耦合器 拉锥型耦合器原理简介

锥形耦合器发展于20世纪90年代，具有光信号的能量分配、波长组合和解复用功能。虽然2008年后，PLC的出现和发展削弱了锥形耦合器的能量共享功能，但对于不同能量分流比、成本较低的波分耦合器，在目前5G项目使用的波分模块监控端，以及在EDFA模块中，仍然发挥着不可替代的作用。

那么，不同功能的耦合器需要制造不同种类的材料吗？答案是否定的，只要两根光纤重叠，通过改变火温、夹具、拉锥速度等，就可以制成不同分光比、不同带宽的器件。并且也可以制造具有不同波长分布的器件为任意z处锥形截面的半径，z为火焰宽度，r0为耦合器腰部半径。如果H是火焰刷的长度，热区的长度就变成H+Z，所以通过改变火焰刷的长度，可以改变锥腰的长度。

拉速:可通过改变火焰温度和纤维伸长速度来控制熔融程度。通过改变连接到平移滑块的电机的驱动功率，可以调节在两根光纤中引起张力的伸长速度。在熔合阶段，有必要引入最小张力，该张力应足以避免因重力软化的锥形区域的任何下垂。通过控制光纤的温度、改变光纤相对于火焰的位置、熔化阶段的时间和延伸速度，几乎可以实现任何程度的熔化。熔合的程度和伸长率一起决定了横截面的形状。

耦合强度具有很强的功能依赖性，即组成纤维之间的中心到中心间距和耦合器腰部横截面的整体尺寸。融合度f提供了一个解析表达式，并通过关系来量化这两个参数的近似值

其中2b是锥形光纤的直径。熔合度满足条件0 ≤ f ≤1，其中f=0对应于“孤立”光纤的情况，f=1表示两根光纤已经完全熔合形成圆形截面形状。

对于给定的熔合度和给定的纵向轮廓，腰部联接器的横截面的任何所需尺寸都可以通过调节联接器的伸长来实现。在实践中，腰部的横截面通过操纵锥形图来控制，并且火焰刷的宽度在耦合器制造过程中被改变。对于相同的伸长率，与短的火焰刷宽度相比，长的火焰刷宽度可以产生相对宽的腰部横截面。窄的腰部横截面和较小的耦合器长度导致陡峭的锥形过渡轮廓和相对高的损耗。在PC控制的制造系统中，伸长率总是由预设的设定值决定。然而，对于不同的熔合程度或不同长度的火焰刷，对于给定的车钩腰围，伸长率可能不同。

耦合器的性能参数

耦合器组件的性能根据一些重要的特征参数进行量化。基于通用耦合器的任何分支组分分子的两个最重要的特征是光谱比和过程损耗。

耦合比/分流比

分光比或耦合比是给定工作波长下耦合器输出端口功率分布的量度。分流比定义为给定输出端口显示的功率比。耦合端口的耦合比定义为:

它代表了耦合器整体效率的重要成就。主要解释周围环境通过散射损失的能量

高质量耦合器中的电致发光通常小于0.1分贝.

插入损耗/插入损耗

设备的插入损耗是输入能量沿特定路径通过组件传播时所遭受的总通量功率损耗。它定义为给定输出端口的可用功率与启动功率之比:

i1表示光通过耦合器从任何特定输入端口传播到输出端口所遭受的总损耗。它是沿着特定光路的过程损耗和耦合比的总和。因此，3 dB耦合器的IL将超过3 dB。IL是光纤设计系统的一个重要参数。

方向性/方向性

耦合器的方向性是设备入射功率的量度。它描述了耦合器将光传输到输出端口的程度，并量化了器件内部的光反射量。以分贝表示，定义为返回到任何其他输入端口的功率与注入的输入功率之比

为了测量方向性，实际上，所有的输出端口都浸入匹配的液体中。这个过程可以保证菲涅耳反射不会导致测量的入射功率。在光学理论中，方向性也叫相互隔离。

耦合器特性的测量

测量对于量化包装后制造零件的最终保证性能非常重要。这是因为在封装过程中，用于固定耦合器和应时基板的光学胶在固化过程中通常会引入小的张力。这通常会导致特征光学参数的微小变化，如光谱比和波长响应。

在制造过程期间和之后测量光谱比和过程损耗。除了测量电致发光、铬、碘和方向性之外，表征还包括测量所有元件的波长响应和波长隔离，特别是WDM元件。图6描绘了耦合比、i1和偏移相关损耗的测量示意图集。来自光源堆的光连接到Nx1光开关，Nx1光开关又连接到偏移相关损耗控制器。可以选择多个波长，使得波长在期望的光谱范围内均匀间隔。偏移相关损耗控制器的输出被拼接到被测耦合器。耦合器的输出引线使用裸光纤适配器连接到两个通道检测器。InGaA探测器依次通过DAC卡连接到PC。

图6:使用多个激光源的耦合器测量设置的架构

为了测量耦合器的波长响应，宽带光源的光传输到输入光纤，输出连接到光谱分析仪。使用的宽带光源是LED光源。多激光源测量的数据也可以通过曲线拟合的方法来估计器件的光谱响应。对于定向端口输出功率的测量，通常在测量周期结束时进行，将两个输出端口浸入折射率匹配液体中，以避免菲涅耳反射对测量功率的影响。通过使用回射器来测量由回射到同一端口引起的光学回波损耗。在这些设备中，光被发射到光纤上，并且使用光环行器来带回光电探测器。温度相关损耗是另一个重要参数，它表示在工作温度条件下，当耦合器温度在最大值和最小值之间变化时，耦合器插入损耗的变化。设备的温度随着适当的斜率而变化，并且在线监测插入损耗。温度相关损耗的典型值为0.2分贝。

锥度特性

实时监控系统记录耦合器制造过程中的瞬时耦合器输出功率，并计算耦合器分光比和工艺损耗。输出功率从锥度特征记录锥度长度数据。图7示出了作为1310纳米和1550纳米的监控波长的延长的函数的耦合器的耦合端口的功率变化。这清楚地表明，随着张力长度的增加，分裂比的变化速度会加快。与1310nm的伸长率相比，在更高的波长下，功率变化速率仍然更快。这里，用于制造耦合器的光纤在1310纳米和1550纳米的波长下工作。

熔融单模耦合器的耦合作用是相互作用长度和工作波长的函数。这一事实可以很容易地用来修改FBT耦合器的特性，并通过定制设计参数来实现各种特定应用的器件。在这个设计过程中，有必要通过控制影响光谱比的因素来彻底了解光谱比的波长依赖性及其优化。光谱比的变化率，即功率传输的速度取决于波长，波长决定了功率传递振荡的波长周期。这只是耦合器结构的一个特征，可以通过在制造过程中控制锥形的形状来映射到目标要求。知道给定的一组制造变量的信号为控制分时形状提供了必要的反馈，从而获得所需的波长周期。从实时测量获得的锥形图中，可以估计制造具有所需光谱比的部件所需的张力长度，这也建立了制造过程中的耦合特性。通过控制和优化熔融耦合器的分光比，可以生产出许多不同类型的器件，如抽头分光器、波长相关复用器、波长平坦耦合器等。

图7 1310纳米和1550纳米熔锥耦合器在拉制过程中的光功率变化

耦合器的波长响应

对称耦合器是组成光纤以实现100%功率传输的相同耦合器。许多不同系统需要的一个非常常见的设备是在两个输出端口之间平均分配光。在波长为1310纳米的点b处将出现相等的分光。图7显示了典型的3 dB耦合器在1310纳米处的波长响应。显然，耦合器在1310 nm处可以充当3 dB分束器，但在1550 nm处的耦合比约为85%。因此，以这种方式制造的设备将在1310纳米产生50/50分束器，但不能在1550纳米产生50/50分束器

通过在图7中的点c处停止拉锥过程，耦合比和波长的变化可以显著减小，从而在单个波长区域中显著减小。对于不对称耦合器，可以降低峰值耦合比。这种耦合器可以通过在两种数值孔径略有不同的光纤之间形成熔融锥形耦合区来制造。数值孔径的差异可以通过使用不同直径或类型的光纤来实现，或者通过使两根相同光纤中的一根变细而另一根不变细来实现。

这是拔锥耦合器的一些简单拔锥原理。希望能给对锥形耦合器技术感兴趣的读者带来一些参考和帮助，也可以去飞宇集团工厂参观指导。