光纖耦合器對光譜響應的研究*

崔 靜，蔡志崗，王福娟，曹 源

(中山大學光電材料與技術國家重點實驗室, 廣東 廣州 510275)

作為構成光纖網絡重要的組成部分,單模光纖耦合器是光纖測量技術、光纖傳感器[1-2]、光纖接入系統等領域中的一種應用十分廣泛的無源器件[3]。國內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。目前國內的研究范圍主要集中在分光比[4]、制作工藝和相關光纖器件研究等方面[5-8]，而在光纖耦合器對光譜響應的研究較少，更沒有較為符合實際情況的理論模型依據，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 耦合器結構模型及偏振調制分析

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拉伸，最終在加熱區形成雙錐形式的特殊波導結構，從而實現耦合的一種制作方法。

圖1為耦合器的結構模型，lb為融錐區長度，即為火焰寬度，l為拉伸長度，假設融錐前后體積不變，則光纖半徑為[9]：

(1)

圖1 耦合器的結構模型

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(一般為空氣)所傳導，形成了新的光波導結構。這時波導的歸一化頻率V和相對折射率差都比較大，實質上是一個多模波導，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調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內的幾何雙折射和應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差不一致造成的。而調制慢包絡由Cx-Cy決定，包絡里的快速振蕩由Cx+Cy決定；其中Cx-Cy是由于雙折射造成的，和偏振態有關。

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拉制光纖時，會在輸出端口出現光功率振蕩現象，并且振蕩周期越來越短，振蕩的包絡越來越小，在歸一化光功率為0.5之后，則會出現更多的振蕩包絡，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，會出現更多的震蕩包絡。

2.3 不同火焰寬度對光譜響應曲線的影響

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，拉錐時震蕩越劇烈，產生的波長響應調制周期越小。

2.4 不同拉錐距離對光譜響應的影響

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曲線。

圖6 光譜響應曲線(l=26.0 mm)

從上述兩個實驗結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也不同，拉錐長度越長，產生的包絡震蕩越多，波長間隔越密，對光譜響應越敏感。

3 結 論

本文通過熔融拉錐理論的研究，實現了熔融拉錐制作過程的模擬，與實驗結果比較相符，能夠與實際的器件研制相對應，理論模型使用有效。提出的光纖耦合器對光譜響應特性的理論模型，對不同熔燒距離和拉錐長度的光纖耦合器的光譜響應分析得到：熔燒長度和拉錐距離越長，會使光譜響應的波包數量越多，震蕩越密集，且調制慢包絡所含有的快速震蕩越少，對光譜響應越敏感，這些模擬與實驗結果相當吻合。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特性有一定的指導意義。

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