Simulation on Fast-Axis Transmitting Characteristics of Fused Polarization Maintaining Optical Fiber Couplers
YU Qiang, HAO Yan-ling, LI Xin, ZHANG Yong-gang
Slow Slow Fast Slow-Axis Input PM Fiber Coupler
β1 + β 2
2
是两个传播常数的平均值；
F = [1 +
( β1 − β 2 ) 2 − 1 ] 2。 4C 2
[7,14]
利用两根相同单模光纤拉制的融锥型耦合器在弱导近 似下耦合方程的耦合系数为
C=
(2∆ ) U K 0 (Wd / r ) rV 3 K12 (W )
(Department of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
Abstract: Based on the coupling theory of wave guide, the transmitting characteristics on fast-axis of fused polarization maintaining optical fiber couplers were researched theoretically and experimentally. The theoretical analysis shows that, the optical fiber devices have the characteristics of low excess loss and good temperature stability when they work in the model of fast axis. Experimental results show for the polarization maintaining couplers with the same producing process, when polarized light wave was injected along the fast axis, the excess loss was half lower than along the slow axis, and all-temperature stability of the splitting ratio was elevated doubling. Thus, while the application of fused polarization optical fiber coupler, the rational using of the advantages of fast axis alignment can be obtained more excellent optical performance. Key words: fused biconical taper; polarization maintaining optical fiber coupler; fast-axis; coupling coefficient
Fast-Axis Input Fast
图 3 融锥型保偏光纤耦合器快慢轴传输模型[15]
(4)
保偏光纤也是一种特殊的单模光纤，但由于其对称应力区的 影响，导致光纤参量 U、W 和 V 等在横截面各方向上取值有所差 异，从而使得耦合系数与方向有关。考虑到电场的可正交分解， 将单模光纤耦合器的耦合系数分解为沿快慢轴向的一对正交态[12]
[7]
1
融锥型光纤耦合器的耦合机理
光纤耦合器是基于光波导的渐逝场耦合原理[7,13]实现光
波的分光与和光。目前，这种渐逝场光纤耦合器通常采用熔 融拉锥的方式进行制作。 图 1 是熔锥型光纤耦合器的耦合示 意图[6,14]。
加宽的模式 输入P0 输出P1 输出P2 耦合区
图 1 熔锥型光纤耦合器的耦合示意图
P2 0 0 5 10 15 Length /mm 20 25
图 2 拉伸长度与分光比之间的关系
2
融锥型保偏光纤耦合器的耦合特性
根据单模光纤的倏逝场耦合机理，利用 FBT 工艺实现
两根光纤之间的功率分配， 可以获得具有特定分光比的融锥 (2) 型光纤耦合器。 而保偏光纤耦合器由于采用了应力型保偏光 纤作为波导材料，因此具有特殊的光波传输和耦合特性。 由于应力区形状和位置的不理想， 保偏光纤横截面上的 折射率分布是不均匀的。存在一个折射率最大的方向，偏振 光波在此方向上的模传播速度最小，该方向称为慢轴 （Slow-Axis）；而与慢轴相垂直的方向折射率最小，偏振 模传播速度最大，称为快轴（Fast-Axis）。基于熊猫型保偏 光纤的融锥型光纤耦合器快慢轴传输模型如图 3 所示。
第 22 卷第 8 期 2010 年 8 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 22 No. 8 Aug., 2010
融锥型保偏光纤耦合器快轴传输特性仿真
于 强，郝燕玲，李 欣，张勇刚
(哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨 150001)
摘 要： 利用光波导的弱耦合理论， 对融锥型保偏光纤耦合器在快轴工作模式上的传输特性进行了 研究。仿真分析表明，融锥型保偏光纤耦合器工作在快轴模式上时具有损耗低，温度稳定性好的 特点。对采用相同工艺制作的保偏耦合器进行了对比实验，测试数据显示，当偏振光波沿光纤快轴 注入时，耦合器的附加损耗比沿慢轴注入时降低一半，全温分光比稳定性提高了一倍。因此，在融 锥型保偏光纤耦合器应用过程中，合理利用快轴对准的优势，可以获得更加优良的光路性能。 关键词：融熔拉锥分支；保偏光纤耦合器；快轴；耦合系数 中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010) 08-1801-04
(6)
(8)
根据上式，在理想情况下（无损耗），两端口相对功率
P1、P2 与拉伸长度 z 的仿真曲线如图 2 所示。可见，单模光
12 2
(3)
式中，r 是光纤半径，d 是两光纤中心的间距，n1 和 n2 分别 是纤芯和包层的折射率，U 和 W 是光纤的纤芯和包层参量，
Slow+Fast Output
V 是孤立光纤的光纤参量，K0 和 K1 是零阶和一阶修正的第
二类贝赛尔函数，∆ 是相对折射率差，且有
⎧U = r ( k 2 n12 − β 2 )1 2 ⎪ 2 2 2 12 ⎪W = r ( β − k n2 ) 2 2 12 ⎪ ⎪V = (U + W ) ⎨ 2 ⎪∆ = [n12 − n2 ] / 2n12 ⎪ ⎪ k = 2π ⎪ ⎩ λ
2 ⎧ ⎪P 1 ( z ) = cos (Cz ) ⎨ 2 ⎪ ⎩ P2 ( z ) = sin (Cz ) = 1 − P 1 ( z)
式中下标 S 表示慢轴方向，F 表示快轴方向，纤芯参量 U、 包层参量 W 和光纤参量 V 等均应按定义区分为
2 ⎧U S = r 2 ( k 02 n12S − β S2 ) ⎪ 2 2 2 2 2 ⎪U F = r ( k 0 n1 F − β F ) ⎪W = r ( β 2 − k 2 n 2 )1 2 ⎪ S S 0 2 ⎨ 2 2 2 12 β W r ( k = − ⎪ F F 0 n2 ) ⎪V = (U 2 + W 2 )1 2 S S ⎪ S 2 2 12 ⎪ V ( U W = + ⎩ F F F )
一致性好的优点， 是各种干涉型传感器和相干通信的关键器 件之一[3-6]。研究和发展融锥型保偏光纤耦合器具有重要的 军事意义和商用经济价值。 对于保偏光纤而言，存在快轴和慢轴两种工作模式 。 目前，保偏光纤以及利用保偏光纤制作的光无源器件，如分 路器、耦合器等，在绝大多数情况下都工作在慢轴模式上， 主要的原因可能是慢轴的弯曲损耗比快轴小， 但未见有相关 的文献对此有确切的论述。 文献[8,9]只是对保偏光纤耦合器 制作过程中的找轴技术进行了说明。 文献[10,11]利用有限元 方法分析了保偏光纤耦合器熔锥区的传输特性， 但未涉及快 慢轴问题。文献[12]对保偏光纤快慢轴中的有关参量进行了 推导， 获得保偏光纤耦合器快慢轴分光比与输入光波偏振态 之间的变化规律， 但未对快慢轴上光学性能的差异做具体研 究。在高精度光纤传感应用领域，光器件在性能上的细微差 别对系统精度的影响不容忽视。 本文对保偏光纤耦合器两种
rVS3, F K 12 (W S , F )
2 12 U 2 , F K 0 (W S , F d / r ) ( n12S ,1 F − n2 ) ⋅ S n1 S ,1 F r VS3, F K 12 (W S , F )
பைடு நூலகம்
(5)
=
(7)
对于标准的熔融拉锥型单模光纤耦合器， 假定光功率沿 一根光纤注入，初始条件为 P1(0)=1，P2(0)=0，当两根光纤 相同时，有 β1=β2，则 F2=1，功率变换关系式可以写为
引
[1-2]
言1
采用熔融拉锥分支（FBT，Fused Biconical Taper）技术 制作的保偏光纤耦合器具有光学性能指标高，稳定性和
工作模式之间的差异做了深入的理论分析并进行了大量的 仿真实验。研究结果显示，相对于传统的慢轴模式，融锥型 保偏光纤耦合器工作在快轴模式上具有更低的附加损耗低， 以及更好的环境温度稳定性。 本研究对于保偏耦合器在高精 度光纤陀螺及相干传感中的应用具有一定的指导意义。
在光纤耦合器的熔锥区，两根光纤包层融合在一起，纤 芯足够逼近，形成弱耦合。利用波导的弱耦合理论[13-14]可以 精确描述和仿真耦合过程。 将一根光纤看作是另一根光纤的 扰动，在弱导近似下，并假设光纤是无吸收的，则有耦合方 程组[14]