光纖耦合器的發展歷程

實現光信號功率在不同光纖間的分配或組合的光器件。利用不同光纖面緊鄰光纖芯區中導波能量的相互交換作用構成。按所採用的光纖類型可分為多模光纖、單模光纖和保偏光纖耦合器等。

光纖耦合器（Coupler）又稱分歧器（Splitter）、連接器、適配器、法蘭盤，是用於實現光信號分路/合路，或用於延長光纖鏈路的元件，屬於光被動元件領域，在電信網路、有線電視網路、用戶迴路系統、區域網路中都會應用到。光纖耦合器可分標準耦合器（屬于波導式，雙分支，單位1×2，亦即將光訊號分成兩個功率）、直連式耦合器（連接2條相同或不同類型光纖接口的光纖，以延長光纖鏈路）、星狀/樹狀耦合器、以及波長多工器（WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬於DWDM），製作方式則有燒結（Fuse）、微光學式（Micro Optics）、光波導式（Wave Guide）三種，而以燒結式方法生產佔多數（約有90%）。

燒結方式的製作法，是將兩條光纖並在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達光耦合作用，而其中最重要的生產設備是光纖熔接機，也是其中的重要步驟，雖然重要步驟部份可由機器代工，但燒結之後，仍須人工作檢測封裝，因此人工成本約佔10～15%左右，再者採用人工檢測封裝須保品質的一致性，這也是量產時所必須克服的，但技術困難度不若DWDM 模塊及光主動元件高，因此初期想進入光纖產業的廠商，大部分會從光耦合器切入，毛利則在20～30%。

光纖耦合器的發展歷程

其發展主要經歷了三個階段：萌芽階段、早期階段、發展階段。

光纖耦合器萌芽階段

1、物質基礎——低損耗光纖問世

1970年，美國的Comning（康寧）公司率先成功拉制出損耗為20dB/km的低損耗光纖。這一光學領域的重大技術突破，為光纖的進一步研發提供了先進的技術手段。同時，也為光纖耦合器的問世以及廣泛應用奠定了雄厚的物質基礎。

2、理論依據——耦合模方程推導

1972年，澳大利亞的Snyder成功推導出擾動均勻光纖系統中的耦合模方程及耦合係數表達式，理論上分析了分別位於多邊形各頂點以及多邊形中心的光纖系列耦合功率轉換情況。同年，美國的Wijngaard給出了兩根相同或相異的平行圓波導間的模場分布。

1973年，Snyder和McIntyre原有基礎上進一步研究了光纖各個模式間的功率轉換。Snyder和Wijngaard出色的理論工作，為光纖耦合器的設計及光纖耦合器功率轉換分析提供了可靠的理論依據。

光纖耦合器早期階段

1、光纖耦合器雛形——光纖連接器

1971年，Bisbee率先採用熔接的方法實現了多模光纖之間的焊接。翌年，Dyott等人採用類似的熔接技術實現了單模光纖之間的焊接，所進行的拉錐試驗也獲得了一定進展。

Bisbee和Dyott等人採用熔融方法所設計的光纖耦合器，可實現兩根光纖之間的單路耦合和定向傳輸，這種熔融方法為光纖耦合器的研製指明了方向。

2、光纖系統集成化基元——星型耦合器

1974年，Hudson和Thiel提出了星型耦合器的思想，並設計出第一個星型光纖耦合器。與傳統的T形耦合器相比，這種多埠的光纖星型耦合器具有損耗更低、方向性更好、穩定性更高、各埠等效等諸多優點。星型耦合器的出現為光纖通信系統和光纖傳感系統向著集成化、小型化發展提供了技術保障。

3、光纖定向耦合器問世——光纖定向耦合器出現

1975年，Kuwahara等人將兩根多模光纖纏繞並在耦合區填充折射率匹配液，構成世界上第一個光纖定向耦合器。實驗測得該光纖耦合器的耦合功率為50dB，方向性為21dB。光纖定向耦合器的問世，標誌著光纖耦合器時代的到來，使得光纖通信和光纖傳感系統的全光纖化成為可能。

4、光纖耦合器新思路——腐蝕錐形光纖耦合器

1976年，Yamamoto等人率先採用化學腐蝕技術，製成錐形結構的光纖耦合器，其耦合效率可達90%以上。這種方法為設計光纖耦合器提供了一種新思路，為光纖耦合器的多元化開闢了新途徑。

5、光纖耦合器技術突破——熔融光纖定向耦合器

1976年，Barnoski和Friedrich採用聚焦的CO2雷射作為局部熱源，加熱熔融兩根Comning公司生產的多模光纖，首次製成光纖定向耦合器;通過調整光纖纖芯間距和相互作用長度，可以實現對耦合比的控制。將加熱熔融方法應用於光纖定向耦合器的製作，在技術上是一項重大的突破，為光纖定向耦合器的大規模生產奠定了技術基礎。

6、光纖耦合器手工化——拋磨型光纖耦合器

1976年，McMahon和Gravel採用機械拋磨方法移除多模光纖的部分包層，製成分布式T形耦合器。

同年，Hsu和Milton採用類似的機械拋磨方法移除單模光纖的部分包層，製成拋磨型單模光纖耦合器。McMahon和Hsu等人提出的機械拋磨方法，為光纖耦合器的研製開闢了另一條途徑。

光纖耦合器發展階段

隨著熔融拉錐、機械拋磨、化學腐蝕等技術的出現，光纖耦合器開始迅猛發展並進入高速發展階段，各種結構豐富、功能優良的光纖耦合器如同雨後春筍一般蓬勃發展。光纖耦合器逐步從實驗室走向工業生產領域，其生產工藝日趨成熟並得到了廣泛應用。

1、熔融與拉錐結合——熔錐形光纖耦合器

1977年，Kawasaki和Hill將熔融技術和拉錐技術結合，首次製成了熔融雙錐形耦合器。這種熔融拉錐技術將耦合器的附加損耗降低了一個數量級，實驗測量的附加損耗為0.1～0.2dB。熔融技術與拉錐技術的結合是光纖耦合器生產史上的一次重大飛躍，開啟了光纖耦合器發展的新紀元，為光纖耦合器的規模化生產從技術上提供了有力保證。

2、拋磨法的成熟——拋磨型多模光纖耦合器

1978，Tsujimoto等人先將兩根多模光纖分別嵌入兩板中進行拋磨，再將經打磨後的兩根光纖拼接在一起，首次製成3dB拋磨型多模耦合器，其附加損耗小於0.3dB。這種耦合器設計方法迅速被人們廣泛採用，並將光纖耦合器的發展推向一個新階段。

3、封裝腐蝕法——可調諧單模光纖耦合器

1979年，Sheem和Giallorenzi將兩根光纖纏繞在一起放入盛有腐蝕液（HF：NH4F=1：4）的四埠容器中腐蝕，首次製成耦合效率在0～2dB之間、手動可調諧的單模光纖定向耦合器。雖然此前光纖耦合器腐蝕技術已經出現，但他們設計的光纖耦合器屬於全功率轉換型，這是首次將腐蝕技術應用於功率分配型耦合器的成功設計。該耦合器通過旋轉瓶帽控制兩根光纖的纏繞次數和光纖間的張力，可實現耦合比從0到2dB之間的手動調諧。封裝腐蝕法的提出為可調諧型耦合器的設計提供了新的實現途徑。

4、光纖耦合器多芯化——雙芯光纖耦合器

1980年，Schiffner等人首次成功拉制出雙芯光纖。拉制前預先在雙芯之間填充一排空氣孔，使兩根光纖的兩端分開，可製成雙芯光纖耦合器，並通過彎曲光纖調諧其耦合比。雙芯光纖的出現有效地拓展了光纖傳送容量，而雙芯光纖耦合器的出現進一步促進了光纖耦合器多元化發展的進程。

5、化學汽相沉積法與熔錐法結合一一保偏型熔錐光纖耦合器

1982年，Kawachi等人採用單模單偏振熊貓型光纖，首次製成偏振保持型熔錐光纖耦合器。為使熔融過程中光纖扭曲變形最小化以保持偏振對稱性，他們採用化學沉積法首先在熊貓光纖外圍沉積一層SiO2-B2O3層，然後進行拉錐。這種光纖耦合器能夠保持很高的偏振特性，它的出現有力地推動了相干通信系統和相干傳感系統的發展。並且，保偏光纖耦合器也是構成高精度、高性能光纖陀螺和水聲器的基礎元件之一。

6、光柵和光纖耦合器結合——光纖光柵耦合器

1985年，Russell和Ulrich首次將光柵放置於經側面打磨的光纖纖芯消逝場附近，製成光纖光柵耦合器。這種耦合器可用於製作光譜儀、濾波器、光開關等光纖通訊器件，在波分復用領域具有得天獨厚的優勢。

7、周期性微彎法——光纖模式耦合器

1986年，Blake等人首次採用周期性微彎方法，製成了LP01模到LP11模之間的模式耦合器。這種耦合器可用於製作頻移器、幅度調製器等光纖器件。周期性微彎法的採用，極大地豐富了光纖幹涉和光纖傳感的研究內容，也拓寬了光纖器件的應用範圍。

8、多芯與單芯光纖耦合——混合型光纖耦合器

1993年，Himeno等人率先提出多芯與單芯耦合製作光纖耦合器的思想，並用可熔融連接器將雙芯光纖和兩根單芯光纖連接，經錐化製成了混合型光纖耦合器。這種新型製作技術可於製作星型光纖耦合器，並對其發展具有重要意義。

9、特種光纖耦合器製作——塑料光纖活性耦合器

1998年，Zubia等人首次製成帶有液晶中間層的塑料光纖活性耦合器。這種活性耦合器兼有耦合器和光開關的特性，在光纖傳感領域有著廣泛的應用。

10、長周期光纖光柵間的耦合一一長周期光纖光柵耦合器

2000年，Chiang等人分析了兩根平行的長周期光纖光柵之間的耦合機制，製成了長周期光纖光柵耦合器。這種基於長周期光纖光柵的耦合器可於製作合/分路器，在波分復用系統中有著廣闊的應用前景。

11、非常規光纖耦合器——太赫茲光纖耦合器

2007年，Chen等人率先製成太赫茲單模光纖耦合器。由於反對稱模截止，這種太赫茲光纖耦合器的耦合比不依賴於耦合區長度。在太赫茲光纖通信系統、3dB功率分配器、太赫茲光纖內窺鏡等領域，這種新型耦合器具有廣闊的應用前景。

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