平面光波导分路器工作原理简介

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1、6平面光波导分路器工作原理简介分路器作为FTTx网络的核心部件，其在无源光网络(PassiveOpticalNetwork,PON)的一个典型应用表现在以下两个方面：   1.作为下行光信号(1490nm和1550nm)的功率分配器(Powersplitter)使用   2.作为上行光信号(1310nm)的合束器(Combiner)使用   详细的组网形式不是这里的讨论重点，读者可以参考相关专著(如GerdKeiser的《FTTXConceptsandApplications》)。这里主要讨论的是分路器的工作原理和性能。   目前市场上主流的分路器主要基于两种技术形式：熔融拉锥型(Fuse

2、dBiconicalTaper,FBT)和平面光波导(PLC)型。同样的，两种技术形式孰优孰劣，这里不作评论。无论基于何种技术形式的分路器，都是基于1x2基本结构的级联而成。FBT的1x2结构是一耦合器，而PLC的是一Y分支结构。这个看似简单的Y分支构件，其实并不简单，因为分路器的性能优劣很大程度上就是由它决定的。如何设计一个性能优异的Y分支结构属于技术机密(Classifiedtechnology)，这里不便讨论。这里仅就基于平面光波导技术的一个Y分支结构的分路器，即1x2分路器的工作原理作一简介。其实也就是从物理本质上粗略地解释为什么1x2分路器无论是上行，还是下行信号，其插入损耗都是

3、3dB。6   1x2分路器的功能结构可以用图1(a)的框图来表示：一个单模输入波导，两个单模输出波导。中间用来分束的结构有很多种，这里只给出了3种结构：图1(b)的定向耦合器型(DirectionalCoupler,DC)，图1(c)的无间距定向耦合器型(Zero-GapDirectionalCoupler,ZGDC)，以及图1(d)的模斑转换器型(SpotSizeConverter,SSC)。定向耦合器型和零间距定向耦合器型输入端都只用其中一个端口，并且无间距定向耦合器型其实是多模干涉型(Multi-ModeInterference,MMI)。现行市场上热卖的PLC分路器都是SSC型的

4、，之所以给出另外两种，是为了进行对比分析。   首先来看图1(b)的DC，入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。当该0阶模到达耦合区-两相互靠近的波导(间距为波长量级)时，根据超模理论(Supermodetheory)，将会在耦合区激励出如图中所示的两超模(由各独立波导中的0阶模叠加而成)：偶模(evenmode)和奇模(oddmode)，并且这两个超模具有几乎相等(近于简并)的传播常数。在偶模中，位于2个波导内的电场波峰是同相位；而奇模中两波峰是反相位。根据这样的相位关系，两超模叠加的场分布光功率，可以在相邻两波导中周期性的，成二次正(余)弦函数的，不断的交替变换。图中示

5、意图为刚好等分(half=3dB)入射光强时的模式(FBT1x2分路器原理与此类同)。   6再来考察图1(c)中的ZGDC，同样的入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0阶模)。虽然该结构也叫DC，但其工作模式与真正的DC完全不同。当入射0阶模到达两入射波导交叉点时，该处波导宽度突然增大一倍，其场宽也必然增大，变成另一0阶模。由于这两个0阶模不满足场的连续性条件，因此必然同时伴随着另一模式-1阶模的激发，而且1阶模的强度与0阶模相同。如是在中间宽度2w多模波导中便传输着两个模式，并且最多只有这两个模式：0阶模和1阶模(该2w波导为双模波导)。这样，在该区域内，光场分布就是这两个模式

6、(0阶模，1阶模)的相互干涉场分布(前面提到的MMI)。图中示意图为刚好在两输出单模波导中等分(half=3dB)输入光强时的模式。   图1(d)就是现行市场上的PLC1x2分路器-Y分支。其工作原理如下：当入射单模波导内的0阶模刚到达锥形区域-SSC时，这里波导结构并无发生任何变化，因此仍然保持该0阶模的形态。当该0阶模继续在SSC中传播时，虽然波导宽度不断变宽到2w，此时该波导内可以存在两个模式(前已述)。然而，由于SSC区域变宽的很缓慢，在每一点，都可认为满足场的连续性条件，所以并不会激发起高阶模(这里是1阶模)，而仅是0阶模的宽度随着波导的变宽而不断变宽，最后被输出单模波导等分(

7、half=3dB)输入光强。6   这三种类型的1x2分路器，两输出端都可以等分输入光强。其中前两种类型，由于在光传播方向上的结构是对称的，反过来用即光从任一原输出端输入时，从原输入波导中输出3dB(=half)的光这很好理解(1.另3dB的光从另外一波导输出；2.光路可逆-在光传播方向上结构对称)。然而，第三种结构表像看来，也出现相同的结果，即光从任一原输出端输入时，从原输入波导中输出3dB(=half)的光。关键是这