光纖耦合器的理論_設計及進展

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1、第30卷第1期物理學進展Vol.30No.12010年3月PROGRESSINPHYSICSMar.2010文章編號:1000-0542(2010)01-0037-44光纖耦合器的理論、設計及進展林錦海,張偉剛(南開大學現(xiàn)代光學研究所,光電信息技術科學教育部重點實驗室,天津300071)摘要:系統(tǒng)總結了光纖耦合器的發(fā)展歷程,歸納提煉出各個階段的標志性事件;詳細闡述了光纖耦合器的耦合類型、制作方法、性能參數(shù);詳細評述了光纖耦合器的理論分析方法;全面分析了X型、星型、光柵型、混合型等各種典型光纖耦合器的基本結構、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纖耦合器的發(fā)展

2、方向和應用前景。作者率先提出并設計了超長周期光纖光柵耦合器,實驗上實現(xiàn)了兩個超長周期光纖光柵之間的有效耦合。關鍵詞:光纖光學;光纖耦合器;光纖通信;光纖傳感;超長周期光纖光柵中圖分類號:TN253;TN929文獻標識碼:A展方向和應用前景。本文報道了作者設計的超長周0引言期光柵耦合器,以及從實驗上實現(xiàn)兩個超長周期光纖光柵之間有效耦合的實驗結果。光纖耦合器是一種用于傳送和分配光信號的光纖無源器件,是光纖系統(tǒng)中使用最多的光無源器件1光纖耦合器的發(fā)展歷程之一,在光纖通信及光纖傳感領域占有舉足輕重的地位。光纖耦合器一般具有以下幾個特點:一是器光纖耦合器自問世至今,

3、已被廣泛使用于光纖件由光纖構成,屬于全光纖型器件;二是光場的分波系統(tǒng)之中。其發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段:萌芽階段、與合波主要通過模式耦合來實現(xiàn);三是光信號傳輸早期階段、發(fā)展階段。具有方向性。111萌芽階段根據(jù)光的耦合原理,人們已經(jīng)設計出了多種光纖耦合器器結構。包括:X型光纖耦合器、星型光纖(1)物質基礎)))低損耗光纖問世耦合器、雙包層光纖耦合器、光纖光柵耦合器、長周1970年,美國的Corning(康寧)公司率先成功[1]期光纖光柵耦合器、布拉格光纖耦合器、光子晶體光拉制出損耗為20dB/km的低損耗光纖。這一光纖耦合器等。學領域的重大技術突破,為光纖的進一

4、步研發(fā)提供隨著各種光纖通信和光纖傳感器件的廣泛使了先進的技術手段。同時,也為光纖耦合器的問世用,光纖耦合器的地位和作用愈來愈重要,并已成為以及廣泛應用奠定了雄厚的物質基礎。光纖通信和光纖傳感領域不可或缺的一部分。設計(2)理論依據(jù))))耦合模方程推導[2]插入損耗小、耦合效率高、分光比可調并可實現(xiàn)特殊1972年,澳大利亞的Snyder成功推導出擾動耦合的光纖耦合器,一直是光學領域科研工作者追均勻光纖系統(tǒng)中的耦合模方程及耦合系數(shù)表達式,逐的焦點和業(yè)內人士的奮斗目標。理論上分析了分別位于多邊形各頂點以及多邊形中本文總結了光纖耦合器的發(fā)展歷程、類型、制作心的光纖

5、系列耦合功率轉換情況。同年,美國的[3]方法、性能參數(shù)、光纖耦合器的理論分析方法;在此Wijngaard給出了兩根相同或相異的平行圓波導[4]基礎上,對典型光纖耦合器的結構、工作原理及耦合間的模場分布。1973年,Snyder和McIntyre原特性進行了詳細闡述;指出并展望了光纖耦合器發(fā)有基礎上進一步研究了光纖各個模式間的功率轉收稿日期:2009-11-18基金項目:國家自然科學基金(10674075,10974100,60577018)、天津市應用基礎與前沿技術研究計劃重點項目、國家863計劃項目(2006AA01Z217)、光電信息技術科學教育部重點

6、實驗室開放基金項目資助*Email:zhangwg@nankai.edu.cn38物理學進展第30卷換。Snyder和Wijngaard出色的理論工作,為光纖纖耦合器,可實現(xiàn)兩根光纖之間的單路耦合和定向耦合器的設計及光纖耦合器功率轉換分析提供了可傳輸,這種熔融方法為光纖耦合器的研制指明了靠的理論依據(jù)。方向。(2)光纖系統(tǒng)集成化基元)))星型耦合器112早期階段[7]1974年,Hudson和Thiel提出了星型耦合器(1)光纖耦合器雛形)))光纖連接器的思想,并設計出如圖1所示的第一個星型光纖耦[5]1971年,Bisbee率先采用熔接的方法實現(xiàn)了合器。與

7、傳統(tǒng)的T形耦合器相比,這種多端口的光[6]多模光纖之間的焊接。翌年,Dyott等人采用類似纖星型耦合器具有損耗更低、方向性更好、穩(wěn)定性更的熔接技術實現(xiàn)了單模光纖之間的焊接,所進行的高、各端口等效等諸多優(yōu)點。星型耦合器的出現(xiàn)為拉錐試驗也獲得了一定進展。光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)向著集成化、小型化Bisbee和Dyott等人采用熔融方法所設計的光發(fā)展提供了技術保障。圖1星型耦合器的橫截面示意圖(3)光纖定向耦合器問世)))光纖定向耦合器器提供了一種新思路,為光纖耦合器的多元化開辟出現(xiàn)了新途徑。[8]1975年,Kuwahara等人將兩根多模光纖纏繞并在耦合區(qū)填

8、充折射率匹配液,構成世界上第一個光纖定向耦合器,其結構如圖2所示。