光纤耦合器和光分路器教程

光纤耦合器和光分路器教程作者：飞速(FS)内容来源：飞速(FS)日期：光纤耦合器简介光纤耦合器的原理是，将两根以上的光纤彼此靠拢进行熔化拉伸，从而产生一个耦合区。对加热区域进行拉伸，直到出现所需要的耦合特性。这一装置又被称为熔融拉锥(FBT)耦合器。随着输入光纤模场直径在下锥区内变得越来越大，耦合过程不断发生。在耦合区域内，由于两个纤芯彼此非常靠近，因此一个纤芯与另一个纤芯发生耦合现象。在纤芯直径不断增加的上锥区，模在芯内变得越来越小，最终两个独立的模离开了两根独立光纤的输出端。有时候，两根光纤会在加热拉伸前被绞合起来。另一个方法就是研磨光纤端面，使得设计者可以非常精确地控制耦合的效果。输入光的哪一部分将被耦合进第二根光纤，取决于工作波长、两条纤芯之间的距离以及耦合区域内的纤芯直径。因此，通过确定耦合区域的大小，我们将能够控制输出功率比，即耦合比。50:50的耦合比十分流行，而1:99则用于监控EDFA内部的输入和输出信号。如何实现50:50均分？在这一排列中，光模将通过两根光纤的合并包层，并且在上锥区被分离开来。FBT耦合器的优势FBT耦合器具有如下三个关键优势：低损耗过程：光纤耦合是一个低损耗的过程，实际上，在芯模到耦合模再到芯模的转换过程中是没有损耗的。因此，我们不得不说损耗是光通过一个短包层长度所造成的。不过，耦合器的插入损耗相当高，并且取决于耦合比。无逆反射：光纤决不会再耦合过程中离开光纤结构，所以它决不会经过任何的接口。因此，此类型耦合器本身不会造成逆反射。实际上，此类型耦合器的技术资料中并没有包含这一规范。便于连接：由于耦合器是由普通光纤制成，因此FBI能够与传输光纤非常方便地进行连接，并且损耗低。光纤耦合器的端口结构我们可以想象有许多种经过装置耦合的光纤组束，如下显示了其中的一部分类型。2×1合路器用于将两个光输入汇合进一条光纤（a）。当传输方向改变时，该装置将一个光信号分成两个光信号（b）。根据所执行的功能，该耦合器又被称为光纤分路器。这些耦合器要么耦合，要么分路，有1×N或N×1的端口结构（c）。这种耦合器被称之为树状耦合器，并且有可能是N×M结构.对于WDM网络，有一种重要的耦合器，那就是星形耦合器（d）。在这种耦合器中，有相同数量的输入端和输出端。它是N×N双向（BIDI）耦合器。但是，星形耦合器可以被构建成N×M单向耦合器。一个具有50:50输出比的耦合器，也就是被称为3dB耦合器的分路器。这种简单的装置可用作树状或星形耦合器的构建块。然而，这并不是最好的方法，因为我们需要M=(N/2)log2N3-dB的耦合器以得到一个N×N并且发射进入每一端口的功率只有1/N会出现在每一个输出端口。这就是为什么广播WDM网络的新一代树状和星形耦合器直接使用FBT技术来制造。均匀性是耦合器的一个特性，用于确保相等的分光比。例如，一个理想的1×2耦合器将输入功率均匀分流后进入两个端口。但在现实中，每一个输出端口的功率会偏离50:50的均分比。造成这一非均匀性的物理原因在于，制作过程中不同耦合插入的损耗不同。50:50耦合器的均匀性如下所示：均匀性（dB）=10log(P0/P1)-10log(P0/P2)]=10log(P2/P1)关于光纤分路器光纤分路器是无源光网络（PON）系统的一个关键的光学器件，也被称为无源光分路器，将光信号功率平均分流后进入所有输出端口。在PON设备中，一个1×8到1×32分路器被放置在一个电极上，将空中的配线光缆和用户引线连接至用户室内。一个1×N分路器可以是一个N×N星形耦合器的一部分。例如，左图所示是一个带有四层拓扑结构的16×16的星形耦合器，虚线区域表示的是一个1×16分路器。星形耦合器可在一个完美的Shuffle拓扑结构中，通过级联3-dB耦合器进行构建。3-dB耦合器有两个输入端口和两个输出端口，而且它将输入功率进行50:50均分后进入输出端口。用于k层1×N耦合器的3-dB耦合器数量由以下公式给出：N3dB耦合器=2k-1,k=log2N并且每个输出端口的分光损耗由以下公式给出:分光损耗=3k[dB].对于一个1×16分路器，k=4,那么所需的3-dB耦合器的数量即为32，并且每个输出端口的分光损耗为12dB。高阶分路器的构建可以看成是对此类耦合器进行k层排列。它们有一个或两个输入端口，并且输出端口的数量，如果所示为N3dB耦合器=2k，输出端口的数量被称为分光比，相当于可连接的光网络单元（ONU）的数量。在下行方向上，分路器将光的路径从所有的ONU分配至输入端口。分光比增倍的代价即为输出功率上的3-dB损耗。上行信号跟下行信号一样受到同样的损耗，甚至是只有一个端口连接至光线路终端（OLT）。这是无源对称装置互易性的自然结果。目前，我们认为分路器是不会造成任何损耗的，原因在于3dB不是损耗的能量，而仅仅可能是分路本身造成的。在一个实际的分路器中会有额外的损耗，我们称之为附加损耗。另外一个分路器的重要参数就是它的均匀性，这一参数用来衡量功率在各个输出端口之间是如何被均匀分配的。这是各端口之间损耗方面的最大不同。光纤分路器具有很好的方向性。当光从一个输入（或输出）端口被注入时，几乎不会发散至其他输入（或输出）端口。这一行为用方向性系数D来衡量，也被称为是近端串扰或近端隔离：D=10log(P0/P3)回损值R是指发射至端口的光功率与反射至同一端口的光功率之比。方向系数D和回损R在其他所有光终端端口来测量，也就是，来自其他端口的零反射。R=10log(P0/P4)光纤分路器的类型这类装置有两种类型：光纤和硅平面波导电路（PLC）。如下图所示，FBT光纤耦合器分路器的制作原理是，通过将两根独立的光纤烧结在一起形成耦合区。耦合区两头的锥形区足够长，以至于来自左手边任一端口的入射功率耦合进右手边的光纤，伴有光线的回射。通过烧结融合光纤的3-dB耦合器，带有32端口的星型耦合器就有可能实现。优势在于与其他光纤传输线路容易耦合并且损耗低，无偏振相关性损耗。现实当中的光纤分路器在目标光谱内有一致的性能，从1260到1600nm。这里是一个封装在LGX机箱内的1×4分路器，基于数个1×2FBT光分路器（来自飞速(FS)）.可以看到，分路器受到了光纤最小半径的限制。对于大分路比（如32或者更多），FBT耦合器分路器在各项光学特性，特别是可靠性方面，表现不足（1×4以下的FBT耦合器分路器包含三个1×2分路器和七个接续子），很多的元件都会遇到故障，而且很多的厂商都为此付出了很多努力。下图显示了硅基PLC星型光分路器。这一集成了耦合器的光分路器针对光配线网络（ODN）设计。PLC技术允许分路器通过像生产半导体一样的技术来进行生产。这些技术在小体积、低损耗和可靠的设备中实现了高分光比。PLC分路器用于需要大规模、集中式分路的GPONODN（如：与由多个独立放置的1×4分路器构成的树状结构不同）。如下表格列举了1×N（单一输入）和2×NPLC分路器的典型参数。对于检测而言，光时域反射仪（OTDR）的工作波长为1650nm。光分路器在分路输出端口有反射类型的耦合器，由多层介质滤波器构成。它虽然紧凑，但是光纤必须要连接至输入和输出端口。两种类型的耦合器（分路器）之间的损耗特性没有太大的差异。例如，市面上有售的1×16星型耦合器的插损大约为13到14dB，包括光纤类型和PLC耦合器/分路器的1到2dB附加损耗。偏振相关损耗为0.3dB。兼顾了局端装配有1×4分路器的无源双星结构和外部设备中的1×8分路器。为了检测ODN中的在役光缆，光纤耦合器必须要在1×8分路器和ONU之间插入，并且OTDR信号的1650nm波长输出必须要在ONU和OLT处被切断，以确保只有1310nm和1550nm的信号通过。与独立设备的结构相比，由于输入端在耦合器和分路器的对侧，这一集成式设备将十分便于操作。