光纤耦合器对光谱响应的研究*

崔 静，蔡志岗，王福娟，曹 源

(中山大学光电材料与技术国家重点实验室, 广东 广州 510275)

作为构成光纤网络重要的组成部分,单模光纤耦合器是光纤测量技术、光纤传感器[1-2]、光纤接入系统等领域中的一种应用十分广泛的无源器件[3]。国内外普遍采用熔融拉锥法(FBT) 制作光纤耦合器，用这种方法制作的光纤耦合器，具有低成本、低损耗、易制作且高性能等特点。目前国内的研究范围主要集中在分光比[4]、制作工艺和相关光纤器件研究等方面[5-8]，而在光纤耦合器对光谱响应的研究较少，更没有较为符合实际情况的理论模型依据，这使得在研究和制作光纤耦合器存在一定的盲目性。

本文通过对熔融拉锥的理论分析，模拟实际的拉锥过程，提出了光纤耦合器对光谱响应特性的理论模型，并从实验中予以验证其合理性和实效性。这将大大减少目前实际器件研制中的盲目性，对未来更进一步的研究有一定的指导意义。

1 耦合器结构模型及偏振调制分析

熔融拉锥法是将除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下熔融，并同时顺轴线向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构，从而实现耦合的一种制作方法。

图1为耦合器的结构模型，lb为融锥区长度，即为火焰宽度，l为拉伸长度，假设融锥前后体积不变，则光纤半径为[9]：

(1)

图1 耦合器的结构模型

由于拉伸的过程会使光纤的直径变小，在强耦合条件下，光纤纤芯的效应可以被忽略，认为绝大部分的功率将由光纤包层和周围的介质(一般为空气)所传导，形成了新的光波导结构。这时波导的归一化频率V和相对折射率差都比较大，实质上是一个多模波导，但是由于激励模式是基模，其在波导中主要激励起一阶对称模和反对称模[10]。假设输入光P0=Pox+Poy，则直通臂P1和耦合臂P2的输出功率为[11]：

P1=P1x+P1y=Poxcos2Δφx+Poycos2Δφy

(2a)

P2=P2x+P2y=Poxsin2Δφx+Poysin2Δφy

(2b)

其中Δφx和Δφy分别是对称模和反对称模在x和y偏振方向的相位差，表示为

(3)

(4)

考虑强耦合理论条件[12]

这里，V为归一化频率，λ为波长，n1为光纤的包层折射率，n2为空气折射率。

从(4)式可看出直通臂P1的光功率变化是被余弦慢包络调制的快速振荡的余弦曲线，耦合的偏振灵敏主要是由于耦合区内的几何双折射和应力双折射导致的对称模和反对称模分别在x偏振方向和y偏振方向上的传播常数差不一致造成的。而调制慢包络由Cx-Cy决定，包络里的快速振荡由Cx+Cy决定；其中Cx-Cy是由于双折射造成的，和偏振态有关。

2 理论模拟和实验分析

2.1 拉锥过程的实验与模拟

在制作耦合器时，如果在得到所需要的分光比之后并不停止而是继续拉制光纤时，会在输出端口出现光功率振荡现象，并且振荡周期越来越短，振荡的包络越来越小，在归一化光功率为0.5之后，则会出现更多的振荡包络，功率变化更剧烈，振荡周期更短，图2分别是lb=5 mm，拉伸长度l=22 mm直通臂P1实验和理论拉锥曲线。

图2 直通臂的拉锥实际曲线和理论拟合曲线

2.2 不同火焰宽度对拉锥过程曲线的影响

从(1)式可知，不同的火焰宽度使得光纤半径a有所不同，则直接影响了直通臂的输出光功率，图3为不同火焰宽度lb在相同拉伸长度25 mm下的光功率曲线。

从图3中可以看出，火焰宽度越窄，拉锥曲线震荡越剧烈，到达归一化光功率为0.5所需要的拉伸长度越短，会出现更多的震荡包络。

2.3 不同火焰宽度对光谱响应曲线的影响

图4为不同火焰宽度lb在相同拉伸长度25mm下的光谱响应曲线，正是由于图3拉锥过程中的震荡，使得耦合器本身对不同波长有了不同的响应，拉锥时震荡越剧烈，产生的波长响应调制周期越小。

2.4 不同拉锥距离对光谱响应的影响

图5为火焰宽度5.0 mm，拉伸长度为19.5 mm时模拟和实验的光谱响应曲线，其拉锥位置如图3(d)所示。

图3 不同火焰宽度对拉锥过程影响曲线图

图4 不同火焰宽度对光谱影响曲线图

图5 光谱响应曲线(l=19.5 mm)

图6为火焰宽度5.0 mm，拉伸长度为26.0 mm时模拟和实验的光谱响应曲线。

图6 光谱响应曲线(l=26.0 mm)

从上述两个实验结果和理论拟合可以看出，相同的熔烧宽度，不同的拉锥长度所制作出的光纤耦合器对光谱响应也不同，拉锥长度越长，产生的包络震荡越多，波长间隔越密，对光谱响应越敏感。

3 结 论

本文通过熔融拉锥理论的研究，实现了熔融拉锥制作过程的模拟，与实验结果比较相符，能够与实际的器件研制相对应，理论模型使用有效。提出的光纤耦合器对光谱响应特性的理论模型，对不同熔烧距离和拉锥长度的光纤耦合器的光谱响应分析得到：熔烧长度和拉锥距离越长，会使光谱响应的波包数量越多，震荡越密集，且调制慢包络所含有的快速震荡越少，对光谱响应越敏感，这些模拟与实验结果相当吻合。这一模型的建立将大大减少目前实际工作中的盲目性，对进一步的研究光谱响应特性有一定的指导意义。

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