光纤耦合器介绍及工作原理

光纤耦合器是光信号在不同光纤间分路/合路，进行定向传输的光器件，是使用最多的光无源器件之一。早期的光纤耦合器采用热熔融法实现多模光纤之间焊接，或者采用机械抛磨方法移除多模光纤的部分包层，或者将两根多模光纤缠绕并在耦合区填充折射率匹配液实现耦合。这些方法均存在损耗高、耦合效率低等问题。因此，随后的研究主要集中于改善制备工艺，设计出插入损耗小、耦合效率高、分光比可调的耦合器。1977年，Kawasaki和Hill采用熔融拉锥技术［202］，首次制成了熔融双锥形耦合器，将耦合器的附加损耗降低了一个数量级，实验测得的附加损耗为0.10.2 dB。这一技术为光纤耦合器的规模化生产提供了有力保障，也成为目前光纤耦合器的主流制备技术之一。

目前商业化的光纤耦合器有很强的波长依赖性和偏振依赖性，工作带宽较窄，且难以实现不同模式、不同微观结构光纤之间的低损耗耦合，无法满足光纤通信和光纤传感发展的需求。如光纤耦合器是水听器和光纤陀螺等器件中的重要元器件，过去受限于技术条件和工艺水平，大多数水听器中的耦合器都是采用单模光纤制备。由于单模光纤抗弯绕能力差，同时存在偏振态随机变化的缺陷，使水听器难以小型化，并且稳定性较差。而光纤陀螺中的光纤耦合器是连接光源、探测器和Y波导的核心器件，对外界环境变化非常敏感，因此要求其损耗低（＜0.5 dB），分光比稳定在3 dB，偏振串音必须非常低且具有一定的温度稳定性，传统光纤耦合器也难以满足其要求。因此，一些复合光纤结构被引入光纤耦合器，出现了双包层光纤耦合器、双芯耦合器、保偏光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器、光纤光栅耦合器等新型光纤耦合器。这些结构和性能各异的光纤耦合器，不仅提高了耦合器的性能，还实现了不同类型光纤之间特殊的耦合，促进了光纤耦合器的小型化和功能集成化，有力地推动了光纤耦合器在干涉型传感器、相干通信、高精度高性能光纤陀螺和水听器等中的应用。

1.异型包层/双包层光纤耦合器

异型包层/双包层光纤耦合器可实现异型包层/双包层光纤之间的耦合。1982年，Digonnet和Shaw利用两根D形光纤组装成光纤耦合器［203］，工作波长为6321064 nm，最大耦合效率为100%，消光比为50 dB。通过调整两根D形光纤的相对距离，耦合效率可以从0连续调节至100%。1986年，Jedrzejewski等提出将单模光纤插入折射率较低的毛细管内，然后熔融拉制成锥形光纤，制成一种具有双包层结构的扩束器，通过调整锥区长度和角度，可以输出不同模场尺寸的基模光束［204］。相比于单模光纤与单模光纤间的对准耦合，锥形光纤与锥形光纤的对准耦合对横向和轴向位移的损耗敏感度降低了数倍，更加有利于光束对准［205］。Wang等将单模光纤高折射率涂覆层用低折射率聚合物材料取代，制得一种特殊的双包层光纤耦合器，用于荧光检测［206］。这种双包层光纤结构可以实现激发光与光学信号的有效分离，避免检测中背景光对传感信号的干扰，因此在生物传感及生物显微成像领域具有突出的优势。

2.保偏光纤耦合器

常见的保偏光纤耦合器主要基于熊猫形、领结形和椭圆形等保偏光纤，具有偏振串扰小、附加损耗低，能够在光传输过程中保持偏振态不变的优点。全保偏光纤结构可从根本上解决系统偏振态稳定性问题，因此成为高性能、高精度光纤传感、光纤陀螺和水听器的基础元件之一。

熊猫形保偏光纤耦合器性能较稳定，串音在温度－5585℃之间的变化量约为6 dB。而椭圆形保偏光纤相比熊猫形保偏光纤更容易找到慢轴，减少了偏振主轴失配的风险。1982年，Kawachi等采用单模单偏振熊猫形光纤，首次制成保偏型光纤耦合器［207］。1991年，Honeywell公司采用熔融拉锥工艺制成保偏光纤耦合器［208］，其附加损耗小于0.5 dB、串音小于－18 dB。2008年，南开大学黄榜才等［209］研制出具有高温度稳定特性的保偏光纤耦合器，在－4060℃范围内，分光比变化量小于2%，串音变化量小于3 dB。耦合器的附加损耗、分光比、串音的平均值分别达到0.346 dB、50.1%和－24.83 dB。同年，魏秀珍等研制出一种高温度稳定性、低损耗椭圆形保偏光纤耦合器，在－5085℃范围内，分光比变化量小于2.5%，最佳附加损耗0.02 dB，分光比48.8%［210］。

此外，标准光纤耦合器是针对波长设计的，只能在特定窗口内保证±10 nm左右的带宽，因此对光源的波长要求严苛，且不能满足密集波分复用系统的使用要求。而如果采用宽带保偏耦合器，则可以解决这个问题。2010年，李瑞辰等通过非对称工艺改变保偏光纤耦合器的波长特性，使其在约80 nm带宽范围内均能满足分光比精度（50±2）%的要求，而且附加损耗低（0.20.4 dB），偏振损耗低［211］。欧盟FP7项目ISLA（integrated disruptive components for 2.0μm fibre lasers）开发出的2.0μm宽带光纤耦合器，其耦合比在400 nm范围内仅变化±12%，可用于2.0μm波段可调谐光纤激光系统［212］。

3.双芯光纤耦合器

多芯光纤的出现有效地拓展了光纤传送容量，而双芯光纤耦合器则实现了以多芯光纤为基础的光学器件与普通单芯光纤系统之间的有效连接，进一步促进了光纤耦合器多元化发展。1980年，Schiffner等首次成功拉制出双芯光纤，制得双芯光纤定向耦合器，并通过弯曲光纤调谐其耦合比［213］。

双芯光纤还可构建非线性光纤耦合器用于高速光开关。Friberg等研制出双芯光纤非线性耦合器［214，215］，将脉冲宽度为100 fs、重复频率为8.6 kHz的脉冲激光入射到耦合器的一端，在入射脉冲功率很高的条件下，即可实现开关作用，开关速率可以达到fs量级。

4.光子晶体光纤耦合器(www.xing528.com)

光子晶体光纤（PCF）耦合器的出现，实现了PCF、光源与普通光纤系统之间的耦合，推动了光子晶体光纤在传感和通信领域的应用。PCF结构设计灵活，通过改变微孔排列、形状、大小、占空比及椭圆度，以及纤芯掺杂与设置多芯，或微孔填充特殊敏感介质等多种手段，可设计出大范围、高精度、耦合比可调谐的PCF耦合器。

2004年，Kim等首次研制成侧面打磨型光子晶体光纤耦合器，其插入损耗为36 dB，耦合比可在090%内调谐［216］。由于PCF具有无截止单模传输特性，因此其光谱在很宽的范围内是近乎平坦的。2006年，Fu等设计并实现了3端口双包层PCF耦合器［217］。2007年，Jang等改进了工艺，在PCF耦合器中成功实现了耦合比在0100%内的全光调谐，其插入损耗降至2 dB［218］。

PCF耦合器带宽与光纤结构密切相关，通过调节纤芯折射率并选择合适的半径，可以实现窄带或者宽带耦合输出。通过调整空气孔的大小，还可以调整偏振依赖性。Gérôme等［219］设计出一种超宽带同心光子晶体光纤耦合器，该耦合器的能量随波长呈周期性变化，能量转换最高可达92%，产生耦合的中心带宽超过700 nm（11001800 nm）。Varshney等［220］设计出一种纤芯掺氟的椭圆孔双芯光子晶体光纤耦合器，在7001600 nm的波长范围内（宽达900 nm）表现出光谱平坦特性，在9001600 nm范围内的耦合效率为50%±1%。并且，通过适当的优化参数，还具有偏振不敏感特性。

2017年，Zhao等［221］基于双芯光子晶体光纤研制出分光比为50∶50的宽带偏振无关定向耦合器，耦合器在1.2551.725μm的470 nm波长范围内，两偏振态之间的分光比误差小于0.2%。该耦合器与普通单模光纤的模场面积相近，其接续损耗低至0.02 dB，在1.271.59μm的320 nm波长范围内，可实现低于－20 dB 的消光比，在1.55μm处甚至低至－38 dB。2018年，Hu等设计了一种基于非对称双芯光子晶体的模式选择性耦合转换器［222］，实现了1.55μm处基模向更多高阶模式的转换，模式转换效率大于95%，大大提高了光纤传输系统的传输容量。该耦合器可实现最小带宽2 nm，可用于窄带滤波。双芯光子晶体光纤耦合器的耦合长度只有几个毫米甚至到微米级，远小于传统光纤耦合器的耦合长度，因此在集成全光纤器件方面具有相当的优势。

光子晶体光纤还可以用于构建非线性光纤耦合器。2006年，Betlej等采用双芯光子晶体光纤制得定向耦合器［223］，在脉宽120 fs、重复频率1 kHz、波长在1.55μm附近可产生光强达几个TW/cm2的脉冲输入信号，并且当输入光强达0.5 TW/cm2时出现比较明显的开关效应。

布拉格光纤是一种一维带隙型光子晶体光纤，能实现独特的全向反射导光机制。因此，布拉格光纤耦合器在陀螺仪、干涉仪、光纤激光器、功率分配器等中具有潜在的应用价值。2004年，Iliew等首次设计出可将纤芯基模有效转换成环形模的布拉格光纤耦合器［224］，这种光纤耦合器可实现光纤与环形共振器间的耦合。此外，在高功率激光系统中，光纤耦合器还承担着将抽运光高效耦合到双包层光纤内的重要任务。相较于实芯光纤，空芯PCF具有更低的损耗、更小的色散和非线性系数，因此，在高能量激光传输方面具有明显的优势。Skorobogatiy等［225］设计了空芯布拉格光纤定向耦合器。由于空芯布拉格光纤利用布拉格反射将光限制在空芯区传输，大大减少了非线性效应和吸收损耗，因此可承担长期、高功率激光传输任务。

5.光纤光栅耦合器

光纤光栅耦合器集光纤光栅的滤波、反射特性和光纤耦合器于一身，具有光学复用/解复用、波长选择等功能，除了用于合路/分路复用器之外，还可用于滤波器和光开关。光纤光栅耦合器的出现，使光传输和耦合的模式，以及光谱特性的调控更为灵活。光纤光栅耦合器可通过在耦合器的耦合区写入光栅的方法制得，按光栅周期大小可分为布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）和长周期光栅（long period grating，LPG）。

布拉格光栅的周期通常只有几百纳米，这种耦合器是前向传输的纤芯模式与反向传输的纤芯模式之间的耦合，具有窄带高反射光谱。1994年，Archambault等制得抛磨式包层型光纤光栅耦合器［226］，其最大耦合效率达97%；用这种光纤光栅耦合器作窄带带通滤波器，获得滤出光的带宽仅为0.7 nm，最大峰值透射为70%，信号隔离度为13 dB，附加损耗仅0.22 dB。

长周期光栅的周期则在几十到几百微米之间，可实现前向传输的纤芯模式与同向传输的包层模式之间的耦合，具有无后向散射的宽带透射光谱。另外，在光纤中刻写周期为百微米至毫米量级的光栅还可制得超长周期光纤光栅耦合器［227］。这种光纤耦合器无需经过熔融拉锥，只需将两根光纤进行缠绕即可实现耦合；通过很强的光学泵浦进行相位交叉调制，可以实现波长调谐。因其光耦合为前向传输模式，无后向散射，且在非谐振波长处没有损耗，所以损耗比较低。长周期光纤光栅耦合器的两根光纤光栅透射光相互补偿，其中一个展现出带阻特性，一个表现出带通特性，其通道隔离度较高，因此，这种耦合器可实现信号的上载和下载，同时带宽也较宽，一般为几十纳米；还可用于宽带滤波器和宽带光插拔多路复用器，这是传统光纤耦合器无法实现的。2007年，Kim等［228］在掺锗单模光纤中刻写长周期光纤光栅，利用两个相连光纤之间的倏逝场耦合实现带通特性。通过施加应变，可将通带的光谱形状调整为平顶和高斯形状，所制得的超宽带带通滤波器3 dB带宽达到160 nm，最小插入损耗为2 dB。