無源光器件之光纖耦合器

光纖通信系統中，需要一些不用電源的光器件，統稱為無源光器件，如光纖連接器、光纖耦合器、光纖適配器以及光衰減器等。無源光器件不需要電源的特點不但給施工維護帶來諸多方便，而且可以大大降低網絡建設成本，所以光通信器件的無源化代表著光通信器件的發展方向。本文主要介紹光纖耦合器的工作原理與技術指標。

1．工作原理

光纖耦合器（Coupler）又稱分路器（Splitter），是將光信號從一路向兩路、多路傳送，或把N路光信號合路再向M路或N路分配的器件。光纖耦合器按製作方法分為微鏡片耦合器、波道耦合器以及光纖耦合器等。其中光纖耦合器由於製作時只需要光纖，不需要其它光學器件，具有與傳輸光纖容易連接且損耗較低、耦合過程無需離開光纖，不存在任何反射端面引起的回波損耗等優點，因而更適合光纖通信，有時也稱為全光纖元件。圖1為熔錐技術製作的2×2光纖耦合器。

圖1  熔錐技術製作的2×2光纖耦合器

光纖耦合器根據應用方式可分為標準耦合器（即1×2光分路器）、星狀/樹狀耦合器以及波長多工器（WDM或DWDM）。圖2為1×2光分路器實物。

圖2  1×2光分路器實物圖

N×N的耦合器是由2×2耦合器級連起來的，圖3給出了一個4×4耦合器的例子，它可用2×2耦合器通過熔融拉錐光纖來製成。可以看出每個輸入埠注入光功率的1/N出現在輸出埠，N必須為2的整數倍（即N=2n,n≥1）。一個N×N的耦合器所需2×2的耦合器的數目為：

圖3  4個2×2耦合器構成的4×4星型耦合器

2．技術指標

1）插入損耗

插入損耗是指輸入埠i和輸出埠j之間產生的損耗，為輸出與輸入埠光功率之比：

如從埠1輸入，埠2輸出，它們之間的插入損耗為：

一個耦合器的插入損耗是相當高的，2×2耦合器插入損耗的典型值為3.4dB。

2） 附加損耗

附加損耗定義為：

 

其中，Pj是在埠j的輸出功率，Pi是埠i的輸出功率。如果光功率從埠1輸入，附加損耗等於：

在理想狀態下，輸出功率之和應該等於輸入功率。附加損耗定量給出了和理想狀態的差別，因此附加損耗應儘可能小。對正在討論的耦合器，依賴於其類型，典型附加損耗在0.06dB～0.15dB間變化。

3）耦合比

耦合比在形式上定義為某一埠輸出的光功率與所有埠的輸出光功率之比。

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，在後一種情況下：

 

在系統應用中，分光比的確定是根據實際系統光節點所需的光功率的多少，確定合適的分光比（平均分配的除外），光分路器的分光比與傳輸光的波長有關，例如一個光分路在傳輸1.31 微米的光時兩個輸出端的分光比為50:50；在傳輸1.5μm的光時，則變為70:30（之所以出現這種情況，是因為光分路器都有一定的帶寬，即分光比基本不變時所傳輸光信號的頻帶寬度）。

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