第四章 无源耦合器

1、编辑课件1第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件4.1 概述概述4.2 熔融拉锥型全光纤耦合器熔融拉锥型全光纤耦合器4.3 波导型光耦合器波导型光耦合器4.4 耦合器前景展望耦合器前景展望编辑课件2n定义：能使传输中的光信号在特殊结构的耦合定义：能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区内发生耦合，并进行再分配的器件。或光耦区内发生耦合，并进行再分配的器件。或光耦合器是实现光信号分路合器是实现光信号分路/合路的功能器件。合路的功能器件。n光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输个输出，或把多个输入的光信号组合成一

2、个输出。出。n耦合器（耦合器（coupler）基本结构）基本结构: 耦合器多为双向耦合器多为双向无源器件无源器件 ， 基本形式有基本形式有X型、型、Y型、树型、星型、树型、星型等型等第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件3第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件n耦合器（耦合器（coupler）n主要功能再分配光信号主要功能再分配光信号n重要应用在光纤网络重要应用在光纤网络n尤其是应用在局域网尤其是应用在局域网n在波分复用器件上应用在波分复用器件上应用编辑课件4光耦合器分类光耦合器分类v从端口形式从端口形式X X型、型、Y Y型、星型以及树型型、星型以及树型v从工作带宽的

3、角度从工作带宽的角度单工作窗口的窄带单工作窗口的窄带单工作窗口的宽带单工作窗口的宽带双工作窗口的宽带双工作窗口的宽带v从传导光模式从传导光模式多模与单模多模与单模v从器件工艺实现方式从器件工艺实现方式分立光学元件组合型分立光学元件组合型光纤型光耦合器光纤型光耦合器集成波导型集成波导型编辑课件5几种常见光耦合器结构示意图几种常见光耦合器结构示意图编辑课件6n光耦合器类型光耦合器类型T T型光耦合器型光耦合器是一种是一种2 21 1的的3 3端耦合器，可把端耦合器，可把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤的输入光信号组合在一起，光纤，或

4、把两根光纤的输入光信号组合在一起，输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配器或组合器。配器或组合器。星型光耦合器星型光耦合器是一种是一种n nm m的耦合器，可把的耦合器，可把n n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给给m m根光纤。根光纤。 第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件7定向光耦合器定向光耦合器是一种是一种2 22 2的的3 3端或端或4 4端端耦合器。只用于作分路器，不能作合路耦合器。只用于作分路器，不能作合路器。器。波分复用波分复用/ /解复用器解复用器波分复用器是与波分复用

5、器是与波长有关的耦合器，用于把多个不同波波长有关的耦合器，用于把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器用于把一根输入到一根光纤；解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信号分配光纤输出的多个不同波长的光信号分配给不同的光接收机。给不同的光接收机。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件8第四章第四章 无源耦合器无源耦合器n常用光耦合器类型示意图1（b）星型（c）定向型（d）波分复用型（a）T型42312 N编辑课件9n4.1.2 描述光耦合器特性的一般技术参数描述光耦合器特性的一般技术参数1插入损耗插入损耗(In

6、sertion Loss) 插入损耗定义为插入损耗定义为-指定输出端口的光功率相对全部输指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。（入光功率的减少值。（或说或说是一个指定输入端光功率是一个指定输入端光功率P Picic和另一个指定输出端的光功率和另一个指定输出端的光功率P Pococ的比值。的比值。 )(log10.dBPPLIINOUTii第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件10n2附加损耗附加损耗(Excess loss)全部输出端口的输出光功率全部输出端口的输出光功率总和相对于全部输入光功率的减少值总和相对于全部输入光功率的减少值。附加损耗是体现。附加损耗是体现器

7、件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗则表示的是的固有损耗；而插入损耗则表示的是各个输出端口的输各个输出端口的输出功率状况出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。所以插入损耗不能反映器件制作质量的优劣。的影响。所以插入损耗不能反映器件制作质量的优劣。)(log10.dBPPLEINOUTii（4.2）第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件11n3分光比（或耦合比）（分光比（或耦合比）（Coupling Ratio）是指耦合器各输出端口的输出功是指耦

8、合器各输出端口的输出功率的比值，在具体应用中用相对于输出率的比值，在具体应用中用相对于输出总功率的百分比来表示。总功率的百分比来表示。%100.OUTiOUTiPPRC(4.3)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件12n4.方向性（Directivity） 方向性是衡量器件定向传输特性的参方向性是衡量器件定向传输特性的参数。定义为从一个输入端到另一个输入数。定义为从一个输入端到另一个输入端的插入损耗，即在耦合器正常工作时，端的插入损耗，即在耦合器正常工作时，输入一侧非注入光的一端的输出功率与输入一侧非注入光的一端的输出功率与全部注入光功率的比较值，数学表达式全部注入光功率的比

9、较值，数学表达式为：为：)(log10.12dBPPLDININ(4.4)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件13 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件145.均匀性（均匀性（Uniformity） 均匀性就是用来衡量均分器件的均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程不均匀程度度”的参数。对均分性的分路器定义均匀性的参数。对均分性的分路器定义均匀性(dB)为为所有输出端在整个工作波长范围内所有输出端在整个工作波长范围内(带带宽内宽内)最大插入损耗与最小插入损耗之差，即各最大插入损耗与最小插入损耗之差，即各输出端口输出功率的最大变化

10、量。输出端口输出功率的最大变化量。非均分型的非均分型的分路器则不具有该指标。分路器则不具有该指标。)()()(log10.dBPMAXPMINLUOUTOUTi(4.5)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件156. 偏振灵敏度或偏振相关损耗偏振灵敏度或偏振相关损耗 (Polarization Dependent Loss) 定义为不同偏振态线偏振光入射时，最大插入损耗定义为不同偏振态线偏振光入射时，最大插入损耗值和最小插入损耗值之差。值和最小插入损耗值之差。是指当光信号的偏振发生是指当光信号的偏振发生3600变化时，器件各输出端口输出光功率的最大变化变化时，器件各输出端口输出

11、光功率的最大变化量。量。是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参数，俗称偏振灵敏度。程度的参数，俗称偏振灵敏度。)()()(log10.dBPMAXPMINLDPjOUTjOUT(4.6)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件16线偏振光：编辑课件17自然光：编辑课件18部分偏振光：部分偏振光：编辑课件197隔离度(Isolation) 波长隔离度定义为被隔离的工作波长在该输出波长隔离度定义为被隔离的工作波长在该输出端的插入损耗。即指光纤耦合器件的某一光路端的插入损耗。即指光纤耦合器件的某一光路对其它光路中的光信号的隔离能力。

12、它的意义对其它光路中的光信号的隔离能力。它的意义是与反映是与反映WDM器件对不同波长信号的分离能器件对不同波长信号的分离能力。力。)(log10dBPPIintPt是某一光路输出端测到的其它光路信号的功率值；是某一光路输出端测到的其它光路信号的功率值；Pin是被检测光信号是被检测光信号的输入功率值。的输入功率值。(4.7)第四章 无源光耦合器器件编辑课件204.1.3光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法 光纤型光纤型 全光纤型耦合器的制造方法有熔锥和研磨法两全光纤型耦合器的制造方法有熔锥和研磨法两种。种。熔锥型光纤耦合器。把两根光纤或多根光纤排列，用熔熔锥型光纤耦合器。把两根光纤或多根光纤排列

13、，用熔拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成Y型耦型耦合器、定向耦合器和波分解复用器等。合器、定向耦合器和波分解复用器等。 研磨型光纤耦合器。研磨型光纤耦合器制作过程是：将研磨型光纤耦合器。研磨型光纤耦合器制作过程是：将两根光纤一边的包层研磨掉大部分剩下很薄的一层然后两根光纤一边的包层研磨掉大部分剩下很薄的一层然后将两根光纤研磨的一侧拼合在一起，中间涂上一层折射将两根光纤研磨的一侧拼合在一起，中间涂上一层折射率匹配液，于是两根光纤可以通过包层里的消失场发生率匹配液，于是两根光纤可以通过包层里的消失场发生耦合，得到所需的耦合功率耦合，得到所需的耦合功

14、率。第四章第四章 无源光耦合器件无源光耦合器件编辑课件21 微器件型：微器件型： 用自聚焦透镜和分光片（光部分透射、光部用自聚焦透镜和分光片（光部分透射、光部分反射）、滤光片（一个波长的光透射，另一个分反射）、滤光片（一个波长的光透射，另一个波长反射）或光栅（不同波长的光有不同反射方波长反射）或光栅（不同波长的光有不同反射方向）等微光学器件可以构成向）等微光学器件可以构成Y型耦合器、定向耦型耦合器、定向耦合器和波分解复用器。用合器和波分解复用器。用22的耦合器同样可的耦合器同样可以构成星状耦合器。自聚焦透镜在光无源器件中以构成星状耦合器。自聚焦透镜在光无源器件中起着非常重要的作用。起着非常重要

15、的作用。 第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件22 波导型波导型 ： 在以平板衬底上制作所需形状的光波导，在以平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，同时又做波导包层。波导的材衬底作支撑体，同时又做波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择。一般是料根据器件的功能来选择。一般是SiO2，横截，横截面为矩形或半圆形。面为矩形或半圆形。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件23n 4.2.1 熔锥型光纤器件是全光器件中最具代表性的也是熔锥型光纤器件是全光器件中最具代表性的也是构成其它器件的一种基础器件，在光纤通信中得到了广构成其它器件的一种基础器件，在光纤通信

16、中得到了广泛的使用，这是因为它具有以下特点：泛的使用，这是因为它具有以下特点：(1)极低的附加损耗。极低的附加损耗。目前，利用熔锥法制作的标准X(或Y)型耦合器的附加损耗已低于0.05dB，这是其他方法所难以达到的。(2)方向性好。方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB，保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。(3)良好的环境稳定性。良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。(4)控制方法简单、灵活。控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。(5)制作成本低廉、适于批量生产。制作成本低廉、适于批量生产。 第四章第四章 无源光耦合器

17、器件无源光耦合器器件编辑课件24 “熔融拉锥熔融拉锥(fused bucolical taper，简称，简称FBT)”法就是法就是将两根将两根(或以上或以上)去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，去除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合的一种方法。 第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件25n熔融拉锥型全光纤耦合器熔融拉锥型全光纤耦合器第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件26

18、n4.2.2 耦合机理 对于单模光纤，传导模是两个正交的基模(HE11X, HE11y)信号。当其进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，光纤截止频率V逐渐减小，越来越多的光功率渗入光纤包层中。“耦合区”构成了“光纤包层为芯，空气为新包层”的复合波导，光信号在其中传输；在输出端，纤芯逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”，实现功率分配。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件27第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件28n标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式： )(sin)()(cos)(2221CzzPCzzP(4-15)第四章第四章 无源

19、光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件29图4.5 耦合比率与熔融拉锥长度的关系第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件30式中为 纤芯半径， 芯区折射率， 传导模与光轴夹角， 传输光波长。总的模式数为：在多模光纤中，传导模是若干个分离的模式，不仅应在数值孔径角内，还要满足 ), 3 , 2 , 1(sin41mmana1n22VM (4.16)(4.17)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件31第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件32n4.2.3 星型耦合器 星形耦合器的功能类似于自由空间的无线电通讯，将输入信号混合并将其传播至输出通道。因此，

20、星形耦合器是将无线电传播系统的长处引入光纤传输系统。然而，缺点是混合通道的相干，会导致半音及接收机灵敏度的恶化，而且，对多模光纤的星形耦合器，模噪声会增加。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件33星型耦合器的制作方法星型耦合器的制作方法:直接拉制法；单元拼接法。直接拉制法；单元拼接法。 直接拉接法：直接拉接法：将将N根光纤，以合适的拓扑结构紧密接触后，在较强加热源作用根光纤，以合适的拓扑结构紧密接触后，在较强加热源作用下，一次熔融拉锥获得下，一次熔融拉锥获得NN星型耦合器。星型耦合器。制造光纤耦合器有两种基本工艺：混合棒法和熔接法。制造光纤耦合器有两种基本工艺：混合棒法和熔接

21、法。熔接法熔接法:采用熔融拉制法制造的多纤耦合器是将两根或多根光纤，把涂覆层去采用熔融拉制法制造的多纤耦合器是将两根或多根光纤，把涂覆层去掉清洗干净后，拧绞成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，掉清洗干净后，拧绞成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，中间部位是哑铃状的双锥体。中间部位是哑铃状的双锥体。熔接法的工作原理熔接法的工作原理：在双锥体的前半部，随着光纤逐渐变细，原来在光纤中：在双锥体的前半部，随着光纤逐渐变细，原来在光纤中传播的芯模逐渐变成包层膜并向前传播，在双锥区光信号以使所有光纤传播的芯模逐渐变成包层膜并向前传播，在双锥区光信号以使所有光纤“公有化公

22、有化”了，即发生光耦合。在双锥体后半部分，随着光纤逐件变粗，包层膜又逐渐转换了，即发生光耦合。在双锥体后半部分，随着光纤逐件变粗，包层膜又逐渐转换为芯模，使光功率分配到各个光纤中，这就是多纤星状耦合器的工作原理。为芯模，使光功率分配到各个光纤中，这就是多纤星状耦合器的工作原理。 1. 混合棒法：混合棒法：用薄玻璃片将输入光纤的光混合然后在输出光纤中对混合的光进用薄玻璃片将输入光纤的光混合然后在输出光纤中对混合的光进行分配。分透射式和反射式。行分配。分透射式和反射式。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件34单元拼接法：单元拼接法：在N不大于8的星型耦合器，可以采用22器件作为基

23、本单元；如果N不小于 16，则采用44或88器件作为基本单元。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件35星型耦合器示意图编辑课件364.2.4 树型耦合器树型耦合器 树型耦合器：指具有1(2)N(N2)端口组态的功率分配器件,它用于CATV等技术中的重要器件。尽管功率均分的树型耦合器是标准器件，其关键参数同星型耦合器一样，也是插入损耗和均匀性等 制作的方法:在制作方法上采用直接拉制法和基本单元拼接法. 第四章 无源光耦合器器件编辑课件37第四章 无源光耦合器器件编辑课件38树型耦合器示意图第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件39 4.2.5 宽带耦合器：宽带耦

24、合器：宽带耦合器（ WBC ）是利用独特的带宽拓展技术（非对称工艺）改变器件的波长特性，使带宽拓展到 50nm，而且在这个带宽范围内均能满足低附加损耗、低偏振相关损耗等指标。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件40图4.5 耦合比率与熔融拉锥长度的关系第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件41改变分光比的方法：改变分光比的方法：（1）对两根相同光纤中的一根进行预腐蚀或预拉伸，造成传播常数的偏差，）对两根相同光纤中的一根进行预腐蚀或预拉伸，造成传播常数的偏差，然后再同未处理的另一根光纤熔融拉锥成宽带耦合器。然后再同未处理的另一根光纤熔融拉锥成宽带耦合器。 优点：

25、光纤容易获得，传播常数偏差的调整方便，原则上可以实现任意分光比。优点：光纤容易获得，传播常数偏差的调整方便，原则上可以实现任意分光比。缺点：制作工序较繁琐，预处理后光纤机械性能变差，制作效率低。缺点：制作工序较繁琐，预处理后光纤机械性能变差，制作效率低。（2）直接采用结构参数存在差异的商用光纤，通常是外径相同，纤芯直径有）直接采用结构参数存在差异的商用光纤，通常是外径相同，纤芯直径有差异。差异。优点：制作工序简单，光纤机械性能比较好，制作效率较高。优点：制作工序简单，光纤机械性能比较好，制作效率较高。缺点：光纤不容易获得，传播常数偏差的调整不方便，原则上不可以实现任意缺点：光纤不容易获得，传播

26、常数偏差的调整不方便，原则上不可以实现任意分光比。分光比。目前在应用通信领域中的宽带耦合器一般要求是：目前在应用通信领域中的宽带耦合器一般要求是：1310nm和和1550nm双窗双窗口，每窗口带宽口，每窗口带宽50nm、分光比变化不大于、分光比变化不大于5。第四章 无源光耦合器器件编辑课件42n4.2.6 熔融拉锥型熔融拉锥型WDM耦合器耦合器制作原理：耦合系数对波长是敏感的，在制作器制作原理：耦合系数对波长是敏感的，在制作器件时可以通过改变熔融拉锥条件，增强这种件时可以通过改变熔融拉锥条件，增强这种敏感性，从而制成波分复用器（敏感性，从而制成波分复用器（WDM）即合）即合波波/分波耦合器。分

27、波耦合器。优点：是插入损耗低（最大值优点：是插入损耗低（最大值5dB，典型，典型0.2dB），无需波长选择器件，），无需波长选择器件，制造简单，制造简单，更易于批量生产，更易于批量生产，此外还具有较好的光通路此外还具有较好的光通路带宽通路间隔比和温度稳定性。带宽通路间隔比和温度稳定性。不足之处：是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度不足之处：是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较（较（20dB左右）低，一般不用在目前的密集左右）低，一般不用在目前的密集波分复用系统中。波分复用系统中。第四章 无源光耦合器器件编辑课件43第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件44n将若干个这种器件适当组合，

28、还可以实现更多功能。例如制作成上下波长型、中继型等WDM器件，这些器件正在获得广泛的应用。其中较成熟的熔融拉锥型WDM ，是全光纤放大（EDFA）系统中用于泵浦光耦合的1480/1550nm、980/1550nmWDM。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件编辑课件45参Er光纤的放大原理图编辑课件46图4.11 掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构编辑课件47n掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性和是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。 n 设计高增益掺铒光纤设计高增益掺铒光纤(EDFA)是实现光纤放大器的是实

29、现光纤放大器的技术关键，技术关键， EDFA的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。n 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 nm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW, 泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。第四章 无源光耦合器器件编辑课件48波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且噪声较低，是未来发展的方向。 对波分复用器的基本要求是：对波分复用器的基本要求是： 插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用

30、。 光隔离器的作用是光隔离器的作用是: 防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪 声 对光隔离器的的基本要求是：对光隔离器的的基本要求是： 插入损耗小，反射损耗大。 第四章 无源光耦合器器件编辑课件49MMC-XXXX-XXXX-XX/XX-X-X-XX/XXX-XX*XX 封装尺寸：封装尺寸：3.0*54 等等 输入输出形式：输入输出形式：FC/UPC，FC/APC 等等 光纤类型：光纤类型：2=50/125m,3=62.5/125m,4=其他其他 尾纤类型：尾纤类型：0=250m,1=900m,2=2mm,3=3mm,4=其它其它 分光比：分光比：01/99,50/50 或其它或其它 工作波长

31、：工作波长：850=850nm,1310=1310nm,8513=850和和1310nm 端口：端口：12 或或 22 等级：等级：P=优级，优级，A=标准级，标准级，X=用户指定用户指定编辑课件50几种常见光耦合器结构示意图几种常见光耦合器结构示意图编辑课件514.3 波导型光耦合器光波导的基本概念：1.导波光：受到约束的光波。2.光波导：约束光波传输的媒介3.介质光波导的三要素： “芯/包”结构 凸形折射率分布 低传输损耗 光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的

32、传输。无辐射的传输。第四章 无源光耦合器器件编辑课件52n波导型耦合器是指利用平面介质光波导波导型耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光耦合器件。其技术不工艺制作的一类光耦合器件。其技术不仅包括波导结构的制作，还需考虑到器仅包括波导结构的制作，还需考虑到器件与传输线路的耦合。所以从工艺的角件与传输线路的耦合。所以从工艺的角度来讲，更为复杂。但由于器件本身具度来讲，更为复杂。但由于器件本身具有明显的优越性，使这种制作方法逐渐有明显的优越性，使这种制作方法逐渐发展成为制作光耦合器的一种重要法。发展成为制作光耦合器的一种重要法。第四章 无源光耦合器器件编辑课件53n光波导器件按其组成材料可分为

33、四种基本类型：铌酸光波导器件按其组成材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基二氧化硅光波导、锂镀钛光波导、硅基二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物光波导。光波导和聚合物光波导。 nLiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。n硅基沉积二氧化硅光波导是硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪世纪90年代发展起来的年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比新

34、技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。较成熟。第四章 无源光耦合器器件编辑课件54n基于磷化铟（基于磷化铟（InP）的）的InGaAsP/InP光光波导的研究也比较成熟，它可与波导的研究也比较成熟，它可与InP基的基的有源与无源光器件及有源与无源光器件及InP基微电子回路集基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。耗较大。 第四章 无源光耦合器器件编辑课件55n 聚合物光波导聚合物光波导是近年来研究的热点。在两个是近年来研究的热点。在两个近红外传输窗口（近红外传输窗口（1330nm和和 1550nm）光）光损耗小，聚合物具有一定的热

35、稳定性，可以承损耗小，聚合物具有一定的热稳定性，可以承受制作器件的熔接温度，并且在器件使用的过受制作器件的熔接温度，并且在器件使用的过程中对环境变化有一定的稳定性，具有尽可能程中对环境变化有一定的稳定性，具有尽可能低的双折射率，确保聚合物材料的光学各向同低的双折射率，确保聚合物材料的光学各向同性。当前研究的有聚甲基丙烯酸甲酯衍生出来性。当前研究的有聚甲基丙烯酸甲酯衍生出来的氟代，氘代聚甲基丙烯酸酯，耐高温聚合物的氟代，氘代聚甲基丙烯酸酯，耐高温聚合物聚酰（聚酰（xian）亚胺的氟代衍生物，交联含氟聚）亚胺的氟代衍生物，交联含氟聚芳醚以及聚硅氧烷等。芳醚以及聚硅氧烷等。第四章 无源光耦合器器件编

36、辑课件56n该波导的热光系数和电光系数都比较大，该波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、平面阵很适合于研制高速光波导开关、平面阵列波导光栅（列波导光栅（AWG）等。采用极化聚合）等。采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。同时由于有机聚合置方便、成本很低。同时由于有机聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得物具有与半导体相容的制备工艺而使得样品的制备非常简单。聚合物通过外场样品的制备非常简单。聚合物通过外场极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数。晶体的电光系数。第四章 无

37、源光耦合器器件编辑课件57第四章 无源光耦合器器件光波导的制作方法：光波导的制作方法： 在铌酸锂等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩在铌酸锂等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺形成所需的波导结构。散等工艺形成所需的波导结构。波导耦合器的优点：波导耦合器的优点： 体积小，重量轻，易于集中。体积小，重量轻，易于集中。 机械及稳定性好。机械及稳定性好。 耦合分光比易于精确控制，在母板定型后，可耦合分光比易于精确控制，在母板定型后，可以进行大批量生产。以进行大批量生产。 易于制成小型化的宽带耦合器。易于制成小型化的宽带耦合器。编辑课件58与熔融拉锥耦合器比较，还存在不足：与熔融拉锥耦合器比较，还存

38、在不足： 还须解决与光纤的耦合技术问题还须解决与光纤的耦合技术问题 技术尚不完善技术尚不完善 波导制作工艺需要投入价格昂贵的设备波导制作工艺需要投入价格昂贵的设备 由于制作薄到母板的成本较高，非批量由于制作薄到母板的成本较高，非批量的生产往往得不偿失。的生产往往得不偿失。对于较少路数（对于较少路数（N8）的耦合器，熔融）的耦合器，熔融拉锥型具有更低损耗。拉锥型具有更低损耗。第四章 无源光耦合器器件编辑课件594.3.2波导耦合器的结构波导耦合器的结构 单模波导型单模波导型单模波导型分路器是对单模光信号进行功单模波导型分路器是对单模光信号进行功率分配的器件，可由离子交换玻璃波导、率分配的器件，可

39、由离子交换玻璃波导、Ti扩散铌酸锂波导或聚合物波导构成。扩散铌酸锂波导或聚合物波导构成。 分之波导分之波导 方向耦合器方向耦合器 间隙渐变的方向耦合器间隙渐变的方向耦合器第四章 无源光耦合器器件编辑课件60 分之波导分之波导特点：由于这种结构的带宽与光的分布耦合无关，仅取特点：由于这种结构的带宽与光的分布耦合无关，仅取决于模色散的限制，因此极适合制作宽带分路器，单窗口决于模色散的限制，因此极适合制作宽带分路器，单窗口带宽可达带宽可达100nm。图。图4.13是实物图。是实物图。分支波导制作的关键：抑制分支点产生二阶横模即确定分支波导制作的关键：抑制分支点产生二阶横模即确定最佳的分支角。前者要求

40、在分支点前面选择合适的斜坡形最佳的分支角。前者要求在分支点前面选择合适的斜坡形波导；后者则要求兼顾最小分支角和分支点处散射损耗随波导；后者则要求兼顾最小分支角和分支点处散射损耗随分支角增大而增加。分支角增大而增加。对于非均分的分路器，应当采用非对称分支，分光比通对于非均分的分路器，应当采用非对称分支，分光比通过调整分支角来控制。树形分路器可以采用对称多分支结过调整分支角来控制。树形分路器可以采用对称多分支结构，当然更多的是采用两分支波导串接的方法。其在工艺构，当然更多的是采用两分支波导串接的方法。其在工艺上更容易控制。而且原则上没有路数的限制。上更容易控制。而且原则上没有路数的限制。第四章 无源光耦合器器件编辑课件61(1) 分支波导分支波导第四章 无源光耦合器器件编辑课件62（2）方向耦合器）方向耦合器 方向耦合器是功率分路器的另一种重要结方向耦合器是功率分路器的另一种重要结构，也是制作星型耦合器的基础器件。构，也是制作星型耦合器的基础器件。 特点：n 与分之波导不同，分光比通过耦合长度来调整a) 对波长较为敏感，器件的带宽仅为10nm左右第四章 无源光耦合器器件编辑课件63编辑课件64（3）间隙渐变的方向耦合器）间隙渐变的方向耦合器特点：特点：可以在获得与分支波导相似的工作特性的同时，显著降低可