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宽带和窄带掺硫光纤耦合器
摘要：
本文展示了一个由AS2Se3玻璃材料制成的光纤耦合器。宽带和窄带光纤耦合器的光纤纤芯与包层的直径比是经过工程化了的。分光比可以做到50:50到1:99中的任意值。AS2Se3玻璃材料对处于光谱中1.5-12um波段的光的透明度为制作中红外光纤耦合器提供了便利。
关键词：
硫系玻璃、中红外光纤耦合器、宽带和窄带光纤耦合器、拉伸装置、绝热指标、光功率随拉伸过程变化图。
- 介绍：
光纤耦合器是任何光纤设备或系统的必要组成模块。根据应用领域的不同，它们通常被分为宽带和窄带的两类。宽带光纤耦合器通常被用作光功率分配器和开关耦合器，然而窄带光纤耦合器通常用于波分复用，或者是在掺稀土元素的光纤系统中，将泵浦光和信号光耦合在一起。现在应用很广泛的硅光纤耦合器当用在波长超过2um的系统中时，会被本征吸收所破坏。作为制作中红外光学元件的理想物质，硫系玻璃比如AS2Se3由于它对处于光谱中1.5-12um波段的光的透明度好，显示出其优越性。在此前的报道中，一个由掺硫光纤制成的多模光纤耦合器，其纤芯使用的是AS40S58Se2材料，直径为135um，包层使用的是AS40S60材料，直径为200um。这个耦合器可以承受2.7um下的多模式工作，分光比可以达到33%-67%。因此，最多三分之一的输入光功率可以从输入端口传送到输出端口。此外，这种耦合器对波长的依赖性没有被调查。在最近的一篇论文中，填充ZBLAN的光纤耦合器被成功地制造了出来并且经过了测试。但ZBLAN玻璃只对7um以下的光波长具有透明性，这只是硫系玻璃所允许的光谱（1.5-12um）中的一部分。
就目前我们知道的来说，任意分光比的准单模或波长选择的光纤耦合器没有被报道过。
在这篇文章中，我们展示了两种AS2Se3耦合器的构成，他们适用于中红外波段，一个是宽带光纤耦合器，另一个是窄带光纤耦合器。宽带光纤耦合器是准单模的，分光比为50%，波长从1.5um到2.0um。窄带光纤耦合器适用频率在6.25THZ，在传输时消光比大于15dB。在制造过程中使用的热刷技术使得分光比可以在1%-99%之间任意设定，当分光比在50%时，耦合器对波长的依赖性较小或较大。
- 耦合理论：
对光纤耦合器的分析和设计通常采用模式耦合理论。这个理论是基于基模传输时对每一光纤的微扰，而不是把波导结构当成一个整体，然后传输整个横截面上的本征模式（或是超模）。在非对称耦合器中使用模式耦合理论可以得出：
(1a)
(1b)
(1c)
在这里是耦合臂的输出功率，是输入端口的功率，k是对称光纤中的耦合系数，是非对称光纤中修正了的耦合系数，delta;是相位失配参数，是波数，是每根光纤的半径，D是纤芯之间的距离，是截止频率，，，是传播常数，是纤芯和包层的相对折射率，是0阶和1阶第二类贝塞尔函数，L是耦合器的熔融加热长度。delta;有着重要的意义，因为它是对称光纤耦合器衡量组成耦合器的两根光纤一致性的量度。
图1 掺硫光纤耦合器几何结构图 TrR，传输区；WR，腰椎区
一个特定的例子是耦合器是对称的，这就要求，因此：
（2）
对于某一固定的k，传输到耦合臂的功率是传播距离的周期函数，耦合长度被定义为从输入端口传播到耦合臂，要得到全部功率的最小长度：
（3）
正如公式（2）所显示的，耦合器波长的周期性是与成比例的。对于公式（1-b），k是lambda;的超越函数（因为、NA、U、W和都与lambda;有关），求k对lambda;的导数可得，腰椎（）直径越大，越小。因此，对于相似的光纤和同样的熔融加热长度L，较大的耦合器，对波长的依赖越小，对于宽带光纤耦合器的应用更加有效。
- 数值模拟：
在这里，我们数值地研究了在制作AS2Se3耦合器的过程中，腰椎直径和拉伸长度对耦合器基本特性参数——耦合长度和传输光谱的影响。我们假设两根光纤在制作过程中保持接触状态，在将他们塑造成锥形的过程中，模式没有相互扩散。我们应用模式耦合理论来计算公式（1-b）中的k。通过求解无限包层圆柱波导的本征方程，可以得到传播常数，从而得到基模的电场和磁场分布。通过热刷方法，我们可以知道每根光纤的直径，这种方法在文献[8]中有详细的描述。
图1展示了AS2Se3耦合器的几何构成。光在输入端口发出，在绝热条件下通过传输区传输，然后到达腰区，在腰区光纤被熔融在一起，发生了耦合。每根光纤中的光功率绝热地转换回响应光纤的基模中，然后再直通臂和耦合臂的输出端口被测量。
图2 用模式耦合理论计算的耦合长度随拉伸长度变化关系 插图描述了耦合器腰椎区横截面的几何形状
图2是耦合长度与拉锥长度的函数关系图像。两根光纤的拉伸程度越大，他们的熔融度就越大，耦合程度也就越大（k越大）。因此，耦合长度减小。
图3 不同腰椎直径（phi;）下的掺硫光纤耦合器光谱特性比较 黑色和蓝色的曲线分别对应宽带和窄带光纤耦合器
为了研究不同的腰椎直径对光谱特性的影响，我们研究了三种不同的耦合器。三个耦合器的熔融加热长度均为4cm。图3展示了，和的掺硫光纤耦合器的光谱特性。从这张图我们可以看出，越小，耦合器的波长选择性越强。从理论上也可以分析得出这个结果，因为随着光纤的拉伸，腰区的直径减小，因此，每根光纤的基模扩散到另一根光纤中，导致k变大，这一结果与光谱特性的波长依赖性的增加相对应（公式（2））。腰区直径为4um和6um的掺硫光纤耦合器分别对应于本文中提及的窄带和宽带光纤耦合器。
- 耦合器的制作：
图4 拉锥装置的原理图
用于制作AS2Se3耦合器的光纤的初始纤芯直径为7um和14um，分别用于制作宽带和窄带光纤耦合器。纤芯和包层的材料均为AS2Se3，但化学计量比有所不同，导致数值孔径NA=0.184。为了实现准单模宽带耦合，两根光纤必须都是单模光纤，即Vlt;2.045。有很多技术可以用来制作熔融拉锥型光纤耦合器，其中热刷技术制作的耦合器结实耐用，并且能够保证绝热指标。图4展示了热刷成锥结构，用于预成锥和从并列的两根光纤制成耦合器。在预成锥时，两根光纤被分别拉伸成预先设定好的均匀直径。然后将掺硫光纤末端抛光，与硅光纤（SMF-28）连接在一起，用UV环氧永久地粘在一起。SMF对SMF的插入损耗对于纤芯为5.5um和12um的预成锥光纤来说分别为3dB和5dB，这是由于SMF光纤和掺硫光纤的基模失配、菲涅尔反射损耗、掺硫光纤和SMF-28光纤没有对准带来的。纤芯直径为5.5um的光纤是单模光纤，其截止频率V=2.05，而纤芯直径为12um的光纤为多模光纤，其截止频率V=4.46。
对称光纤对被放置在拉锥装置上，为了在拉锥过程中保持光纤对的接触，要把光纤对进行半圈的缠绕。加热装置的温度设定为190℃，这个温度下AS2Se3会变软但不会融化。这一最优的温度可以让两根光纤形成锥形结构，并且很好地熔融在一起，避免任何不需要的纤芯和包层之间的模式扩散，或是锥形结构的破裂。
图5 测量装置的原理图 BBS，宽带光源；DFB，分布反馈式激光器；PM，功率计；OSA，光谱分析仪
图5展示了用于测定耦合器特性的装置原理图。一个分布反馈式激光器发射波长为1.57um，光功率为0dBm的光，它被连接在耦合器的输入端口。直通臂和耦合臂的输出功率在拉锥过程中用功率计被原位测量。在拉锥过程中，分布反馈式激光器和直通臂的功率计被周期性地用宽谱光源和光谱分析仪替代，用于测量直通臂的光谱特性。宽谱光源被设定成输出0dBm的光。
- 耦合器的表征：
图6 直通臂传输功率与拉伸长度的关系 注释对应于50%-50%准单模耦合器
图6展示的是一个典型的耦合器的直通臂的输出功率与拉伸长度的函数关系，这个耦合器由两根掺硫光纤构成，其初始纤芯和包层的直径分别为5.5um和136um。最终的包层腰椎直径和熔融加热长度被设置为4um和4cm。选择图6所示的这些特定值可以充分地看出耦合过程。一次完全的光功率从直通臂转向耦合臂的过程发生在49mm处，这时，耦合长度等于。光纤的继续拉伸导致了光功率在两个纤芯之间的多次传输。拉锥过程与不拉锥相比稍微地增加了损耗，这个附加的损耗仅有0.4dB，因此，这种耦合器总的插入损耗为3.4dB。
从图6可知，制作的光纤耦合器保持了较好的对称性。如果图6中的直通臂和耦合臂之间的光功率交换量为20dB，我们可以用模式耦合理论，根据k来算出这个耦合器的相位失配参数：
（4）
这个相位失配被认为是极其微弱的，这是由于它是对称型的光纤耦合器。正如公式（1-a）和（1-c）所暗示的，这种对称结构使得耦合器的分光比低至1%-99%（或20dB）。
制作这种宽带3dB耦合器需要将耦合器拉伸长度中断在43.2mm处，这一点在图6中有注释。这样的话，我们希望较弱的耦合不会引起依赖于波长的耦合。此外，熔融加热长度需要选择在左右，具体的选择取决于想要达到的分光比。这样的话只允许两个端口之间有几次功率的转移，这也是宽带耦合器的需要。为此，包层直径需要从初始的136um减小到腰区的16um。熔融加热长度仅设置为1.18cm。同时，纤芯的直径从初始的5.5um减小到1um，这也满足了单模的条件（Vlt;2.405）。然而，传播模式扩展到足以与掺硫光纤和空气的边界相互作用。选择一个较短的熔融加热长度不仅仅提供了宽带光纤耦合器需要的较弱的耦合，也避免了三层ChG-ChG-Air波导由于表面粗糙度耦合而产生的对高阶模式的激励。
图7 宽带（a）和窄带（b）掺硫光纤耦合器光谱特性
图7（a）展示了标准的宽带耦合器的传输谱，这个耦合器在1.57um处可以提供50%-50%的分光比。在波长跨度为500nm的情况下，分光比仍然保持在3dB附近，在窄带耦合器中没有任何大的功率循环变化。这突出了一个事实，那就是这种耦合器的长度可以与1.57um波长处耦合长度的一半相比拟。这个宽带耦合器也是准单模的。这也从传输光谱中没有模式干涉中得到了证实。
制作一个窄带光纤耦合器与宽带光纤耦合器在腰区直径和熔融加热长度上有所不同。一对AS2Se3光纤的初始纤芯和包层直径分别为12.0um和136um，在绝热条件下被拉伸到腰区包层直径为6.8um。在这么小的直径下，纤芯完全地消失了，光在ChG-Air波导中传输，其截止频率为36.5。在这样的熔融条件下，耦合系数足够的大，因此可以在波长为1.5-2.0um范围内引起依赖于波长的耦合。此外，熔融加热长度设置为4cm，这与25相对应，允许12.5个周期的两个端口之间的耦合。图7（b）描述了这种耦合器标准化的光谱特性。在直通臂和耦合臂之间，消光比达到了15dB。在频域，带宽大约为6.25THZ（在波长1.55um处约为50nm）。窄带耦合器的周期可以通过设置熔融加热长度和耦合长度在一个恰当的比例来很容易地调谐。这一点可以很容易地做到是因为光谱特性在拉伸过程中就已经被测量到了。当我们在光谱分析仪上观测到了一个理想的周期时，移动装置可以马上手动停止。窄带耦合器的光谱中的噪声震荡是由于融合长度范围内的多模模式干扰。
需要注意的是，不论是宽带耦合器还是窄带耦合器，光谱特性与输入光的极性无关，这是在宽谱光源后放置线性偏振片和偏振控制片观测得到的。
图8 宽带和窄带掺硫光纤耦合器在4um和10.5um附近的光谱特性
接下来我们研究了典型的宽带和窄带AS2Se3耦合器的光谱。图8（a）和（b）展示了AS2Se3耦合器在波长为4um和10.5um附近的光谱，来证明这种耦合器可以兼容掺钬光纤和CO2气体激光器。在所有的例子中，熔融加热长度均为4cm。结果证实，通过选择恰当的腰区直径和熔融长度，可以设计出中红外波段的宽带和依赖于波长的ChG耦合器。
- 总结：
本文介绍了两种基于AS2Se3光纤的ChG光纤耦合器，一种是准单模宽带光纤耦合器，另一种是窄带光纤耦合器。我们用模式耦合理论定量地研究了熔融拉伸长度和腰区直径对耦合器性能的影响。制造出的耦合器是高度对称的，因此其分光比可以在50%-50%和1%-99%之间任意设定。由于AS2Se3对很宽窗口的光都具有透明性，这种耦合器有希望扩展到中红外波长中的2-12um波段。
熔融拉锥光纤耦合器的变分分析（部分）
关键词：光纤、光连接器和耦合器
本文使用变分法来估算熔锥光纤的耦合比。这种方法既可以用于强耦合的熔锥光纤，也可以用于弱耦合的熔锥光纤。在高V值的区域，我们使用了简单的公式，这些公式对于更长的光束传播法的计算也是有效的。实际的耦合器模型包括渐变的锥形区，我们使用的数值计算的方法证
资料编号：[5491]
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