光纤耦合器的理论_设计及进展

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1、第30卷第1期物理学进展Vol.30No.12010年3月PROGRESSINPHYSICSMar.2010文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44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

2、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0引言期光栅耦合器,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1光纤耦合器的发展历程之一,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:一是器光纤耦合器自问世至今,

3、已被广泛使用于光纤件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波系统之中。其发展主要经历了三个阶段:萌芽阶段、与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输早期阶段、发展阶段。具有方向性。111萌芽阶段根据光的耦合原理,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(1)物质基础)))低损耗光纤问世耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周1970年,美国的Corning(康宁)公司率先成功[1]期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光拉制出损耗为20dB/km的低损耗光纤。这一光纤耦合器等。学领域的重大技术突破,为光纤的进一

4、步研发提供随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使了先进的技术手段。同时,也为光纤耦合器的问世用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为以及广泛应用奠定了雄厚的物质基础。光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。设计(2)理论依据)))耦合模方程推导[2]插入损耗小、耦合效率高、分光比可调并可实现特殊1972年,澳大利亚的Snyder成功推导出扰动耦合的光纤耦合器,一直是光学领域科研工作者追均匀光纤系统中的耦合模方程及耦合系数表达式,逐的焦点和业内人士的奋斗目标。理论上分析了分别位于多边形各顶点以及多边形中本文总结了光纤耦合器的发展历程、类型、制作心的光纤

5、系列耦合功率转换情况。同年,美国的[3]方法、性能参数、光纤耦合器的理论分析方法;在此Wijngaard给出了两根相同或相异的平行圆波导[4]基础上,对典型光纤耦合器的结构、工作原理及耦合间的模场分布。1973年,Snyder和McIntyre原特性进行了详细阐述;指出并展望了光纤耦合器发有基础上进一步研究了光纤各个模式间的功率转收稿日期: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

6、实验室开放基金项目资助*Email:zhangwg@nankai.edu.cn38物理学进展第30卷换。Snyder和Wijngaard出色的理论工作,为光纤纤耦合器,可实现两根光纤之间的单路耦合和定向耦合器的设计及光纤耦合器功率转换分析提供了可传输,这种熔融方法为光纤耦合器的研制指明了靠的理论依据。方向。(2)光纤系统集成化基元)))星型耦合器112早期阶段[7]1974年,Hudson和Thiel提出了星型耦合器(1)光纤耦合器雏形)))光纤连接器的思想,并设计出如图1所示的第一个星型光纤耦[5]1971年,Bisbee率先采用熔接的方法实现了合器。与

7、传统的T形耦合器相比,这种多端口的光[6]多模光纤之间的焊接。翌年,Dyott等人采用类似纤星型耦合器具有损耗更低、方向性更好、稳定性更的熔接技术实现了单模光纤之间的焊接,所进行的高、各端口等效等诸多优点。星型耦合器的出现为拉锥试验也获得了一定进展。光纤通信系统和光纤传感系统向着集成化、小型化Bisbee和Dyott等人采用熔融方法所设计的光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)))光纤定向耦合器器提供了一种新思路,为光纤耦合器的多元化开辟出现了新途径。[8]1975年,Kuwahara等人将两根多模光纤缠绕并在耦合区填

8、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。