光纖耦合器的分類及發(fā)展前景分析

何修軍

摘 要：文章概述了光纖耦合器的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了光纖耦合器的分類及其性能參數(shù)，著重分析和研究了光纖耦合器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用及未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：光纖耦合器；偏振；光子晶體；非線性

光纖耦合器是一種光纖無源器件，主要實現(xiàn)光信號的傳輸和分配，是光纖通信系統(tǒng)中用得比較多的光無源器件之一，在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。由于光纖耦合器的問世，使得光纖系統(tǒng)更加小型化、集成化和緊湊化，大大促進了光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)的快速發(fā)展。正是因為有了光纖耦合器，全光纖系統(tǒng)也逐漸可以變成現(xiàn)實，也使得光纖系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化，同時也可以使系統(tǒng)的成本得到降低。發(fā)展光纖耦合器，也可以帶動各種光纖器件的發(fā)展，促進各種性能優(yōu)越的新型光纖器件的研制。

1 光纖耦合器的發(fā)展現(xiàn)狀

光纖耦合器的問世，促進了光纖通信的發(fā)展，自己本身也得到快速發(fā)展。最早采用熔接的方法實現(xiàn)了多模光纖之間的焊接，緊接著采用類似的熔接技術(shù)實現(xiàn)了單模光纖之間的焊接。進入80年代后，光纖通信逐步由多模向單模過渡，因而興起了單模光纖耦合器的研發(fā)熱潮。經(jīng)過了一段時間的探索，用FBT工藝制造耦合器的方法，由于其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高、可靠性好、全光纖化及成本低等一系列無可匹敵的優(yōu)點而在所有耦合器的制造方法中獨占鰲頭。從2000年美國光器件生產(chǎn)線大量外移到中國開始，國內(nèi)耦合器生產(chǎn)線如雨后春筍般建立，機器的需求量增加，但市場價格不斷下降，許多公司紛紛從國內(nèi)企業(yè)購買或仿造耦合器機器，但在技術(shù)上大同小異，沒有重大突破。雖然FBT技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)可以滿足耦合器市場的基本需求，但是要想在激烈的競爭中保持絕對的優(yōu)勢，就必須依靠技術(shù)上的突破，提高技術(shù)門檻。將來的FBT技術(shù)一定朝著類似半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)工藝那樣的方向發(fā)展，一次能生產(chǎn)出幾個、幾十個乃致幾百個核心部件，一次封裝后再分開便是一大批產(chǎn)品[1-3]。

2 光纖耦合器的分類與性能參數(shù)

光纖耦合器因其分類標(biāo)準(zhǔn)不同，可有諸多分類方式。根據(jù)端口形式、對稱性、工作帶寬、制作方式、傳輸模式等特性，有不同的分類。根據(jù)傳輸方向和對稱性可以分為光纖對稱耦合器和非對稱耦合器，根據(jù)偏振相關(guān)型，按工作帶寬可以分為窄帶耦合器和寬帶耦合器，按制作方式可以分為拋磨型耦合器、熔融雙錐型耦合器和微彎型耦合器，按傳輸模式可以分為單模光纖耦合器和多模光纖耦合器[3]。

光纖耦合器的主要性能參數(shù)包括分光比、附加損耗、插入損耗、平坦度、波長隔離度、偏振靈敏度以及回波損耗等。如何評價光纖耦合器的性能，大都基于這些參數(shù)。比如分光比反映耦合器的耦合輸出能力，附加損耗表明耦合器的耦合效率，耦合器的平坦度表明耦合器的有效工作波長，偏振靈敏度表明耦合器的偏振耦合輸出效果。

3 光纖耦合器的應(yīng)用與前景

隨著各種光纖通信和光纖傳感器件的廣泛使用，光纖耦合器的地位和作用愈來愈重要，并已成為光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域不可或缺的一部分。設(shè)計插入損耗小、耦合效率高、分光比可調(diào)并可實現(xiàn)特殊耦合的光纖耦合器，一直是光學(xué)領(lǐng)域科研工作者追逐的焦點和業(yè)內(nèi)人士的奮斗目標(biāo)。

3.1 偏振光纖耦合器

在光纖耦合器的快速發(fā)展同時，保偏光纖耦合器也開始出現(xiàn)。相對于普通光纖耦合器，保偏光纖耦合器有很多的優(yōu)勢。因此，在光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，而且高性能的保偏光纖耦合器更加受青睞。在國外，保偏光纖的研究和應(yīng)用已成為熱點，國內(nèi)保偏光纖的研究也開始得到重視。由于保偏光纖具有良好的保偏特性，從而在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。相干通信系統(tǒng)和光纖陀螺中用到的保偏光纖器件，比如保偏光纖耦合器、隔離器、波分復(fù)用器、濾波器、以及分束器/合束器等的制作都離不開保偏光纖[5]。

保偏光纖耦合器有很多優(yōu)點，比如偏振串?dāng)_小、附加損耗低以及能夠保持傳輸中的線偏振光的偏振態(tài)不變等，因此成為對精度和性能的要求都很高的光纖水聽器和光纖陀螺的重要組成部分，也在相干通信和軍用干涉型傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用，是非常重要的保偏光纖無源器件。最近幾年，國家為了大力發(fā)展和研究保偏光纖耦合器，投入了大量資金，并且大量的科研人員加入了保偏光纖耦合器的研究行列，未來保偏光纖耦合器一定會得到快速發(fā)展而被廣泛應(yīng)用。同時，單模偏振光纖耦合器作為保偏光纖耦合器的一種，也具有很好的性能優(yōu)勢，能夠有效解決偏振串?dāng)_、偏振相關(guān)損耗以及偏振模色散等問題，改善光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。總之，保偏光纖耦合器在未來一定會有可觀的前景。

3.2 光子晶體光纖耦合器

光子晶體光纖由于其許多不尋常的特性，如無限的單模操作、異常色散特性、大模面積和高非線性，引起了人們的廣泛興趣。因此，許多基于光子晶體光纖的光學(xué)器件，如高雙折射光子晶體光纖環(huán)路反射、超連續(xù)介質(zhì)生成源和基于模式耦合的光子晶體光纖器件都得到了研究。除了上述光子晶體光纖器件外，光纖系統(tǒng)中最重要的器件之一就是基于光子晶體光纖的定向耦合器。因此，對光子晶體光纖定向耦合器的研究有著巨大的需求。采用熔融雙錐錐形方法和邊拋光方法制備了光子晶體光纖定向耦合器[6]。

近年來，有關(guān)光子晶體光纖耦合器件的研究，引起了廣大科研工作者的興趣，并取得了一些階段性成果。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度將光子晶體光纖耦合器分為三大類：熔錐型光子晶體光纖耦合器、側(cè)面打磨型光子晶體光纖耦合器、雙芯或多芯光子晶體光纖耦合器。研究要使光子晶體光纖在通信系統(tǒng)中使用，應(yīng)該提供光子晶體光纖的一些基本光纖組件，其中一個主要部件是光纖耦合器。因此，光子晶體光纖耦合器未來前景一定非常可觀。

3.3 光柵光纖耦合器

近年來，出現(xiàn)了一種新型的光纖耦合器，它就是光纖光柵耦合器。光纖光柵耦合器可以很容易地設(shè)計在選擇性波長操作，特別適用于粗波長分區(qū)復(fù)用系統(tǒng)。單模光纖中形成長周期光纖光柵器件，它允許強光耦合從引導(dǎo)核心模式到一組選定的覆蓋模式在特定波長，因此功能作為一個帶阻濾波器。光纖光柵是低損耗、低反射的器件，在光纖通信和傳感中得到了廣泛的應(yīng)用。為了形成光纖光柵耦合器，由光纖光柵耦合到包層的光由包含相同光纖光柵的平行光纖收集[7]。由于兩種光纖的透射譜是互補的，一種具有帶阻特性，另一種具有帶通特性，因此，兩種并行光纖光柵的配置可以作為寬帶光插拔多路復(fù)用器。傳統(tǒng)的熔融錐形光纖耦合器無法實現(xiàn)這一功能?；谶@一原理的四端口光纖光柵耦合器已在實驗中得到驗證。光柵光纖耦合器的早期研究主要集中在將布拉格光柵引入波導(dǎo)或光纖耦合器以實現(xiàn)波長選擇性。布拉格光柵器件的一個缺點是它們在反射中工作，這可能會產(chǎn)生不必要的光反饋，并在恢復(fù)反射信號時造成額外的損耗。另一方面，光纖光柵耦合器在傳輸中工作沒有反射問題，這些優(yōu)點極大地促進了光纖光柵耦合器的廣泛應(yīng)用，今后潛在的市場非常大。

3.4 非線性光纖耦合器

非線性光纖耦合器主要是利用非線性材料構(gòu)成的光纖耦合器，而這種材料的折射率大小由入射光強度來決定。在這種耦合器中，當(dāng)入射光的強度很強時，會激發(fā)光纖的非線性特性，光纖的折射率會隨著光強度的變化發(fā)生改變，從而能使耦合器的耦合特性發(fā)生改變。普通光纖耦合器的功能比較單一且不便于控制，使得其應(yīng)用大大受限，如采用非線性材料制作的光纖耦合器，可利用非線性材料的折射率具有可控性的特點，也就是通過改變?nèi)肷涔獾膹姸葋砜刂品蔷€性材料的折射率，所以它具有很大的優(yōu)越性，它的開關(guān)特性和耦合器特性易于控制，同時還可獲得高速、高效的開關(guān)特性，對于光開關(guān)領(lǐng)域有著很大的市場和應(yīng)用前景[8]。

4 結(jié)語

通過研究表明，光纖耦合器的地位和作用愈來愈重要，必將成為光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域不可或缺的一部分。各種性能優(yōu)異的光纖耦合器，比如偏振光纖耦合器、光子晶體光纖耦合器等都將迅猛發(fā)展，前景非常可觀。

[參考文獻]

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