【正文】 耦合器是無附加損耗的，輸入到一根光纖中的光功率是 p0，根據(jù)耦合模理論，耦合到另一根光纖中的功率為 （ 65） 220 sin ( )p p z?? 根據(jù)功率守恒，第一根光纖中的輸出功率為： （ 66） ?是耦合系數(shù)，與兩根光纖耦合區(qū)的長度、耦合區(qū)兩根光纖的半徑比及光波長有關(guān)。通常用分光比表示耦合器輸出端口之間光功率分配比例，表示為 （ 67） 210 c o s ( )p p z??212= 1 0 0 %ppp??分 光 比 若在兩根輸出光纖中光功率相等，則稱這種耦合器為 3dB耦合器。 3dB耦合器的分光比為 50:50，但兩個輸出端口的光有 ???的相對相位差，即耦合到另一光纖的輸出光與沿直通輸出方向的光相比存在 ???的相位滯后。 利用式（ 65）、（ 66）給出的關(guān)系，可以通過適當?shù)脑O(shè)計將耦合器結(jié)構(gòu)用于兩路波分解復用。假設(shè)從端口 1輸入 ?1和 ?2的信號光，由于耦合系數(shù)與光波長有關(guān)，而 ?1和 ?2的波長間隔又較大，適當?shù)脑O(shè)計耦合情況可以實現(xiàn)對?1波長，滿足 , 1 , 2 , 3 ,z m m????對于 ?2波長，滿足 （ 68） 則此耦合器將對波長有選擇作用，波長為 ?1的光信號全部直通過去從端口 2輸出，波長為 ?2的光信號全部耦合到另一光纖中，從端口 3輸出，起到波分解復用的作用。 由于熔融拉錐型耦合器中錐形變化緩慢，反射光可以忽略，所以也稱為方向耦合器。將多根光纖熔融拉錐制成的耦合器稱為星形耦合器，如圖 。用熔融拉錐法制作耦合器成本低，器件的性能穩(wěn)定，插入損耗小，在實際系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 ( 2 1 ) , 1 , 2 , 3 ,2z m m?? ? ? ? 圖 熔融拉錐法制作 4 ?4耦合器 耦合器的特性可以用一下幾個性能參數(shù)來描述。 1） 附加損耗 (excess loss) 附加損耗的定義為 ( ) 1 0 l g jexj iPP d BP???? ?????（ 69） 其中 ， Pj 是在端口 j 的輸出功率 ， Pi是端口 i 的輸入功率 。 如果光功率從端口 1輸入 ， 則附加損耗等于： 121( ) 1 0 l gex PPP d BP????? ????（ 610） 在理想狀態(tài)下，輸出功率之和應(yīng)該等于輸入功率。附加損耗定量給出了實際情況和理想狀態(tài)的差別，因此附加損耗應(yīng)盡可能小。對于正在討論的耦合器，依賴于其類型，典型附加損耗在 ～ dB 之間變化。（注：公式 ()中分母的 P1 是輸入端，分子的 P1 是輸出端。） 2) 插入損耗 (IL) 插入損耗是指輸入端口 i和輸出端口 j之間產(chǎn)生的損耗 ， 為輸出與輸入端口光功率之比 ，即 ( ) 1 0 l g jijiPI L d BP?? 如從端口 1輸入 ， 端口 2輸出 ， 則它們之間的插入損耗為 2121( ) 1 0 l g PI L d BP?? 一個耦合器的插入損耗是相當高的。 2 2耦合器的插入損耗的典型值為 dB。 （ 612） （ 611） 3) 耦合比 耦合比形式上定義為某一端口輸出的光功率與所有端口的輸出光功率之比 ， 即 ( ) 10 l g jjjPC R dBP??? 這個特性通常用來描述一個耦合器的性能 。 它可以用絕對值或百分比給出 ， 在后一種情況下 : ( %) 1 0 0jjjPCRP???（ 614） （ 613） ? 3． 波導耦合器 波導耦合器是一種應(yīng)用廣泛的耦合器，其基本結(jié)構(gòu)和基本原理與光耦合器類似。圖（ a）所示為一個 2?2波導耦合器結(jié)構(gòu)示意圖，波導是由不同折射率的介質(zhì)構(gòu)成，如圖 （ b）所示，它是由折射率較高的薄層夾在折射率較低的介質(zhì)中間形成，在相互作用區(qū)中兩個波導相互靠近產(chǎn)生光場的相互耦合，耦合強度與作用區(qū)的長度、波導的寬度、波導間隙、折射率及光波長等因素有關(guān)。 （ a） （ b） 圖 波導耦合器的結(jié)構(gòu) 可以采用多個 3dB耦合器連接的方式設(shè)計多端口星形波導耦合器，圖 8?8和 1?8波導耦合器的結(jié)構(gòu)圖。 圖 多端口耦合器 ? 偏振控制器 ? 1． 可轉(zhuǎn)動光纖線圈型偏振控制器 最簡單常用的光纖偏振控制器是可轉(zhuǎn)動光纖線圈型，其結(jié)構(gòu)如圖 （ a） 所示。這種結(jié)構(gòu)是一在底板上垂直安裝一排（一般 3或 4個）圓盤，盤可以轉(zhuǎn)動，半徑比光纖芯徑大得多，約為 750mm，圓盤的圓周上有槽，光線可以纏繞在盤上。當光纖被纏繞在圓盤上彎曲成小圓圈時，光纖外面被拉伸，里面被壓縮，如圖 （ b） 所示。 這種應(yīng)力引起光纖的感生雙折射，使輸入光在兩個偏振方向上產(chǎn)生相移，從而起到控制偏振的作用。當光纖線圈被轉(zhuǎn)動時，光纖中的快軸和慢軸也發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此，通過調(diào)整線圈的方向可以獲得所需要的任意的偏振方向。 圖 可轉(zhuǎn)動光纖線圈型偏振控制器 ? 2． 擠壓型偏振控制器 擠壓型偏振控制器利用電磁擠壓是光纖產(chǎn)生附加的雙折射，達到控制偏振狀態(tài)的目的。一種擠壓型偏振控制器的結(jié)構(gòu)如圖 所示，光纖和壓電晶體被固定在一起，當晶體上外加電壓時，晶體的長度發(fā)生變化，壓擠光纖，使光纖產(chǎn)生附加雙折射，壓力的大小可以通過外加電壓精細控制。 圖 擠壓型偏振控制器 ? 光纖光柵 ? 1． 光纖光柵的結(jié)構(gòu) 光纖光柵由一段折射率沿其長度周期性變化的光纖構(gòu)成。利用摻鍺石英光纖受到 240 nm 附近紫外光照射時纖芯折射率會增大這一現(xiàn)象，將光纖沿中心軸線切開，從光纖切面照射呈空間周期性變化的紫外光，纖芯部位就會出現(xiàn)周期性折射率變化，這就形成了光柵（ FG），其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 光纖光柵的結(jié)構(gòu) 目前制作光柵的光源主要有 193 nm/248 nm 中紫外光， 334 nm 近紫外光及 μm CO2 激光。制作方法主要有干涉法（如雙反射鏡、三反射鏡法）與非干涉法（如相位、振幅掩膜法）。干涉曝光法是指先形成紫外光周期模式（周期在 1 μm 以下） ,再從光纖側(cè)面進行照射。干涉曝光法中的干涉條紋是將紫外激光先分成 2個光路 ,然后再疊加而成。通過改變兩光束的相對角度能產(chǎn)生任意周期具有不同反射波長的光柵，如圖 （ a）所示。 相位掩膜法中的相位掩膜板 （ 本身是一種衍射光柵 ， 其石英基片上的凹槽周期與光柵周期成比例 ） 臨近光纖配置 ， 從另一側(cè)照射紫外激光 ， 紫外激光被調(diào)制成 177。 1次衍射光 ， 兩光疊加于光纖芯部并形成干涉條紋 。 采用這種方法能產(chǎn)生大量同一特性的光柵 ， 其穩(wěn)定性好 ， 應(yīng)用較普遍 ， 如圖 （ b） 所示 。 圖 （ 如圖（ a） 所示 ） 或掩膜法 （ 如圖 （ b） 所示 ）寫入 ， 反射光滿足布拉格條件 。 ? 2． 光纖布拉格光柵 （ 1） 光纖光柵濾波器 纖芯中折射率的周期性分布實際上構(gòu)成布拉格衍射的結(jié)構(gòu)稱為布拉格光柵（ FBG）。圖 原理示意圖。 圖 光纖布拉格光柵原理示意圖 FBG 的結(jié)構(gòu)和 DFB 激光器周期性波紋結(jié)構(gòu)的作用一樣，提供周期性的耦合點，使單模光纖中入射的基膜根據(jù)光柵和不同傳輸常數(shù)決定的相位條件。既可以耦合成前向傳輸模式，也可以偶合成后向傳輸模式。短周期的均勻光纖光柵的基本特性表現(xiàn)為一個反射式光學濾波器，反射峰值波長稱為布拉格波長，記為 ??，滿足下列方程式 （ 615） 式中， neff是纖芯的等效折射率， ?是光柵周期。 e f f=2B n? ? 圖 的一個示例。若 FBG 的反射波長是 ?1 ，輸入信號中波長為 ?1的光信號被 FBG 反射回來，從環(huán)形器的 3端口輸出，而其他 3個波長的信號透射過去，從 FBG 的輸出端輸出，從而實現(xiàn)從多波長信號中選擇某波長下路。理論分析可知，光纖光柵的長度越長，對光譜的選擇性越好， 3dB 帶寬越窄。 光纖光柵具有體積小，插損低，與普通光纖匹配良好等優(yōu)點，在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 圖 FBG應(yīng)用示例 （ 2）啁啾光纖光柵 啁啾光纖光柵是指光纖中的折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿光柵軸線變化的光柵，其制作方法是在光纖上刻出一系列不等間距的光柵，光柵上的每一點都可以看成是一個本地布拉格光柵的通帶和阻帶濾波器，其周期沿傳輸方向 z的變化可以表示為 （ 616） 式中 c 是周期的線性變化斜率，數(shù)值可以取正值，也可以取負值，其結(jié)構(gòu)如圖 示。 ( ) ( 1 )z cz? ? ? ? 圖 啁啾光纖光柵 在這種光柵中，由于光柵周期的變化，使輸入光波中不同的波長在光柵的不同深度位置處被反射，造成不同波長的光在光柵中渡越時間不同，這一特性適合用于作為群速度色散補償器件，也可以構(gòu)成寬帶濾波器。 我們簡單分析一下啁啾光柵補償色散的原理。光信號在光纖中傳輸時，由于群速度色散，入射光脈沖中的短波分量（高頻分量）群速度高，經(jīng)過光纖傳輸以后位于脈沖的前沿，而長波分量位于脈沖的后沿，結(jié)果造成脈沖的展寬。這種被展寬的光信號進入啁啾光柵后，不同波長的信號在與光柵周期對應(yīng)的位置被反射，即短波長的信號在光柵的末端才被反射，長波長的信號在脈沖的起始端就被反射，于是就補償了群速度色散效應(yīng)，使脈沖寬度被壓縮甚至還原。 用啁啾光纖光柵作為色散補償器的優(yōu)點是器件的體積小，補償效率高，其缺點是補償帶寬較窄，目前人們正在研制寬帶啁啾光纖光柵以適應(yīng) WDM 系統(tǒng)的需要。 ? 3長周期光纖光柵 如果注入光柵 FG 的光向纖芯外輻射出去，并耦合至包層，被光纖涂覆樹脂吸收而迅速消耗掉，且不存在反射，則稱具有這種功能的光柵為長周期（幾十至幾百微米）光柵 (LPG)。 ? MachZahnder濾波器 MZ濾波器的結(jié)構(gòu)如圖 （ a）所示，由兩個 3dB耦合器和兩段長度不等的波導臂組成。輸入光功率 Pi經(jīng)第一個 3dB耦合器后等分為 Pi1和 Pi2兩部分 ,光功率可以表示為 （ 617） （ 618） （ 619） i i ip E E??li e itE A i??2i1 i 2 2App?? 圖 MZ濾波器的結(jié)構(gòu)和透射譜 它們分別在長度為 L1和 L2的光波導中傳輸，為簡化分析，暫不考慮耦合器對兩束光帶來的相移。由于兩波導的長度不同，傳輸時延不同，到達第二個 3dB耦合器時，兩束光的電場強度可以表示為 （ 620） （ 621） 式中， ? 為光波的角頻率， ? 是光纖中光的傳輸速度。 1( / ) l1 e2i t L vAEi? ??