光纤耦合器的分类及发展前景分析

何修军

摘 要：文章概述了光纤耦合器的发展现状，总结了光纤耦合器的分类及其性能参数，着重分析和研究了光纤耦合器在各个领域的应用及未来发展前景。

关键词：光纤耦合器；偏振；光子晶体；非线性

光纤耦合器是一种光纤无源器件，主要实现光信号的传输和分配，是光纤通信系统中用得比较多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。由于光纤耦合器的问世，使得光纤系统更加小型化、集成化和紧凑化，大大促进了光纤通信系统和光纤传感系统的快速发展。正是因为有了光纤耦合器，全光纤系统也逐渐可以变成现实，也使得光纤系统的性能得到优化，同时也可以使系统的成本得到降低。发展光纤耦合器，也可以带动各种光纤器件的发展，促进各种性能优越的新型光纤器件的研制。

1 光纖耦合器的发展现状

光纤耦合器的问世，促进了光纤通信的发展，自己本身也得到快速发展。最早采用熔接的方法实现了多模光纤之间的焊接，紧接着采用类似的熔接技术实现了单模光纤之间的焊接。进入80年代后，光纤通信逐步由多模向单模过渡，因而兴起了单模光纤耦合器的研发热潮。经过了一段时间的探索，用FBT工艺制造耦合器的方法，由于其结构简单、生产效率高、可靠性好、全光纤化及成本低等一系列无可匹敌的优点而在所有耦合器的制造方法中独占鳌头。从2000年美国光器件生产线大量外移到中国开始，国内耦合器生产线如雨后春笋般建立，机器的需求量增加，但市场价格不断下降，许多公司纷纷从国内企业购买或仿造耦合器机器，但在技术上大同小异，没有重大突破。虽然FBT技术发展到今天已经可以满足耦合器市场的基本需求，但是要想在激烈的竞争中保持绝对的优势，就必须依靠技术上的突破，提高技术门槛。将来的FBT技术一定朝着类似半导体芯片生产工艺那样的方向发展，一次能生产出几个、几十个乃致几百个核心部件，一次封装后再分开便是一大批产品[1-3]。

2 光纤耦合器的分类与性能参数

光纤耦合器因其分类标准不同，可有诸多分类方式。根据端口形式、对称性、工作带宽、制作方式、传输模式等特性，有不同的分类。根据传输方向和对称性可以分为光纤对称耦合器和非对称耦合器，根据偏振相关型，按工作带宽可以分为窄带耦合器和宽带耦合器，按制作方式可以分为拋磨型耦合器、熔融双锥型耦合器和微弯型耦合器，按传输模式可以分为单模光纤耦合器和多模光纤耦合器[3]。

光纤耦合器的主要性能参数包括分光比、附加损耗、插入损耗、平坦度、波长隔离度、偏振灵敏度以及回波损耗等。如何评价光纤耦合器的性能，大都基于这些参数。比如分光比反映耦合器的耦合输出能力，附加损耗表明耦合器的耦合效率，耦合器的平坦度表明耦合器的有效工作波长，偏振灵敏度表明耦合器的偏振耦合输出效果。

3 光纤耦合器的应用与前景

随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用，光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要，并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。设计插入损耗小、耦合效率高、分光比可调并可实现特殊耦合的光纤耦合器，一直是光学领域科研工作者追逐的焦点和业内人士的奋斗目标。

3.1 偏振光纤耦合器

在光纤耦合器的快速发展同时，保偏光纤耦合器也开始出现。相对于普通光纤耦合器，保偏光纤耦合器有很多的优势。因此，在光纤通信系统和光纤传感技术中得到广泛应用，而且高性能的保偏光纤耦合器更加受青睐。在国外，保偏光纤的研究和应用已成为热点，国内保偏光纤的研究也开始得到重视。由于保偏光纤具有良好的保偏特性，从而在很多领域得到广泛应用[4]。相干通信系统和光纤陀螺中用到的保偏光纤器件，比如保偏光纤耦合器、隔离器、波分复用器、滤波器、以及分束器/合束器等的制作都离不开保偏光纤[5]。

保偏光纤耦合器有很多优点，比如偏振串扰小、附加损耗低以及能够保持传输中的线偏振光的偏振态不变等，因此成为对精度和性能的要求都很高的光纤水听器和光纤陀螺的重要组成部分，也在相干通信和军用干涉型传感器中得到了广泛的应用，是非常重要的保偏光纤无源器件。最近几年，国家为了大力发展和研究保偏光纤耦合器，投入了大量资金，并且大量的科研人员加入了保偏光纤耦合器的研究行列，未来保偏光纤耦合器一定会得到快速发展而被广泛应用。同时，单模偏振光纤耦合器作为保偏光纤耦合器的一种，也具有很好的性能优势，能够有效解决偏振串扰、偏振相关损耗以及偏振模色散等问题，改善光通信系统的稳定性。总之，保偏光纤耦合器在未来一定会有可观的前景。

3.2 光子晶体光纤耦合器

光子晶体光纤由于其许多不寻常的特性，如无限的单模操作、异常色散特性、大模面积和高非线性，引起了人们的广泛兴趣。因此，许多基于光子晶体光纤的光学器件，如高双折射光子晶体光纤环路反射、超连续介质生成源和基于模式耦合的光子晶体光纤器件都得到了研究。除了上述光子晶体光纤器件外，光纤系统中最重要的器件之一就是基于光子晶体光纤的定向耦合器。因此，对光子晶体光纤定向耦合器的研究有着巨大的需求。采用熔融双锥锥形方法和边抛光方法制备了光子晶体光纤定向耦合器[6]。

近年来，有关光子晶体光纤耦合器件的研究，引起了广大科研工作者的兴趣，并取得了一些阶段性成果。从结构设计的角度将光子晶体光纤耦合器分为三大类：熔锥型光子晶体光纤耦合器、侧面打磨型光子晶体光纤耦合器、双芯或多芯光子晶体光纤耦合器。研究要使光子晶体光纤在通信系统中使用，应该提供光子晶体光纤的一些基本光纤组件，其中一个主要部件是光纤耦合器。因此，光子晶体光纤耦合器未来前景一定非常可观。

3.3 光栅光纤耦合器

近年来，出现了一种新型的光纤耦合器，它就是光纤光栅耦合器。光纤光栅耦合器可以很容易地设计在选择性波长操作，特别适用于粗波长分区复用系统。单模光纤中形成长周期光纤光栅器件，它允许强光耦合从引导核心模式到一组选定的覆盖模式在特定波长，因此功能作为一个带阻滤波器。光纤光栅是低损耗、低反射的器件，在光纤通信和传感中得到了广泛的应用。为了形成光纤光栅耦合器，由光纤光栅耦合到包层的光由包含相同光纤光栅的平行光纤收集[7]。由于两种光纤的透射谱是互补的，一种具有带阻特性，另一种具有带通特性，因此，两种并行光纤光栅的配置可以作为宽带光插拔多路复用器。传统的熔融锥形光纤耦合器无法实现这一功能。基于这一原理的四端口光纤光栅耦合器已在实验中得到验证。光栅光纤耦合器的早期研究主要集中在将布拉格光栅引入波导或光纤耦合器以实现波长选择性。布拉格光栅器件的一个缺点是它们在反射中工作，这可能会产生不必要的光反馈，并在恢复反射信号时造成额外的损耗。另一方面，光纤光栅耦合器在传输中工作没有反射问题，这些优点极大地促进了光纤光栅耦合器的广泛应用，今后潜在的市场非常大。

3.4 非线性光纤耦合器

非线性光纤耦合器主要是利用非线性材料构成的光纤耦合器，而这种材料的折射率大小由入射光强度来决定。在这种耦合器中，当入射光的强度很强时，会激发光纤的非线性特性，光纤的折射率会随着光强度的变化发生改变，从而能使耦合器的耦合特性发生改变。普通光纤耦合器的功能比较单一且不便于控制，使得其应用大大受限，如采用非线性材料制作的光纤耦合器，可利用非线性材料的折射率具有可控性的特点，也就是通过改变入射光的强度来控制非线性材料的折射率，所以它具有很大的优越性，它的开关特性和耦合器特性易于控制，同时还可获得高速、高效的开关特性，对于光开关领域有着很大的市场和应用前景[8]。

4 结语

通过研究表明，光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要，必将成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。各种性能优异的光纤耦合器，比如偏振光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等都将迅猛发展，前景非常可观。

[参考文献]

[1]JENSEN S M.The nonlinear coherent coupler[J].IEEE Journal of Quantum Electron，1982（10）：1580-1583.

[2]FRIBERG S，SILBERBERG Y，OLIVER M，et al.Ultrafast all-optical switching in a dual-core fiber nonlinear coupler[J].Applied Physics Letters，1987（51）：1135-1137.

[3]林錦海，张伟刚.光纤耦合器的理论、设计及进展[J].物理学进展，2010（1）：37-74.

[4]何伟杰，刘继芳，韩彪，等.保偏光纤对轴角对偏振态的影响实验研究[J].电子科技，2010（4）：20-22.

[5]赵辛森.光纤通信工程[M].北京：人民出版社，1998.

[6]BIRKS T A，KNIGHT J C，RUSSELL P S J.Endlessly single-mode photonic crystal fiber[J].Optics Letters，1997（13）：961-963.

[7]CHIANG K S，LIU Y，NG M N，et al.Coupling between two parallel long-period fibre gratings[J].Electronics Letters，2002（16）：1408-1409.

[8]SAMIR W，GARTH S J，PASK C.Theory of fused-tapered nonlinear optical fiber couplers[J].Applied Optics，1993（24）：4513-4516.