拉锥型耦合器原理简介

原标题:拉锥型耦合器原理简介

拉锥型耦合器,发展于20世纪90年代,具有对光信号进行能量分配,波长合,解复用等功能。尽管2008年后,PLC的 出现和发展,对拉锥型耦合器均分能量部分功能进行了削弱,但对于不同能量分光比,以及成本较低的波分型耦合器来说,在目前用于5G项目的波分模块监控端(可根据不同方案设计成不同分光比,带宽要求),以及用于EDFA模块上面,依然有着不可替代的作用。

那么,不同功能的耦合器,是否需要不同种类的材料才能制造出来呢?答案是否。只要两根光纤,重合在一起,通过火温,夹具,拉锥速度,停火点等变化,就可以制作成不同分光比(0.5%~99.5%),不同带宽(+-10nm,+-20nm,+-40nm,全带宽)的光能量分配的器件,也可以制作成不同波长分配的器件(1550/1310nm, 1480/1550nm,980/1550nm)。居然可以这么神奇?

下面我们细说一下拉锥型耦合器的原理。

耦合器的最简单形式由两个紧密放置的平行单模光纤组成。这种结构的基本操作涉及两个波导之间的部分或完全传输功率。功率交换是由于一个波导模式到另外一个波导模式的消逝尾部之间的光耦合,其中光发射,第二波导的自然模式。这种光学交互也可以看作是复合结构的对称和反对称超级模式之间的跳动。均匀间隔的并行交互区域在耦合过程中起着关键作用。交互区域具有纵向不变结构,可通过耦合模式分析了解该区域发生的光耦合。

图 1 a: 由一对相同的单模波导形成的复合结构的对称和非对称模场

图1b: 沿 z 传播的两种模式的相对相位差及其在 z=π/2 的叠加在波导-1 中取消并加入波导-2

在跨交互区域的耦合模式分析中,假定彼此平行的两个均匀波导作为复合结构 . 由两个单模波导形成的复合系统可以显示支持两种模式,一种是对称(偶数)模式,另一种是反对称(奇数)模式。这两种模式称为复合结构的正常模式或超模,具有不同的传播常量 当光耦合到其中一个波导中时,它会激发对称和反对称超模的线性组合,如图 1 所示。由于两种模式的传播常数不均,系统向下传播的场与传播距离形成相对相位差异。 对于一定长度的交互,如果这两种模式之间的累积相位差变为 π,则这两个模态字段的叠加将导致输入波导中的场振幅被取消,并在第二个模式中增加波导。 这种情况称为耦合状态,而相应的交互长度称为耦合长度LC. 如果交互长度超出 LC, 反向耦合从输入波导处的第二个波导发生。因此,对于长度为 2LC 的传播,将导致累积 2π 的相位差,因此光源将在输入波导中恢复。 故两个波导之间的功率周期交替传播而发生。如果两个波导相同,则全部功率可以从一个波导传输到另一个波导,反之亦然,而对于非相同波导,则仅发生一定的最大功率传输。

熔融耦合器中的光传播

图2 熔融双锥形锥形 (FBT) 耦合器的基本结构

在 FBT 耦合器中,它由两个横向接触或凝聚的锥形光纤组成,如图 2 所示。输入光纤的LP1模式在沿向下锥区过渡时转换为包层模式 。在锥形腰部,光导由包层和空气界面之间的大∆n提供。 原始的高指数核心在波导中的作用是微不足道的。在离开耦合器腰部时,在向上锥区域,模式仍通过多模式结构的局部模式由空气-包层接口引导。这些模式最终与输出光纤的自然 LP1模式重叠。但是,由于复合结构具有低锥度倾向,即单个锥度是绝热的 , 在这个多模区域中,只有两个最低阶超级模式(偶数和奇数)会激发。高阶包层模式的激发可以忽略不计。其中一个指标就是FBT 耦合器中的过程损耗通常小于 0.1 dB,

图3:在监控波长为 1550 nm 的拉锥过程中的耦合器耦合端口的功率变化。

每一组的超模功率随传播而产生相对相位差异,其累积效应导致光纤之间的耦合和功率传输。这种功率传输是局部模态场之间干扰的结果。光在两个组成光纤之间来回切换,交互长度增加,如图 3所示,图 3显示了 1550 nm 处相应的实验记录耦合功率,在制造对称 1x2 耦合器。

熔融耦合器的制造

火焰融合技术用于FBT耦合器的制造。我们内部设计的自动化制造设置,以实现 FBT 耦合器。熔融耦合器机台具有轴向移动的机械平台,这些机械平台在精密滑轨上移动,由步进电机驱动。在融合过程中,通过向输入光纤注入电源并同时监控每个输出的功率,在线监控电源耦合行为。在达到所需波长范围相等的耦合比时,该过程停止。电子控制电路与PC接口,用于实时监控状态和瞬时显示。

对于 FBT 耦合器的制造,一对适当重合的裸单模光纤的一小部分与图 4 中所示的精心设计的高温火焰横向融合 。一对重合的光纤,同时沿其长度缓慢地拉,形成均匀、平滑和缓慢的锥度,这称为双锥形结构。制造过程分两个步骤实施,即融合和伸长。监控信号的光功率,从两个输出光纤端口监控,在整个制造过程中不断实时记录。所提供的状态用于预测从光纤下方停止和提取火焰的时间,以实现目标耦合比。对于给定的单模光纤对,融合和锥化的一些重要参数是拉速、火焰温度和火焰刷宽度。这些参数决定了制造耦合器的光学性能。

图4:熔融耦合器基本的烧-拉-耦合方法

拉锥设备工作原理

图 5 显示了拉锥工序的示意图,显示了电子控制和机械平台。在系统中,通过计算机控制火焰和机械平台的电机,进行融合和拉长的过程。电机控制卡 (MCC) 驱动在融合和锥化过程中夹紧光纤的电动平移阶段。PC 使用制造过程的所有状态信号进行实时监控,并提供后续控制操作的说明。

图 5:使用电动机械平台和基于 PC 的控制系统进行制造设置的原理图

机械平台是拉锥工序的核心部分,由一对光纤牵引线性平移级和火焰架组件组成。所有机械活动均为电动,具有电气端子,通过合适的电机驱动卡连接到 PC。一对电动精密转化阶段形成光纤拉取机制,在融合过程中以受控方式将光纤拉开。一对重合光纤安装在这些平台上,带有合适的机械夹具。通过相关电机可以精确控制各个阶段分开以拉动光纤的速度。在每次制造尝试之前,这些阶段都会回到他们的"Home"位置。通过集成微开关确保拉锥夹具的这些初始位置,通过控制硬件中包含的反馈电路使电机停止。

火焰架组件将火焰相对于重合的光纤对进行适当的定位。火焰可以沿三个轴 XYZ 移动,并按规定方式控制。这些运动是插入和提取火焰、调整火焰垂直位置以及提供在所选光纤长度上均匀分配热量所需的火焰刷。用于插入和退出火焰架的电动运动在制造开始时将火焰带到重合的光纤下方,该运动也用于在制造过程结束时提取火焰。此运动的两个极端位置也由一对微型开关固定,确保火焰在重合的光纤的正确定位。为了实现火焰刷(需要均匀加热光纤的选定部分),火焰保持架设置为与光纤长度平行的方向振荡。火焰刷还控制加热宽度。热源使用氢气加氧气,气体流量使用气体流量控制卡调节到所需水平。火焰的宽度为 6 毫米,放置在距离光纤约 1 厘米的地方。火焰的温度和空间延伸共同决定了 FBT 耦合器中锥度的形状,所需的火焰由其典型的喷泉类型形状粗略地识别。控制气体流速有助于实现相同的火焰条件。

通过由数据采集卡(DAC)、处理、控制和显示模块组成的集成实时监控系统实现了制造过程的自动化。PC 从光电探测器模块获取有关目标值的制造状态信息,因此通过电机驱动单元控制机械平台。一对相同的光电二极管,后跟各自的信号放大器和 DAC 捕获从光纤输出端口退出的功率电平。有关制造状态的输入数据(即耦合比和平移级的位置)将馈送到 PC。各种平移运动的位置限制微开关也会产生不同的触发信号。PC 提供数字信号,通过相应的电流增压驱动电路激活电机。一组三个电机被激活,用于火焰保持器在三个相互垂直方向上的运动,以便根据光纤融合区适当定位火焰。另一个电机同时控制拉伸光纤对的拉取级,在融合和伸长过程中适当控制张力。

在采用实时监控系统的制造过程中,将光注入其中一个输入端口,并测量两个光纤输出端口的光能量。在输入光纤的铺设中引入了约 1 厘米半径的回路,消除了在光纤输入端发射光时可能激发的泄漏和包层模式。在开始制造过程之前,从输入光纤流出的总功率出现在传输的端口上并记录(例如 Pi)。 一旦制造结束,所有输出端口上出现的光功率都会被记录(例如,1x2 耦合器的PT,PC)。在光源输出中没有功率波动时,这三个量的测量值用于估计制造部件的分光比和过程损耗。耦合比在两个不同的波长上在线监控,以确保我们在波长范围内获得相等的耦合比。对于多个波长的在线监测,来自两个不同源(通常为 1310 nm 和 1550 nm)的光通过 2x1 光开关发射到光纤中。 默认情况下,监控的波长较高。开始融合和伸长过程后,当耦合比达到一定值时,光开关被激活以在两个波长之间进行选择。实时估计两个波长的耦合比。对于波长不敏感耦合器,当两个波长的耦合比达到目标值时,融合过程将停止。

对于在线测量,所有输出端口上与光源对应的数据记录为时间和拉长的函数。牵引长度根据经过的时间和平移电机的速度进行校准。输出端口的功率变化与数据获得的时长和拉距的实时图,称为拉锥图形,这是耦合器最重要的制造参数。 拉锥图形用于分析耦合器的耦合特性,为技术定制/修改耦合器的特性提供必要的反馈。

PC 控制程序需要针对各种目标规格(例如:耦合比)和过程参数(电机速度、不同电机之间激活和停用之间的延迟等)进行多个初始输入。一旦制造过程开始,PC 将更新为瞬时制造状态。这为 PC 接口站的控制程序提供了出色的状态信息连续性,并带有用于电机控制的相应瞬时数据。监视器显示具有校准拉拔长度的功率变化的实时图,并显示制造过程状态的所有瞬时详细信息。在 PC 控制的制造中,当控制系统打开时,将火焰保持器组件和拉动阶段恢复到各自的原始位置。通过在反馈回路中记录器件的瞬时耦合比来调节直流电机的速度,实现控制。通过在线监控输出端口的输出功率,与预设值相比,可即时计算拆分比。两个值之间的差异被转换为反馈回路中的电信号,以控制不同的电机驱动器,并且整个拉锥过程是自动化的。

参数控制

FBT 耦合器的制造需要对制造过程进行充分控制,以实现目标规格 ,实现FBT耦合器的关键制造控制参数。耦合器的光谱分光比是耦合系数的函数,耦合系数与波长相关,沿耦合器长度因点而异,腰部最大,沿双锥形锥形沿任意一侧递减. 耦合系数的精确幅度由耦合器结构和锥形的几何形状决定。纵向锥形轮廓和腰围尺寸有效地构成锥形,最终决定耦合器在给定波长下的性能。这两个参数可以通过改变拉速、热区长度和融合程度来定制。围绕这些过程变量来达到不同的分片形状,实质上意味着核心间距、腰围、上下分量的倾斜度和相互作用的长度发生变化。锥形过渡将未锥形光纤的局部基本核心模式转换为锥形扭曲中的包层模式。为了实现由于转换到较高模式而导致的可忽略的损失,需要进行分序转换,并且需要进行绝热

温度控制: 热源对分子的物理形状及其传播特性有重要影响。热源应提供可重复的温度曲线,可通过气体流速进行控制。火焰的长度和形状是定制薄片轮廓的最相关的控制因素。基于单模光纤锥体的所有光纤元件根据锥形的形状表现出独特的传播特性。在实践中,任何片状可以通过适当控制热源的温度曲线、热区的长度和在熔融过程中施加到加热光纤对上的拉伸张力来形成。

火焰刷宽度: 在伸长过程中,通过改变热区的长度,通常控制分光的纵向轮廓。通过改变火焰刷期间火焰的振荡,光纤的加热部分的长度可以改变。 在火焰刷中,穿过火焰在给定时间加热光纤的一部分。火头以可重复的来回方式以一定的速度穿越光纤长度。在每个运动周期中,火焰沿光纤的长度加热极小的区域. 如果光纤加热的长度随时间而保持不变,则生成的分光型材将呈指数形状。热区的固定长度条件可以通过静止火焰或具有恒定刷长度的移动火头来实现。因此,当光纤被拉长时,它们的直径会减小在加热部分,材料以细度的形式重新分配。由于热区的长度相同,软化的二氧化硅体积由于锥化而减小。这导致窗体的指数分量

其中 r (z) 是任意 z 处锥形横截面的半径,∆z是火焰宽度, r0 是耦合器腰部的半径。如果 h 是火焰刷的长度, 则热区的长度变为 h+∆z. 因此,通过改变火焰刷的长度,可以改变锥腰的长度。

拉动速度: 融合程度可以通过改变火焰的温度和光纤伸长的速度来控制。伸长速度,在两个光纤中引起张力,通过改变连接到平移拉子的电机的驱动功率来调整。在融合阶段,需要引入最小张力,这应该足以避免因重力而软化的拉锥区的任何下垂。通过操纵光纤的温度,改变光纤相对于火焰的位置、融合相的时间和伸长速度,几乎任何融合程度都可以实现。融合程度与伸长长度一起决定横截面的形状。

耦合强度具有很强的功能依赖性,即组成光纤之间的中心到中心分离,以及耦合器腰部横截面的整体尺寸。融合程度,f 提供了一个分析表达式,通过关系量化这两个参数的近似值

其中 2b 是锥区光纤的直径。融合程度,满足条件 0 ≤ f ≤1 其中 f=0 对应于"隔离"光纤的情况, f=1是指两个光纤已完全融合以形成圆形横截面的形状。

对于给定的融合度和给定的纵向轮廓,可以通过调整耦合器的拉长,实现腰部耦合器横截面的任何所需尺寸。腰部的横截面,在实践中通过操纵锥形图控制,在耦合器制造过程中改变火焰刷宽度。对于相同的拉长,与短火焰刷宽度相比,长火焰刷宽度可产生相对宽的腰部横截面。窄腰横截面与较小的长度耦合器导致陡峭的锥度过渡轮廓和相对较高的损失通常。 在 PC 控制的制造系统中,拉长始终由预设定的设定值决定。然而,对于不同程度的融合或不同长度的火焰刷,对于给定的耦合器腰围,拉长可能不同。

耦合器的性能参数

耦合器组件的性能根据一些重要的特征参数进行量化。任何基于通用耦合器的分支分量分子的两个最重要的特征是分光比和过程损耗。

Coupling Ratio /分光比

分光比或耦合比是耦合器在给定工作波长下输出端口的功率分布的度量。拆分比定义为给定输出端口显示的功率比 . 耦合端口的耦合比定义为:

同样,通过放置端口中的耦合比是,

分光比描述在两个输出端口之间如何分割耦合器的输入光。CR 可能从 0 到 100 不等。它总是为给定波长引用。当然,在不同的波长上,它可能不同。它源于耦合系数的波长依赖性。

Excess Loss /过程损耗

耦合器组件的过程损耗是输入功率分数的度量,在输出端口上不可用。这通常以 dB 表示。对于耦合端口上的输入功率、Pi 和输出功率、PC 和PT 附加损耗表示为:

对于具有 n 个输出端口的设备,

代表耦合器整体效率的重要功绩。它主要通过散射来说明周围环境失去的能量

. 高质量耦合器中的 EL 通常小于 0.1 dB.

Insertion Loss /插入损耗

设备的插入损耗是输入能量沿特定路径通过组件传播时遭受的总通量功率损失。其定义为给定输出端口的可用功率与启动功率的比率 :

IL 表示光通过耦合器从任何特定输入端口传播到输出端口时遭受的总损失。它是沿特定光路径的过程损耗和耦合比(以 dB 表示)的总和。因此,3 dB 耦合器的 IL 将超过 3 dB。IL 是光纤设计系统的重要参数。

Directivity /方向性

耦合器的定向性是设备反射功率的度量。它描述了耦合器将光传输到输出端口的程度,并量化了器件内部的光反射量。以 dB 表示,它定义为返回给任何其他输入端口的功率与注入输入功率的比率

为了测量方向性,在实际操作中,所有输出端口都浸入匹配液体中。此过程可确保菲涅尔反射(由于光纤端和空气之间的折射率不匹配)不会导致测量的反射功率。在光学理论中,方向性也被称为是相互隔离的。

耦合器特性的测量

测量对于量化制造部件在封装后的最终保证性能至关重要。这是由于在封装过程中,用于将耦合器与石英基板固定起来的光学胶水在固化过程中经常引入小拉伸张力。这通常会导致特征光学参数(如分光比和波长响应)的微小变化。

在制造过程中和之后测量分光比和过程损耗(如上所述)。除了测量EL、CR、IL和方向性,表征还包括测量所有组件的波长响应,以及波长隔离,尤其是WDM元件。图 6描述了为耦合比、IL 和偏正相关损耗设置的测量原理图。来自一叠源的光连接到 Nx1 光开关,后者又连接到偏正相关损耗控制器。可以选择多个波长,使波长均匀地间隔在所需的光谱范围内。偏正相关损耗控制器的输出拼接到被测耦合器上。耦合器的输出引线使用裸光纤适配器连接到两个通道检测器。InGaA 探测器又通过 DAC 卡连接到 PC。

图 6:使用多个激光源的耦合器测量设置的架构

为了测量耦合器的波长响应,宽带光源的光发射到输入光纤,输出连接到光谱分析仪 (OSA)。使用的宽带光源是 LED 光源。使用多个激光源进行测量的数据也可用于使用曲线拟合方法估计器件的光谱响应。对于通常在测量周期结束时执行的从定向端口输出功率的测量,两个输出端口浸入指数匹配液体中,以避免对菲涅尔反射的测量功率的影响。使用回反射计测量由于回反射到同一端口而产生的光学回波损耗。在这些器件中,光被发射到光纤上,并使用光学环形器带回光电探测器。 温度相关损耗 (TDL) 是另一个重要参数,它显示耦合器的插入损耗变化,当耦合器的温度在工作温度条件的最大值和最小值之间变化时。 设备的温度随合适的斜坡而变化,插入损耗在线监控。温度相关损耗的典型值为 0.2 dB。

拉锥特性

实时监控系统记录耦合器制造过程中的瞬时耦合器输出功率,并计算耦合器的分光比和过程损耗。拉锥长度的输出功率记录数据形成拉锥特性。图 7显示了耦合器耦合端口的功率变化,作为监测波长为 1310 nm 和 1550 nm 的拉长的函数。这清楚地表明,随着拉力长度的增加(即耦合器腰部尺寸减小),分光比的变化速度会加快。与1310nm的伸长率相比,在较高波长时,功率变化速率变化速度仍然较快。在这里,用于制造耦合器的光纤(SMF-28e)在1310nm和1550nm波长下工作。

熔融单模耦合器的耦合动作是相互作用长度和工作波长的函数。这一事实很容易被利用来修改FBT耦合器的特性,通过定制设计参数来实现各种应用特定的器件。这种设计过程需要通过控制影响分光比的因素来彻底了解分光比的波长依存度及其优化。分光比的变化速率,即功率传输的速度变化速度取决于波长,决定了功率转移振荡的波长周期。这仅是耦合器结构的一个特性,可以通过在制造过程中控制锥形的形状来映射到目标要求。了解给定一组制造变量的信号(即监测波长的耦合特性)为控制分时形状提供必要的反馈,从而得出所需的波长周期 。从实时测量中获得的拉锥图形,可估计出制造所需分光比的分量组件所需的拉力长度,这也确立了制造过程中耦合的性质。控制和优化熔融耦合器的光谱分光比,可以产生许多不同类型的器件,如Tap分光器、波长相关复用器、波长扁平耦合器等。

图 7 1310 nm 和 1550 nm 的熔融拉锥耦合器拉制时的光学功率变化

耦合器的波长响应

对称耦合器是组成光纤相同的耦合器,以实现100%功率传输。许多不同系统所需的一种非常常见的设备是在两个输出端口(3dB 分路器)之间平均分光光。波长为 1310 nm的点 B 处将发生此相等的分光。图 7显示了典型的 3 dB 耦合器在 1310 nm 处的波长响应,很明显,该耦合器在 1310 nm 波长下可充当 3 dB 分路器,但 1550 nm 的耦合比约为 85%。因此,以这种方式制造的设备将在 1310 nm 时产生50/50的分路器,但不能在 1550 nm 处产生50/50的分路器

通过在图 7中的 C 点停止拉锥过程,可以显著减少耦合比与波长的变异,从而在单个波长区域中显著减少。对于非对称耦合器,可以降低峰值耦合比。这种耦合器可以通过在数值孔径略有不同的两种光纤之间形成熔融锥形耦合区域来制造。数值孔径的这种差异可以通过使用不同直径或类型的光纤来实现,或者通过锥化两个相同光纤中的一种来实现,而不是另一种光纤。

以上,为拉锥型耦合器的一些简单拉锥原理。希望能给对拉锥型耦合器技术感兴趣的读者,带来一些参考和帮助,也可以来飞宇集团工厂参观指导。返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐