光纤耦合器

来自实验帮百科
跳转至: 导航搜索

定义:一种光纤装置,用来将光从一根或几根输入光纤中耦合到一根或多根光纤中,或者从自由空间耦合进光纤中。

光纤耦合器是一种基本的光纤光学器件。需要注意的是,光纤耦合器有两种不同的含义:

  • 可以是一个包含一根或多根输入光纤和一根或多根输出光纤的光纤器件。一根输入光纤中的光可能在一根或者多根输出光纤中出现,其中功率分布与波长和偏振有关。
  • 也可以是一个将光从自由空间耦合到光纤中的装置。

这里指的光纤耦合器是第一种类型,将光在光纤之间耦合。可以采用不同的方法制作耦合器:

图1:2*2光纤耦合器。
  • 可以将两个或更多光纤受热拉成锥形然后熔接,这样它们的纤芯在几厘米长度上紧密接触。也可以采用保偏光纤,得到保偏耦合器或分离器
  • 有些耦合器采用边抛光光纤,提供与光纤纤芯的接触。
  • 有的利用平面光波导,包含一些分支波导,采用光纤耦合输入和输出。
  • 耦合器也可以由体光学材料制作,例如以微透镜和分束器的形式,也可以耦合进光纤中。

图2给出了以上描述第一种类型光纤耦合器中光束传播的数值模拟。其中,光在两光纤纤芯中振荡,最终大部分光强保留在初始光纤中。但是,对于另一个波长的光来说,耦合过程可能差别很大。因此,这种耦合器只能工作在有限的光学带宽中。它可以用作二色性耦合器或合束器,用来将两个波长组分分离或合在一起(例如光纤放大器中的泵浦光和信号光)。

Gxohq02.png

图2:光纤耦合器的振幅分布,由数值模拟光束传播过程得到的。

光纤耦合器通常都是定向耦合器,即进入入射端口的光不会再返回输入端口中。还有一个特征量是回波损耗,表征反射光相对于入射光的大小。


光纤合束器的限制因素

耦合损耗

如果采用的光纤都是单模的(即给定波长情况下,单位偏振方向上只传播一个模式),耦合器的性能会受到一些物理因素的限制。尤其是,将两个或更多具有相同频率的入射光耦合进单偏振的输出光纤时不可避免的存在很大的附加损耗,当然如果精准的调节和稳定入射光束的相位是可以消除损耗的。即两入射光束合束时需要完全相干

但是,这一限制在不同入射波长时就不存在了,有的耦合器可以将两个不同波长的光合在一起耦合到一个输出光纤中,而不会产生很大损耗。这种二色性耦合器通常用在光纤放大器中将信号光和泵浦光合在一起。两个输入光的插入损耗都很小(例如,远小于1 dB)。还有对波长敏感的耦合器,可以用在波分复用通信系统中用作复用器,将几个具有不同波长的入射信号结合在一起,或者分离开。

多模光纤合束器可以将两个不相干的光束合在一起,也不会产生耦合损耗。但是,这会使光亮度减小。

带宽

大多数的耦合器都工作在有限波长范围内(带宽有限),因为耦合强度与波长有关(通常还与偏振有关)。这是耦合长度一定的耦合器的典型性质。熔融耦合器的典型带宽为几十纳米。上面已经提到了,它可以用作二色性耦合器或者合束器。有时也被称为WDM耦合器(参阅波分复用)。


典型应用

光纤耦合器的一些典型应用包括:

  1. 在有线电视系统中,从一个发射器中得到的强的信号光被送进光纤分离器,它将光分配到很大数目的不同用户的输出光纤中。
  2. 光纤耦合器可以用在光纤干涉仪中,例如光学相干断层扫描(OCT)。
  3. 光纤激光器谐振腔中,二色性光纤耦合器可用来注入泵浦光,再采用另一个耦合器作为输出耦合器。尤其是在光纤环形激光器中通常采用这种技术,不需要在谐振腔端口注入光。
  4. 光纤放大器激光器中,二色性耦合器通常用来注入泵浦光或者消除信号输入中的剩余泵浦光。
  5. 高功率光纤激光器和放大器中,多模光纤耦合器用来将几个激光二极管的输出结合在一起,然后输入到活性光纤(双包层光纤)的内包层中。


参阅:光纤光纤光学二色性反射镜分束器插入损耗回波损耗