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1、1平面光波导分路器工作原理简介 分路器作为 FTTx 网络的核心部件，其在无源光网络(Passive Optical Network, PON)的一个典型应用表现在以下两个方面：1.作为下行光信号(1490nm 和 1550nm)的功率分配器(Power splitter)使用2.作为上行光信号(1310nm)的合束器(Combiner)使用详细的组网形式不是这里的讨论重点，读者可以参考相关专著(如Gerd Keiser 的FTTX Concepts and Applications) 。这里主要讨论的是分路器的工作原理和性能。目前市场上主流的分路器主要基于两种技术形式：熔融拉锥型(Fused
2、 Biconical Taper, FBT)和平面光波导(PLC)型。同样的，两种技术形式孰优孰劣，这里不作评论。无论基于何种技术形式的分路器，都是基于 1 x 2 基本结构的级联而成。FBT 的 1 x 2 结构是一耦合器，而 PLC 的是一Y 分支结构。这个看似简单的 Y 分支构件，其实并不简单，因为分路器的性能优劣很大程度上就是由它决定的。如何设计一个性能优异的 Y 分支结构属于技术机密(Classified technology)，这里不便讨论。这里仅就基于平面光波导技术的一个 Y 分支结构的分路器，即 1 x 2 分路器的工作原理作一简介。其实也就是从物理本质上粗略地解释为什么 1
3、x 2 分路器无论是上行，还是下行信号，其插入损耗都是 3 dB。21 x 2 分路器的功能结构可以用图 1(a)的框图来表示：一个单模输入波导，两个单模输出波导。中间用来分束的结构有很多种，这里只给出了3 种结构：图 1(b)的定向耦合器型 (Directional Coupler, DC)，图 1(c)的无间距定向耦合器型(Zero-Gap Directional Coupler, ZGDC)，以及图 1(d)的模斑转换器型(Spot Size Converter, SSC)。定向耦合器型和零间距定向耦合器型输入端都只用其中一个端口，并且无间距定向耦合器型其实是多模干涉型(Multi-Mo
4、de Interference, MMI)。现行市场上热卖的 PLC 分路器都是 SSC 型的，之所以给出另外两种，是为了进行对比分析。首先来看图 1(b)的 DC，入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0 阶模)。当该 0 阶模到达耦合区- 两相互靠近的波导 (间距为波长量级)时，根据超模理论(Supermode theory)，将会在耦合区激励出如图中所示的两超模(由各独立波导中的 0 阶模叠加而成 )：偶模(even mode)和奇模(odd mode)，并且这两个超模具有几乎相等(近于简并) 的传播常数。在偶模中，位于 2 个波导内的电场波峰是同相位；而奇模中两波峰是反相位。根据
5、这样的相位关系，两超模叠加的场分布光功率，可以在相邻两波导中周期性的，成二次正(余) 弦函数的，不断的交替变换。图中示意图为刚好等分(half = 3 dB)入射光强时的模式(FBT1 x 2 分路器原理与此类同)。再来考察图 1(c)中的 ZGDC，同样的入射光在入射单模波导内只存在一个模式：基模(0 阶模 )。虽然该结构也叫 DC，但其工作模式与真正的DC 完全不同。当入射 0 阶模到达两入射波导交叉点时，该处波导宽度突3然增大一倍，其场宽也必然增大，变成另一 0 阶模。由于这两个 0 阶模不满足场的连续性条件，因此必然同时伴随着另一模式-1 阶模的激发，而且 1 阶模的强度与 0 阶模相
6、同。如是在中间宽度 2w 多模波导中便传输着两个模式，并且最多只有这两个模式：0 阶模和 1 阶模(该 2w 波导为双模波导)。这样，在该区域内，光场分布就是这两个模式(0 阶模，1 阶模)的相互干涉场分布( 前面提到的 MMI)。图中示意图为刚好在两输出单模波导中等分(half = 3 dB)输入光强时的模式。图 1(d)就是现行市场上的 PLC1 x 2 分路器-Y 分支。其工作原理如下：当入射单模波导内的 0 阶模刚到达锥形区域-SSC 时，这里波导结构并无发生任何变化，因此仍然保持该 0 阶模的形态。当该 0 阶模继续在 SSC中传播时，虽然波导宽度不断变宽到 2w，此时该波导内可以存
7、在两个模式(前已述 )。然而，由于 SSC 区域变宽的很缓慢，在每一点，都可认为满足场的连续性条件，所以并不会激发起高阶模(这里是 1 阶模)，而仅是0 阶模的宽度随着波导的变宽而不断变宽，最后被输出单模波导等分(half = 3 dB)输入光强。4这三种类型的 1 x 2 分路器，两输出端都可以等分输入光强。其中前两种类型，由于在光传播方向上的结构是对称的，反过来用即光从任一原输出端输入时，从原输入波导中输出 3 dB(= half)的光这很好理解(1. 另 3 dB 的光从另外一波导输出；2. 光路可逆 -在光传播方向上结构对称)。然而，第三种结构表像看来，也出现相同的结果，即光从任一原输
8、出端输入时，从原输入波导中输出 3 dB(= half)的光。关键是这种情况下输出波导只有一根，那另外 3 dB 的光去哪儿了呢？答案是另外 3 dB 的光辐射损耗掉了。(这里顺便提一下，在前面的解释过程中其实还涉及到“ 传播常数最接近原则”，读者有兴趣可以自己去了解一下)解释上面提到的这个现象，我们只需要对比图 1(e)和(f)就知道了。当从一输入单模波导进来的 0 阶模到达两单模波导的交叉点时，将会同时5等强度的激发起另一 0 阶模和 1 阶模(前已述)。在图 1(e)中，这两个模式的光可以保持原状继续往前传播。而在图 1(f)中，当两个模式的光继续往前传播时，SSC 区域不断变窄到 w(
9、仅能存在一个基模 )，0 阶模在这个过程中能继续往前传播，并不发生截止，而只是模场的宽度逐渐变小；但1 阶模(属于高阶模)，在到达单模输出波导之前，已经发生截止(该 1 阶模不能成为单模波导的导波模，只能成为辐射模)，从而被辐射出去。由于0 阶模和 1 阶模的强度相同，所以输出单模波导输出输入光强的一半-3 dB。在图 1(g)和(h)中，给出了两个实例，可以形象的了解 SSC 区域 0 阶模的模场宽度压缩和 1 阶模的截止辐射。当频率相同的相干光从两输入波导同相入射时(图 1(g)，将产生偶模激振。当两波导的间距逐渐变成零时，偶模中间的波谷逐渐变小，直至形成波峰，变换成 0 阶模。该 0 阶模可以从输出单模波导中输出，其静态场分布图如图 2(c)所示。而当频率相同的相干光从两输入波导反相入射时(图 1(h)，将产生奇模激振。当两波导的间距逐渐变成零时，奇模将会变换成 1 阶模。该 1 阶模随着SSC 不断变窄而发生截止而辐射损耗掉，其静态场分布图如图 2(d)所示。图 2(a)和(b)分别为 Y 分支波导正向入射和反向入射情况下的静态场分布图。从这两个图很形象地给出了无论何种入射方式都得到 3 dB 输出的图像。6需要 PLC 和 FA 可以联系我 和技术研讨 可以加 QQ 925850062
