312 熔锥型双包层光纤耦合器

2006年,L.Fu和M.Gu

[150]

采用熔融拉锥方

法首次设计并实现了3端口双包层光子晶体光纤耦合器。

(1)制作方法

首先将两根光子晶体光纤缠绕在一起;然后,在火焰大小为10mm的氢氧焰下加热熔融拉锥完成第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

414 空芯布喇格光纤耦合器

(1)耦合原理

普通光纤的模式在包层中按指数规律衰减,而

空芯布喇格光纤则按与纤芯距离的倒数平方根规律衰减,并显示出具有周期性的震荡特性。两根平行空芯布喇格光纤相互接近时,单根布喇格光纤模场的旋转对称性被打破,TE01模间相互作用形成两个传播常数分别为B+和B-的超模。当光纤间距达到d~

图42 双包层光纤耦合器耦合效率与波长关系曲线

100Lm时,超模间拍长P/Re(B+-B-)与超模衰减长

?度l/Im(B)仍处于同一个量级,因此仍然会产生耦

制作过程。光纤拉伸使其直径逐渐减小,光纤中模场产生重叠导致耦合。拉伸长度决定了耦合比和纤芯与包层区的模式耦合条件。若拉伸长度较短,两根光

纤之间只有内包层多模信号发生耦合,而纤芯中的光学信号几乎不耦合;若拉伸长度较长,将导致熔锥区纤芯周围空气孔完全塌缩,导致纤芯模式的耦合。

(2)耦合特点

这种双包层光子晶体光纤耦合器的优点是能实现光学器件的紧凑连接和光学信号的有效分离,因此在生物传感及生物显微成像领域具有无可比拟的优势。图43为基于三端口双包层光子晶体光纤耦合器的非线性光学显微镜示意图。

合。当d<1Lm模式间的耦合迅速增长并超过模式

辐射损耗时[151],耦合效应会显著增强。当两根布喇格光纤相互接触(d=0)时,超模拍长比超模衰减长度更小,模式间的耦合强于模式间的损耗。基于上述原理,Skorobogatiy等人设计了空芯布喇格光纤定向耦合器。这种耦合器中的布喇格纤芯半径为Rc,最外反射层半径为Ro,反射层由两层电解质材料组成,其折射率满足nh>nl>nc,nc=1,包层折射率为nclad,厚度dh,dl分别满足dh

2n2h-nc=dl

2n2l-nc=K/4。布喇格光纤结构及

[152]

其方向耦合器如图44中的插图所示。

图43 基于双包层光子晶体光纤耦合器的非线性光学显

微镜

熔锥型双包层光子晶体光纤耦合器熔锥过程中容易导致空气孔塌缩,引入较大的损耗。因此,如何有效避免拉锥过程中空气孔塌缩是研究者首先需要

考虑解决的问题。

双包层光纤耦合器在荧光检测、非线性光学显微成像、双包层侧面泵浦光纤激光器、光纤放大器等领域的独特优势,但有关双包层光纤耦合器的理论和实验研究并不多见,而双包层光子晶体光纤耦合机理、耦合比优化方式等关键问题仍然处于探索阶段,这需要科研工作者去深入研究和探索。当两根光纤相互接近时,两根光纤之间的反射层形成一个反射腔,通过光纤反射层间的共振效应产生耦合。当光纤间距满足半波共振条件dkt=Pv时,光纤间耦合增强。其中,kt=(knclad)-B,k=2P/K,M=0,1,2,。2

图44 归一化耦合强度和超模辐射损耗随距离d的变化规

律。左图为光纤间距为0.2Lm58

物理学进展第30卷

(2)影响因素

外包层折射率nclad对空芯布喇格光纤耦合效率会产生重要影响。当nclad=nc、d=PM/(knc)~MRc时,耦合强度随半径的增加而增强;当nclad>nc时、dUKM/(2

2n2clad-nc),光纤间耦合强度随光纤半径

索并研发单芯光纤与多芯光纤的耦合技术具有重要

的现实意义。

Poole和Love[154]首先将两根标准光纤插入由折射率比标准光纤包层更低的材料制成的双孔毛细管中加热锥化,使其空气孔塌缩形成等效的双芯光纤;然后,从光纤熔锥区切断,取出其中一段实现了与双芯光纤之间的连接。

2003年,Flockhart等人将四根单芯光纤用氢氟酸腐蚀之后,排列成正方形用于匹配四芯光纤,实现了单芯与四芯光纤的耦合。

近年来,LiboYuan等人采用拼接熔融拉锥的方法,实现了单芯与多芯光纤的耦合,他们制作的熔锥型耦合器如图45所示。在光纤拉锥过程中,锥区形状及光纤半径随拉锥速度的变化而变化,其关系式为v=011k(k=1,2,,,8为拉锥参数)。图46中给出了拉锥半径随拉锥速度变化的关系曲线。

[156,157][155]

的增加而缓慢减小。

光纤纤芯间距D=2Ro+d也会对空芯布喇格光纤耦合性能产生影响。随着D的增加,第一根光纤在位置D的辐射场将按照E~减弱,其耦合强度亦将按Im(B)/

Im(B)/D规律D规律衰减。

图44给出了半径Rc=10,15,20Lm时归一化耦合强度与超模辐射损耗随距离d的变化曲线。其中nc=1,nh=218,nl=115,nclad=nc。分析该图可总结出以下规律:

a、耦合强度随光纤间距增加呈周期性变化;b、最大的耦合强度正比于光纤纤芯的半径;

c、最大耦合强度出现位置与半波共振条件相符;

d、在光纤间距很小的012Lm当光纤间距达到毫米级以上时,2@2光纤布喇格耦合器耦合强度迅速衰减;当光纤间距很小、极小或接触时,大量高阶模及次阶模在光纤表面退化,导致光纤反射复杂化。为了解决这些问题,Skorobogatiy等人[153]于2005年设计了三根光纤分别位于等腰三角形三个顶点的3@3光纤布喇格耦合器。该耦合器由于多边形反射腔形成高质量的共振器,从而促进能量在弱接触光纤间的流动。于是,可通过增大光纤间距抑制表面态。

在1155Lm、310Lm和1016Lm波段,由于空芯布喇格光纤与光子带隙光纤一样具有较低的传输损耗,因此在持久、高功率传输中有着广泛的应用。光纤布喇格耦合器在陀螺仪、干涉仪、光纤激光器、功率分配器等光纤器件领域均具有潜在的应用价值。目前,对于这种光纤耦合器的耦合特性分析及器件设计方面的研究刚刚起步,国内外文献报道不多,其探索与研究空间广阔。

415 单芯光纤与多芯光纤耦合器

为使以多芯光纤为基础的光学器件与普通光纤系统之间有效连接,提高光源与多芯光纤之间的耦合效率,促进多芯光纤光栅在传感系统中的应用,探

不同的拉锥速度对光纤耦合效率会产生强烈的影响。不同的拉锥速度意味着施加在光纤上的应力不一样,导致光纤内部产生不同的应变,因而形成不同的几何形状。光纤耦合效率随光纤形状的不同而改变。他们采用光束传播法模拟了光功率从单芯光纤转换到多芯光纤的变化过程,如图47所示。其中,左图为光功率逐渐从单芯光纤转换到三芯光纤中一

第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

个纤芯的过程;右图为拉锥过程中光功率在每个纤

芯中的变化过程。模拟参数如下:三芯间的间距d=53Lm,三芯光纤纤芯直径R=317Lm;纤芯和包层的折射率分别为n1=114681、n2=114572,拉锥参数为k=4。由图可见,熔融拉锥区的光功率逐渐从单芯光纤的纤芯渗透到包层之中,并且随着多芯光纤纤芯直径的增加,逐渐耦合到多芯光纤的纤芯之中。

期光纤光栅耦合器。

一般而言,长周期光纤光栅耦合器中包含三个耦合过程[160]:一是长周期光纤光栅的作用使输入光纤中的导模与包层模发生耦合;二是两根平行光纤的包层模通过消逝场产生耦合;三是第二根光纤中的长周期光纤光栅使包层模和导模发生耦合。

(2)影响因素

影响长周期光纤光栅耦合器耦合效率一般有如下几个因素:

a、补偿距离s:为提高耦合效率,两根光纤光栅之间通常应有一定的补偿距离。补偿距离的引入增加了两光纤包层模消逝场的耦合长度,因此能够提高耦合效率。图48给出了具有一定补偿距离的长周期光纤光栅耦合器结构。

b、周围介质的折射率nex:一般而言,当外界环境折射率增加时,包层模向外扩展程度加大,这可以有效提高光纤消逝场间的耦合作用,因此能够提高耦合效率。如果外界环境折射率接近包层折射率时,

图47 光功率从单芯到多芯光纤的转变过程

则包层模变弱,光纤模场横向重叠减弱。于是,随着折射率的进一步增加,消逝场耦合系数减小,导致光纤耦合效率降低。

c、光纤间距d:由于缩小光纤间距可增加消逝场重叠程度,因此将两平行长周期光栅紧密靠近可以提高其耦合效率。

d、折射率调制深度$n:由于长周期光纤光栅耦合系数与折射率调制深度$n成正比,因此调制深度$n也会对耦合效率产生影响。

e、光纤包层厚度:采用研磨或氢氟酸腐蚀等方法可减小光纤包层厚度,从而加强消逝场耦合作用。但减小包层厚度,长周期光纤光栅谐振光谱会显著地向长波方向移动。

实验研究表明:长周期2@2光纤光栅耦合器最高耦合效率可达86%。通过优化耦合器的参数,理论上耦合效率可以达到100%。

[161]

多芯光纤在多芯光纤锁模激光器、多光束干涉仪、多芯光纤传感等光纤通信和光纤传感领域,均具有很好的应用前景。单纤光纤与多芯光纤耦合技术的出现,极大地方便了多芯光学系统与单芯光纤系统之间的有效连接。但是,单芯光纤与多芯光纤耦合技术的研究尚处于探索阶段,很多关键技术还不成熟,有待进一步的研究以降低耦合损耗,提高耦合效率。

416 长周期光纤光栅耦合器

长周期光纤光栅是指在光纤中写制周期为百微米量级的光栅,它能将特定谐振波长的光波从纤芯耦合到包层。一般情况下,耦合到包层的光均被损耗掉。假如利用另一根平行的长周期光纤光栅收集第一根光纤光栅耦合到包层的光,则可以研制长周期光纤光栅耦合器。41611 2@2长周期光纤光栅耦合器

(1)耦合原理

当两根平行的长周期光纤光栅并置一起时,输入光纤中写制的长周期光栅将输入光从纤芯耦合到包层,同时通过消逝场的耦合作用激发另外一根光纤中的包层模,并通过长周期光栅的作用将光耦合到纤芯中[158,159]。根据这种原理,可以制成2@2长周图48 具有一定补偿距离的平行长周期光纤光栅示意图

目前,长周期2@2光纤光栅耦合器主要用于相60

物理学进展第30卷

同两根光纤光栅之间的耦合,有关不同长周期光纤光栅耦合器的设计则比较少见。2007年,Chan等人[162]设计了一种非对称长周期光纤光栅耦合器。该耦合器由一对写在不对称非线性双芯中的长周期光纤光栅制成,通过很强的光学泵浦进行相位交叉调制,可以实现波长调谐。

(3)耦合特性

长周期光纤光栅耦合器最吸人的特性在于两根长周期光纤光栅的透射光相互补偿,其中一个展示出带阻特性,一个表现为带通特性。因此,长周期光纤耦合器可用于实现信号的上载和下载,亦可用于滤波。再有,长周期光纤光栅耦合器具有很宽的带宽,一般可到几十个纳米。例如,文献[161]通过改变补偿距离,实现了长周期光纤光栅带宽在17nm~34nm范围内的调谐。再如,文献[163]通过管式加热器对长周期光纤光栅耦合器进行热调谐,其谐振波长调谐范围可达50154nm。

2007年,Kim等人

[164]

d、长周期光纤光栅耦合器无需打磨、熔融拉锥

等过程,只需将光纤放在一起或进行轻微缠绕即可实现耦合,该制作过程简易、灵活;

e、长周期光纤光栅耦合器的带宽比较宽,可用于宽带滤波器的设计及研制。

由此可见,诸多优越特性使得长周期光纤光栅耦合器很适合用于制作分路器/合路器、滤波器等光纤通信器件,因此它迅速成为波分复用系统中的新贵。

41612 3@3长周期光纤光栅耦合器

基于相同的原理,将三根长周期光纤光栅放置在三角形三个顶点处,可制成3@3长周期光纤光栅耦合器。当补偿距离s=0时,可构成对称3@3长周期光纤光栅耦合器,即无论从那一根光纤输入光,耦合器都将获得均等的光功率输出。用三根长度为32mm、周期为+=320Lm长周期光纤光栅构成的3@3长周期光纤光栅耦合器,实验上已获得72%的耦合效率输出,其总损耗为114dB,每个端口损耗为~0146dB/port,功率分配不均匀性为1%。在无损耗条件下,光从输入光纤转移到另外两根光纤的最大值为8/9[166]。

周围介质的折射率和光纤光栅补偿距离,这两个因素会对长周期光纤光栅耦合器的耦合效率产生影响。因此,可通过改变周围介质的折射率和补偿距离的方式,实现对耦合器分光比的调谐。据报道,由三根长度为35mm、+=300Lm制成的3@3长周期光纤光栅耦合器,当补偿距离为s=50mm、周围介质折射率为n=1142时,其峰值功率可提高到85%。

利用3@3长周期光纤光栅耦合器可构成六端口光纤器件,在波分复用、信号处理、宽带滤波等光纤通信和光纤传感领域,有着巨大的潜在应用价值。

[167]

[165]

在经特殊设计的低折射

率掺锗单模光纤中写制出长度L=20mm、栅格周

期+=400Lm的长周期光纤光栅。为了实现消逝场的有效耦合,他们将上述两根光纤轻微缠绕在一起制成长周期光纤光栅耦合器。通过调节补偿距离,在补偿距离为s=80mm时获得了160nm的3dB带宽,其最小插入损耗为2dB,如图49所示。

图49 补偿距离为80mm时的光谱图

长周期光纤光栅耦合器的缺点是旁瓣较多,且耦合效率不够高。因此,如何减少旁瓣并提高其耦合效率,这是值得广大研究者深入探索的课题。417 光纤光栅耦合器

光纤光栅耦合器是光纤耦合器与光纤光栅的结合体,一般采用在光纤耦合器耦合区写入光栅的方法制作。光纤光栅耦合器可分为两大类:即抛磨型光纤光栅耦合器和熔锥型光纤光栅耦合器。41711 抛磨型光纤光栅耦合器

抛磨型光纤光栅耦合器一般是在抛磨型定向耦长周期光纤光栅耦合器具有如下诸多优越特性:

a、长周期光纤光栅耦合器中的光纤光栅将光耦合为前向传输的模式,故无后向散射;b、长周期光纤光栅耦合器在非谐振波长处没有损耗,故损耗比较低;

c、耦合过程首先经纤芯到包层,然后从包层到包层,最后由包层再到纤芯。因此,其通道隔离度较高;

第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

合器的耦合区,对其中的一根光纤纤芯或包层上刻

制Bragg反射式光栅形成的。

(1)包层型光纤光栅耦合器

1986年,M.S.Waien等人将Bragg光栅刻制在抛磨型光纤包层上,制成了抛磨式包层型光纤光栅耦合器。制作要点是:首先将两根光纤分别放到石英板制成的弧形凹槽中打磨到距离纤芯只有几微米;为使两根光纤光栅传播常数有一定差异,它们打磨的深度不一样。然后,在其中一根光纤裸露的包层表面沉积一层感光刻蚀剂,用全息干涉法刻蚀出光栅磨具,用离子蚀刻方法将光栅刻蚀到光纤中形成周期为+=0153Lm的Bragg光栅。最后,将两根打磨光纤用折射率匹配液拼和在一起,完成抛磨型光纤光栅耦合器的制作。

工作原理是:当入射光中心波长满足相位匹配条件KE=(n1+n2)+(其中n1、n2分别为两根光纤有效折射率)时,从耦合器其中一根光纤入射的光将被光纤布喇格光栅反射,并通过交叉耦合到另一根

D=2n1+的光光纤输入端口输出。期间,波长满足K将被直接反射回光纤输入端口。若两根光纤传播常

[168]

B时,入射光耦合到光纤2中传输;当入射波长接近K

因受Bragg光栅作用不能从光纤1耦合到光纤2中,

而是从另一个通道输出。

这种光纤光栅耦合器可用作窄带带通滤波器,实验中已获得1535nm的信号下载滤波器,其中T1端滤出光的带宽为017nm,最大峰值功率为70%,信号隔离度为13dB。

文献[170]首先将光纤光栅写入一根光纤纤芯上,然后将写有光纤光栅的光纤和另外一根光纤放到弧形凹槽上打磨,最后制成光纤光栅耦合器。基于这种光纤光栅耦合器的波分复用系统为非干涉型,对于通道长度和耦合长度没有特殊要求。

抛磨型光纤光栅耦合器制作方法简单,适合窄带滤波器的研制,在波分复用系统中有良好的应用前景。41712 熔锥型光纤光栅耦合器

抛磨型光纤光栅耦合器结构不很紧凑,性能不太稳定,器件制作成本较高。因此,光纤光栅耦合器多采用将光纤光栅写入熔锥区的方法制作熔锥型光纤光栅耦合器[171~174],其结构如图51所示。这种光纤光栅耦合器插入损耗较小,容易实现,成本较低。

数比较大,则两个反射波不会发生干涉,传播常数的差异减小了光纤间的前向耦合。

研究表明:以这种光纤光栅耦合器构成的窄带滤波器,在波长为115205Lm时的交叉耦合效率为25%,半波宽度为6!。

(2)纤芯型光纤光栅耦合器

1994年,J.L.Archambarlt等人[169]将Bragg光栅写入抛磨型2@2光纤耦合器之中,实现了最大耦合效率达97%的抛磨式包层型光纤光栅耦合器,如图50所示。其中,LC为耦合器有效耦合长度,LG为光栅长度,中心波长KB=1535nm。制作方法要点是:首先采用抛磨法制成光纤耦合器,然后将其中的光纤2纤芯上刻制Bragg反射式光栅,最后将该器件进行封装完成制作过程。

图51 熔锥型光纤光栅耦合器的基本结构

(1)工作原理

采用紫外光双光束全息的方法,将中心波长为KB的光栅写入熔锥光纤耦合器的熔锥区。当无光栅时,从端口1发射的光被耦合到4端口;在写入光栅后,波长为KB的光则被反射下载到端口2。当功率为P1的光输入到端口1时,端口2下载功率为P2,端口4输出功率为P4。于是,该耦合器的下载率为Gdrop=P2/P1,透射率为Gtrans=P4/P1。

(2)光谱特性

图52为熔锥型光纤光栅耦合器光谱图。由图可见,耦合区长度为Lc=9mm,光栅长度为Lg=6mm。当中心波长KB=1557nm时,光谱下载率为60%,光谱宽度为1nm;透射率为117%。即当入射光波长在光栅中心波长KB附近时,大部分光被光栅反射,并通过交叉耦合器耦合到另外一个输入端口。图50 抛磨式包层型光纤光栅耦合器示意图

工作原理是:当入射波长远离KB时,该滤波器与普通2@2定向耦合器一样,即将光纤1中的光波62

物理学进展第30卷

41811 熔锥型光子晶体光纤耦合器

采用熔融拉锥法制作光子晶体光纤耦合器,其关键技术是将一对光子晶体光纤用氢氧焰进行加热拉锥。文献[180]将一对具有四个或五个空气孔的光子晶体光纤用氢氧焰加热拉锥,制成了四孔和五孔光子晶体光纤耦合器。刚开始拉锥时,耦合比并无明显变化。定义产生1%耦合的长度为耦合起始长度。四孔和五孔光子晶体光纤耦合器的耦合起始长度分别为218mm、615mm。当拉锥超过起始长度后,耦合比开始缓慢变化,到达一定距离后开始迅速变化。实验中已制成耦合比分别为48/52、33/67的四孔和五孔光子晶体光纤耦合器。这种光子晶体光纤在拉锥过程中空气孔并不塌缩,光纤仍保持原有的形状。

图52 熔锥型光纤光栅耦合器光谱特性(a)下载率;

(b)直通率

耦合机制:类似于传统的熔锥型光纤耦合器。当光纤耦合器直径减小时,模场开始延伸到相邻光纤之中,耦合现象开始发生。采用这种方法制作的光子晶体光纤耦合器,其插入损耗高达20dB,高温条件下易导致空气孔变形。因此,如何减小插入损耗、寻求合适的耦合条件,是研制熔锥型光子晶体光纤耦合器迫切需要解决的关键问题。

41812 侧面打磨型光子晶体光纤耦合器

采用侧面打磨法制作光子晶体光纤耦合器,其方法要点是:首先将两根光子晶体光纤植入V型槽中进行打磨,然后将打磨后的两个半板拼合在一起,经细致调整可实现侧面打磨型光子晶体光纤耦合器。为了提高耦合效率,打磨过程中应尽量使空气孔表面平行于石英板表面。图53为侧面打磨光子晶体光纤半板示意图。

除了在2@2熔锥光纤耦合器中可写制光纤光栅之外,在多端口熔锥型光纤耦合器中亦可写制光纤光栅以形成多端口熔锥型光纤光栅耦合器。文献

[172]报道制作了3@3和4@4光纤光栅耦合器。

光纤光栅耦合器具有光学复用/解复用、波长选择等优异功能,可用于研制合路/分路复用器

[175~177]

、滤波器

[178]

、光开关

[179]

等光纤通讯器件,

在光纤通讯领域具有广阔的应用前景。418 光子晶体光纤耦合器(PCFC)

由于光子晶体光纤(PCF)具有无截止单模传输、大模场面积、高非线性、可控色散等优越的光学特性,基于光子晶体光纤的理论分析、实验研究以及器件研制等,已经成为当前光学领域最炙手可热的研究课题。利用光子晶体光纤,人们已经制成了许多传统光纤难以实现的光学器件。例如高功率激光器、超连续光源、气体传感器、波长转换器、新型光开关等。近期,有关光子晶体光纤耦合器件的研究,引起了广大科研工作者的兴趣,并取得了一些阶段性成果。

作者经广泛调研和深入分析,从结构设计的角度将光子晶体光纤耦合器分为三大类:即熔锥型光子晶体光纤耦合器、侧面打磨型光子晶体光纤耦合器、双芯或多芯光子晶体光纤耦合器。下面进行具体阐述。图53 侧面打磨光子晶体光纤半板示意图

改变耦合器两个半板之间的匹配角,可以调谐耦合器的耦合比。图54为调整匹配角实现调谐耦合

器耦合比的示意图。其中,下半板固定,上半板用一个高精度千分尺推动,通过横向位移改变匹配角。当第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

千分尺松开时,上半板用一个弹簧控制原位恢复。

图54 调整匹配角实现调谐耦合器耦合比示意图

耦合特性:这种耦合器的耦合特性一般采用有

效折射率法[181]进行分析,其要点是将光子晶体光纤等效为标准阶跃型光纤模型,即将实际纤芯折射率和空间填充折射率分别等效为标准阶跃型光纤模型的纤芯折射率nco和包层折射率ncl。于是,两个输出端耦合功率可表示为P1=cos(Jz),P2=sin(Jz)。其中,耦合系数

[36]

KU2Pncoa2V22

图55 不同波段光子晶体光纤耦合特性:(a)耦合系数与

d0的关系;(b)归一化功率与的h0关系

K0[W(d/a)],a为等效纤芯半径,K0,K1分别为02K1[W]

阶模和1阶模的第二类贝塞尔函数,U、W分别为纤芯和包层中模场的归一化横向传播常数,分别满足U=(kn-B)a,W=(B-kn)a(k0=2P/K,B为纵向传播常数),归一化频率V满足:V=W+U,纤芯间距离d=

2co

2cl

平行于空气孔方向进行打磨,成功实现了耦合比在0~100%内的全调谐,其插入损耗为2dB。

2007年,Ren等人[184]率先采用侧面打磨法制成首个全固光子带隙光纤耦合器。通过纵向调整两板的相对位置,在1550nm波段实现了9215%的耦合比输出。

侧面打磨型光子晶体光纤耦合器具有耦合比宽范围连续可调、插入损耗较小等优点,在光纤通信和光纤传感领域具有诱人的应用前景。41813 双芯光子晶体光纤耦合器

2000年,Mangan等人[185]首次从实验上证明,双芯光子晶体光纤的双芯之间存在功率转换。从此以后,针对双芯光子晶体光纤耦合特性的研究如雨后春笋一般蓬勃发展。经调研与分析,作者将目前双芯光子晶体光纤耦合器总结为三种类型:即折射率引导型、双芯光子带隙型、混合型双芯型、掺杂型双芯光子晶体光纤耦合器。

双芯光子晶体光纤耦合器耦合特性可用耦合长

度衡量,耦合长度被定义为Li=P/|Bieven-Bodd|=

d0+zQ22

1/2

为互作用长度,d0=2(a+h0)为纤芯间最小间距,h0为纤芯边界与打磨表面间距),Q为耦合器半板曲率半径,y为横向偏移量。

作者对两个不同波段光子晶体光纤耦合特性进行了研究,模拟曲线如图55所示。相关参数分别为Q=25cm、nco=1145。从图55(a)中发现,对给定波长,耦合系数随d0增大而减小;对同一d0值,耦合系数随波长变大而增大。由图55(b)可见,光纤耦合功率转换的敏感性随h0的减小而增加。

2003年,Kim等人首次制成侧面打磨型光子晶体光纤耦合器。该耦合器插入损耗为3~6dB,耦合比可在0~90%范围内调谐。由于光子晶体光纤具有无截止单模传输特性,其光谱在很宽的范围内是近乎平坦的。

2007年,Jang等人[183]改进了打磨条件,即沿着[182]

P/(k|nieven-niodd|)。其中,i=x,y代表偏振态,Beven与Bodd、neven与nodd分别为偶数与奇数模的传播常数64

物理学进展第30卷

和有效折射率,k=2P/K为自由空间的波矢。全矢量光束传播法[186,187]、全矢量有限元法[188,189]和全矢量平面波展开法[190]是分析双芯光子晶体光纤中光的传输特性的三种基本方法。

(1)折射率引导型双芯光子晶体光纤耦合器

折射率引导型双芯光子晶体光纤耦合器是在折射率引导型光子晶体光纤中引入两个相邻的缺陷形成双芯构成的,其结构如图56所示。其中,孔间距为+,占空比为d/+,+和d/+越小,耦合长度越小。

[187,189,191]

减弱。于是,通过调整纤芯附近空气孔的大小,可以削弱偏振依赖性或者增强偏振依赖性。

(2)双芯光子带隙光纤耦合器

双芯光子带隙光纤耦合器又可分为两种:即双芯全固光子带隙光纤耦合器和空气传导双芯光子带隙光纤耦合器。

a、双芯全固光子带隙光纤耦合器

这是全固光子带隙光纤中忽略两个高折射率棒形成的结构[193,194],其结构如图57所示,其中深色代表高折射率棒。

图57 全固双芯光子晶体光纤耦合器的横截面

图56 双芯光子晶体光纤耦合器横截面示意图

2005年,L·gsgaard[193]率先设计出双芯全固光

一般而言,偏振态都会对双芯光子晶体光纤耦合长度产生影响;x偏振模耦合长度要比y偏振模耦合长度小。中心波长K也是影响耦合长度的一个

重要因素;中心波长越小,其耦合长度越大。因此,若中心波长K1耦合长度LK1与中心波长K2耦合长度LK2满足关系LK1BLK2=evenBodd或LK1BLK2=oddBeven时,双芯光子晶体光纤耦合器可将两个波长K1、K2分别耦合到直通态和交叉态。于是,双芯光子晶体光纤可用于制作新型光纤复用和解复用器件,而这种光纤耦合器的耦合长度只有几个毫米,远远小于传统光纤耦合器的耦合长度。

双芯光子晶体光纤纤芯折射率对耦合器带宽影响很大[192]。通过对纤芯掺杂降低其折射率差并选择合适的半径,可在很宽的波长范围内获得宽带耦合输出。

光的偏振依赖性主要因两个正交场分量由不同纤芯与包层边界条件支配所形成。在双芯光子晶体光纤中,导模主要通过连接两个纤芯的硅桥将光从一个纤芯耦合到另外一个纤芯。因此,双芯光子晶体光纤系统的偏振依赖性源于连接两个纤芯的硅桥和双折射纤芯的共同作用[173]。当纤芯长轴方向正交于纤芯中心连线时,其偏振依赖性加强;反之,当纤芯长轴方向平行于纤芯中心连线时,则偏振依赖性图58 两类光子晶体光纤主要超模强度的分布:(a)折射率

引导型结构(d/+=0.4);(b)光子带隙型结构(高折射率棒n=1.6)

子带隙光纤耦合器。通过模拟发现,全固光子晶体带隙光纤的纤芯若能充分分离,则其耦合长度随归一

化频率变化的关系曲线会出现一个最大值。而折射率引导型光纤的耦合长度却随归一化频率单调增长。

双芯全固光子带隙光纤耦合器与折射率引导型光子晶体光纤耦合器的主要差别,是前者有一部分局部的高折射率包层态,一部分功率会出现在高折射率棒中。由于包层态引起纤芯之间的非共振耦合,前者比后者的耦合长度要短。图58给出了两类光子晶体光纤主要超模强度的分布。由图可见,双芯全固光子带隙光纤耦合器中的部分模式位于纤芯周围的高折射率棒中。因此,增大包层高折射率区尺寸,可以减小其耦合长度。

第1期

[194]

林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

2007年,Wang等人从实验上实现了第一个

双芯全固光子带隙光纤耦合器,并进一步证实双芯全固光子带隙光纤耦合长度存在极值(极大值或极小值),并且纤芯间有可能出现完全退耦现象;超模

的次序可能会出现反转,使得奇数模传播常数超过偶数模传播常数(nodd>neven)。图59是他们实验测得的双芯全固光子带隙光纤耦合器第二、第三带隙的传输谱,以及第二带隙中的归一化强度分布。

图59 双芯全固光子带隙光纤耦合器传输谱与归一化强度分布(光纤长度185mm),(a)Dc=2+第二、第三带隙传输谱;(b)

第二带隙中归一化强度分布

2007年,Wang[195]等人通过减小双芯间高折射率棒尺寸,在双芯全固光子带隙光纤双芯间引入几

个缺陷棒,设计出新型双芯全固光子带隙光纤耦合器。由于消除了纤芯超模和缺陷模间的交叉可产生共振效应,这使得耦合长度大大减小。图60给出了引入和未引入缺陷棒的双芯光子带隙光纤耦合长度随归一化频率的变化曲线。从图中可以发现,引入缺陷棒后的双芯光子带隙光纤耦合器的耦合长度明显缩短。

双芯全固光子带隙光纤耦合器因其结构灵活和性能优越,使其在光纤通讯和光纤传感领域具有很好的应用前景。而且,由于其耦合长度比传统耦合器更短,因此在集成全光纤器件领域具有得天独厚的优势。

b、空气传导双芯光子带隙光纤耦合器

这是在空气传导光子带隙光纤中引入两个大空气孔形成的。空气传导双芯光子带隙光纤耦合器的传输特性可以采用全矢量平面波展开法和全矢量有限元法来进行分析。

2005年,Wang等人设计出空气传导双芯光子带隙光纤耦合器,并发现该耦合器存在退耦现象。退耦现象是由于表面模对偶模的影响强于奇模而产生的。在退耦波长附近,在存在退耦点偏振方向上的耦合长度变化非常快,并且远远高于另一个偏振方向的耦合强度。

基于这些优越特性,空气传导双芯光子带隙光纤耦合器可用于研制更短小的复用/解复用、偏振分离器等全光纤器件。[196]

(3)混合型双芯光子晶体光纤耦合器

混合型双芯光子晶体光纤耦合器是利用高折射率材料对光子晶体光纤空气孔进行选择性填充形成的结构[197],其结构如图61所示。方法是在光子晶体光纤中移除两个空气孔形成双芯,其中一个纤芯周围一圈的空气孔用高折射率棒所取代。

图60 引入和未引入缺陷棒的光子带隙光纤耦合长

度随随归一化频率的变化曲线:Dc=4+

由图可见,该耦合器的左纤芯折射率高于包层有效折射率,因此光在左纤芯中按全内反射机制传导;右纤芯包层折射率要高于纤芯折射率,因此光在右纤芯中按光子带隙机制传导。于是,混合型双芯光子晶体光纤耦合器同时具有全内反射效应和光子带隙机制。

在一般情况下,因两个纤芯不匹配导致其传播常数不相等,故光在每个纤芯中独立传播,双纤之间无能量交换。然而,通过选择高折射率棒使得在某一波长K0下,两个纤芯的传播常数相等,即B1(K0)=

物理学进展第30卷

长度、光谱平坦特性产生影响。图63给出了在不同掺杂结构下圆形、椭圆形中x、y偏振光归一化耦合长度随归一化频率的变化曲线。由图分析得到如下结论:

图61 混合双芯光子晶体光纤耦合器横截面

β2(K0),则两个纤芯之间就能够在很小的波长范围内发生耦合。当晶格常数+=3135Lm、空气孔直径

d=11785Lm,高折射率棒和纯硅的折射率分别为nh=117、np=11444时,在交叉耦合点K0=1153Lm和K0=3121Lm的耦合长度为450Lm和159Lm。与传统耦合器耦合长度相比(长约几百毫米),光子晶体光纤耦合器的耦合长度显著缩短。

由于对混合型双芯光子晶体光纤耦合器的滤波波长可以精确控制,因此可用于实现带阻或带通滤波。

(4)掺杂型双芯光子晶体光纤耦合器

2006年,Varshney等人

[198]

图63 归一化耦合长度随归一化频率变化曲线

a、减小x方向空气孔尺寸,可以减小耦合器的耦合长度;

b、椭圆纤芯掺氟使耦合长度减小;因几何结构具有高双折射性,故器件对偏振不敏感;

c、椭圆空气孔和椭圆纤芯掺氟结构既可以极大地减小耦合长度,又能提高其带宽。41814 多芯光子晶体光纤耦合器

(1)超宽带同心光子晶体光纤耦合器

2008年,G󰀄rÉme等人[199]设计出一种超宽带同心光子晶体光纤耦合器,其电子扫描结构如图64所示。该耦合器具有两个同心不同芯径的纤芯,中间的纤芯周围有一层六角形空气孔,空气孔直径d1=3Lm;环芯周围有两层空气孔,空气孔直径d2=2Lm,晶格常数+=5Lm;满足相位匹配条件时(即两纤芯传播常数相等),中心波长K0=1155Lm。

设计出一种纤芯掺

氟的椭圆孔双芯光子晶体光纤耦合器,其结构如图

62所示。其中,晶格常数为+,椭圆空气孔椭圆度e=ry/rx,红色区域(黑点)代表掺氟纤芯ed=rdy/rdx,2ry、2rx分别代表椭圆空气孔长轴和短轴,2r、2r分别代表掺杂纤芯长轴和短轴。这种光纤耦合器在宽达900nm(700nm~1600nm)波长范

围内表现出光谱平坦特性,在900nm~1600nm范围内的耦合效率为50?1%。并且,通过适当的优化参数,它还表现出具有偏振不敏感的特性。

图62 掺氟双芯光子晶体光纤耦合器三维示意图

图64 同心光子晶体光纤耦合器电子扫描示意图

研究表明:空气孔、纤芯椭圆度、纤芯掺杂、晶格常数均会对掺杂型双芯光子晶体光纤耦合器的耦合根据耦合模理论,从中心到环芯的能量转换满第1期

林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

1-足关系式F=1/[1+($B/2K0)]。其中$B=B

B2,K0=B)-BII,B1、B2为每个纤芯单独存在时主

要模式的传播常数,B)、BII对应于复合结构超模中两个主要模式的传播常数。

图65给出了有/无超宽带同心光子晶体光纤耦合器时的光谱对比图。由图可见,该耦合器的能量随波长呈周期性变化,能量转换最高可达92%,产生耦合的中心带宽超过700nm(1100nm~1800nm)。这种光纤耦合器展示出不同寻常的色散行为,通过优化结构可用于各种非线性装置的研制及应用。

图65 有/无同心光纤耦合器时的光谱对比图.插图:耦

合器输出端的近场图样

(2)液晶渗透型可调谐光子晶体光纤耦合器2008年,Saitoh等人[200]制成液晶渗透型可调谐光子晶体光纤耦合器,其结构如图66所示。其中,空气孔中心均位于规则三角晶格上,晶格常数为+,孔直径为d。该耦合器有两个纤芯A和C,中间被一个共振纤芯B分开。纤芯A和C是通过分别移除一个空气孔形成的。纤芯周围六个空气孔直径dc>d,中间空气孔直径为+,用高度热响应的液晶渗透。

通过对光子晶体光纤参数的适当设计,使超模有效折射率满足条件nneff,A-nneff,C=nneff,C-nneff,B。当传播距离等于耦合长度LC=KR/2(nneff,A-nneff,C)时,纤芯A中的光功率可完全转换到纤芯C中。

图67给出了不同温度下纤芯C输出的光功率随中心波长的变化曲线。由图可见,光子晶体光纤具有很宽的温度调谐性。当温度从30e变化到50e时,其透射峰从K=92916nm变化到K=97917nm,调谐灵敏度为215nm/e。

由于这种液晶渗透型光子晶体光纤耦合器具有很好的波长选择性和极高的温度敏感性,因此可用419 混合型光纤耦合器

41911 单模与空芯光纤形成定向耦合器 2002年,Shin等人将一根单模光纤(SMF)

与一根空芯光纤(HOF)经火焰加热熔融拉锥之后,制成具有波长和模式选择性的定向耦合器(WMSDC)。这种混合型光纤耦合器的结构如图68所示。其中,空芯光纤耦合臂可与多模光纤连接用于以太网系统,单模光纤耦合臂可直接连接到波分复用网络系统。空芯光纤为特殊设计的具有环状纤芯的光纤,中心空气孔直径为6Lm,环芯宽度为313Lm。为了与单模光纤相匹配,空芯光纤纤芯与包层相对折射率差约为0135%。

(1)耦合原理

在加热熔融拉锥过程中,空芯光纤空气孔塌缩,[201]

于研制波长选择性滤波器、温度传感器,在未来小型化光子晶体传感系统中有着潜在的应用前景。

物理学进展第30卷

图68 具有波长和模式选择性的定向耦合器

图69 不同拉锥长度下SMF和HNPCF间功率转换曲线

在耦合区形成一部分固体纤芯。因此,耦合原理类似于普通熔锥单模光纤耦合器中的耦合。耦合功率转换特性由单模光纤和空芯光纤的固体纤芯形成的熔锥区所决定。

(2)耦合特性

通过优化并控制熔融拉锥,这种混合型光纤耦合器能够将从单模光纤输入的波长113Lm附近的信号光,经绝热模式转换从单模光纤的纤芯基模LP01转换为空芯光纤的环形模,而115Lm附近的信号光则不被耦合转换,仍然在单模光纤中按纤芯基模LP01传输。

混合型光纤耦合器具有插入损耗低、通道隔离度高、模式转换效率高等优点,在全光纤系统中具有广阔的应用前景。

41912 单模与高非线性光子晶体光纤形成定向耦合2009年,Liu等人首次将单模光纤与高非线性光子晶体光纤(HNPCF)经熔融拉锥后制成定向耦合器。制作要点如下:首先将单模光纤进行预拉锥,使单模光纤与高非线性光子晶体光纤的传播常数相匹配;然后,将两根光纤缠绕预热,再进行熔融拉锥并完成制作过程。在拉锥过程中,通过调控氢气流严格控制加热温度,尽量避免空气孔塌缩,同时使单模光纤熔融。

图69为熔融拉锥过程中单模光纤与高非线性光子晶体光纤间功率转换曲线。由图可见,当拉锥长度为13mm时,其耦合比可达90%。随着拉锥长度的增加,耦合系数增大,耦合周期变小。需指出是,拉锥长度的增加会导致空气孔逐渐塌缩,最大耦合比因此会出现波动。

与直接焊接技术相比,这种定向耦合器回避了菲涅尔背向反射、模场直径不匹配、纤芯未对准、空气孔塌缩、泡沫产生等因素引起的高损耗。然而,实验过程中很难精确控制加热温度。另外,为使两种不式中L为耦合器的长度,m=[P1(0)/Pc]2,cn(PL/Lc|m)为Jacobi椭圆函数。Pc为临界输入功率,临界输入功率是指当输入光功率高于该功率时,图70 非线性耦合器结构示意图

[202]

同光纤的传播常数相匹配,采用不同光子晶体光纤

需对单模光纤进行不同程度的预拉锥。4110 非线性光纤耦合器

非线性光纤耦合器是指由折射率依赖于入射光强度的非线性材料构成的光纤耦合器。在这种耦合器中,当入射光的强度很强时,会激发光纤的非线性特性,光纤的折射率会随着光强度的变化发生改变,从而能使光信号从耦合器的一个信道中被开关到另一信道进行传输。

(1)非线性光纤耦合器的原理

非线性光纤耦合器可分为双芯/多芯非线性光纤耦合器,非线性熔锥型光纤耦合器和非线性光子晶体光纤耦合器。

a.双芯/多芯非线性光纤耦合器

1982,Jensen率先提出了非线性耦合器的思想[203]。对于两个由非线性介质波导组成的非线性耦合器,其结构如图70所示,假定光从波导1中输入,那么当波导1中的输入光功率为P1(0)时,波导1的输出端的光功率可以表示为:

P1(L)=P1(0)[1+cn(PL/Lc|m)]/2

第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

大部分的光功率都会被继续限制在输入光纤中进行

传输,Pc=AK/n2Lc(A为有效模场面积,n2为非线性折射率,Lc为耦合长度)。

对于双芯非线性光纤耦合器,当入射光很弱时,仅充当线性定向耦合器。由于消逝场的作用,当发生耦合作用的长度z等于耦合长度Lc时,从一个纤芯入射的光将被完全转换到另外一个纤芯中;强光入射会使耦合器的折射率发生改变,当入射光的功率高于临界功率时,耦合到另一跟波导中的光功率越来越少,光功率大部分被局限在输入波导中进行传播,耦合是内向的。

b.非线性熔锥型光纤耦合器

1993年,W.Samir等人提出了非线性熔锥型光纤耦合器的思想[204]。他们的设计思想是:在常规单模光纤的包层外面增加一层由高非线性材料制成的外包层形成特种光纤,再将两根特种光纤进行熔融拉锥可以形成非线性熔锥型光纤耦合器。

图71为特种光纤的结构示意图,未拉锥时,这种特种光纤的纤芯中传导的光不会受到外包层的影响,其传输特性跟普通单模光纤一样。但是当对两根这样的特种光纤进行熔融拉锥时,线性区域逐渐变小(参见图72)。这样,原来在线性区域传导的光将逐渐延伸到非线性区域,就会产生非线性相移和模式耦合。

器的耦合区的模式将是基模(对称模)和二阶模(反对称模)的组合,当这些模式沿着耦合器传输的时候会发生振荡,模式之间会产生非线性的相位差。这种非线性熔锥型光纤耦合器的行为类似于消逝场非线性方向耦合器。同时,也表现出一些独特的性质:当泵浦光或者信号光从光纤耦合器的输入端输入时,会产生高灵敏度的开关效应,开关效应依赖于相位差和耦合器的几何形状。另外,因为一般的非线性光学器件其非线性效应依赖于CNLPL的乘积,其中CNL为材料的非线性系数,P为入射光功率,L为耦合器的长度,所以通过选择合适的非线性材料,我们可以在更低的功率和更短的波长下获得非线性效应。

2005年,Fengliu等人[205]采用波长为1550nm,脉宽为100fs,重复频率为1kHz的飞秒激光脉冲作为光源对非线性光纤耦合器的开关特性进行了实验研究,测出了非线性开关的临界功率。

c.非线性光子晶体光纤耦合器

近年来非线性光子晶体光纤耦合器的研究也引起了广大科研工作者的广泛关注。2005年,J.R.Salgueiro和Y.S.Kivshar[206]在非线性材料构成的光子晶体光纤中移除两个相邻的空气孔设计出了非线性双芯光子晶体光纤耦合器。其结构如图73所示,黑色圆圈代表空气孔,白色衬底为非线性材料。数值模拟表明双芯非线性光子晶体光纤中存在稳定的对称模,非对称模和非对称的非线性模,并且这种非线性耦合器像其它非线性耦合器一样随着功率的升高展现出优异的开关效应。

图73 非线性双芯光子晶体光纤耦合器示意图

翌年,A.Betlej等人[207]率先从实验上研究了光子晶体定向耦合器中的开关效应。图74为他们实验中所采用的双芯光纤的横截面示意图,双芯PCF

当入射功率很低时,材料的非线性几乎不起作用,但是随着入射功率的增加光纤耦合器开始展现

出非线性,如果只考虑两个最低阶模式,非线性耦合的参数为:空气孔直径d=1Lm,孔间距+=215Lm,纤芯间距C=4+,耦合长度LC在1mm~1cm之间。脉宽为120fs,重复频率为1kHz,波长在70

物理学进展第30卷

1550nm附近可调的光源可以产生光强达到几个TW/cm2的脉冲输入信号。

图75为在平行偏振和垂直偏振两个偏振态下,1550nm波长附近光纤耦合器交叉臂的输出光强随输入光强变化的实验测量结果以及相应的模拟曲线。从开关曲线中可以看出当输入光强达到015TW/cm2左右出现比较明显的开关效应。但是实际的实验结果和理论模拟之间具有很大的差异。造成这些差异的原因主要有以下几个方面:(1)光纤中1550nm波长附近的功率随着距离的增大逐渐较小,实验中需要更大的输入功率才能获得理论开关曲线中的峰值功率;(2)耦合效率定义为交叉臂的输出功率和总的输出功率的比值,实验中功率会发生损耗,所以实验中所测的耦合效率要高于理论值;

图74 双芯PCF的横截面示意图

(3)当输入光强达到015TW/cm2以上,随着光功率的增加越来越多的功率被转变到其他波长,所以输入功率的进一步增加并基本上不改变1550nm波长下的开关响应曲线。

图75 双芯PCF的横截面示意图

非线性双芯光子晶体光纤耦合器随着输入光强的逐渐增强,会引发自相位调制、拉曼散射、波混频等多重非线性效应,从而产生多频现象

(2)非线性光纤耦合器的应用

[208]

双芯光纤非线性耦合器的超快光开关。1988年,Friberg等人

[210]

在上述研究的基础上,设计出由5

。

mm熔凝石英双芯光纤制成的非线性耦合器。其中,两个掺锗纤芯直径为218Lm,纤芯间距为814Lm,纤芯包层折射率差$=01003;当波长大于500nm时,两个纤芯均为单模传输。将脉冲宽度为100fs、重复频率为816kHz的脉冲激光放大后入射到耦合器的一个纤芯,在入射脉冲功率很高的条件下,即可实现开关作用。实验表明:这种光开关的开关时间<100fs。通过延长器件的长度和提高材料的非线性,可以降低开关所需的功率。双芯光纤的偶模和奇模间的不匹配会导致模间色散[211],模间色散会引起脉冲失真或脉冲衰减,进而影响开关效率。对此,通过限制线性增益带宽的方式,可以抑制模间色散[212]

非线性光纤耦合器由于非线性材料的折射率随着入射光强度的变化会发生改变,因此展现出优越的开关特性,在光开关领域具有广泛的应用。非线性

光纤耦合器构成的光开关按输入脉冲的不同可以分两种:连续波光开关(CWOS)和孤子光开关(SOS)。

a.连续波光开关(CWOS)

连续波光开关是指当入射的光信号为普通光脉冲时所形成的光开关,这种光开关的工作区域位于正常色散区。

1987年,Friberg等人[209]利用熔凝石英双芯光纤耦合器对光学脉冲进行转换,设计并研制出基于。第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

b.孤子光开关(SOS)

连续波光开关由于受到非线性光纤耦合器中群速色散和自相位调制的影响限制了开关的速度;另外,连续波光开关中耦合器的耦合周期随功率变化比较快,会产生脉冲截断现象,这也极大的限制了有效的开关功率。为了提高开关速度和开关效率,孤子光开关应运而生了。孤子光开关是指当入射的光信号为孤子脉冲时所形成的光开关,孤子光开关的工作区域包括正常色散区和反常色散区。

在孤子光开关中,输入脉冲在开关过程中形状基本保持不变。对于双芯非线性光纤来讲,也就是说当一个纤芯中的脉冲能量减弱时,脉冲幅度变小,脉宽加宽,另外一个纤芯中的脉冲幅度变大,脉宽变窄,展现出强度依赖的开关特性。

孤子光开光的优点是在开关过程中形状基本保持不变,开关速率可以达到fs量级,脉冲截断可以得到有效避免,并且输入峰值功率微小的改变即可在输出端获得有效的开关效果。

1988年,S.Trillo等人采用数值分析的方法分析了非线性双芯光纤耦合器中孤子脉冲的开关特性。后来,关于多芯光纤耦合器中的受功率约束的光开关特性也逐渐被提上了科学研究的日程,研究

[213]

表明n波导非线性方向耦合器(n>2)比双波导非

线性耦合器具有更多的出射态、更锐利的开关特性、对入射态的敏感性也更强[214~216]。4111 宽带单模微光纤耦合器

宽带单模微光纤耦合器是一种双锥形的光纤耦合器,通过对锥形过渡区进行特殊设计能够有效的抑制输入光纤中的高阶模,在很宽的波长范围内实现单模传输,并能将基模均匀的分配到两个输出端进行输出。

(1)耦合器设计

2009年,南安普顿大学的Y.Jung等人[217]设计出一种束腰直径为115Lm,在很宽的光谱范围内(400~1700nm)都能实现3dB分光的微光纤耦合器。

图76为这种能够滤除高阶模的微光纤耦合器的示意图。这种耦合器包含两个双锥形的过渡区和一个均匀的束腰区。这种耦合器和普通熔锥型耦合器的最大区别就是束腰直径特别小,束腰直径只有115Lm左右。均匀束腰区和双锥区的长度分别为6mm、25mm。

图76 微光纤耦合器示意图

一般来说,标准单模光纤的实际工作带宽被限

制在一个在第三通信窗口(500nm)附近,但是通过控制锥形过渡区的形状和均匀束腰区的直径可以有效实现对高阶模的抑制。其工作带宽可以宽达400~1700nm,并且能够在光纤耦合器的两个输出端能够获得波长平坦的分光输出。

(2)光谱特性

图77为束腰直径为115Lm、分光比为50B50的微光纤耦合器的两个输出端的光谱响应情况。从图中可以看出输出端在很宽的波长范围(400~1700nm)内,都具有平坦的光谱响应。

图78为两个输出端的耦合功率随拉伸长度的变化曲线。实验中所采用的光源为波长为1155Lm的单波长Fabry-Perot激光器。从图中可以看出当拉锥长度非常小时两光纤之间并没有耦合现象发生,但是当拉锥长度达到10mm左右,低阶模的耦合开始出现,随着进一步拉伸,光谱振荡和幅度调制现象出现,当拉锥长度达到55mm左右的时候,可以实现50B50的分光。

这种微光纤耦合器能够在很宽的波长范围内实72

物理学进展第30卷

传统长周期光纤光栅,而对周期达到毫米量级的超长周期光纤光栅的研究则很少报道。由于超长周期光纤光栅的周期远远大于普通长周期光纤光栅的周期,因此超长周期光纤光栅的谱线形状呈现出与普通长周期光纤光栅不同的特性。

2002年,X.W.Shu等人[218]首次报道了采用紫外光写制的超长周期光纤光栅,指出超长周期光纤光栅各谐振峰是由纤芯基模与各阶次包层模前向耦合所形成。2005年,饶云江等人[219]采用高频CO2激光脉冲法写制出周期+=3mm的超长周期光纤光栅,这种写制方法比紫外曝光法具有耦合效率更高、插入损耗更低和器件成本更佳的优势。2009年,颜爱东、张伟刚等人[220]基于长周期光纤光栅模式耦合理论,数值模拟了单模光纤中写制的超长周期光纤光栅传输谱特性,其光谱谐振峰波长与已报道的实验结果相符,为超长周期光纤光栅的设计与写制提供了理论基础和有效分析方法。511 超长周期光纤光栅的写制

最近,作者利用高频CO2激光在1550nm单模光纤上成功写制出插入损耗较低的超长周期光纤光栅,实验装置如图79所示。

现单模传输,因此在高性能光纤激光器、光纤传感器、光学一致成像系统等领域具有光明的应用前景。

图79 高频CO2激光脉冲法写制ULPFG实验装置示意图

5 超长周期光纤光栅耦合器的设计

与实验

超长周期光纤光栅(ULPFG:Ultralongperiodfibergrating)是指光栅周期达到毫米量级的光纤光栅,这是一种新型的光纤带阻器件。超长周期光纤光栅是一种损耗型的光纤光栅,它将光功率从光纤纤芯中前向传输导模耦合到前向传输包层模,在传输一段距离后发生大幅度衰减,使光纤纤芯的传输谱中产生一个或多个损耗峰。目前,对长周期光纤光栅的研究主要集中在周期为几十到几百微米的(1)写制准备

把普通单模光纤在水平直线状态下置于CO2

激光器聚焦透镜焦点上,调整光路使光纤轴线与CO2激光焦斑重合。为提高写制效率,预先将光纤拟

写制的部分涂覆层剥去。考虑到高频CO2激光加热过程会使光纤发生物理延长,作者将光纤一端固定,另一端悬挂砝码,保证光纤在写制期间保持恒定轴向应力且始终处于水平直线状态。

(2)写制实验

实验用光源为自制的超连续宽带光源(SBBS),光谱仪(AQ6317B)用于实时监测输出端ULPFG透射谱变化。CO2激光器和二维扫描振镜均由计算机第1期林锦海等:光纤耦合器的理论、设计及进展

控制,CO2激光脉冲频率和能量通过调节激光脉冲

各项参数(有效矢量步长、有效矢量步间延时、空矢量步长、空矢量步间延时、Q频率和Q释放时间等)进行控制。实验中CO2激光脉冲频率设为5KHz,功率约015W,聚焦后的CO2焦斑半径约50Lm。

图80给出了在1550nm单模光纤中写制的两根超长周期光纤光栅的透射谱,光栅周期+=2400Lm,光栅长度L=4156cm,最深谐振峰对应的谐振波长分别为159819nm和159910nm,光栅的相对强度分别为24dB和23dB。

图80 两根超长周期光纤光栅透射谱(a)超长周期光纤光栅1;(b)超长周期光纤光栅2

光栅写制过程中CO2激光脉冲的能量很低,悬挂砝码的目的在于给光纤施加一定的应力,而ULPFG则是由应力释放而形成的。光纤在拉制过程中,因纤芯比包层冷却得快,以致在纤芯中产生残余应力。而这些残余应力经弹光效应或热光效应的释放,可使纤芯的折射率变小。在上述实验中,CO2激光脉冲加热光纤产生的局部高温,使得被加热处的残余应力得以释放,导致纤芯折射率增加,从而形成超长周期光纤光栅。作者用显微镜对已写制的ULPFG进行仔细观察,尚未发现其物理损伤。512 超长周期光纤光栅耦合器设计与实验

在上述ULPFG写制实验的基础上,作者首次设计如图81所示的超长周期光纤光栅耦合器并进行了耦合实验。该耦合实验装置主要由超宽带光源(SBBS)、两平行超长周期光纤光栅(ULPFG1、ULPFG2)、折射率匹配材料(IMSM)、光谱分析仪(OSA)四部分构成。

SBBS发出的光输入到光纤1中,经ULPFG1的作用将谐振波长附近的纤芯导模耦合到包层中,通过消逝场的耦合作用激发光纤2中的包层模,并通过ULPFG2的作用将一部分光耦合到光纤2的纤芯中。实验采用OSA实时监测耦合端的光谱变化,在耦合区引入适当的折射率匹配材料,并将超长周期光纤光栅完全浸没在折射率匹配液中以提高其耦合

图81 两平行超长周期光纤光栅构成的耦合器实验装置示

意图

效率。

图82给出了超长周期光纤光栅(ULPFG)耦合端在光纤1中有光与无光输入时,用光谱仪测量光纤2获得的光谱图。从图中可以清楚看到,当光纤1中有光输入时,在谐振波长附近探测到了明显的耦合光,这充分说明在两个超长周期光纤光栅之间实现了有效耦合。

实验分析表明:超长周期光纤光栅耦合器的耦合效率不仅与光纤排列方位密切相关,而且与光栅的写制方式(如非对称写制与对称写制、曝光量等)有关,更与耦合器结构设计有关。因此,提高光栅写制质量、设计灵敏机构、改进耦合条件、提高耦合效率是我们下一步重点解决的问题,相关研究工作正

在进行之中。

物理学进展第30卷

图82 ULPFG耦合端光谱图:(a)光纤1中没有输入光;(b)光纤1中有输入光

b、研制光子晶体光纤耦合器:利用光子晶体光

6 新型光纤耦合器总结与展望

本文首先对光纤耦合器各个发展历程进行了全面回顾和系统总结;然后,对光纤耦合器的基本原理(包括耦合器类型、耦合器制作方法、耦合模理论)

进行了系统归纳和细致分析;进而,对各种典型光纤耦合器(包括X型光纤耦合器、光纤星型耦合器、双包层光纤耦合器、空芯布喇格光纤耦合器、多芯光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、光子晶体光纤耦合器、混合光纤耦合器)的结构、性能、原理进行了全面分析和详细阐述,对其典型应用进行了综合评述;最后,本文率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合输出。

通过上述分析和研究可知,尽管光纤耦合器的理论分析和实验研究已经取得了很大成就,已设计并研制出多种光纤耦合器,且其中一部分已商品化,但研究和开发的重点却主要集中于常规对称型光纤耦合器。由于常规光纤的结构变化少,性能单一,设计的耦合器不能完全满足实际需要。因此,对新型光纤耦合器的研究予以特别重视。

作者认为:光子晶体光纤和其他特种光纤的出现,以及光纤光栅写制技术的成熟及工艺的完善,为对新型光纤耦合器的研究开辟了广阔的创造空间,并且有望在以下几个方面取得新突破:

a、研制非对称型光纤耦合器:以新型或常规光纤为基元进行结构优化设计,通过控制蚀刻、剖磨深度、及熔锥度,或者表面镀膜、微孔填充等方式,可望设计并研制出结构非对称、分光比可调谐的非对称型光纤耦合器。纤结构灵活与光学多样的特性,采用改变微孔排列、形状、大小、占空比及椭圆度,纤芯适度掺杂与设置

多芯,或微孔填充特殊敏感介质等方式,有望设计出大范围、高精度、耦合比可调谐的光子晶体光纤耦合器。

c、研制新型光纤光栅耦合器:探索光栅写制新技术,将特种光栅(如倾斜、啁啾、非均匀光栅等)写入单芯或多芯光纤耦合器耦合区,可构成具有宽带滤波选择特性、新型可调谐光纤光栅耦合器,在波分复用(WDM)及传感器网络应用领域具有重要意义。

d、研制混合型光纤耦合器:将不同类型光纤用熔融拉锥法或抛磨法制成定向耦合器,或者将不同类型光纤纵向熔融焊接实现端面耦合,可研制性能优异的混合型光纤耦合器。这种耦合器有望大大减小不同类型光纤间的连接损耗,进一步拓展光纤器件的应用空间。

e、拓展光纤耦合器新应用:利用特种或新型光子光纤结构丰富、性能优越的特性,积极拓展新型光纤耦合器在光纤通信、光纤传感领域的应用范围;同时,探索与其他相关技术的结合点,利用现代集成光学技术将光无源和光有源器件集成于光纤光子线路之中,并通过光纤微型耦合器构成新型光纤集成器件及系统,可望在滤波、调制、保偏、测量、开关、监控等方面发挥重要的作用。

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物理学进展第30卷

RECENTPROGRESSINTHEORY,DESIGNANDDEVELOPMENT

OFFIBERCOUPLER

LINJin-hai,ZHANGWe-igang

(KeyLaboratoryofOpto-ElectronicInformationandTechnology,MinistryofEducation,

InstituteofModernOptics,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

Abstract: Inthisarticle,thedevelopmenthistoryoftheoryandexperimentsonfibercouplersis

systematicallyreviewedandthemilestonesatvariousstagesofthedevelopmentarehighlighted.First,wepresentadetaileddescriptionoftheclassificationofconventionalfibercouplers,andthefabricationtechniquesandperformancesofthesefibercouplers.Second,wesummarizethetheoreticalandanalyticalapproachestothesefibercouplers,andparticularattentionsarepaidtotheprinciplesandcouplingcharacteristicsofseveraltypicalfibercouplerconfigurations,suchas2@2fibercouple,fiberstarcoupler,fibergratingcoupler,andhybridfibercoupler.Third,aprospectiveontothefuturedevelopmentoffibercouplersandtheirapplicationsisgiven.Finally,wedemonstrateboththeoreticallyandexperimentallythecouplingbetweentwoparallelultra-longperiodfibergratings.

Keywords: opticalfiberoptics;fibercoupler;fibercommunication;opticalfibersensing;ultralongperiodfibergratings

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光纤耦合器的理论_设计及进展