第四章-无源耦合器课件

第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件4.1 概述概述4.2 熔融拉熔融拉锥锥型全光型全光纤纤耦合器耦合器4.3 波波导导型光耦合器型光耦合器4.4 耦合器前景展望耦合器前景展望1精选pptn定定义义：能使：能使传输传输中的光信号在特殊中的光信号在特殊结结构的耦合构的耦合区内区内发发生耦合，并生耦合，并进进行再分配的器件。或光耦行再分配的器件。或光耦合器是合器是实现实现光信号分路光信号分路/合路的功能器件。合路的功能器件。n光耦合器的功能是把一个光耦合器的功能是把一个输输入光信号分配入光信号分配给给多多个个输输出，或把多个出，或把多个输输入的光信号入的光信号组组合成一个合成一个输输出。出。n耦合器（耦合器（coupler）基本）基本结结构构:耦合器多耦合器多为为双向双向无源器件无源器件，基本形式有基本形式有X型、型、Y型、型、树树型、星型、星型等型等第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件2精选ppt第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件n耦合器（耦合器（coupler）n主要功能再分配光信号主要功能再分配光信号n重要重要应应用在光用在光纤纤网网络络n尤其是尤其是应应用在局域网用在局域网n在波分复用器件上在波分复用器件上应应用用3精选ppt光耦合器分光耦合器分类类v从端口形式从端口形式X X型、型、Y Y型、星型以及型、星型以及树树型型v从工作从工作带宽带宽的角度的角度单单工作窗口的窄工作窗口的窄带带单单工作窗口的工作窗口的宽带宽带双工作窗口的双工作窗口的宽带宽带v从从传导传导光模式光模式多模与多模与单单模模v从器件工从器件工艺实现艺实现方式方式分立光学元件分立光学元件组组合型合型光光纤纤型光耦合器型光耦合器集成波集成波导导型型4精选ppt几种常几种常见见光耦合器光耦合器结结构示意构示意图图5精选pptn光耦合器光耦合器类类型型T T型型光光耦耦合合器器是是一一种种2121的的3 3端端耦耦合合器器，可可把把一一根根光光纤纤输输入入的的光光信信号号按按一一定定比比例例分分配配给给两两根根光光纤纤，或或把把两两根根光光纤纤的的输输入入光光信信号号组组合合在在一一起起，输输入入一一根根光光纤纤。主主要要用用做做不不同同分分路路比比的的功功率率分分配器或配器或组组合器。合器。星星型型光光耦耦合合器器是是一一种种nmnm的的耦耦合合器器，可可把把n n根根光光纤纤输输入入的的光光功功率率组组合合在在一一起起，均均匀匀地地分分配配给给m m根光根光纤纤。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件6精选ppt定定向向光光耦耦合合器器是是一一种种2222的的3 3端端或或4 4端端耦耦合合器器。只只用用于于作作分分路路器器，不不能能作作合合路路器。器。波波分分复复用用/解解复复用用器器波波分分复复用用器器是是与与波波长长有有关关的的耦耦合合器器，用用于于把把多多个个不不同同波波长长的的发发射射机机输输出出的的光光信信号号组组合合在在一一起起，输输入入到到一一根根光光纤纤；解解复复用用器器用用于于把把一一根根光光纤纤输输出出的的多多个个不不同同波波长长的的光光信信号号分分配配给给不同的光接收机。不同的光接收机。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件7精选ppt第四章第四章 无源耦合器无源耦合器n常用光耦合器类型示意图1（b）星型（c）定向型（d）波分复用型（a）T型42312 N8精选pptn4.1.2 描述光耦合器特性的一般技描述光耦合器特性的一般技术术参数参数1插入插入损损耗耗(Insertion Loss)插入插入损损耗定耗定义为义为-指定指定输输出端口的光功率相出端口的光功率相对对全部全部输输入光功率的减少入光功率的减少值值。（。（或或说说是一个指定是一个指定输输入端光功率入端光功率P Picic和另一个指定和另一个指定输输出端的光功率出端的光功率P Pococ的比的比值值。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件9精选pptn2附加附加损损耗耗(Excess loss)全部全部输输出端口的出端口的输输出光功率出光功率总总和相和相对对于全部于全部输输入光功率的减少入光功率的减少值值。附加附加损损耗是体耗是体现现器件制造工器件制造工艺质艺质量的指量的指标标，反映的是器件制作，反映的是器件制作过过程程带带来来的固有的固有损损耗；而插入耗；而插入损损耗耗则则表示的是表示的是各个各个输输出端口的出端口的输输出功率状况出功率状况，不，不仅仅有固有有固有损损耗的因素，更考耗的因素，更考虑虑了分光比了分光比的影响。所以插入的影响。所以插入损损耗不能反映器件制作耗不能反映器件制作质质量的量的优优劣。劣。（4.2）第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件10精选pptn3分光比（或耦合比）（分光比（或耦合比）（Coupling Ratio）是指耦合器各是指耦合器各输输出端口的出端口的输输出功出功率的比率的比值值，在具体，在具体应应用中用相用中用相对对于于输输出出总总功率的百分比来表示。功率的百分比来表示。(4.3)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件11精选pptn4.方向性（Directivity）方向性是衡量器件定向方向性是衡量器件定向传输传输特性的参特性的参数。定数。定义为义为从一个从一个输输入端到另一个入端到另一个输输入入端的插入端的插入损损耗，即在耦合器正常工作耗，即在耦合器正常工作时时，输输入一入一侧侧非注入光的一端的非注入光的一端的输输出功率与出功率与全部注入光功率的比全部注入光功率的比较值较值，数学表达式，数学表达式为为：(4.4)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件12精选ppt 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件13精选ppt5.均匀性（均匀性（Uniformity）均匀性就是用来衡量均分器件的均匀性就是用来衡量均分器件的“不均匀程不均匀程度度”的参数。的参数。对对均分性的分路器定均分性的分路器定义义均匀性均匀性(dB)为为所有所有输输出端在整个工作波出端在整个工作波长长范范围围内内(带带宽宽内内)最大插入最大插入损损耗与最小插入耗与最小插入损损耗之差，即各耗之差，即各输输出端口出端口输输出功率的最大出功率的最大变变化量。化量。非均分型的非均分型的分路器分路器则则不具有不具有该该指指标标。(4.5)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件14精选ppt6.偏振灵敏度或偏振相关偏振灵敏度或偏振相关损损耗耗(Polarization Dependent Loss)定定义为义为不同偏振不同偏振态线态线偏振光入射偏振光入射时时，最大插入，最大插入损损耗耗值值和最小插入和最小插入损损耗耗值值之差。之差。是指当光信号的偏振是指当光信号的偏振发发生生3600变变化化时时，器件各，器件各输输出端口出端口输输出光功率的最大出光功率的最大变变化化量。量。是衡量器件性能是衡量器件性能对对于于传输传输光信号的偏振光信号的偏振态态的敏感的敏感程度的参数，俗称偏振灵敏度。程度的参数，俗称偏振灵敏度。(4.6)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件15精选ppt线偏振光：16精选ppt自然光：17精选ppt部分偏振光：部分偏振光：18精选ppt7隔离度(Isolation)波波长长隔离度定隔离度定义为义为被隔离的工作波被隔离的工作波长长在在该输该输出出端的插入端的插入损损耗。即指光耗。即指光纤纤耦合器件的某一光路耦合器件的某一光路对对其它光路中的光信号的隔离能力。它的意其它光路中的光信号的隔离能力。它的意义义是与反映是与反映WDM器件器件对对不同波不同波长长信号的分离能信号的分离能力。力。Pt是某一光路是某一光路输输出端出端测测到的其它光路信号的功率到的其它光路信号的功率值值；Pin是被是被检测检测光信号光信号的的输输入功率入功率值值。(4.7)第四章 无源光耦合器器件19精选ppt4.1.3光耦合器的制作方法光耦合器的制作方法 光光纤纤型型 全光全光纤纤型耦合器的制造方法有熔型耦合器的制造方法有熔锥锥和研磨法两和研磨法两种。种。熔熔锥锥型光型光纤纤耦合器。把两根光耦合器。把两根光纤纤或多根光或多根光纤纤排列，用熔排列，用熔拉双拉双锥锥技技术术制作的各种器件。制作的各种器件。这这种方法可以构成种方法可以构成Y型耦型耦合器、定向耦合器和波分解复用器等。合器、定向耦合器和波分解复用器等。研磨型光研磨型光纤纤耦合器。研磨型光耦合器。研磨型光纤纤耦合器制作耦合器制作过过程是：将程是：将两根光两根光纤纤一一边边的包的包层层研磨掉大部分剩下很薄的一研磨掉大部分剩下很薄的一层层然后然后将两根光将两根光纤纤研磨的一研磨的一侧侧拼合在一起，中拼合在一起，中间间涂上一涂上一层层折射折射率匹配液，于是两根光率匹配液，于是两根光纤纤可以通可以通过过包包层层里的消失里的消失场发场发生生耦合，得到所需的耦合功率耦合，得到所需的耦合功率。第四章第四章 无源光耦合器件无源光耦合器件20精选ppt 微器件型：微器件型：用自聚焦透用自聚焦透镜镜和分光片（光部分透射、光部和分光片（光部分透射、光部分反射）、分反射）、滤滤光片（一个波光片（一个波长长的光透射，另一个的光透射，另一个波波长长反射）或光反射）或光栅栅（不同波（不同波长长的光有不同反射方的光有不同反射方向）等微光学器件可以构成向）等微光学器件可以构成Y型耦合器、定向耦型耦合器、定向耦合器和波分解复用器。用合器和波分解复用器。用22的耦合器同的耦合器同样样可可以构成星状耦合器。自聚焦透以构成星状耦合器。自聚焦透镜镜在光无源器件中在光无源器件中起着非常重要的作用。起着非常重要的作用。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件21精选ppt 波波导导型型：在以平板在以平板衬衬底上制作所需形状的光波底上制作所需形状的光波导导，衬衬底作支撑体，同底作支撑体，同时时又做波又做波导导包包层层。波。波导导的材的材料根据器件的功能来料根据器件的功能来选择选择。一般是。一般是SiO2，横截，横截面面为为矩形或半矩形或半圆圆形。形。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件22精选pptn 4.2.1 熔熔锥锥型光型光纤纤器件是全光器件中最具代表性的也是器件是全光器件中最具代表性的也是构成其它器件的一种基构成其它器件的一种基础础器件，在光器件，在光纤纤通信中得到了广通信中得到了广泛的使用，泛的使用，这这是因是因为为它具有以下特点：它具有以下特点：(1)极低的附加极低的附加损损耗。耗。目前，利用熔锥法制作的标准X(或Y)型耦合器的附加损耗已低于0.05dB，这是其他方法所难以达到的。(2)方向性好。方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB，保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。(3)良好的良好的环环境境稳稳定性。定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。(4)控制方法控制方法简单简单、灵活。、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。(5)制作成本低廉、适于批量生制作成本低廉、适于批量生产产。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件23精选ppt “熔融拉熔融拉锥锥(fused bucolical taper，简简称称FBT)”法就是法就是将两根将两根(或以上或以上)去除涂覆去除涂覆层层的光的光纤纤以一定的方式靠以一定的方式靠拢拢，在高温加在高温加热热下熔融，同下熔融，同时时向两向两侧侧拉伸，最拉伸，最终终在加在加热热区区形成双形成双锥锥体形式的特殊波体形式的特殊波导结导结构，构，实现传输实现传输光功率耦光功率耦合的一种方法合的一种方法。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件24精选pptn熔融拉熔融拉锥锥型全光型全光纤纤耦合器耦合器第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件25精选pptn4.2.2 耦合机理 对于单模光纤，传导模是两个正交的基模(HE11X,HE11y)信号。当其进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，光纤截止频率V逐渐减小，越来越多的光功率渗入光纤包层中。“耦合区”构成了“光纤包层为芯，空气为新包层”的复合波导，光信号在其中传输；在输出端，纤芯逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”，实现功率分配。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件26精选ppt第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件27精选pptn标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式：(4-15)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件28精选ppt图4.5 耦合比率与熔融拉锥长度的关系第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件29精选ppt式中为 纤芯半径，芯区折射率，传导模与光轴夹角，传输光波长。总的模式数为：在多模光纤中，传导模是若干个分离的模式，不仅应在数值孔径角内，还要满足(4.16)(4.17)第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件30精选ppt第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件31精选pptn4.2.3 星型耦合器 星形耦合器的功能类似于自由空间的无线电通讯，将输入信号混合并将其传播至输出通道。因此，星形耦合器是将无线电传播系统的长处引入光纤传输系统。然而，缺点是混合通道的相干，会导致半音及接收机灵敏度的恶化，而且，对多模光纤的星形耦合器，模噪声会增加。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件32精选ppt星型耦合器的制作方法星型耦合器的制作方法:直接拉制法；直接拉制法；单单元拼接法。元拼接法。直接拉接法：直接拉接法：将将N根光根光纤纤，以合适的拓扑，以合适的拓扑结结构构紧紧密接触后，在密接触后，在较较强强加加热热源作用源作用下，一次熔融拉下，一次熔融拉锥获锥获得得NN星型耦合器。星型耦合器。制造光制造光纤纤耦合器有两种基本工耦合器有两种基本工艺艺：混合棒法和熔接法。：混合棒法和熔接法。1.熔接法熔接法:采用熔融拉制法制造的多采用熔融拉制法制造的多纤纤耦合器是将两根或多根光耦合器是将两根或多根光纤纤，把涂覆，把涂覆层层去去掉清洗干掉清洗干净净后，后，拧绞拧绞成麻花状，然后在加成麻花状，然后在加热热熔融状熔融状态态下下边边加加热边热边向两向两边边拉伸而成，拉伸而成，中中间间部位是部位是哑铃哑铃状的双状的双锥锥体。体。熔接法的工作原理熔接法的工作原理：在双：在双锥锥体的前半部，随着光体的前半部，随着光纤纤逐逐渐变细渐变细，原来在光，原来在光纤纤中中传传播的芯模逐播的芯模逐渐变渐变成包成包层层膜并向前膜并向前传传播，在双播，在双锥锥区光信号以使所有光区光信号以使所有光纤纤“公有化公有化”了，即了，即发发生光耦合。在双生光耦合。在双锥锥体后半部分，随着光体后半部分，随着光纤纤逐件逐件变变粗，包粗，包层层膜又逐膜又逐渐转换渐转换为为芯模，使光功率分配到各个光芯模，使光功率分配到各个光纤纤中，中，这这就是多就是多纤纤星状耦合器的工作原理。星状耦合器的工作原理。2.混合棒法：混合棒法：用薄玻璃片将用薄玻璃片将输输入光入光纤纤的光混合然后在的光混合然后在输输出光出光纤纤中中对对混合的光混合的光进进行分配。分透射式和反射式。行分配。分透射式和反射式。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件33精选ppt单单元拼接法：元拼接法：在N不大于8的星型耦合器，可以采用22器件作为基本单元；如果N不小于 16，则采用44或88器件作为基本单元。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件34精选ppt星型耦合器示意图35精选ppt4.2.4 树树型耦合器型耦合器 树型耦合器：指具有1(2)N(N2)端口组态的功率分配器件,它用于CATV等技术中的重要器件。尽管功率均分的树型耦合器是标准器件，其关键参数同星型耦合器一样，也是插入损耗和均匀性等 制作的方法:在制作方法上采用直接拉制法和基本单元拼接法.第四章 无源光耦合器器件36精选ppt第四章 无源光耦合器器件37精选ppt树型耦合器示意图第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件38精选ppt 4.2.5 宽带宽带耦合器：耦合器：宽带耦合器（WBC）是利用独特的带宽拓展技术（非对称工艺）改变器件的波长特性，使带宽拓展到 50nm，而且在这个带宽范围内均能满足低附加损耗、低偏振相关损耗等指标。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件39精选ppt图4.5 耦合比率与熔融拉锥长度的关系第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件40精选ppt改改变变分光比的方法：分光比的方法：（1）对对两根相同光两根相同光纤纤中的一根中的一根进进行行预预腐腐蚀蚀或或预预拉伸，造成拉伸，造成传传播常数的偏差，播常数的偏差，然后再同未然后再同未处处理的另一根光理的另一根光纤纤熔融拉熔融拉锥锥成成宽带宽带耦合器。耦合器。优优点：光点：光纤纤容易容易获获得，得，传传播常数偏差的播常数偏差的调调整方便，原整方便，原则则上可以上可以实现实现任意分光比。任意分光比。缺点：制作工序缺点：制作工序较较繁繁琐琐，预处预处理后光理后光纤纤机械性能机械性能变变差，制作效率低。差，制作效率低。（2）直接采用）直接采用结结构参数存在差异的商用光构参数存在差异的商用光纤纤，通常是外径相同，通常是外径相同，纤纤芯直径有芯直径有差异。差异。优优点：制作工序点：制作工序简单简单，光，光纤纤机械性能比机械性能比较较好，制作效率好，制作效率较较高。高。缺点：光缺点：光纤纤不容易不容易获获得，得，传传播常数偏差的播常数偏差的调调整不方便，原整不方便，原则则上不可以上不可以实现实现任意任意分光比。分光比。目前在目前在应应用通信用通信领领域中的域中的宽带宽带耦合器一般要求是：耦合器一般要求是：1310nm和和1550nm双窗双窗口，每窗口口，每窗口带宽带宽50nm、分光比、分光比变变化不大于化不大于5。第四章 无源光耦合器器件41精选pptn4.2.6 熔融拉熔融拉锥锥型型WDM耦合器耦合器制作原理：耦合系数制作原理：耦合系数对对波波长长是敏感的，在制作器是敏感的，在制作器件件时时可以通可以通过过改改变变熔融拉熔融拉锥锥条件，增条件，增强强这这种种敏感性，从而制成波分复用器（敏感性，从而制成波分复用器（WDM）即合）即合波波/分波耦合器。分波耦合器。优优点：是插入点：是插入损损耗低（最大耗低（最大值值5dB，典型，典型0.2dB），无需波），无需波长选择长选择器件，器件，制造制造简单简单，更易于批量生更易于批量生产产，此外此外还还具有具有较较好的光通路好的光通路带宽带宽通路通路间间隔比和温度隔比和温度稳稳定性。定性。不足之不足之处处：是尺寸稍大，复用波：是尺寸稍大，复用波长长数少，隔离度数少，隔离度较较（20dB左右）低，一般不用在目前的密集左右）低，一般不用在目前的密集波分复用系波分复用系统统中。中。第四章 无源光耦合器器件42精选ppt第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件43精选pptn将若干个这种器件适当组合，还可以实现更多功能。例如制作成上下波长型、中继型等WDM器件，这些器件正在获得广泛的应用。其中较成熟的熔融拉锥型WDM，是全光纤放大（EDFA）系统中用于泵浦光耦合的1480/1550nm、980/1550nmWDM。第四章第四章 无源光耦合器器件无源光耦合器器件44精选ppt参Er光纤的放大原理图45精选ppt图4.11 掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构46精选pptn掺铒掺铒光光纤纤放大器的构成和特性放大器的构成和特性n n掺铒掺铒掺铒掺铒光光光光纤纤纤纤(EDFA)(EDFA)和高功率高功率高功率高功率泵泵泵泵浦光源浦光源浦光源浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。n 设计设计高增益高增益掺铒掺铒光光纤纤(EDFA)是是实现实现光光纤纤放大器的放大器的技技术术关关键键，EDFA的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。n 对泵对泵浦光源的基本要求是大功率和浦光源的基本要求是大功率和长长寿命。寿命。波长为1480 nm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100 mW,泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。第四章 无源光耦合器器件47精选ppt波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。对对波分复用器的基本要求是：波分复用器的基本要求是：插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。光隔离器的作用是光隔离器的作用是:防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪 声 对对光隔离器的的基本要求是：光隔离器的的基本要求是：插入损耗小，反射损耗大。第四章 无源光耦合器器件48精选pptMMC-XXXX-XXXX-XX/XX-X-X-XX/XXX-XX*XX封装尺寸：封装尺寸：3.0*54等等输输入入输输出形式：出形式：FC/UPC，FC/APC等等光光纤类纤类型：型：2=50/125m,3=62.5/125m,4=其他其他尾尾纤类纤类型：型：0=250m,1=900m,2=2mm,3=3mm,4=其它其它分光比：分光比：01/99,50/50或其它或其它工作波工作波长长：850=850nm,1310=1310nm,8513=850和和1310nm端口：端口：12或或22等等级级：P=优级优级，A=标标准准级级，X=用用户户指定指定49精选ppt几种常几种常见见光耦合器光耦合器结结构示意构示意图图50精选ppt4.3 波导型光耦合器光波导的基本概念：1.导波光：受到约束的光波。2.光波导：约束光波传输的媒介3.介质光波导的三要素：“芯/包”结构 凸形折射率分布 低传输损耗 光波光波导导是集成光学重要的基是集成光学重要的基础础性部件，它能将性部件，它能将光波束光波束缚缚在光波在光波长长量量级级尺寸的介尺寸的介质质中，中，长长距离距离无无辐辐射的射的传输传输。第四章 无源光耦合器器件51精选pptn波波导导型耦合器是指利用平面介型耦合器是指利用平面介质质光波光波导导工工艺艺制作的一制作的一类类光耦合器件。其技光耦合器件。其技术术不不仅仅包括波包括波导结导结构的制作，构的制作，还还需考需考虑虑到器到器件与件与传输线传输线路的耦合。所以从工路的耦合。所以从工艺艺的角的角度来度来讲讲，更，更为为复复杂杂。但由于器件本身具。但由于器件本身具有明有明显显的的优优越性，使越性，使这这种制作方法逐种制作方法逐渐渐发发展成展成为为制作光耦合器的一种重要法。制作光耦合器的一种重要法。第四章 无源光耦合器器件52精选pptn光波光波导导器件按其器件按其组组成材料可分成材料可分为为四种基本四种基本类类型：型：铌铌酸酸锂镀钛锂镀钛光波光波导导、硅基二氧化硅光波、硅基二氧化硅光波导导、InGaAsP/InP光波光波导导和聚合物光波和聚合物光波导导。nLiNbO3晶体是一种比晶体是一种比较较成熟的材料，它有极好的成熟的材料，它有极好的压压电电、电电光和波光和波导导性性质质。除了不能做光源和探。除了不能做光源和探测测器外，器外，适合制作光的各种控制、耦合和适合制作光的各种控制、耦合和传输传输元件。元件。n硅基沉硅基沉积积二氧化硅光波二氧化硅光波导导是是20世世纪纪90年代年代发发展起来的展起来的新技新技术术，主要有氮氧化硅和，主要有氮氧化硅和掺锗掺锗的硅材料，国外已比的硅材料，国外已比较较成熟。成熟。第四章 无源光耦合器器件53精选pptn基于磷化基于磷化铟铟（InP）的）的InGaAsP/InP光光波波导导的研究也比的研究也比较较成熟，它可与成熟，它可与InP基的基的有源与无源光器件及有源与无源光器件及InP基微基微电电子回路集子回路集成在同一基片上，但其与光成在同一基片上，但其与光纤纤的耦合的耦合损损耗耗较较大。大。第四章 无源光耦合器器件54精选pptn 聚合物光波聚合物光波导导是近年来研究的是近年来研究的热热点。在两个点。在两个近近红红外外传输传输窗口（窗口（1330nm和和 1550nm）光）光损损耗小，聚合物具有一定的耗小，聚合物具有一定的热稳热稳定性，可以承受定性，可以承受制作器件的熔接温度，并且在器件使用的制作器件的熔接温度，并且在器件使用的过过程程中中对环对环境境变变化有一定的化有一定的稳稳定性，具有尽可能低定性，具有尽可能低的双折射率，确保聚合物材料的光学各向同性。的双折射率，确保聚合物材料的光学各向同性。当前研究的有聚甲基丙当前研究的有聚甲基丙烯烯酸甲酸甲酯酯衍生出来的氟衍生出来的氟代，代，氘氘代聚甲基丙代聚甲基丙烯烯酸酸酯酯，耐高温聚合物聚，耐高温聚合物聚酰酰（xian）亚亚胺的氟代衍生物，交胺的氟代衍生物，交联联含氟聚芳含氟聚芳醚醚以及聚硅氧以及聚硅氧烷烷等。等。第四章 无源光耦合器器件55精选pptn该该波波导导的的热热光系数和光系数和电电光系数都比光系数都比较较大，大，很适合于研制高速光波很适合于研制高速光波导导开关、平面开关、平面阵阵列波列波导导光光栅栅（AWG）等。采用极化聚合）等。采用极化聚合物作物作为为工作物工作物质质，其突出，其突出优优点是材料配点是材料配置方便、成本很低。同置方便、成本很低。同时时由于有机聚合由于有机聚合物具有与半物具有与半导导体相容的制体相容的制备备工工艺艺而使得而使得样样品的制品的制备备非常非常简单简单。聚合物通。聚合物通过过外外场场极化的方法可以极化的方法可以获获得高于得高于铌铌酸酸锂锂等无机等无机晶体的晶体的电电光系数。光系数。第四章 无源光耦合器器件56精选ppt第四章 无源光耦合器器件光波光波导导的制作方法：的制作方法：在在铌铌酸酸锂锂等等衬衬底材料上，以薄膜沉底材料上，以薄膜沉积积、光刻、光刻、扩扩散等工散等工艺艺形成所需的波形成所需的波导结导结构。构。波波导导耦合器的耦合器的优优点：点：体体积积小，重量小，重量轻轻，易于集中。，易于集中。机械及机械及稳稳定性好。定性好。耦合分光比易于精确控制，在母板定型后，可耦合分光比易于精确控制，在母板定型后，可以以进进行大批量生行大批量生产产。易于制成小型化的易于制成小型化的宽带宽带耦合器。耦合器。57精选ppt与熔融拉与熔融拉锥锥耦合器比耦合器比较较，还还存在不足：存在不足：还须还须解决与光解决与光纤纤的耦合技的耦合技术问题术问题 技技术术尚不完善尚不完善 波波导导制作工制作工艺艺需要投入价格昂需要投入价格昂贵贵的的设备设备 由于制作薄到母板的成本由于制作薄到母板的成本较较高，非批量高，非批量的生的生产产往往得不往往得不偿偿失。失。对对于于较较少路数（少路数（N8）的耦合器，熔融）的耦合器，熔融拉拉锥锥型具有更低型具有更低损损耗。耗。第四章 无源光耦合器器件58精选ppt4.3.2波波导导耦合器的耦合器的结结构构单单模波模波导导型型单单模波模波导导型分路器是型分路器是对单对单模光信号模光信号进进行功行功率分配的器件，可由离子交率分配的器件，可由离子交换换玻璃波玻璃波导导、Ti扩扩散散铌铌酸酸锂锂波波导导或聚合物波或聚合物波导导构成。构成。分之波分之波导导方向耦合器方向耦合器间间隙隙渐变渐变的方向耦合器的方向耦合器第四章 无源光耦合器器件59精选ppt 分之波分之波导导特点：由于特点：由于这这种种结结构的构的带宽带宽与光的分布耦合无关，与光的分布耦合无关，仅仅取取决于模色散的限制，因此极适合制作决于模色散的限制，因此极适合制作宽带宽带分路器，分路器，单单窗口窗口带宽带宽可达可达100nm。图图4.13是是实实物物图图。分支波分支波导导制作的关制作的关键键：抑制分支点：抑制分支点产产生二生二阶阶横模即确定横模即确定最佳的分支角。前者要求在分支点前面最佳的分支角。前者要求在分支点前面选择选择合适的斜坡形合适的斜坡形波波导导；后者；后者则则要求兼要求兼顾顾最小分支角和分支点最小分支角和分支点处处散射散射损损耗随耗随分支角增大而增加。分支角增大而增加。对对于非均分的分路器，于非均分的分路器，应应当采用非当采用非对对称分支，分光比通称分支，分光比通过调过调整分支角来控制。整分支角来控制。树树形分路器可以采用形分路器可以采用对对称多分支称多分支结结构，当然更多的是采用两分支波构，当然更多的是采用两分支波导导串接的方法。其在工串接的方法。其在工艺艺上更容易控制。而且原上更容易控制。而且原则则上没有路数的限制。上没有路数的限制。第四章 无源光耦合器器件60精选ppt(1)分支波分支波导导第四章 无源光耦合器器件61精选ppt（2）方向耦合器）方向耦合器 方向耦合器是功率分路器的另一种重要方向耦合器是功率分路器的另一种重要结结构，也是制作星型耦合器的基构，也是制作星型耦合器的基础础器件。器件。特点：a)与分之波导不同，分光比通过耦合长度来调整b)对波长较为敏感，器件的带宽仅为10nm左右第四章 无源光耦合器器件62精选ppt63精选ppt（3）间间隙隙渐变渐变的方向耦合器的方向耦合器特点：特点：可以在可以在获获得与分支波得与分支波导导相似的工作特性的同相似的工作特性的同时时，显显著降低著降低器件的功率器件的功率损损耗耗。64精选ppt2.多模波多模波导导型型问题问题：在局域网中，目前：在局域网中，目前较较多采用的是多模耦合器。多采用的是多模耦合器。在多模波在多模波导导中，往往激励出多种不同模式在相中，往往激励出多种不同模式在相同的波同的波导结导结构下，构下，这这些模式在些模式在输输出端口通常有出端口通常有不同的分配特性。不同的分配特性。解决解决办办法：通法：通过设计过设计合适的耦合合适的耦合长长度，使各种模式度，使各种模式因衍射而展因衍射而展宽宽，在，在侧侧壁上往返反射，直至横向壁上往返反射，直至横向的光的光强强分布达到相同，从而分布达到相同，从而实现实现光功率在各光功率在各输输出端口的均匀分配。出端口的均匀分配。第四章 无源光耦合器器件65精选ppt第四章 无源耦合器n4.4 耦合器的前景展望耦合器的前景展望66精选ppt 有一个有一个120的耦合器，如果的耦合器，如果输输入信号入信号为为 ，则则每每个个输输出端口的信号出端口的信号为为 。这这个耦合器的附加个耦合器的附加损损耗耗是多少？是多少？n解：解：n根据根据67精选pptn一个耦合器在一个耦合器在16个个输输出端均分一出端均分一输输出出信号，耦合器无附加信号，耦合器无附加损损耗，如果耗，如果输输入入信号信号为为 ，那么每个，那么每个输输出端的功出端的功率是多少？率是多少？68精选ppt 解：根据解：根据附加损耗69精选ppt1.什么是耦合器？什么是耦合器？2光光纤纤耦合器的耦合器的结结构有哪几种？构有哪几种？3光光纤纤耦合器的分耦合器的分类类（分（分别别从功能、端口形式、从功能、端口形式、工作工作带宽带宽、传导传导模式分模式分类类）？）？4叙述熔叙述熔锥锥型耦合器（包括型耦合器（包括单单模和多模）的原模和多模）的原理。熔理。熔锥锥型光型光纤纤耦合器的特点？耦合器的特点？5怎怎样样定定义义光光纤纤耦合器的插入耦合器的插入损损耗、附加耗、附加损损耗、耗、耦合比（分光比）、方向性、隔离度（串音）耦合比（分光比）、方向性、隔离度（串音）和偏振相关和偏振相关损损耗？耗？第四章 无源光耦合器器件70精选ppt6平面光波平面光波导导器件按其器件按其组组成材料可分成材料可分为为那四种基本那四种基本类类型型8.一个耦合器在两个端口之一个耦合器在两个端口之间间按按9010的分束比分的分束比分配配输输入信号入信号 ，如果，如果输输入信号入信号为为且耦合器无附加且耦合器无附加损损耗，那么接收小部分信号的端口耗，那么接收小部分信号的端口输输出是多少？出是多少？71精选ppt