1310nm/1550nm双窗口熔融拉锥型光纤耦合器的设计与制备文献综述
2020-04-14 21:37:13
光纤耦合器在光纤通信和光纤传感等领域中被广泛应用，可实现光信号的传输、分配、耦合以及波分复用，是一种重要的光无源器件。按照其制作工艺，光纤耦合器可分为抛磨型、化学腐蚀型和熔锥型。其中，熔融拉锥法以其低损耗、精确的分光比、环境稳定性好、便于大批量生产的优越性，成为了制作光纤耦合器的主流方法。从工程应用的角度来看，往往需要其在1310nm、1550nm两个光通信波段都能工作。因此，设计以及制备双窗口熔融拉锥型光纤耦合器具有重要意义。
从光纤耦合器的理论推导到走向实际应用，物理学家们做了很多工作，不断地更新现有技术。1977年，Kawasaki和Hill[1]首次制成了熔融拉锥型光纤耦合器，他们提出了两种可行的方法，经实验验证，这种技术的附加损耗仅为0.1到0.2dB，比此前的光纤耦合器低了一个数量级，这种熔融技术与拉锥技术相结合的方法为以后的规模化生产奠定了坚实的基础。在此基础上，研究人员们尝试将熔融拉锥技术与其他技术，例如：化学气相沉淀法、抛磨法相结合，由此产生了偏振保持型熔锥光纤耦合器[2]和抛磨熔融光纤耦合器[3]。随着光通信技术的发展，对集成化光学器件的需求日益显著。2000年，Kakarantzas[4]等人制作了微型熔锥光纤耦合器，先将两根标准单模光纤分别锥形化，使其直径减小到15um，退火后再用CO2激光器熔融加热，形成长约200um的锥形耦合区。这种微型耦合器的长度仅为1mm，附加损耗约为0.2dB，为光纤通信系统的微型化、集成化提供了有力的技术保证。近年来，对于熔融拉锥光纤耦合器的研究主要集中在熔融拉锥制造工艺与设备的改进和优化方面，以期达到更好的光学性能。 北京交通大学的李焕路[5,6]等人研究了耦合区直径、平行耦合与扭绞耦合、拉锥速度、拉锥长度以及火焰位置对耦合器插入损耗和附加损耗的影响。M.Ngadino[7]分析了拉伸速度和拉伸延迟对耦合器附加损耗的影响。中南大学的帅词俊[8]等人测试了附加损耗、插入损耗、方向性和均匀性与拉锥速度之间的关系，找到了一个使耦合器光学性能最好的拉锥速度区间。中南大学的郑煜[9]等人探究了预设耦合比和预设拉伸长度作为拉锥停止准则时，实际耦合比与实际拉伸长度的分布规律。此外，人们还开始对特种光纤以及掺杂不同材料的光纤进行拉锥实验，拓展其在光纤耦合器领域的应用。国防科学技术大学的奚小明[10]对光子晶体光纤（PCF）进行了熔融拉锥实验，利用“快速低温”拉锥法有效控制了光子晶体光纤空气孔的相对塌缩，实现了小于0.4dB的拉锥损耗。上海理工大学的王兆芳[11]等人在此基础上制作了磁流体包覆的熔融拉锥光子晶体光纤耦合器，其分光比可由磁场在线实时调节，且在消除温度交叉敏感方面其性能优于普通单模光纤耦合器。TavakoliF[12,13,14]利用As2Se3材料对1.5-12um波长光的透明性，分别制作了宽带和窄带熔融拉锥光纤耦合器，并用模式耦合理论分析了拉锥长度和锥区直径对耦合器性能的影响，使该耦合器可以应用于中红外波段，拓宽了其应用范围。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}基本内容和目标:
基于耦合模理论分析熔融拉锥光纤耦合器的工作机理及性能，探究耦合器性能的影响因素；通过数值模拟具体讨论各个影响因素与耦合器性能的关系，为后续实验提供理论参考；学习光纤拉锥系统的操作方法，最后制作一个1310nm、1550nm双窗口熔融拉锥光纤耦合器，并对其性能进行测试。
拟采取的技术方案及措施：
在分析耦合器的工作机理时使用熔锥型光纤耦合器的一致性模型[15]。首先，对于耦合器的几何模型，选取一个适当的连续函数来描述。第二，采用归一化的三角分布和高斯分布的加权叠加来描述耦合器内的模场分布。第三，使用变分法和“局部模式”耦合理论推导耦合系数以及输出功率表达式。两熔锥光纤之间的光功率耦合被视为两标量超模（最低阶模）之间干涉的结果，复合波导的局部超模为两光纤各自基模场的同向叠加和反向叠加，称为同相模和反相模，二者都满足标量波动方程，利用变分法可以推导出其对应传播常数的表达式，耦合器任意位置的耦合系数就由上述传播常数决定，因此可以推导出耦合器直通端和耦合端的输出功率表达式。
基于上述理论推导，使用matlab软件进行数值模拟。可以模拟出熔融拉锥光纤耦合器的纤芯和包层半径沿光传播方向（z方向）的分布、模场半径沿z方向的分布[16]、耦合系数沿z方向的分布、直通端和耦合端的功率分布、耦合器的输出功率随拉伸长度的变化关系、锥区直径与耦合器的输出功率的关系等等。
最后进行实验制备。搭建一个熔融光纤拉锥系统[17]，这个系统由计算机、光探测器、光纤固定装置（含步进电机）、光源、H2流量控制器以及驱动电路组成。将两根标准单模光纤绞扭在一起然后固定在夹具上，将光源与其中一根光纤的输入端相连，两根光纤的输出端分别接两个光探测器，光探测器将输出光功率转变成电信号并传入计算机，若达到预设的分光比，则由计算机控制停止拉锥。3. 参考文献[1] KawasakiB S , Hill K O . Low-loss access coupler for multimode optical fiberdistribution networks.[J]. Applied Optics, 1977, 16(7):1794-5.
[2] Kawachi M , Kawasaki B S , HillK O , etal. Fabrication of single-polarisation single-mode-fibre couplers[J].Electronics Letters, 1982, 18(22):962.
[3] Cryan C V , Hussey C D . Fused polishedsinglemode fibre couplers[J]. Electronics Letters, 1992, 28(2):204.
