1-F2sin2(
C F
z)
P2(z)=
F2sin2(
C F
z)
P1(z)是直通臂的光功率， P2(z)是耦合臂的
光功率，z为拉锥长度。
12
2
1/F 1(14C22)2
耦合系数
C
2U2K0(Wdr) rV3K12(W)
U r(k2nc2o2) r是光纤半径，d是两光纤中心的间距，
W r( 2k2nc2)l nco和ncl分别是纤芯和包层的折射率，
6、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL） 指当传输光信号的偏振态发生3600的变化时，器件各输
出端口输出光功率的最大变化量。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
PDL= -10×lg Min（Poutj） Max（Poutj）
6、偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL） 指当传输光信号的偏振态发生3600的变化时，器件各输
目前通信领域的宽带耦合器的一般要求：1310nm 1550nm双窗口，每窗口带宽±50nm、分光比的变化不 大于5%。
宽带耦合器制作原理
用熔融拉锥工艺制作宽带耦合器的原理如图：
11 0.9
0.8
0.7
P(1.550.0075Z) 0.6
P(1.310.0075Z) 0.5
Yc(Z)
0.4
0.3
0.2
全
光纤蚀刻法
两光纤扭绞一起蚀刻，使光纤纤 心相接触实现耦合
方法简单，但产品不耐用对环 境温度敏感。
光 纤 型
光纤研磨法
对光纤侧面研磨，在磨面加匹配 液，再将光纤拼接。
可做成可调分光比耦合器，但 制作困难，成品率低，环境特 性不理想。
熔融拉锥法
平面波导型 平面光波导原理
体积小、分光比控制精确，易 于大批生产，尤其适合制作多 路均分耦合器。
0.4
B
0.3
0.2
0.1
0 4000
4500
5000
5500
6000 Z
6500
7000
7500
8000
熔锥型多模光纤耦合器
在多模光纤中，传导模若干个分立的模式，当传导 模（靠近光轴的模式为低阶模，离光轴较远的为高阶模） 进入熔锥区后，纤芯变细，同样导致V值逐渐减少，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。
计算机
耦合机理
入端锥体 输入臂
耦合区
出端锥体 直通臂
耦合臂 入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再 分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一 部分由“耦合臂”传到另一路光路。
熔锥型单模光纤耦合器
在单模光纤中，传导模是两个正交的的基模(HE11) 信号。传导模进入熔锥区后，纤芯变细，V值逐渐减少， 越来越多的光功率进入光纤包层。实际上的光功率是在 由包层作为芯，纤外介质(一般是空气)作为新的包层的 复合波导结构中传输的。
耦合器的基本原理
刘新夫 2004-05
定义及分类
1、定 义 耦合器是一类能使传输中光信号在特殊结构的耦合区
发生耦合，并进行再分配的器件。
2、分 类 2.1 功能
光功率分配器(Splitter) 光波长耦合器(WDM coupler)
2.2 端口形式
X形耦合器(2×2 coupler)
Y形耦合器(1×2 coupler) 星形耦合器(M×N coupler,M、N>2) 树形耦合器(1、2×N coupler, N>2)
熔融拉锥型全光纤耦合器
熔融拉锥法（Fused Biconical Taper, FBT)
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波导结构， 实现传输光功率耦合的一种方法。
光源
光纤
夹具
光探测器
火焰
控制电路
熔融拉锥系统示意图
C D
0.1 7.561106 0
4000
4000
4500
5000
5500
6000 Z
6500
7000
7500
8000 8000
1、拉伸停止在C点，器件性能对波长最不敏感，离开C点， 波长敏感性逐渐增大，因此，如果拉伸停在C点，就能 在相应的中心波长获得最大的工作带宽，即“单窗口宽 带耦合器”。
2、如果拉伸停在D点，就能够改善两个中心波长的工作带 宽，即获得“双窗口宽带耦合器”。
熔融拉锥型WDM耦合器
在两光纤耦合过程中，其耦合系数C是包含波长λ 的量，因此，耦合系数对波长是敏感的，在制作过程中， 可以通过改变熔融拉锥条件，来增强这种敏感性，从而 制成波分复用器(WDM)。
如拉锥曲线图，拉伸终止在E点，两输出端口的一 端将获得1310nm波长的全部输出光功率，而另一端获 得1550nm波长的全部输出光功率。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
ILi=
-10×lg
Pouti Pin
2、附加损耗（Excess Loss，EL）
指耦合器全部输出端口光功率总和相对全部输入光功率 的减少值。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
EL= -10×lg ∑Pout Pin
3、分光比（Coupling Ratio，CR） 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
因此，两多模光纤包层合并后，耦合臂的纤芯可以 “捕获）这些较高阶的模式，获得耦合光功率。
对于直通臂的较低阶的模式，由直通臂中输出，不 参与耦合。
宽带单模耦合器
当前光纤通信中采用的1310nm或1550nm的半导体 激光器一般都有±30nm的波长偏差，因此需要耦合器在 一个较宽的波长范围都能达到设计要求。
指耦合器工作时，返回注入光的一端的输出光功率与
全部注入光功率的比较值。
P返
P注
Coupler
RL= -10×lg P返 P注
6、均一性（Uniformity） 对于均匀分光的耦合器，均一性定义为耦合器在工作
带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
Uniformity= -10×lg Min（Pout） Max（Pout）
2πa V= λ
n12-n22
熔锥区截面示意图
两光纤波导之间的耦合
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。
弱耦合理论的基本思想是：相耦合的两波导中 的场，各自保持了该波导独立存在时的场分布和传 输系数，耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变 化。
两光纤耦合过程光功率分配状况
P1(z)=
2.3 工作带宽
单窗窄带耦合器(Standard Coupler) 单窗宽带耦合器(WFC) 双窗宽带耦合器(WIC)
2.4 传导模式
单模耦合器(Singlemode Coupler) 多模耦合器(Multimode Coupler)
耦合器的光学特性参数
1、插入损耗（Insertion Loss，IL） 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
Pouti CR=
×1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0%
∑Pout
4、方向性（Directivity） 指耦合器工作时，输入一侧非注入光的一端的输出光
功率与全部注入光功率的比较值。
Pin Coupler
Pout
Directivity= -10×lg Pout Pin
5、回波损耗（Return Loss）
(n c 2o n c 2)l (2 n c 2)o U和W是光纤的纤芯和包层参量，V是
V k k2rcno 2
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。
耦合比率与熔融拉锥长度的关系
1
0.9
0.8
C
D
0.7
P(1.550Z) 0.6
A
E
P(1.310Z) 0.5
Yc(Z)
出端口输出光功率的最大变化量。
Pin
Coupler
Pout1 Pout2
PDL= -10×lg Min（Poutj） Max（Poutj）
耦合器的制作方法
制作方法
主要原理
特点
光学元件组合 型
光学元件（如透镜、发射镜、棱 镜等）的组合、拼接，耦合机理 为纯粹的几何光学原理
损耗大、与传输光纤耦合困 难，环境稳定性差。