第21卷第6期光电技术应用Vol.21,No.6
2006年12月ELECTRO-OPTICTECHNOLOGYAPPLICATIONDecember.2006文章编号:1673-1255(2006)06-0037-05
光纤耦合器及其应用
黄天水,曹文华
(五邑大学信息学院,江门)
摘 要:光纤耦合器是一种定向耦合器,虽然目前光纤耦合器的大部分应用还只涉及到它的线性特性,,其中一个重要应用是全光开关.介绍了,,具体介绍了几种光纤耦合器的应用实例.
关键词:;中图分类号:T 文献标识码:A
FiberCouplerandItsApplications
HUANGTian2shui,CAOWen2hua
(InformationSchoolofWuyiUniversity,Jiangmen 529020,China)
Abstract:Fibercouplerisadirectionalcouplerthatiscrucialcomponentforopticalfibercommunica2tionsystems.Althoughpresentapplicationsoffibercouplermostlyinterfereinlinearcharacteristics,itsnonlineareffecthasbeenalreadyinvestigatedsince1982.However,allopticalswitchingisveryimportantapplicationinitsnonlineareffect.Thebasicstructureandworkprincipleoffibercouplerareintroduced.Theanalysisofitslinearandnonlineartheoryisdone.Severalcouplerapplicationsarepresentedfinally.
Keywords:fibercoupler;allopticalswitching;nonlineareffect
光纤耦合器也称光定向耦合器,是一种多根光纤之间或光源与光纤之间实现光功率定向传输的一种无源器件.传输的光的能量大小往往决定耦合器的工作状态,当输入光能量较低时,光纤耦合器处于线性工作状态;当输入光能量高到一定程度后,光纤中将产生非线性效应,即工作在非线性工作状态.全光开关是非线性光纤耦合器的一个非常重要的应用实例,同时在目前也是热门的研究课题.本文将介绍光纤耦合器的线性与非线性理论及其在光开关与其他方面的应用.
2根波导,把2根波导相互靠近放在一起,就做成了
最简单的耦合器.同理做成的两芯的光纤耦合器是四端口器件(二输入和二输出端口),光由一个输入端口引入,根据能量的不同直接耦合进2个输出端口或其中之一.光由某根光纤输入,再从同一根光纤输出,这根光纤叫直通臂,而另一根光纤称为交叉臂.如图1所示
.
1 工作原理及理论描述
自从Jensen在1982年发表了关于非线性定向耦合器的经典论文以来,人们对它的研究更加广泛深入.如果用具有很大磁化系数的绝缘材料制成
[1]
图1 光纤耦合器的基本结构
光纤耦合器的物理机制[2]可以理解为:当
一束光由光纤耦合器的一个纤芯入射时,因为不同的模式能量,2个纤芯中的光束,由于自相位
收稿日期:2005-09-11
作者简介:黄天水(19722),男,硕士研究生,研究方向为非线性光纤光学.
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调制(SPM)引起的相移也不同.结果,即使是对称的光纤耦合器因为非线性效应也表现出不对称性.实际上,这种情况与非对称光纤耦合器中的情况很类似.在非对称光纤耦合器中,不同的模传播常数引起2个纤芯间的相对相移.并阻碍了两者间全部能量的转移.
考虑耦合效应、SPM效应和群速度色散(GVD)效应后,归一化方程组描述:
2(1)i-|+202
9ζ2(2)i-|u2|2u2+Ku1=09ζ29且s=sgn(β1,K=kLD,ζ=z/LD,τ=2)=±
1/21/2T/T0,u1=(γA1,u2=(γA2.这里LD)LD)
度,可表示为Lc=π/(2k).输出能量P1=|A1|和P2=|A2|2,长度L处的能量为:
2
P1(L)=P0cos(kl)
2
P2(L)=P0sin2(kl)
(7)
式中的0≡A2.图2给出了2kz的P1/P0,虚线表示P2/P0.
图2 对称耦合器中2根纤芯的功率比作为kz的函数的曲线
LD=T20/|β2|是色散长度,T0是脉冲半宽度,A1和A2分别为耦合器2纤芯中光波的复振
2.1.2 线性脉冲开关情况
就低能量光脉冲而言,式(1)、式(2)中的非线性效应可以忽略.对宽脉冲输入,由于
LDµLC,此时GVD效应也可以忽略,开关情况
幅,β2为二阶色散系数,k为耦合系数,γ为非
线性系数.
当输入光的能量较低时,耦合器处于线性工作状态;当输入光的能量较高时,非线性效应不可忽略.
与低能量连续光束类似;对于窄脉冲输入,此时
LD与LC大小可比,或者LD
需考虑,则归一化方程组表示为:
2i-2+ku2=09ζ29τ
2i-2+ku1=09ζ29τ
设初始输入为:
)=Nsech(τ) u2(0,τ)=0u1(0,τ
2 工作状态及其理论分析
2.1 低能量输入情况
2.1.1 低能量连续光束输入情况
(8)
当低能量光束从光纤耦合器的一个输入端
口入射时,与时间有关的项可以设为零.自相位调制引起的相移很微弱,而SPM项也可以忽略,耦合模方程可以描述为:
=ikA2dz=ikA1dz
(3)(4)
(9)
在s=-1,K=1条件下,通过数值解方程组(8),可得出2根纤芯的能量比与kz的关系,其曲线形式与图2相同.脉冲在两纤芯中传输的演变过程示于图3,显然,脉冲在传输过程中被展宽,脉冲的幅度不断下降,这主要是二阶色散产生的结果.
考虑边界条件A1(0)=A0和A2(0)=0,则上述方程的解为:
(5)A1(z)=A0cos(kz)
A2(z)=A0sin(kz)
(6)
由上述解可知光在光纤耦合器内传输时一部分
能量会周期性的转移到第2个纤芯,最大转移距离在kz=mπ/2处,其中m是整数.第一次最大能量转移到第2个纤芯的最短距离称为耦合长
图3 脉冲在耦合器两纤芯中的演变过程
第6期 黄天水等:光纤耦合器及其应用 39
2.2 高能量输入情况
2.2.1 非线性准连续波开关情况
而2芯的输出能量接近于1.随着入射脉冲峰值功率的增加,转移能量减少,当峰值功率增加到
一定程度之后,SPM效应[427]十分明显,它阻碍了能量向另一根纤芯转移1芯的输出能量明显高于2
.
对于高功率光波输入,需要考虑SPM效应.当输入脉冲很宽从而色散长度LD比耦合长度
LC大很多时,称为准连续波输入,在这种情况下
GVD效应可以忽略,于是有:
γ|A1|2A1=ikA2+i
dz
γ|A2|2A2=ikA1+i
dz
(
图5 脉冲透射能量作为P=P0/PC的函数曲线
3 耦合器的应用
3.1 保偏光纤耦合器
保偏光纤耦合器可以分为熔融拉锥型与研磨
图4 kL=π/2的光纤耦合器中连续
波光束的非线性开关
抛光型2种.它的优点是在稳定的传输2个正交的线偏振光的同时,能长距离的保持各自的偏振态不变[8].其性能参数如耦合比,附加损耗等,主要由双锥体形状决定,而双锥体的形状主要由制造工艺来控制.制造保偏光纤耦合器必须使2根光纤偏振轴平行,只有这样才能制造出保偏耦合器.实验证明,折射率匹配型保偏光纤便于制造低损耗、小尺寸的保偏耦合器,同时要较好的控制腰部直径和锥体形状.耦合比可由拉伸长度来控制.消光比是评价保偏耦合器保偏性能的主要参数.保偏光纤耦合器的
结构如图6所示.
图4的实线为连续波输入情况下两输出端口能量相对于输入能量的函数曲线,L=LC,k=1/4,kL=π/2.引入临界能量Pc,它指的是耦合器两输出端口能量相等时所对应的入射光的能量.当初始输入的能量P0νPc时,入射能量完全转移到第2个纤芯(交叉状态);对于
P0>Pc,几乎没有能量转移到另一纤芯中(阻碍
状态).这样,依能量而定,一束光就能从一输出端口转换到另一输出端口.图4中的虚线表示宽脉冲即准连续波输入情况下的计算结果,可见此时的开关性能较连续波输入时要差.2.2.2 非线性超短光脉冲情况
当输入为超短光脉冲时,非线性效应和GVD对耦合器开关特性有明显影响.耦合模方
图6 保偏光纤耦合器示意图
程同式(1)、式(2).图5表示了双芯耦合器中孤子脉冲的开关特性[3],初始输入同式(9),N2=γLDP0=4KP,P=P0/PC是对连续波开关能量的归一化,选择K=1,KL=π/2.由图5可以看出,在输入脉冲峰值功率较低时,非线性效应(SPM)可以忽略,脉冲能量绝大部分都转移到另一根纤芯中,所以入射芯的输出能量接近于0,
3.2 星型耦合器
星形耦合器是光纤通信网的关键部件,通常采用2×2熔融拉锥光纤耦合器组成N×N星形耦合器,其结构较复杂[9].平板介质光波导多端口耦合器结构简单、耦合效率高,适于成批生产.N×N星型平板介质耦合器结构模型如图7所示.发射端口阵列位于以o′为圆心的圆弧o′p
光 电 技 术 应 用 第21卷40
处,oo′=R.带状波导宽度为a(发射端口)和a′(接受端口).当能量从N个带状波导端口中任一端口p中以主模Ψ激励空间区域,接着以辐射模的形式向前传播照射接受阵列.由于传输过程中产生衍射,最后只有一部分被接受阵列所截获,而辐射到接收阵列中每个端口op′的能量只有一部分能激励起这个端口的主模.由于Nµ1,
θa、aµλ,θ、′很小,即Rµa,
.
也可以用于抑制掺铒光纤放大器(EDFA)系统中的自发辐射噪声,提高系统的信噪比;另外,还
可用于模式分离和非线性开关等等.因此,光纤用[13].
图.在没有,1入射时,全部信4输出.若在耦合区的适当位置写入,由于光纤光栅的耦合作用,满足布拉格条件的信号由光栅反射并进入纤芯2,由端口2输出,其余信号仍由端口
4输出.
图8 光纤光栅耦合器原理图
3.5 塑料光纤耦合器
图7 星形耦合器结构示意图
3.3 全波光纤耦合器
光纤在制造过程中,若其中的氢氧根离子的
浓度较大,会在1385nm处形成一个吸收峰,需采取特别的措施来保证氢氧根离子的浓度小于10-6,1998年6月有人研制出全波光纤,消除了1385nm水峰,带宽达到了1280～1625nm,伴
塑料光纤耦合器以其制造简单、价格低廉、芯径大(一般在0.3～1mm)、接续便利、连接成本低、选材广、泛韧性好和力学性能优良等优点,最适合作为终端短距离通信网,如:局域网有线电视网尤其是光纤到户或最后1km的应用,而且,全氟塑料光纤的带宽和损耗等主要性能已经接近石英光纤,塑料光纤将进入一个全新的发展时期,与塑料光纤有关的各项研究和应用前景广阔[14-15].3.6 全光开关光纤耦合器的非线性效应也有许多潜在的应用,如作为超快全光开关[16-17]逻辑运算器[18].脉冲压缩器或鉴别器[19-20]信号放大器[21]等,其中研究最多的是作为高速信号处理的全光开关,其开关速度很快(可以
随着该光纤的出现,光通信网的各种节点器件的宽带特性日显重要.熔锥型全波光纤耦合器是光纤通信系统中重要的基本器件之一,其带宽达到了390nm(1260～1650nm).利用带宽拓展技术(非对称工艺)来改变器件的波长特性,使其带宽达到260～1650nm,使得在其带宽范围内均能满足分光精度的要求,而且满足低附加损耗、低偏振相关损耗[10212].3.4 光纤光栅耦合器
光纤光栅耦合器是光纤光栅和光纤耦合器工艺技术相结合派生的一种新型全光纤器件.它既具有光纤光栅优良的光谱特性,又兼有光纤耦合器多端口的特点,克服了光纤光栅后向反射式工作的缺点,是一种插入损耗小、波长选择性好的偏振无关器件.可用于制作波分复用通信系统中的分插复用器(OADM),进行信号的上/下载;
第6期 黄天水等:光纤耦合器及其应用 41
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图9 作为非线性开关的光纤耦合器示意图
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4 结束语
目前研究耦合器常用的理论有理论与非线性超模理论.作为全光纤型器件,光纤耦合器具有其他一些器件不能比拟的优势,比如插损低、低色散、高功率特性好等;另外,光纤耦合器本身造价比较低廉,生产工艺和品质控制比较成熟.光通信的发展对光通讯器件提出了一些更新更高的要求,从而促进了光纤耦合器技术的发展;反过来,光纤耦合器的推陈出新也推动了光通信的不断进步.
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敬 告 读 者
经有关部门批准《光电技术应用》,期刊从2007年开始,页码改为80页,每期定价
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