光分路器類型及原理

《光分路器類型及原理》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、分路器工作原理簡(jiǎn)介光分路器作為FTTx網(wǎng)絡(luò)的核心部件，其在無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PassiveOpticalNetwork,PON)的一個(gè)典型應(yīng)用表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：???1.作為下行光信號(hào)(1490nm和1550nm)的功率分配器(Powersplitter)使用???2.作為上行光信號(hào)(1310nm)的合束器(Combiner)使用???詳細(xì)的組網(wǎng)形式不是這里的討論重點(diǎn)，讀者可以參考相關(guān)專著(如GerdKeiser的《FTTXConceptsandApplications》)。這里主要討論的是分路器的工作原理和性能。???目前市場(chǎng)上主流的分路器主要基于兩種技

2、術(shù)形式：熔融拉錐型(FusedBiconicalTaper,FBT)和平面光波導(dǎo)(PLC)型。同樣的，兩種技術(shù)形式孰優(yōu)孰劣，這里不作評(píng)論。無(wú)論基于何種技術(shù)形式的分路器，都是基于1x2基本結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)而成。FBT的1x2結(jié)構(gòu)是一耦合器，而PLC的是一Y分支結(jié)構(gòu)。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的Y分支構(gòu)件，其實(shí)并不簡(jiǎn)單，因?yàn)榉致菲鞯男阅軆?yōu)劣很大程度上就是由它決定的。如何設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)異的Y分支結(jié)構(gòu)屬于技術(shù)機(jī)密(Classifiedtechnology)，這里不便討論。這里僅就基于平面光波導(dǎo)技術(shù)的一個(gè)Y分支結(jié)構(gòu)的分路器，即1x2分路器的工作原理作一簡(jiǎn)介。其實(shí)也就是從物理本質(zhì)上粗

3、略地解釋為什么1x2分路器無(wú)論是上行，還是下行信號(hào)，其插入損耗都是3dB。???1x2分路器的功能結(jié)構(gòu)可以用圖1(a)的框圖來(lái)表示：一個(gè)單模輸入波導(dǎo)，兩個(gè)單模輸出波導(dǎo)。中間用來(lái)分束的結(jié)構(gòu)有很多種，這里只給出了3種結(jié)構(gòu)：圖1(b)的定向耦合器型(DirectionalCoupler,DC)，圖1(c)的無(wú)間距定向耦合器型(Zero-GapDirectionalCoupler,ZGDC)，以及圖1(d)的模斑轉(zhuǎn)換器型(SpotSizeConverter,SSC)。定向耦合器型和零間距定向耦合器型輸入端都只用其中一個(gè)端口，并且無(wú)間距定向耦合器型其實(shí)是多模干涉

4、型(Multi-ModeInterference,MMI)?，F(xiàn)行市場(chǎng)上熱賣(mài)的PLC分路器都是SSC型的，之所以給出另外兩種，是為了進(jìn)行對(duì)比分析。???首先來(lái)看圖1(b)的DC，入射光在入射單模波導(dǎo)內(nèi)只存在一個(gè)模式：基模(0階模)。當(dāng)該0階模到達(dá)耦合區(qū)-兩相互靠近的波導(dǎo)(間距為波長(zhǎng)量級(jí))時(shí)，根據(jù)超模理論(Supermodetheory)，將會(huì)在耦合區(qū)激勵(lì)出如圖中所示的兩超模(由各獨(dú)立波導(dǎo)中的0階模疊加而成)：偶模(evenmode)和奇模(oddmode)，并且這兩個(gè)超模具有幾乎相等(近于簡(jiǎn)并)的傳播常數(shù)。在偶模中，位于2個(gè)波導(dǎo)內(nèi)的電場(chǎng)波峰是同相位；而奇

5、模中兩波峰是反相位。根據(jù)這樣的相位關(guān)系，兩超模疊加的場(chǎng)分布光功率，可以在相鄰兩波導(dǎo)中周期性的，成二次正(余)弦函數(shù)的，不斷的交替變換。圖中示意圖為剛好等分(half=3dB)入射光強(qiáng)時(shí)的模式(FBT1x2分路器原理與此類同)。???再來(lái)考察圖1(c)中的ZGDC，同樣的入射光在入射單模波導(dǎo)內(nèi)只存在一個(gè)模式：基模(0階模)。雖然該結(jié)構(gòu)也叫DC，但其工作模式與真正的DC完全不同。當(dāng)入射0階模到達(dá)兩入射波導(dǎo)交叉點(diǎn)時(shí)，該處波導(dǎo)寬度突然增大一倍，其場(chǎng)寬也必然增大，變成另一0階模。由于這兩個(gè)0階模不滿足場(chǎng)的連續(xù)性條件，因此必然同時(shí)伴隨著另一模式-1階模的激發(fā)，而且

6、1階模的強(qiáng)度與0階模相同。如是在中間寬度2w多模波導(dǎo)中便傳輸著兩個(gè)模式，并且最多只有這兩個(gè)模式：0階模和1階模(該2w波導(dǎo)為雙模波導(dǎo))。這樣，在該區(qū)域內(nèi)，光場(chǎng)分布就是這兩個(gè)模式(0階模，1階模)的相互干涉場(chǎng)分布(前面提到的MMI)。圖中示意圖為剛好在兩輸出單模波導(dǎo)中等分(half=3dB)輸入光強(qiáng)時(shí)的模式。???圖1(d)就是現(xiàn)行市場(chǎng)上的PLC1x2分路器-Y分支。其工作原理如下：當(dāng)入射單模波導(dǎo)內(nèi)的0階模剛到達(dá)錐形區(qū)域-SSC時(shí)，這里波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并無(wú)發(fā)生任何變化，因此仍然保持該0階模的形態(tài)。當(dāng)該0階模繼續(xù)在SSC中傳播時(shí)，雖然波導(dǎo)寬度不斷變寬到2w，此時(shí)該

7、波導(dǎo)內(nèi)可以存在兩個(gè)模式(前已述)。然而，由于SSC區(qū)域變寬的很緩慢，在每一點(diǎn)，都可認(rèn)為滿足場(chǎng)的連續(xù)性條件，所以并不會(huì)激發(fā)起高階模(這里是1階模)，而僅是0階模的寬度隨著波導(dǎo)的變寬而不斷變寬，最后被輸出單模波導(dǎo)等分(half=3dB)輸入光強(qiáng)。???這三種類型的1x2分路器，兩輸出端都可以等分輸入光強(qiáng)。其中前兩種類型，由于在光傳播方向上的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，反過(guò)來(lái)用即光從任一原輸出端輸入時(shí)，從原輸入波導(dǎo)中輸出3dB(=half)的光這很好理解(1.另3dB的光從另外一波導(dǎo)輸出；2.光路可逆-在光傳播方向上結(jié)構(gòu)對(duì)稱)。然而，第三種結(jié)構(gòu)表像看來(lái)，也出現(xiàn)相同的結(jié)果，

8、即光從任一原輸出端輸入時(shí)，從原輸入波導(dǎo)中輸出3dB(=half)的光。關(guān)鍵是這種情況下輸出波導(dǎo)