RP 系列 激光分析设计软件 | 无源光纤（ 第八部分）

本教程包含以下部分：

① 玻璃光纤中的导光

② 光纤模式

③ 单模光纤

④ 多模光纤

⑤ 光纤末端

⑥ 光纤接头

⑦ 传播损耗

⑧ 光纤耦合器和分路器

⑨ 偏振问题

⑩ 光纤的色散

⑪ 光纤的非线性

⑫ 光纤中的超短脉冲和信号

⑬ 附件和工具

这是 Paschotta 博士的无源光纤教程的第 8 部分

第八部分：光纤耦合器和分路器

使用光纤时，经常需要使用光纤耦合器来实现各种目的。一些例子：

图 1： 2×2 光纤耦合器。

• 额外的孤立吸收峰可能来自某些杂质。例如，如果芯材不是无水的，二氧化硅纤维在 1.39 μm 和 1.24 μm 附近表现出增加的吸收损失。定向 2 × 2 耦合器（见图 1）通常用于此类目的。

• 相同类型的设备可用于光纤干涉仪，也可用于组合两个输入。（请注意，可能会出现极化问题。）

• 二向色耦合器可用于组合光纤放大器的泵浦和信号输入，或去除放大器后残留的泵浦光。

• 对于高功率光纤激光器和放大器，通常需要具有多个输入的泵浦耦合器，将多个高功率二极管棒的输出组合在一起。

• 增加的散射损失可能是由于纤芯/包层界面的不规则性造成的。对于具有大折射率对比度（高数值孔径）的光纤，这个问题更为严重。此外，较大的折射率对比度通常意味着纤芯的锗掺杂程度较高，这使得它暂时不太均匀。因此，用于通过电信光缆进行长距离数据传输的低损耗单模光纤具有相对较小的 NA，即使较高的 NA 会提供更稳健的引导。

定向光纤耦合器可能最常用的工作原理是在两个光纤纤芯彼此靠近的配置中的倏逝波耦合。可以通过加热两个明显的纤维来制造这种设备，使玻璃开始融化并融合在一起。在此过程中，人们也可能会稍微拉动纤维。以这种方式获得的折射率分布如图 1 所示：

图 2： 光纤耦合器的折射率分布。

两种波导都是具有超高斯折射率分布的单模波导。中间的耦合区域只有几毫米长。在该区域之外，耦合可以忽略不计，因为模式场实际上不会相互接触。

通过数值光束传播，现在可以检查当光仅注入左上方输入端口时会发生什么：

图 3：光纤耦合器中的幅度分布，通过光束传播的数值模拟获得，使用软件 RP Fiber Power 完成。

在这种特殊情况下，光在很短的距离后首先几乎完全耦合到下部波导，然后返回到上部波导，最后大部分功率仍然存在。由于耦合强度敏感地取决于波长，因此对于一些其他波长，例如可以将几乎所有的功率都传递到较低的输出端口。模拟的波长相关性如图 4 所示。较长波长区域的曲线形状有些奇怪，这是由波导的弯曲损耗引起的，该损耗在该区域变得很大。

图 4：功率耦合程度作为波长的函数。

如果使耦合变得弱（通过波导距离），但可以在更长的长度上发生，则波长灵敏度会变得更强。相反，宽带耦合器需要在短长度上进行强耦合。

请注意，此类耦合器是定向耦合器：基本上没有光线向“向后”方向。

当然，可以将光注入这种光纤耦合的两个输入端口。然后，假设光学强度不足以引起非线性效应，则输出将是由两个输入引起的电场幅度的线性叠加。特别是对于由单模光纤制成的光纤耦合器，如果注入正确选择的功率、偏振方向和相对相位的两个相干输入，则可以在其中一个输出端口中获得相消干涉。在这种情况下，另一个输出端口将发生建设性干扰。当然，除了一些可能的寄生功率损耗之外，还必须保留整体功率。

用于高功率光纤激光器和放大器的泵浦耦合器在某些方面有所不同。输入和输出光纤是强多模、大芯数和高数值孔径。耦合原理也可以与上述示例中的不同。例如，代替倏逝波耦合，可以简单地将光从较小的核心注入到大核心中用于输出。必须小心地将功率损耗降至最低——部分原因是高功率水平下的光损失可能会损坏耦合器。

下一期将介绍第九部分：偏振问题

敬请关注！