3.2　光纤耦合器

光纤耦合器的功能是把一个或多个输入光分配为多个或一个输出光。光纤耦合器对线路的影响是附加了插入损耗，可能还产生一定的光反射和串扰。光纤耦合器的选择主要根据实际应用场合。4种类型光纤耦合器的基本结构如图3.2.1所示。

3.2.1　方向耦合器

方向耦合器（Directional Coupler）是构成光纤分配网络的基础，是一种2×2光纤耦合器。在图3.2.1（c）中，用箭头表示允许光功率通过的方向。2×2光纤耦合器是一种与波长无关的方向耦合器，是通过热熔拉伸把扭合在一起的两根光纤加工成双锥形状的耦合波导。另外，方向耦合器可以用2个1/4节距的棒透镜（或自聚焦透镜）中间镀上反射膜（或用半反射镜）黏合在一起构成，也可以作为T形耦合器。棒透镜的插入损耗为1dB。

图3.2.1（a）所示为少用1个端口的3端口2×2方向耦合器，即T形耦合器，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给2根光纤。这种耦合器可以作为不同分光比的光功率分路器。T形耦合器可以是与波长无关的光纤耦合器（WIC），也可以是与波长有关的光纤耦合器（WDC）。为了描述该光纤耦合器的特性，我们假定入射到端口1的光功率为P1，根据所需要的分光比，把P1在端口2和3之间分配。在理想情况下，同侧输入的光功率不能耦合到同侧的端口（如端口4），所以这种光纤耦合器是方向耦合器。假定传送到端口2的光功率为P2，传送到端口3的光功率为P3，不考虑损耗时，定义这种理想方向耦合器的各种损耗（用dB表示）如下。

方向耦合器的通过损耗，表示输入端口1到输出端口2间的传输损耗，即到达输出端口2的光功率与输入端口1的输入光功率之比。

方向耦合器的抽头损耗，表示输入端口到抽出端口之间的传输损耗，即到达抽出端口3的光功率与输入端口1的输入光功率之比。

输出端口与抽出端口间的光功率分配比即分光比R=P2/P3，常用抽头损耗描述方向耦合器的特性，并以此分类。例如，10dB的方向耦合器表示具有10dB的抽头损耗。几种理想4端口方向耦合器的特性参数如表3.2.1所示。

对于无损耗方向耦合器，P2=P1-P3，因此其通过损耗可用抽头损耗表示为

实际的方向耦合器是存在插入损耗的，方向耦合器的插入损耗（或附加损耗）为

方向耦合器内的插入损耗包括辐射损耗、散射损耗、吸收损耗及耦合到隔离端口的损耗。通过分析插入损耗，我们可以知道有多少输入光功率到达端口2和3。一个好的方向耦合器插入损耗小于1dB（如用百分比表示，δ=20%），方向性大于40dB。

现举例说明插入损耗对通过损耗和抽头损耗的影响。假设一个方向耦合器具有1dB的插入损耗，分光比为1:1，那么有多少输入光功率到达输出端口和抽出端口呢？将Lext=1dB代入式（3.2.2），得到（P2+P3）/P1=0.794，因为P2=P3，所以P2/P1=P3/P1=0.397。它相当于4dB（10lg0.397）的通过损耗和4dB的抽头损耗。但根据表3.2.1，分光比为1:1时，对于理想方向耦合器（不考虑插入损耗），通过损耗和抽头损耗均应为3dB。显然，在考虑插入损耗时，通过损耗和抽头损耗均应在表3.2.1所示dB值的基础上加上用dB值表示的插入损耗，即

目前，用于S、C和L工作波段的宽带光纤耦合器，包括980nm和1 480nm的波分复用耦合器，其主要指标是：分光比为1%～50%，插入损耗（IL）小于0.1dB，回波损耗（ORL）为55dB，偏振相关损耗为0.03dB，偏振模色散（PMD）为0.05ps，方向性为60dB，光功率为2W。

方向耦合器是双向的，输入端口和输出端口可以互换；其结构又是对称的，不管哪个端口作为输入端口，特性损耗都是相同的。

利用1×2方向耦合器，可以构成1×N树形耦合器，用于PON系统中的光分配网络（ODN）。

3.2.2　熔拉双锥星形耦合器

星形耦合器是一种N×N光纤耦合器。它的功能是把N根光纤输入的光功率汇合在一起，并均匀分配给N根光纤输出。星形耦合器可以作为多端光功率分路器或光功率组合器。星形耦合器不包括波长选择器件，是与波长无关的器件。输入端和输出端的数目N不一定相等，在LAN应用中一般就是这种情况。例如，在电视信号分配中，电视信道的数目相当小（如100），但要播送给的用户数却是成千上万甚至百万。

N×N星形耦合器可以由几个2×2光纤耦合器组合而成，这种组合星形耦合器的缺点是元件多、体积大。熔拉双锥星形耦合器是一种紧凑的单体星形耦合器。熔拉双锥星形耦合器的制造技术是把许多光纤部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成双锥形结构。锥形部分的作用是把每根光纤输入的信号混合在一起，并将其近似相等地分配给每个输出端。熔拉双锥星形耦合器如图3.2.2所示。其中，图3.2.2（a）表示传输型星形耦合器，图3.2.2（b）表示反射型星形耦合器。

用熔拉双锥技术制造多模星形耦合器比较容易，早在1979年就制成100×100星形耦合器。该技术对于单模光纤则受到一定的限制，只能熔化几根光纤。虽然2×2单模星形耦合器早已被制成，并能在宽波长范围工作，但是“N>2”的单体单模星形耦合器的制成则较晚，直到1989年才制成7×7和1×19的单体单模星形耦合器，因为制造单模光纤星形耦合器的困难比较多，所以通常采用组合星形耦合器。由12个2×2单模光纤耦合器组合成的8×8星形耦合器的结构如图3.2.3所示。由32个熔拉双锥2×2单模光纤耦合器可以制成16×16星形耦合器[6][36]。