光纤的耦合

    任务二　光纤的耦合

    ◆知识点

    ¤　光源与光纤的耦合效率

    ¤　光源与光纤耦合方式的分类

    ¤　光纤与光纤的耦合方式的分类

    ¤　FBT耦合方式的工作原理及特点

    ¤　光耦合器参数的计算

    ◆任务目标

    ¤　分析FBT耦合方式的工作特点

    ¤　会估算光源与光纤的耦合效率

    ¤　会计算光耦合器参数

    任务导入：

    光纤的耦合一般来讲主要是指两个方面的内容，一是指把光源发出的功率最大限度的输送进光纤中去，即光源与光纤的耦合；一是指把光信号在光纤上由一路向两路或多路传送，或把N路光信号合路再向M路或N路分配，即光纤的分光与合光。

    下面，我们将从这两个方面来讨论光纤耦合这个问题。

    相关知识：

    1.光源与光纤的耦合

    （1）光源与光纤的耦合效率

    光源与光纤的耦合效率的高低直接影响入纤功率的大小，从而影响光纤传输系统中的传输距离和中继站间隔距离的远近。提高耦合效率对于光纤通信系统来说是非常有价值的。光耦合效率定义为耦合入光纤的功率与光源发出的功率的比值，表达式为

    　　　　　　　　　　η＝P_F／P_S　　　　　　　（5.1）

    式中，PF为耦合入光纤的功率；PS为光源发出的功率。

    影响耦合效率的因素包括光源和光纤两个。对于光源而言，光源的尺寸、面辐射强度、角向功率分布等参量都会对耦合效率产生影响。对于光纤而言，数值孔径NA、纤芯尺寸、折射率分布等参量也会对耦合效率产生影响。通信光纤的数值孔径NA一般较小（0.2左右），而半导体光源发散角一般较大，光纤接收角外的光源辐射不能进入光纤传输，所以通常情况下，光纤数值孔径损耗是限制耦合效率的主要因素，尤其对光束发散角较大的面发光二极管（SLED）更是如此。图5.15为面发光LED、边发光二极管和半导体激光管的数值孔径与耦合效率的关系比较。

    

    

    图5.15　几种光源的数值孔径与耦合效率的比较

    （2）直接耦合

    光源与光纤耦合最简单的方法是直接耦合，即把光纤平端面直接对准光源发光面。这种方法虽然简单，但耦合效率很低。现以面发光LED与光纤的耦合为例，来说明这种耦合方式耦合效率及耦合效率与光源发散角和光纤数值孔径的关系。面发光LED的输出辐射光强符合朗伯分布，即沿θ角方向辐射强度满足

    I（θ）＝I₀cosθ　　　　　　　　（5.2）

    式中，I₀为光强沿θ＝0方向的辐射强度。在θ方向，Δθ对应的小立体角ΔΩ内，辐射功率为I₀cosθΔΩ，而ΔΩ＝2πsinθΔθ，因此光源发射的总功率为

    

    光纤从光源接收的最大功率为

    

    则面发光LED与光纤的耦合效率为

    　　　　　　　　　　　η＝P_F／P_S＝（NA）²　　　　　　　　　　　（5.5）

    即耦合效率为数值孔径的平方。设数值孔径取NA＝0.13，则耦合效率只有η≈2%，非常的低。

    对于边发光LED和LD，它们的发散角比面发光LED要小，设其垂直和平行与结平面的发散角分别为θ_⊥和θ_∥，则它们与光线的直接耦合效率可按（式5.6）估算

    

    设条形LD的θ_⊥＝45°，θ∥＝8°，NA＝0.15，则计算出耦合效率η≈14%。可见，即使是发散角比较小的LD，其耦合效率也只有大约14%。光源发出的80%以上的功率都损耗掉了。

    （3）透镜耦合

    为了提高耦合效率，可以在光源与光纤端面之间插入一个透镜，称为透镜耦合。但透镜耦合方式并不是一定能提高耦合效率。这里有一个耦合效率准则概念。由几何光学中的刘维定理可知，对于朗伯型光源（如发光二极管），不管中间加什么样的光学系统，它的耦合效率不会超过一个极大值：

    

    （式5.7）表明：当发光面积S_e大于光纤接收面积Sf时，加任何光学系统都没有用，最大耦合效率可用直接耦合得到。

    

    

    图5.16　端球面透镜耦合

    当发光面积S_e小于光纤接收面积Sf时，加上光学系统是有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积愈小，耦合效率提高得愈多。在这个准则下，有如下透镜耦合方式：

    ①光纤端面球透镜耦合。这种方法是将光纤端面做成一个半球形，使它起到短焦距透镜作用。从图5.16可见，端面球透镜可起到提高光纤的等效收光角的作用，因而耦合效率提高了。实验表明这种耦合方法对阶跃型光纤效果较好，对折射率梯度型光纤则效果差些。

    ②圆柱透镜耦合。半导体激光器所发出的光在空间是不对称的，在平行于PN结方向上光束比较集中（2θ∥约为5°～6°），在垂直于PN结方向上发散较大（2θ⊥约为40°～60°）。所以直接耦合时效率不高。如果设法使垂直于PN结方向上的光束压缩，整个光斑从细长的椭圆形变为接近圆形，然后再与圆形截面的光纤相耦合，这样耦合效率就会有很大提高。利用圆柱透镜可以达到这个目的。装置如图5.17所示。

    

    

    图5.17　圆柱透镜耦合

    详细研究表明，当柱透镜半径R与光纤半径相同，激光器位于光轴上，且镜面位于Z＝0.3R时，可得到最大耦合效率，约为80%。如果激光器的位置在轴向有偏离，则耦合效率明显下降，也就是说，这种耦合方式对激光器、圆柱透镜及光纤相对位置的精确性要求很高。

    ③凸透镜耦合。先将光源放在凸透镜的焦点上，使光变为平行光，然后再用另一个凸透镜将此平行光聚焦到光纤端面上。如图5.18所示。这种耦合器由两部分合成，每部分各含一个凸透镜。由于是平行光，连接部分的精确度要求不高。调整、组装等都比较容易，使用也比较方便。耦合效率可达80%以上。

    

    

    图5.18　凸透镜耦合

    ④自聚焦透镜耦合。用一段长度为L_T／4的自聚焦光纤代替图5.18所示的凸透镜，也可构成耦合器。一般是将光纤与自聚焦光纤透镜胶合在一起，平行光进入自聚焦透镜，经聚焦全部进入光纤，如图5.19所示。这种耦合形式，结构紧凑，稳定可靠，耦合效率一般在50%左右。

    ⑤圆锥形透镜耦合。将光纤的前端用腐蚀的办法或者用烧熔拉细的办法做成圆锥形，前端半径为a₁，光纤自身半径为a_n。光从前端以θ′角入射进光纤，经折射后以γ₁角射向界面A点，如图5.20所示。

    

    

    图5.19　自聚焦透镜耦合

    

    

    图5.20　圆锥透镜耦合

    因界面为斜面，所以γ₂＜γ₁。如果锥面的坡度不大。即圆锥形的长度远大于a_n—a₁时，近似有

    

    可以证明，有圆锥时光纤的接收角θ′_c与平端时光纤的接收角θ_c之间有如下关系

    

    这表明，有圆锥透镜的光纤的数值孔径是平端光纤数值孔径的a_n／a₁倍。

    只要前端面直径2a₁比光源面积大，这种耦合方式的效率可高达90%以上。

    （4）光纤全息耦合

    由于光全息片可以将光的波前互相变换，因此，可以用来作为一种光纤耦合器。全息耦合的制作方法如图5.21（a）所示。激光经过光纤后成为发散光，作为物光I_F，而由M镜反射的直线光作为参考光I_O。用重铬酸明胶或卤化银照相乳胶片作全息记录介质。这个全息片就是一个光纤耦合器，如图5.21（b）所示。理论上讲，这种耦合方式的耦合效率是非常高的，但是，由于全息片的衍射效率的影响及衰减损耗，实际耦合效率与透镜耦合相比并不优越。但它的最大优点是，可以作为多功能的光学元件来应用。例如使用全息耦合器件的光纤传感器系统，它可使常规光纤传感器系统大为简化。

    2.光纤的分光与合光耦合器

    光纤的分光与合光耦合器是指把光信号在光纤上由一路向两路或多路传送，或把N路光信号合路再向M路或N路分配的装置，是光纤与光纤的耦合，属于光无源器件，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中均得到广泛的应用。光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光信号分成两个功率）、星状／树状耦合器以及WDM耦合器。从制作方式来分，主要有熔接双锥渐细（FBT）耦合器（以后简称FBT耦合器）、微光学式（Micro Optics）耦合器、光波导式（Wave Guide）耦合器等，如图5.22所示。

    

    

    图5.21　全息耦合

    

    

    图5.22　几种制作方式的耦合器

    这些结构的耦合器不是没有缺点的。FBT耦合器和微光学式耦合器很难达到高端口数，制造波导耦合器则需要很大的投资，成本较高。一般来说，FBT耦合器最适合低价、低端口数的应用；光波导式耦合器在有16或更多端口的网络中工作最好；微光学式耦合器适用于高性能通信网络。但涉及集成到光纤网络能力时，FBT耦合器最好。

    下面我们主要介绍一下FBT耦合器。

    （1）FBT耦合器的工作原理

    FBT耦合器是利用熔融拉锥法制成的光纤耦合器，将一根或两根（或以上）的除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在熔接区形成双锥形式的特殊波导结构，实现传输光功率的耦合。

    当拉长加热的光纤时，纤芯直径会减少，因为有（其中，2a＝d是光纤的纤芯直径，λ是工作波长，n和Δ分别是平均折射率和相对折射率），则V值变小。而V值越小，模场直径（MFD）超过光纤纤芯直径就越多。因此，纤芯直径减小使一个光模式的很多部分在包层中被耦合到其他光纤的纤芯中去了。

    随输入模式的模场直径在下行渐细区变得越来越大，耦合过程逐渐发生。在耦合区内，由于两个纤芯靠得常接近，则光模从一个纤芯耦合到另一个纤芯，在上行渐细区光纤直径增大，光模式越来越多地被限制在纤芯内，最终两个分离的模式从两根分开的光纤输出。参看图5.22（a）。

    （2）FBT耦合器的优点

    FBT耦合器主要有如下四个优点：

    第一，极低的附加损耗。光从纤芯模式转换到耦合模式，然后再转换回纤芯模式在理论上是无损耗的。又因为光在耦合过程中从未离开光纤结构，所以它从未遇到任何界面，因此无回射。对于X型和Y型耦合器，附加损耗小于0.05dB。

    第二，由于FBD耦合器是由常规光纤制作的，连接一个FBD耦合器到传输光纤是容易而且是低损耗的。

    第三，方向性好，一般达到60dB，保证了传输光信号的定向性，减小了线路之间的串扰。

    第四，良好的环境稳定性，光路结构简单紧凑，在-40～85℃温度范围内耦合器可以保证稳定工作。

    第五，制作成本低，适合批量生产。

    3.描述光耦合器特性的一些技术参数

    （1）插入损耗（Insertion Loss）

    　　　　　　　　　　　　　IL_i＝-101gPo_uti／P_in（dB）（5.10）

    式中，以IL_i为第i个输出端口的插入损耗；Pouti为第i个输出端口的光功率；P_in为输入的光功率。

    （2）附加损耗（Excess Loss）

    

    对于光耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程带来的附加固有损耗。插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与分光比有很大的关系。插入损耗并不能反映器件制作质量，这一点值得注意。

    （3）分光比（Coupling Ration）

    

    它是光耦合器特有的技术指标。

    （4）方向性（Directivity）

    方向性是光耦合器特有的技术指标，是衡量器件定向传输特性的参数。以图5.23为例，由2端输出的光功率P_IN2（out）与全部注入的光功率P_IN1之比即为方向性参数，为

    

    

    

    图5.23　耦合器的方向性

    （5）均匀性（Uniformity）

    均匀性用来衡量光耦合器的不均匀程度：

    

    （6）隔离度（Isolation）

    

    式中，Pouti为在第i个光输出端测到的其他输出光功率；P_ini为输入光功率。

    知识应用：

    例1　设光源为条形LD，其θ_⊥＝45°，θ∥＝9°，光纤数值孔径NA＝0.14，计算光源耦合入光纤的直接耦合效率。

    解：由LD光源与光纤直接耦合效率计算式

    

    可得LD光源耦合入光纤的直接耦合效率为

    

    则该光源耦合入光纤的直接耦合效率为11.7%。

    例2　一无源树型耦合器（1×2），输入端注入光功率30mW，两个输出端口光功率分别是4.9mW和5.1mW，求此耦合器的各端口插入损耗。

    解：由（式5.10）可得两端口插入损耗分别为：

    IL₁＝-101gP_out1／P_in＝-101g（4.9／30）＝7.9（dB）

    IL₂＝-101gP_out2／P_in＝-101g（5.1／30）＝7.7（dB）

    思考题与习题

    1.光源与光纤耦合时，耦合效率的高低主要与哪些因素有关？是什么样的关系？

    2.利用透镜耦合来提高耦合效率，有什么条件限制？

    3.FBT耦合器有什么优缺点？

    4.一个1×6无源树型耦合器，输入端注入光功率35mW，六个输出端口光功率分别是4.9mW、5.0mW、5.2mW、4.9mW、5.0mW和5.1mW，求此耦合器的各端口插入损耗、附加损耗和分光比。