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【小麓讲堂】熔融拉锥型波分复用器简介
发布时间:2021-10-22 00:00:00 编辑:麓帮主 阅读次数:380

 

1
定义

光波分复用器(WDM,Wavelength Division Multiplexing)是一种光无源器件,它可以将两种或者多种不同波长的光耦合到同一根光纤中传输,也可以将同一根光纤中多个不同波长的光分别分离至不同的光纤中传输。

 

2
工作原理

 

· 熔融拉锥结构

 

熔融拉锥耦合器是由两根互相平行的光纤组成,将两根光纤缠绕在一起,在高温的环境下,使光纤逐步融化的同时被拉伸,两根光纤的纤芯逐渐靠近至一定距离。通过光纤缠绕、熔融拉伸形成的两根光纤的融合区域称为耦合区域(Coupling Region),其结构如下图1所示。

图1.熔融拉锥区域结构及光耦合分配示意图(黄色纤芯,蓝色包层,红色光能量)。

耦合区域的长度L决定了两根光纤之间的耦合比。在制造过程中,端口Pin端持续输入光波,然后实时监控每个输出端口的输出功率。当达到设计的耦合比时,全自动的制造过程就会停止拉伸。由此产生的耦合器本质上是一根光纤,但是有两根纤芯,只是两个纤芯非常接近。这个过程就被称为熔融拉锥(FBTFused Biconical Taper)过程。

· 熔融拉锥工作原理及实例

 

原理

通过光纤的光,其强度分布基本上是高斯分布,也就是说,强度在中心处最大,由中心越接近纤芯/包层界面能量逐渐减小。值得注意的是:呈高斯分布的能量的尾部能量略微延伸越过了纤芯和包层的边界,这个尾部能量的光波叫做倏逝波。图2表示光波在光纤中的横截面中的能量分布图。垂直虚线表示光纤芯/包层边界,红色的部分就是倏逝波能量。


图2.光在光纤中传输的能量分布(红色部分表示倏逝波的能量)。

在FBT过程中,两根的平行光纤的纤芯非常接近,以至于倏逝波可以从一根纤芯“泄漏”到另一根纤芯中。在耦合区产生的能量交换的程度主要取决于纤芯间的间距d和耦合区的长度L。从图1中可以发现,如果耦合长度足够长,能量可以完全从一根光纤耦合到另一根光纤。如果它的长度再长一些,耦合过程就会继续将能量转移回原来的光纤中。通过选择合适的长度,可以实现任意给定的功率传递比。这就是为什么我们能通过控制拉锥过程来制作50/50或10/90耦合器。

设计实例

图3.2×2端口结构50/50拉锥耦合器。

如图3所示的熔融拉锥器件是一个50/50耦合器。假设我们向端口1输入1 mW、1550 nm的光,同样向端口4输入1 mW、1550 nm的光。那么我们在输出端口2和3能分别测得多大的光功率? 很明显,我们将在每个输出端口测得功率为1 mW,每个输入端口的光都被分成了50/50两个相等的部分。

再假设我们向端口1输入1 mW,向端口4输入2 mW。现在输出端口2和3能分别测得多大? 根据前面的结论,每条路径输入的光能量被分割成两个相等的部分,所以现在我们在每个输出端口测得功率为1.5 mW(端口1贡献0.5 mW,端口4贡献1 mW)。

我们进一步分析一下,仍然使用图3,一个50/50耦合器。假设端口4现在被破坏了(例如被切断了,一般的三端口器件都是先做成4端口,然后再将4端口的光纤弄断并做粗糙处理,避免光滑的断面产生反射回波)变成了一个1×2耦合器。如果我们在1号端口输入2 mW,很容易知道到我们最终将在2号和3号端口分别测得功率为1 mW。

 

拉锥耦合器的互易性

在一个标准的50/50,2×2耦合器中,如果翻转光输入输出方向,因为其结构的对称性,我们很容易理解它的正反向传输具有相同的性质。然而,当使用1×2耦合器时,人们有时会产生疑惑,因为器件的明显不对称会给人一种错觉,认为它反向传输的工作原理会和正向传输时不一样。

继续上一个2×2耦合器的示例,如果光由原来的两个“输出”端口2和3输入,光是否会100%的从端口1出来呢?当然不是,光同样也想从被破坏的端口4出来。因此,如果我们只在从端口2输入1 mW,那么只有0.5 mW从端口1输出。或者,如果我们向端口2输入1 mW,向端口3输入2 mW,那么我们将从端口1输出1.5 mW(端口2贡献0.5 mW,端口3贡献1 mW)。这种能量分配方式与正向传输是一致的。所以拉锥型耦合器具有互易性,正反方向传输具有相同的性质。

综上我们要知道,一个1×2耦合器其本质就是一个2×2耦合器,只是其中一根光纤被剪断,破坏了(以减少从断面的反射)。

 

3
熔融拉锥耦合器在波分复用领域

 

上面所举案例,默认从一根纤芯到另一根纤芯只发生了一次能量转移。但是实际上,在耦合区域也称为相互作用长度内,能量在两根纤维之间来回传输很多次。这个传输速率是波长的函数,所以如果使用的波长与设计波长不同,能量传递比例或耦合比就会不同。

举个例子,假设两个波长不同的光(红光和蓝光)分别从端口2和端口3输入。

图4.端口1输出的红蓝光能量随耦合长度变化曲线。

两种波长的能量传递如图4所示。横轴是耦合区域的长度,纵轴是端口1的输出光能量。如图所示,当我们控制耦合区长度为L时,在两个输入端分别输入红光和蓝光,两种光在端口1的输出能量都是100%,也就是说从端口2和3输入的不同波长的光都汇聚在端口1输出。

图5.WDM合波输出示意图。

同理,根据拉锥型器件互易性的原理,结合图3,当我们反向从端口1输入红光和蓝光,那么红光和蓝光将会分别从两个“输入”端2和3分别输出,这就是熔融拉锥器件的波分复用光传输原理:不同波长光的组合与分离。

图6.WDM分波输出示意图。

所以只要我们在制造过程中控制好耦合长度L以及两纤芯之间的间距d即可通过熔融拉锥技术制得我们想要的波分复用器件。

 

4
关键参数

 

插入损耗IL (Insertion Loss)

插入损耗是指增加WDM而产生的附加损耗,定义为该无源器件的输入和输出端口的光功率之比,即:
IL=10lg(Pout/Pin)
式中:Pout为输出端口的光功率,Pin为输入端口的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗是越小越好。(注:一般计算结果为负值,但实际填写或使用时常常会将负号省略,下同。)

图7.WDM插损输出端1测试示意图。

以图7为例,可知Input端输入红光光功率Pin =100 mW,Output 1端输出红光光功率Pout=90 mW,那么Output 1端的插损IL为:

IL= 10 × lg (90/100)

= 10 × (-0.046)  

= -0.46 dB           

图8.WDM输出端2插损测试示意图。

同理,由图8可知反射Input端输入蓝光光功率Pin =100 mW,Output 2端输出蓝光光功率Pout=95 mW,那么Output 2端的插损IL为:

IL= 10 × lg (95/100)
= 10 × (-0.022)  
= -0.22 dB           

 

通道隔离度Iso (Isolation)

通道隔离度是指WDM其中一光路对其他光路中光的隔离能力。定义为:非通道入射光信号的功率值与通道输出光信号的功率值比值的分贝数,表示为:

Iso=10×lg(Pout/Pin)

式中:Pin表示非通道光输入的光功率,Pout表示非通道光输出的光功率。该器件的性能要求其对非通道光的隔离度值越大越好。

图9.WDM输出端1隔离度测试光路图。

以图9为例,该WDM的Output 2端为蓝光的传输通道,Output 1端为红光的传输通道。理论上在Input端输入的红光应全传输至Output 1端输出。但是实际上WDM器件并不能完全隔离红光输出至Output 2端。因此为了表征WDM器件对非通道光的隔离能力引入通道隔离度的概念。

由图9可知,非通道光红光的输入光功率Pin =100 mW,在Output 2端输出光功率Pout=1 mW,那么的Output 2端的隔离度Iso为:

Iso = 10 × lg (1/100)

= 10 × (-2)   

= -20dB       

图10.WDM输出端2隔离度测试光路图。

同理,由图10可得非通道光蓝光的输入光功率Pin =100 mW,在Output 1端输出光功率Pout=3 mW,那么的Output 1端的隔离度Iso为:

Iso = 10 × lg (3/100)

= 10 × (-1.5)  

= -15 dB         

 

 

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