本教程包含以下部分：

① 玻璃光纖中的導(dǎo)光

② 光纖模式

③ 單模光纖

④ 多模光纖

⑤ 光纖末端

⑥ 光纖接頭

⑦ 傳播損耗

⑧ 光纖耦合器和分路器

⑨ 偏振問題

⑩ 光纖的色散

? 光纖的非線性

? 光纖中的超短脈沖和信號(hào)

? 附件和工具

這是 Paschotta 博士的無(wú)源光纖教程的第 8 部分

第八部分：光纖耦合器和分路器

使用光纖時(shí)，經(jīng)常需要使用光纖耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)各種目的。一些例子：

• 額外的孤立吸收峰可能來(lái)自某些雜質(zhì)。例如，如果芯材不是無(wú)水的，二氧化硅纖維在 1.39 μm 和 1.24 μm 附近表現(xiàn)出增加的吸收損失。定向 2 × 2 耦合器（見圖 1）通常用于此類目的。

• 相同類型的設(shè)備可用于光纖干涉儀，也可用于組合兩個(gè)輸入。（請(qǐng)注意，可能會(huì)出現(xiàn)極化問題。）

• 二向色耦合器可用于組合光纖放大器的泵浦和信號(hào)輸入，或去除放大器后殘留的泵浦光。

• 對(duì)于高功率光纖激光器和放大器，通常需要具有多個(gè)輸入的泵浦耦合器，將多個(gè)高功率二極管棒的輸出組合在一起。

• 增加的散射損失可能是由于纖芯/包層界面的不規(guī)則性造成的。對(duì)于具有大折射率對(duì)比度（高數(shù)值孔徑）的光纖，這個(gè)問題更為嚴(yán)重。此外，較大的折射率對(duì)比度通常意味著纖芯的鍺摻雜程度較高，這使得它暫時(shí)不太均勻。因此，用于通過電信光纜進(jìn)行長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蛽p耗單模光纖具有相對(duì)較小的 NA，即使較高的 NA 會(huì)提供更穩(wěn)健的引導(dǎo)。

定向光纖耦合器可能最常用的工作原理是在兩個(gè)光纖纖芯彼此靠近的配置中的倏逝波耦合。可以通過加熱兩個(gè)裸露的纖維來(lái)制造這種設(shè)備，使玻璃開始融化并融合在一起。在此過程中，人們也可能會(huì)稍微拉動(dòng)纖維。以這種方式獲得的折射率分布如圖 1 所示：

兩種波導(dǎo)都是具有超高斯折射率分布的單模波導(dǎo)。中間的耦合區(qū)域只有幾毫米長(zhǎng)。在該區(qū)域之外，耦合可以忽略不計(jì)，因?yàn)槟Ｊ綀?chǎng)實(shí)際上不會(huì)相互接觸。

通過數(shù)值光束傳播，現(xiàn)在可以檢查當(dāng)光僅注入左上方輸入端口時(shí)會(huì)發(fā)生什么：

在這種特殊情況下，光在很短的距離后首先幾乎完全耦合到下部波導(dǎo)，然后返回到上部波導(dǎo)，最后大部分功率仍然存在。由于耦合強(qiáng)度敏感地取決于波長(zhǎng)，因此對(duì)于一些其他波長(zhǎng)，例如可以將幾乎所有的功率都傳遞到較低的輸出端口。模擬的波長(zhǎng)相關(guān)性如圖 4 所示。較長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域的曲線形狀有些奇怪，這是由波導(dǎo)的彎曲損耗引起的，該損耗在該區(qū)域變得很大。

如果使耦合變得弱（通過波導(dǎo)距離），但可以在更長(zhǎng)的長(zhǎng)度上發(fā)生，則波長(zhǎng)靈敏度會(huì)變得更強(qiáng)。相反，寬帶耦合器需要在短長(zhǎng)度上進(jìn)行強(qiáng)耦合。

請(qǐng)注意，此類耦合器是定向耦合器：基本上沒有光線向“向后”方向。

當(dāng)然，可以將光注入這種光纖耦合的兩個(gè)輸入端口。然后，假設(shè)光學(xué)強(qiáng)度不足以引起非線性效應(yīng)，則輸出將是由兩個(gè)輸入引起的電場(chǎng)幅度的線性疊加。特別是對(duì)于由單模光纖制成的光纖耦合器，如果注入正確選擇的功率、偏振方向和相對(duì)相位的兩個(gè)相干輸入，則可以在其中一個(gè)輸出端口中獲得相消干涉。在這種情況下，另一個(gè)輸出端口將發(fā)生建設(shè)性干擾。當(dāng)然，除了一些可能的寄生功率損耗之外，還必須保留整體功率。

用于高功率光纖激光器和放大器的泵浦耦合器在某些方面有所不同。輸入和輸出光纖是強(qiáng)多模、大芯數(shù)和高數(shù)值孔徑。耦合原理也可以與上述示例中的不同。例如，代替倏逝波耦合，可以簡(jiǎn)單地將光從較小的核心注入到大核心中用于輸出。必須小心地將功率損耗降至最低——部分原因是高功率水平下的光損失可能會(huì)損壞耦合器。

下一期將介紹第九部分：偏振問題

敬請(qǐng)關(guān)注！