第三章 光功率分配器课件

1、华南师大光电学院 黄旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器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) )是把光信号分为是把光信号分为多路输出的无源光器件。多路输出的无源光器件。 早期它多用在从传输干路取出一定的功早期它多用在从传输干路取出一定的功率，用于监控等。近年来，随着光纤通率，用于监控等。近年来，随着光纤通信、光纤用户网、光纤信、光纤用户网、光纤CATVCATV、无源光网、无源光网络络(PON)(PON)、光纤传感技术等领域的迅猛、光纤传感技术等领域的迅猛发展，应用越来越广泛。发展，应用越来越广泛。 华南师大光电学院 黄旭光2. 2. 类型类型 耦合型分路器耦合型分路

2、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: : 使光信号在特殊的耦合区发使光信号在特殊的耦合区发 生耦合，并进行再分配的器件。生耦合，并进行再分配的器件。 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 号分为多路输出的器件号分为多路输出的器件第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光3.3.光耦合器光耦合器 分立光学元件组合型、全光纤分立光学元件组合型、全光纤 型、平面波导型等。型、平面波导型等。 早期的分立光学元件早期的分立光学元件( (如棒透镜、反射镜、如棒透镜、反射镜、棱镜等棱镜等) )的组合拼接，耦合机理直观

3、，可的组合拼接，耦合机理直观，可由几何光学方法进行描述。存在损耗大、由几何光学方法进行描述。存在损耗大、与光纤耦合困难、环境稳定性较差等不足。与光纤耦合困难、环境稳定性较差等不足。第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光 全光纤器件全光纤器件: : 直接在两根直接在两根( (或以上或以上) )光光纤之间形成某种形式的耦合。纤之间形成某种形式的耦合。 最先由最先由SheemSheem和和GiallorenziGiallorenzi发明的发明的蚀刻蚀刻法法，将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢，将两根裸光纤扭绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂覆层和包氟酸中，腐蚀掉光纤四周的涂

4、覆层和包层，从而使光纤纤芯相接触，实现两根层，从而使光纤纤芯相接触，实现两根光纤间的耦合。光纤间的耦合。这种方法虽然简单，但制作出来的耦合这种方法虽然简单，但制作出来的耦合器不仅不耐用，而且对环境温度的变化器不仅不耐用，而且对环境温度的变化很敏感，无实用价值。很敏感，无实用价值。第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光BerghBergh等人发明的等人发明的光纤研磨法光纤研磨法，将每根光，将每根光纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对纤预先埋入玻璃块的弧形槽中，然后对光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光光纤的侧面进行研磨抛光，同时监视光通量，研磨结束后，在磨面上加一小滴通量，研磨

5、结束后，在磨面上加一小滴匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合匹配液，再将光纤拼接，做成光纤耦合器。器。克服了分立元件法的一些缺点，分光比克服了分立元件法的一些缺点，分光比可调可调, , 但制作困难，成品率低，环境特但制作困难，成品率低，环境特性也不理想。性也不理想。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光 八十年代初开始用光纤熔融拉锥法。八十年代初开始用光纤熔融拉锥法。 将两根将两根( (或多根或多根) )除去涂覆层的光纤以一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时向两侧拉伸，最终在加热区形

6、成双锥体形式的耦合波导结构。体形式的耦合波导结构。 制作光纤耦合器的主要方法，具有极低制作光纤耦合器的主要方法，具有极低的附加损耗的附加损耗(0.05dB)(0.05dB)、方向性好、方向性好(60dB)(60dB)、稳定性好、方法简单、灵活、成本低廉、稳定性好、方法简单、灵活、成本低廉、适于批量生产等优势。适于批量生产等优势。第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光 采用氢氧焰或丙烷氧焰等加热源，或电加采用氢氧焰或丙烷氧焰等加热源，或电加热采用固定式或可移动式热采用固定式或可移动式, , 用计算机控制用计算机控制各种参量，并实时监控光纤输出端口的光各种参量，并实时监控光纤

7、输出端口的光功率。功率。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光 集成化是光纤通信发展的必然趋势，集集成化是光纤通信发展的必然趋势，集成光学在通信器件方面的应用会越来越成光学在通信器件方面的应用会越来越广泛。广泛。 利用平面光波导原理制作的光耦合器具利用平面光波导原理制作的光耦合器具有体积小、易于大批量生产等特点，尤有体积小、易于大批量生产等特点，尤其适于制作多路均分其适于制作多路均分( (如如6464路以上路以上) )的树的树形和星形耦合器。但分光比难控制。其形和星形耦合器。但分光比难控制。其技术尚在发展、完善之中。技术尚在发展、完善之中。第三章第三章光功率分配器光功率

8、分配器华南师大光电学院 黄旭光 耦合机理耦合机理传导模进入熔锥区，纤芯不断变细，传导模进入熔锥区，纤芯不断变细，V V值渐值渐减小，越来越多光功率渗入包层中。在熔锥减小，越来越多光功率渗入包层中。在熔锥区两包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成区两包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。在输出端，纤芯渐变粗，弱耦合。在输出端，纤芯渐变粗，V V值增大，值增大，光功率被两纤芯以特定比例光功率被两纤芯以特定比例“捕获捕获”。第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄

9、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 项 目 44 88 1616 工作波长 1310、1550nm，其他可选 插 入 损 耗(dB) 70 10.6 14.2 均 匀 性 ( 士dB) 08 1.2 20 方向性 60dB 工作温度 -40C 85C华南师大光电学院 黄旭光 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单元拼接法。本单元拼接法。 直接拉制法直接拉制法: : 将将N N根光纤，以合适的拓扑根光纤，以合适的拓扑结构紧密接触后，在较强加热源作用下，结构紧密接触后，

10、在较强加热源作用下，一次熔融拉锥获得星形耦合器一次熔融拉锥获得星形耦合器 树形耦合器树形耦合器: :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单元拼接法。拉制法和基本单元拼接法。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器 项 目 1(2)3 1(2)4 1(2)8 1(2)12 1(2)16 工作波长 1310、1550nm

11、, 其他可选插入损耗(最大dB) 5.3 7.0 10.6 13.2 14.2均匀性(dB) 0.5 06 1.2 L 6 1.8方向性 60dB工作温度 - 4085华南师大光电学院 黄旭光 4. 4. 宽带耦合器宽带耦合器 上述耦合器整个带宽只有上述耦合器整个带宽只有20nm20nm。宽带耦合。宽带耦合器的要求：器的要求：1310nm1310nm和和1550nm1550nm双窗口，每窗双窗口，每窗口带宽土口带宽土50nm50nm、分光比变化、分光比变化 5 5。实际。实际上可用在上可用在125012501600nm1600nm整个范围，分光比整个范围，分光比变化变化 10 10 如将拉伸终

12、止在如将拉伸终止在C C点，器件性能将对波长点，器件性能将对波长最不敏感。如能使最不敏感。如能使C C点处于所希望的分光点处于所希望的分光比位置，就能在相应中心波长获最大工作比位置，就能在相应中心波长获最大工作带宽，这是所谓带宽，这是所谓“单窗口宽带耦合器单窗口宽带耦合器”。第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光 如将拉伸终止点选在如将拉伸终止点选在D D，就可改善两个中，就可改善两个中心波长的工作带宽，获得所谓的心波长的工作带宽，获得所谓的“双窗双窗口宽带耦合器口宽带耦合器”。 技术关键是能够将技术关键是能够将C(C(或或D)D)点调整到所需点调整到所需要的功率分配比位

13、置。从实质上讲，就要的功率分配比位置。从实质上讲，就是要使两光纤之间实现是要使两光纤之间实现不完全功率转换不完全功率转换。当两光纤传播常数当两光纤传播常数b b不相等时，光纤间的不相等时，光纤间的最大耦合功率最大耦合功率F F2 2小于小于1 1。因此，只要适当。因此，只要适当调整调整b b1 1、b b2 2的相对大小，就可做成任意分的相对大小，就可做成任意分光比的宽带耦合器。光比的宽带耦合器。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光(1)(1)对两相同光纤中的一根预腐蚀或预拉伸，对两相同光纤中的一根预腐蚀或预拉伸，造成传播常数偏差，再熔锥成宽带耦合造成传播常数偏差，再

14、熔锥成宽带耦合器。优点是，光纤容易获得，传播常数器。优点是，光纤容易获得，传播常数偏差调整方便。缺点是工序较繁琐，预偏差调整方便。缺点是工序较繁琐，预处理后的光纤机械性能变差，制作效率处理后的光纤机械性能变差，制作效率较低。较低。(2)(2)采用结构参数存在差异的商用光纤采用结构参数存在差异的商用光纤( (外外径相同，纤芯直径有差异径相同，纤芯直径有差异) )。优缺点与上。优缺点与上法正相反，但对于分光比较为固定的情法正相反，但对于分光比较为固定的情况况( (市场需求大的市场需求大的1:11:1器件器件) )，采用该法很，采用该法很有优势。有优势。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大

15、光电学院 黄旭光6 - 6 mm华南师大光电学院 黄旭光6 6.358 mm华南师大光电学院 黄旭光6 6.5 mm华南师大光电学院 黄旭光 平面波导光耦合器平面波导光耦合器: : 利用平面光波导工利用平面光波导工艺制作的光耦合器件。从技术及工艺角艺制作的光耦合器件。从技术及工艺角度来讲，更为复杂。优点度来讲，更为复杂。优点: : 体积小，体积小，重量轻，易于集成。重量轻，易于集成。机械及环境稳定机械及环境稳定性好。缺点性好。缺点: :技术尚不完善，分光比难技术尚不完善，分光比难控制控制, , 在商品化方面还需努力。在商品化方面还需努力。波导波导制作工艺需投入价格昂贵设备。制作工艺需投入价格昂

16、贵设备。制作制作波导母板成本较高，非批量生产得不偿波导母板成本较高，非批量生产得不偿失。失。 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光 第三章第三章光功率分配器光功率分配器5. 5. 分支型波导分路器分支型波导分路器可由离子交换玻璃波导、可由离子交换玻璃波导、SiOSiO2 2/Si/Si波导或聚合波导或聚合物波导构成。有对称和非对称两种基本结构。物波导构成。有对称和非对称两种基本结构。由于与光的分布耦合无关，其带宽仅取决于由于与光的分布耦合无关，其带宽仅取决于模色散的限制，因此极适合制作宽带分路器，模色散的限制，因此极适合制作宽带分路器，单窗口带宽可达单窗口带宽可达100

17、nm100nm。华南师大光电学院 黄旭光 制作关键制作关键: : 抑制分支点产生二阶横模及确定量佳的抑制分支点产生二阶横模及确定量佳的分支角。前者要求在分支点前面选择合分支角。前者要求在分支点前面选择合适的斜坡形波导；后者要兼顾最小分支适的斜坡形波导；后者要兼顾最小分支角和分支点处散射损耗随分支角增大而角和分支点处散射损耗随分支角增大而增加。对于非均分分路器，应采用非对增加。对于非均分分路器，应采用非对称分支，分光比通过调整分支角来控制。称分支，分光比通过调整分支角来控制。树形分路器可采用对称多分支结构，但树形分路器可采用对称多分支结构，但更多采用两分支波导串接方法。因为在更多采用两分支波导串

18、接方法。因为在工艺方面更易控制，且没有路数的限制工艺方面更易控制，且没有路数的限制 第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光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 cm )F

19、ab. 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华南师大光电学院 黄旭光第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄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)IL1IL2IL3IL4IL5I

20、L6IL7IL81x8SplitterTestData华南师大光电学院 黄旭光6.6.光光功率分配器功率分配器的特性参数的特性参数 插入损耗插入损耗(IL)(IL) 指定输出端口的光功率与全部输入功率指定输出端口的光功率与全部输入功率的比值。不仅有固有损耗因素，还有分的比值。不仅有固有损耗因素，还有分光比的影响光比的影响 附加损耗附加损耗(Excess Loss)(Excess Loss) 所有输出端口的光功率总和与全部输入所有输出端口的光功率总和与全部输入功率的比值。体现器件质量的指标，反功率的比值。体现器件质量的指标，反映器件的固有损耗，与分光比无关。映器件的固有损耗，与分光比无关。第三章

21、第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光3) 3) 分光比分光比(Coupling Ratio)(Coupling Ratio)分配分配器特有技术术语，定义为各输出端器特有技术术语，定义为各输出端口输出功率的比值，常用百分比表示口输出功率的比值，常用百分比表示。4 4）方向性）方向性(Directivity)(Directivity) 输入侧非注入光的一端的输出光功率与输入侧非注入光的一端的输出光功率与全部注入光功率的比值，以全部注入光功率的比值，以dBdB为单位为单位第三章第三章光功率分配器光功率分配器华南师大光电学院 黄旭光5 5）均匀性）均匀性(Uniformity) (Uniformity) 用来衡量均分器件的用来衡量均分器件的“不均匀程度不均匀程度”的的参数。定义为在器件工作带宽范围内，参数。定义为在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大