全光纤耦合器件
摘要：简述熔融拉锥法制作全光纤耦合器件的原理，进而讨论全光纤耦合器的工作原理，并对未知耦合器件进行测试，具体分析其参数。
一、实验原理
1.熔融拉锥法
熔融拉锥法是将2根出去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，然后置于高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在加入形成双锥形式的特殊波导耦合结构，从而实现光纤耦合的一种方法。熔融拉锥法示意图如图1：
图 1熔融拉锥法示意图
2.光纤耦合器工作原理
图2所示为熔融拉锥型光
纤耦合器的结构模型。
其中：W2和W3分别为耦合
结构熔锥区II和III在光纤熔
烧时的拉伸长度；W1为耦合区I
的火焰宽度。耦合区的两光纤熔
图 2 光纤耦合器结构模型
烧时逐渐变细，两纤芯可以忽略
不计，两包层合并在一起形成以包层为纤芯、芯外介质（空气）为新包层的复合波导结构，实现两光纤的完全耦合。
当入射光从输入端1进入熔锥区II后，由于淡漠光纤的传导膜为2个正交的基膜信号，因此，光纤参量V随着纤芯的变细而逐渐变小，导致越来越多的光渗入包层；进入耦合区I 后，由于两光纤合并在一起，光在以新的包层为纤芯的复合波导中传输，并使光功率发生再分配；当光进入熔锥区III后，光纤参量V随着纤芯的变粗而逐渐增大，并使光以特定比例从输出端输出，即一部分光从直通臂直接输出，另一部分光从耦合臂输出。
在耦合区I，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，因此，耦合器为两波导构成的弱耦合结构。根据若耦合模理论：相耦合的两波导中的场，各保持该波导独立存在是的场分布和传输系数，耦合的影响仅表现在场的复振幅的变化。假设光纤是无吸收的，则随拉伸
长度Z不断变化，其变化规律可用一阶微分方程组表示如下：
式中：A1和A2为两光纤的模场振幅；和为两光纤在孤立状态下的传播常数；和为子耦合系数；和为互耦合系数。自耦合系数相对于互耦合系数很小，可以忽略，且近似有。当方程在z=0时满足A1(z)= A1(0), A2(z)= A2(0)，其解为：
其中：
为两传播常数的平均值；
F2为光纤之间耦合的最大功率；C为耦合系数，与工艺有关。
两输出端口的光功率为：
假定光功率由光纤输入端1进入，且归一化入射光功率A1(0)=1，A2(0)=0，则P3(0)=1，P4(0)=0。若采用同种光纤进行耦合，，故F2=1，有：
可知两输出功率周期性变化，且周期变化的快慢与耦合系数C及拉伸长度有关。光功率在两耦合光纤间周期性地切换，当耦合系数C确定后，调整拉伸长度，可以制作任意分光比的耦合器。
3.全光纤耦合器件参数
1)插入损耗(Insertion Loss, .)：无源器件的第i个输出端口和输入端口之间的光
功率的比值(dB):
其中，P outi是第i个输出端口的光功率，P in是输入端口的光功率。
2)附加损耗(Excess Loss, .) ：功率分配耦合器的所有输出端口光功率总和相对于
输入光功率的损失：
3)分光比(Split Ratio, .)：耦合器件个输出端口分配的比值，可以表示为个输出端
的比值，或者每个输出端与总输出的比值：
4)方向性(Directivity Loss, .)：输入一侧，肥猪如光的某一端口的反向输出光功
率与输入功率的比值，标准X和Y型一般.>60dB。：
其中P R表示非注入光的某一输入端口的反向输出光功率， P in表示指定输入端口注入的光功率。
5)均匀度：对于要求均匀分光的耦合器定义在工作带宽内各输出端口输出光功率的最
大变化量：
6)偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss, ：光信号以不同的偏振态输入时，
对应输出端口插入损耗最大变化值。
二、实验用具与装置图
1.稳定化光源OSS-155C（波
长1550nm）、光功率计、掺
饵光纤放大器(EDFA)、跳
线、适配器、偏振控制器、
镜头纸。
2.耦合器DWFC0250A001111
（单模1310或1550宽带，
图 3 2×2耦合器DWF0250A00111分光比1：1）
三、实验记录与数据处理
实验目的在于测量2X2耦合器的参数，先测量光源光功率，后连入耦合器对各端口进行测量，即可测得耦合器参数。每次读数后拔出功率计光纤，于擦镜纸擦净后重复测量，排除光纤接头灰尘对测量的影响。
光源光功率测量
打开光源电源，稳压器，使用标准跳线接入光功率计，待光源稳定后，记录光源光功率，数据如下表1,采用W与dBm两种读数：
表格 1 光源功率记录表
n12345
功率P IN(W/dBm)1463/1456/1461/1463/1455/
由表1数据可得，光源平均功率为
标准误差为
故光源功率为
光从IN1输入，测量OUT1，OUT2和IN2的光功率，记录于表2
表格 2 IN1输入各端口光功率
n12345
P IN2(W/dBm)
P OUT1(W/dBm)700/702/703/704/704/
P OUT2(W/dBm)660/666/672/668/672/
可得IN2端光功率为：
OUT1端光功率为：
OUT2端光功率为：
再由参数计算公式以及误差传递公式，可得IN1输入时耦合器参数如下表
表格 3 IN1输入下耦合器部分参数
/dB.. /dB. /dB
* 分别是输出端1(直通臂)与输出端2(耦合臂)的插入损耗，分光比.采用直通臂功率：耦合臂功率来表示。
在输入端前接入偏振控制器，依次调节3个圆环，可导致光纤的扭曲，从而产生双折射现象，引起偏振态的改变，得输出端功率最大值与最小值如表4。
表格 4 IN1输入下耦合器偏振相关损耗
P max(W/dBm)P min(W/dBm)
更换光输入端口重复测量，从IN2输入，测量OUT1，OUT2和IN1光功率，记录于表5
表格 5 IN2输入下耦合器各输出端光功率
n12345
P IN2(W/dBm)
P OUT1(W/dBm)650/649/642/641/641/
P OUT2(W/dBm)676/674/676/677/679/可得IN1端光功率为：
OUT1端光功率为：
OUT2端光功率为：
可得参数如下表：
表格 6 IN2输入下耦合器部分参数
/dB.. /dB. /dB
* 分别是输出端1(直通臂)与输出端2(耦合臂)的插入损耗，分光比.采用直通臂功率：耦合臂功率来表示。
同样，接入偏振控制器，记录于表7:
表格 7 IN2输入下耦合器偏振相关损耗
P max(W/dBm)P min(W/dBm)
将不同输入端所测到的耦合器参数进行对比，如表8
表格 8 参数对照表
参数IN1输入IN2输入直通臂插入损耗/dB
耦合臂插入损耗/dB
附加损耗. /dB
分光比(直通臂：耦合臂)
方向性. /dB
均匀度. /dB
直通臂偏振相关损耗/dB
耦合臂偏振相关损耗/dB
比较两列参数，从分光比（直通臂：耦合臂）均比较接近1可知，实验所用耦合器为分光比1:1的2X2光纤耦合器。分光比为1:1的耦合器两臂插入损耗应为，相比下，实验中测得的插入损耗都较大。实验中进行了多次测量，每次测量都将光纤端面进行了清洁，尽量排除了端面上灰尘带来的损耗。故实验中的所增加的损耗主要是器件的固有损耗。器件的固有损耗包括几部分：全光纤器件光纤本身散射的损耗；器件端面菲涅尔反射带来的损耗；光纤熔接处引入的损耗；以及光纤耦合熔接部分的损耗。其中，由于器件尺寸较小，光纤本身散射的损耗可以忽略。
另外，两种输入情况下，直通臂的插入损耗均比耦合臂的插入损耗要小，这主要是由于分光比不是严格的1:1，且耦合部分有一定损耗。
至于耦合器的方向性.，如实验原理中所述，标准X型和Y型.>60dB，而实验测得的却只有。分析可知，方向性测量目的在于测量耦合部分光受到局部反射散射等传播方向改变的光功率，进而衡量器件保持光沿要求方向传播的能力。而实验中测到的光功率除了该部分还有一大部分是光纤端面的菲涅尔反射光。为了排除这一部分，应该在测量时加入匹配液，使端面反射消失。
最后讨论直通臂与耦合臂的偏振相关损耗的关系。从表中可以看出，直通臂的偏振相关损耗要比耦合臂偏振相关损耗要大，偏振相关损耗是结构中局部产生双折射等现象导致光功率的损耗，可能正因为实验所用耦合器耦合区域分光界面存在双折射现象较多，使得光从耦合区进入耦合臂时损耗要比进入直通臂要多。但亦有文献显示，分光比1：1的分光器直通臂与耦合臂的偏振相关损耗是相等的。单凭本次实验，无法作出结论。
四、 思考题
1. 分光比为1：1的耦合器为什么又叫3dB 耦合器
答: 因为分光比为1：1的耦合器的插入损耗为dB L I 010.32
1
lg
10..=-=。 2. 真正体现耦合器对整个系统影响的参数是插入损耗还是附加损耗
答：附加损耗才能真正体现耦合器对整个系统影响。因为插入损耗是针对单个端口而言，附加损耗是针对所有端口的和而言，更能全面体现耦合器对整个系统影响。 3. 标准跳线的作用和测量方案关系。
答：使得各个端口输进输出到耦合器时光纤及插损带来的影响比较对称，有利于减小误差。
4. 由于存在连接器的插损误差，在测量中怎么更好的减少测量误差
答：插前用镜头纸轻轻擦拭连接端口，连接时仔细对准端口，使纤芯接触良好。多次插拔光纤接头，排除清洁不干净造成的影响。