崔 靜，蔡志崗，王福娟，曹 源

(中山大學光電材料與技術(shù)國家重點實驗室, 廣東 廣州 510275)

作為構(gòu)成光纖網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分,單模光纖耦合器是光纖測量技術(shù)、光纖傳感器[1-2]、光纖接入系統(tǒng)等領(lǐng)域中的一種應(yīng)用十分廣泛的無源器件[3]。國內(nèi)外普遍采用熔融拉錐法(FBT) 制作光纖耦合器，用這種方法制作的光纖耦合器，具有低成本、低損耗、易制作且高性能等特點。目前國內(nèi)的研究范圍主要集中在分光比[4]、制作工藝和相關(guān)光纖器件研究等方面[5-8]，而在光纖耦合器對光譜響應(yīng)的研究較少，更沒有較為符合實際情況的理論模型依據(jù)，這使得在研究和制作光纖耦合器存在一定的盲目性。

本文通過對熔融拉錐的理論分析，模擬實際的拉錐過程，提出了光纖耦合器對光譜響應(yīng)特性的理論模型，并從實驗中予以驗證其合理性和實效性。這將大大減少目前實際器件研制中的盲目性，對未來更進一步的研究有一定的指導意義。

1 耦合器結(jié)構(gòu)模型及偏振調(diào)制分析

熔融拉錐法是將除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫下熔融，并同時順軸線向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐形式的特殊波導結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)耦合的一種制作方法。

圖1為耦合器的結(jié)構(gòu)模型，lb為融錐區(qū)長度，即為火焰寬度，l為拉伸長度，假設(shè)融錐前后體積不變，則光纖半徑為[9]：

(1)

圖1 耦合器的結(jié)構(gòu)模型

由于拉伸的過程會使光纖的直徑變小，在強耦合條件下，光纖纖芯的效應(yīng)可以被忽略，認為絕大部分的功率將由光纖包層和周圍的介質(zhì)(一般為空氣)所傳導，形成了新的光波導結(jié)構(gòu)。這時波導的歸一化頻率V和相對折射率差都比較大，實質(zhì)上是一個多模波導，但是由于激勵模式是基模，其在波導中主要激勵起一階對稱模和反對稱模[10]。假設(shè)輸入光P0=Pox+Poy，則直通臂P1和耦合臂P2的輸出功率為[11]：

P1=P1x+P1y=Poxcos2Δφx+Poycos2Δφy

(2a)

P2=P2x+P2y=Poxsin2Δφx+Poysin2Δφy

(2b)

其中Δφx和Δφy分別是對稱模和反對稱模在x和y偏振方向的相位差，表示為

(3)

(4)

考慮強耦合理論條件[12]

這里，V為歸一化頻率，λ為波長，n1為光纖的包層折射率，n2為空氣折射率。

從(4)式可看出直通臂P1的光功率變化是被余弦慢包絡(luò)調(diào)制的快速振蕩的余弦曲線，耦合的偏振靈敏主要是由于耦合區(qū)內(nèi)的幾何雙折射和應(yīng)力雙折射導致的對稱模和反對稱模分別在x偏振方向和y偏振方向上的傳播常數(shù)差不一致造成的。而調(diào)制慢包絡(luò)由Cx-Cy決定，包絡(luò)里的快速振蕩由Cx+Cy決定；其中Cx-Cy是由于雙折射造成的，和偏振態(tài)有關(guān)。

2 理論模擬和實驗分析

2.1 拉錐過程的實驗與模擬

在制作耦合器時，如果在得到所需要的分光比之后并不停止而是繼續(xù)拉制光纖時，會在輸出端口出現(xiàn)光功率振蕩現(xiàn)象，并且振蕩周期越來越短，振蕩的包絡(luò)越來越小，在歸一化光功率為0.5之后，則會出現(xiàn)更多的振蕩包絡(luò)，功率變化更劇烈，振蕩周期更短，圖2分別是lb=5 mm，拉伸長度l=22 mm直通臂P1實驗和理論拉錐曲線。

圖2 直通臂的拉錐實際曲線和理論擬合曲線

2.2 不同火焰寬度對拉錐過程曲線的影響

從(1)式可知，不同的火焰寬度使得光纖半徑a有所不同，則直接影響了直通臂的輸出光功率，圖3為不同火焰寬度lb在相同拉伸長度25 mm下的光功率曲線。

從圖3中可以看出，火焰寬度越窄，拉錐曲線震蕩越劇烈，到達歸一化光功率為0.5所需要的拉伸長度越短，會出現(xiàn)更多的震蕩包絡(luò)。

2.3 不同火焰寬度對光譜響應(yīng)曲線的影響

圖4為不同火焰寬度lb在相同拉伸長度25mm下的光譜響應(yīng)曲線，正是由于圖3拉錐過程中的震蕩，使得耦合器本身對不同波長有了不同的響應(yīng)，拉錐時震蕩越劇烈，產(chǎn)生的波長響應(yīng)調(diào)制周期越小。

2.4 不同拉錐距離對光譜響應(yīng)的影響

圖5為火焰寬度5.0 mm，拉伸長度為19.5 mm時模擬和實驗的光譜響應(yīng)曲線，其拉錐位置如圖3(d)所示。

圖3 不同火焰寬度對拉錐過程影響曲線圖

圖4 不同火焰寬度對光譜影響曲線圖

圖5 光譜響應(yīng)曲線(l=19.5 mm)

圖6為火焰寬度5.0 mm，拉伸長度為26.0 mm時模擬和實驗的光譜響應(yīng)曲線。

圖6 光譜響應(yīng)曲線(l=26.0 mm)

從上述兩個實驗結(jié)果和理論擬合可以看出，相同的熔燒寬度，不同的拉錐長度所制作出的光纖耦合器對光譜響應(yīng)也不同，拉錐長度越長，產(chǎn)生的包絡(luò)震蕩越多，波長間隔越密，對光譜響應(yīng)越敏感。

3 結(jié) 論

本文通過熔融拉錐理論的研究，實現(xiàn)了熔融拉錐制作過程的模擬，與實驗結(jié)果比較相符，能夠與實際的器件研制相對應(yīng)，理論模型使用有效。提出的光纖耦合器對光譜響應(yīng)特性的理論模型，對不同熔燒距離和拉錐長度的光纖耦合器的光譜響應(yīng)分析得到：熔燒長度和拉錐距離越長，會使光譜響應(yīng)的波包數(shù)量越多，震蕩越密集，且調(diào)制慢包絡(luò)所含有的快速震蕩越少，對光譜響應(yīng)越敏感，這些模擬與實驗結(jié)果相當吻合。這一模型的建立將大大減少目前實際工作中的盲目性，對進一步的研究光譜響應(yīng)特性有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]林學煌. 光無源器件[M]. 北京:人民郵電出版社, 2001：251-260.

[2]馬賓, 隋青美, 徐健.耦合型光纖振動傳感器設(shè)計與分析[J].半導體光電，2008，29(3)：430-433.

[3]傅思鏡, 劉葉新, 童洲森.單模光纖熔錐型OWDM耦合率的計算[J].中山大學學報:自然科學版,2001,40(2):122-124.

[4]柳春郁, 余有龍, 高應(yīng)俊.耦合器分光比的精確控制[J]. 光學技術(shù), 2004,30:743-744.

[5]帥詞俊, 段吉安, 苗建宇.工藝參數(shù)對光纖耦合器性能影響的實驗研究[J].光通信技術(shù), 2004(12):13-15.

[6]呂敏, 馮志江, 楊笛.熔錐型寬帶耦合器的研制[J].應(yīng)用光學，2007，28(6)：793-796.

[7]余有龍, 曹雪, 劉盛春.熔錐型光纖反射器特性研究[J].物理學報, 2007,56(11)：6490-6495.

[8]魯懷偉, 章寶歌, 李敏芝.基于雙耦合器的平坦型全光纖波長交錯濾波器[J].光學精密工程, 2006,14(2):145-150.

[9]EISENMANN M, WEIDEL E.Single-mode fused biconical couplers for wavelength division multiplexing with channel spacing between 100 and 300 nm[J]. J Lightwave Technol, 1988,6:113-119.

[10]YOKOHAMA I, OKAMOTO K, NODA J. Analysis of fiber-optic polarizing beam splitters consisting of fused-taper couplers[J]. J Lightwave Technol, 1986, 4: 1352-1359.

[11]WU T L. Three-dimensional electromagnetic modeling of fiber-core effects on the coupling characteristics of weakly fused tapered fiber-optic couplers[J]. J Lightwave Technol, 2000, 18: 1024-1030.

[12]PAYNE F P,HUSSEY C D , YATAKI M S.Polarization analysis of strongly fused and weakly fused tapered couplers[J].Electronics Letters, 1985, 21(13): 561-563.