熔融拉锥型全光纤耦合器_光波技术基础
1.制作方法及特点
将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊结构，实现传输光耦合的一种方法。
加热源是氢氧焰或丙烷（或丁烷等）氧焰等，固定式或移动式；计算机精确控制各种过程参量，随时监控光纤输出端口的光功率变化。图9.2.1是熔融拉锥系统。
图9.2.1 熔融拉锥系统示意图
熔融拉锥法的特点如下：①极低的附加损耗；②方向性好；③良好的环境稳定性；④控制方法简单、灵活；⑤制作成本低廉，适于批量生产。
2.耦合机理
熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理如图9.2.2所示。
对于熔融拉锥型单模光纤耦合器，其单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图如图9.2.3所示。当传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，v值逐渐减小，有越来越多的光功率渗入光纤包层中。实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质（一般是空气）作为新包
图9.2.2 熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理图
图9.2.3 单模光纤耦合器的迅衰场耦合示意图
层的复合波导中传输的；在输出端，随着纤芯的逐渐变粗，v值重新增大，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”。在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。
将一根光纤看作是另一光纤的扰动，在弱导近似下，假设光纤是无吸收的，则耦合方程组为
其中，a1、a2分别是两根光纤的模场；β1、β2是两根光纤在孤立状态的传播常数；c0是耦合系数。自耦合系数相对于互耦合系数可以忽略，且近似有c12＝c21＝c。方程组满足z＝0时，a1（z）＝a1（0）、a2（z）＝a2（0）的解为
其中，
其中，r是光纤半径，d是两光纤中心的间距，nco和ncl分别是纤芯和包层的折射率，u和w是光纤的线芯和包层参量，v是孤立光纤的光纤参量，k0和k1是零阶和一阶修正的第二类贝塞尔函数。每根光纤中的功率为
已假定光功率由一根光纤注入，初始条件为p1（0）＝1和p2（0）＝0，f2代表着光纤之间耦合的最大功率。当两根光纤相同时，有β1＝β2，f2＝1。
对于熔融拉锥型多模光纤耦合器，在多模光纤中，传导模是若干个分立的模式，并在数值孔径角内：
其中，a为纤芯半径，n1为芯区折射率，θ为传导模与光轴的夹角，λ为传输光的波长。
总的模式数为
其中，v为频率。
图9.2.4 多模熔融拉锥结构示意图
多模熔融拉锥结构如图9.2.4所示。当传导模进入多模光纤耦合器的熔锥区时，纤芯逐渐变细，同样会导致v值减小，纤芯中束缚的模式数减少，较高阶的模进入包层中，形成包层模。由于在熔锥区中，两光纤的包层合并，所以当输出端纤芯又逐渐变粗时，“耦合臂”的纤芯将可以一定比例“捕获”这些较高阶的模式，获得耦合光功率。但是，对于“直通臂”纤芯中传输的较低阶的模式，却只能继续由“直通臂”输出，不参与耦合过程。因此，与单模耦合器不同，多模耦合器的两输出端的传导模一般来说是不同的，器件性能对传输光信号的模式比较敏感。为了克服这种缺陷，人们对传统的熔融拉锥工艺进行了改进，使多模信号在熔锥区能够实现模式混合，各阶模式均参与耦合过程，使输出端的模式一致，从而消除器件的模式敏感性。