3.2 光耦合器

光耦合器（Optical Coupler）的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。耦合器对线路的影响是插入损耗，可能还有一定的反射和串音。选择耦合器的主要依据是实际应用场合。四种类型的耦合器基本结构如图3.2.1所示。

3.2.1 光方向耦合器

方向耦合器（Directional Coupler）是构成光纤分配网络的基础，它是一种2×2光纤耦合器，如图3.2.1c所示，图中用箭头表示允许光纤功率通过的方向。2×2光纤耦合器是一种与波长无关的方向耦合器，它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做成的耦合波导。另外，方向耦合器也可以用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）粘合在一起构成，它也可以用作T形耦合器。这种透镜的插入损耗为1dB。

图3.2.1a表示少用1个端口的3端口2×2方向耦合器，即变成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。这种耦合器可以用作不同分光比的功率分路器。T形耦合器可以是与波长无关的耦合器（Wavelength Independent Coupler, WIC），也可以是与波长有关的耦合器（Wavelength Dependent Coupler, WDC），如图3.2.3c所示。为了描述T形耦合器的特性，假设入射到端口1的功率为P₁，根据所需要的分光比，把P₁在端口2和端口3之间进行分配。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），为此称其为隔离端口，所以这种耦合器称为方向耦合器。假定传送到端口2的功率为P₂，传送到端口3的功率为P₃。不考虑损耗时，定义这种理想耦合器的各种损耗（用dB表示）如下。

耦合器的通过损耗=-10lg（P₂/P₁），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的功率与端口1的输入功率之比。

耦合器的抽头损耗=-10lg（P₃/P₁），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的功率与输入功率之比。

两个输出端口间的功率分配比，即分光比为R=P₂/P₃，常用抽头损耗描述耦合器的特性，并以此分类，例如10dB的耦合器表示具有10dB的抽头损耗。表3.2.1列出几种理想耦合器的通过损耗、抽头损耗及分光比。

对于无损耗耦合器，P₂=P₁-P₃，因此通过损耗可用抽头损耗表示

实际的耦合器是存在插入损耗的，耦合器的插入损耗（或附加损耗）为

它表示耦合器内的功率损耗，包括辐射损耗、散射损耗、吸收损耗以及耦合到隔离端口的损耗。插入损耗表明，有多少输入功率到达输出端口2和端口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。假设一个耦合器具有1dB的插入损耗，分光比是1:1，那么有多少输入功率到达两个输出端口呢？用L_ext=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波段的宽带耦合器，包括980nm和1480nm的波分复用耦合器，其主要指标为：分光比1%～50%，插入损耗（IL）<0.1dB，回波损耗（ORL）55dB，偏振相关损耗0.03dB，偏振模色散（PMD）0.05ps，方向性60dB，功率容量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耦合器，它的功能是把N根光纤输入的光功率混合叠加在一起，并均匀分配给N根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。星形耦合器不包括波长选择元件，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。

N×N星形耦合器可以由几个2×2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，这种耦合器的制造技术是把许多光纤部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸以便减小光纤的直径，形成双锥形结构。由式（2.2.14）可知，纤芯直径的减小将导致归一化芯径V参数的减小；而V参数的减小，由式（2.2.21）可知，又导致模场直径（光斑尺寸）增加，使每根光纤的消逝场扩大重叠。所以，锥形部分的作用是使光纤间的电磁场产生互耦效应，从而使一根输入光纤的光信号耦合到多根输出光纤中去，把每根光纤的输入信号混合在一起，并近似相等地分配给每个输出端。图3.2.2a和图3.2.2b表示用这种技术制造的传输型和反射型星形耦合器。

用熔拉双锥技术制造多模光纤星形耦合器比较容易，但制造单模光纤星形耦合器就困难得多，所以通常采用组合耦合器。图3.2.2c是由12个2×2单模光纤耦合器组合的8×8星形耦合器结构。

通常，多模和单模1×2和1×N光分路器的技术指标为：分光比可选，方向性≥55dB，附加损耗≤0.1dB，偏振相关损耗≤0.03dB。1310nm和1550nm两波长的波分复用器的技术指标为：隔离度≥30dB，偏振相关损耗≤0.1dB，方向性≥60dB。

3.2.3 单纤双向光耦合器

单纤系统需要采用双向收发器分离上行和下行业务，这就需要一种光耦合器，把一根光纤中传输的上行和下行信号分开。从功能上分，有两种不同类型的耦合器，即与波长无关的耦合器和与波长有关的耦合器，如图3.2.3所示。分光（束）器就是一种部分反射器，如图3.2.3b所示，半反射镜可以是部分反射膜（介质膜或金属膜），分光比由膜的厚度和组成成分确定。图3.2.3d表示一种实用2×2双向耦合器的结构。