光纤耦合器的发展历程

实现光信号功率在不同光纤间的分配或组合的光器件。利用不同光纤面紧邻光纤芯区中导波能量的相互交换作用构成。按所采用的光纤类型可分为多模光纤、单模光纤和保偏光纤耦合器等。

光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter）、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。光纤耦合器可分标准耦合器（属于波导式，双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、直连式耦合器（连接2条相同或不同类型光纤接口的光纤，以延长光纤链路）、星状/树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属于DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90%）。

烧结方式的制作法，是将两条光纤并在一起烧融拉伸，使核芯聚合一起，以达光耦合作用，而其中最重要的生产设备是光纤熔接机，也是其中的重要步骤，虽然重要步骤部份可由机器代工，但烧结之后，仍须人工作检测封装，因此人工成本约占10～15%左右，再者采用人工检测封装须保品质的一致性，这也是量产时所必须克服的，但技术困难度不若DWDM 模块及光主动元件高，因此初期想进入光纤产业的厂商，大部分会从光耦合器切入，毛利则在20～30%。

光纤耦合器的发展历程

其发展主要经历了三个阶段：萌芽阶段、早期阶段、发展阶段。

光纤耦合器萌芽阶段

1、物质基础——低损耗光纤问世

1970年，美国的Comning（康宁）公司率先成功拉制出损耗为20dB/km的低损耗光纤。这一光学领域的重大技术突破，为光纤的进一步研发提供了先进的技术手段。同时，也为光纤耦合器的问世以及广泛应用奠定了雄厚的物质基础。

2、理论依据——耦合模方程推导

1972年，澳大利亚的Snyder成功推导出扰动均匀光纤系统中的耦合模方程及耦合系数表达式，理论上分析了分别位于多边形各顶点以及多边形中心的光纤系列耦合功率转换情况。同年，美国的Wijngaard给出了两根相同或相异的平行圆波导间的模场分布。

1973年，Snyder和McIntyre原有基础上进一步研究了光纤各个模式间的功率转换。Snyder和Wijngaard出色的理论工作，为光纤耦合器的设计及光纤耦合器功率转换分析提供了可靠的理论依据。

光纤耦合器早期阶段

1、光纤耦合器雏形——光纤连接器

1971年，Bisbee率先采用熔接的方法实现了多模光纤之间的焊接。翌年，Dyott等人采用类似的熔接技术实现了单模光纤之间的焊接，所进行的拉锥试验也获得了一定进展。

Bisbee和Dyott等人采用熔融方法所设计的光纤耦合器，可实现两根光纤之间的单路耦合和定向传输，这种熔融方法为光纤耦合器的研制指明了方向。

2、光纤系统集成化基元——星型耦合器

1974年，Hudson和Thiel提出了星型耦合器的思想，并设计出第一个星型光纤耦合器。与传统的T形耦合器相比，这种多端口的光纤星型耦合器具有损耗更低、方向性更好、稳定性更高、各端口等效等诸多优点。星型耦合器的出现为光纤通信系统和光纤传感系统向着集成化、小型化发展提供了技术保障。

3、光纤定向耦合器问世——光纤定向耦合器出现

1975年，Kuwahara等人将两根多模光纤缠绕并在耦合区填充折射率匹配液，构成世界上第一个光纤定向耦合器。实验测得该光纤耦合器的耦合功率为50dB，方向性为21dB。光纤定向耦合器的问世，标志着光纤耦合器时代的到来，使得光纤通信和光纤传感系统的全光纤化成为可能。

4、光纤耦合器新思路——腐蚀锥形光纤耦合器

1976年，Yamamoto等人率先采用化学腐蚀技术，制成锥形结构的光纤耦合器，其耦合效率可达90%以上。这种方法为设计光纤耦合器提供了一种新思路，为光纤耦合器的多元化开辟了新途径。

5、光纤耦合器技术突破——熔融光纤定向耦合器

1976年，Barnoski和Friedrich采用聚焦的CO2激光作为局部热源，加热熔融两根Comning公司生产的多模光纤，首次制成光纤定向耦合器;通过调整光纤纤芯间距和相互作用长度，可以实现对耦合比的控制。将加热熔融方法应用于光纤定向耦合器的制作，在技术上是一项重大的突破，为光纤定向耦合器的大规模生产奠定了技术基础。

6、光纤耦合器手工化——抛磨型光纤耦合器

1976年，McMahon和Gravel采用机械抛磨方法移除多模光纤的部分包层，制成分布式T形耦合器。

同年，Hsu和Milton采用类似的机械抛磨方法移除单模光纤的部分包层，制成抛磨型单模光纤耦合器。McMahon和Hsu等人提出的机械抛磨方法，为光纤耦合器的研制开辟了另一条途径。

光纤耦合器发展阶段

随着熔融拉锥、机械抛磨、化学腐蚀等技术的出现，光纤耦合器开始迅猛发展并进入高速发展阶段，各种结构丰富、功能优良的光纤耦合器如同雨后春笋一般蓬勃发展。光纤耦合器逐步从实验室走向工业生产领域，其生产工艺日趋成熟并得到了广泛应用。

1、熔融与拉锥结合——熔锥形光纤耦合器

1977年，Kawasaki和Hill将熔融技术和拉锥技术结合，首次制成了熔融双锥形耦合器。这种熔融拉锥技术将耦合器的附加损耗降低了一个数量级，实验测量的附加损耗为0.1～0.2dB。熔融技术与拉锥技术的结合是光纤耦合器生产史上的一次重大飞跃，开启了光纤耦合器发展的新纪元，为光纤耦合器的规模化生产从技术上提供了有力保证。

2、抛磨法的成熟——抛磨型多模光纤耦合器

1978，Tsujimoto等人先将两根多模光纤分别嵌入两板中进行抛磨，再将经打磨后的两根光纤拼接在一起，首次制成3dB抛磨型多模耦合器，其附加损耗小于0.3dB。这种耦合器设计方法迅速被人们广泛采用，并将光纤耦合器的发展推向一个新阶段。

3、封装腐蚀法——可调谐单模光纤耦合器

1979年，Sheem和Giallorenzi将两根光纤缠绕在一起放入盛有腐蚀液（HF：NH4F=1：4）的四端口容器中腐蚀，首次制成耦合效率在0～2dB之间、手动可调谐的单模光纤定向耦合器。虽然此前光纤耦合器腐蚀技术已经出现，但他们设计的光纤耦合器属于全功率转换型，这是首次将腐蚀技术应用于功率分配型耦合器的成功设计。该耦合器通过旋转瓶帽控制两根光纤的缠绕次数和光纤间的张力，可实现耦合比从0到2dB之间的手动调谐。封装腐蚀法的提出为可调谐型耦合器的设计提供了新的实现途径。

4、光纤耦合器多芯化——双芯光纤耦合器

1980年，Schiffner等人首次成功拉制出双芯光纤。拉制前预先在双芯之间填充一排空气孔，使两根光纤的两端分开，可制成双芯光纤耦合器，并通过弯曲光纤调谐其耦合比。双芯光纤的出现有效地拓展了光纤传送容量，而双芯光纤耦合器的出现进一步促进了光纤耦合器多元化发展的进程。

5、化学汽相沉积法与熔锥法结合一一保偏型熔锥光纤耦合器

1982年，Kawachi等人采用单模单偏振熊猫型光纤，首次制成偏振保持型熔锥光纤耦合器。为使熔融过程中光纤扭曲变形最小化以保持偏振对称性，他们采用化学沉积法首先在熊猫光纤外围沉积一层SiO2-B2O3层，然后进行拉锥。这种光纤耦合器能够保持很高的偏振特性，它的出现有力地推动了相干通信系统和相干传感系统的发展。并且，保偏光纤耦合器也是构成高精度、高性能光纤陀螺和水声器的基础元件之一。

6、光栅和光纤耦合器结合——光纤光栅耦合器

1985年，Russell和Ulrich首次将光栅放置于经侧面打磨的光纤纤芯消逝场附近，制成光纤光栅耦合器。这种耦合器可用于制作光谱仪、滤波器、光开关等光纤通讯器件，在波分复用领域具有得天独厚的优势。

7、周期性微弯法——光纤模式耦合器

1986年，Blake等人首次采用周期性微弯方法，制成了LP01模到LP11模之间的模式耦合器。这种耦合器可用于制作频移器、幅度调制器等光纤器件。周期性微弯法的采用，极大地丰富了光纤干涉和光纤传感的研究内容，也拓宽了光纤器件的应用范围。

8、多芯与单芯光纤耦合——混合型光纤耦合器

1993年，Himeno等人率先提出多芯与单芯耦合制作光纤耦合器的思想，并用可熔融连接器将双芯光纤和两根单芯光纤连接，经锥化制成了混合型光纤耦合器。这种新型制作技术可于制作星型光纤耦合器，并对其发展具有重要意义。

9、特种光纤耦合器制作——塑料光纤活性耦合器

1998年，Zubia等人首次制成带有液晶中间层的塑料光纤活性耦合器。这种活性耦合器兼有耦合器和光开关的特性，在光纤传感领域有着广泛的应用。

10、长周期光纤光栅间的耦合一一长周期光纤光栅耦合器

2000年，Chiang等人分析了两根平行的长周期光纤光栅之间的耦合机制，制成了长周期光纤光栅耦合器。这种基于长周期光纤光栅的耦合器可于制作合/分路器，在波分复用系统中有着广阔的应用前景。

11、非常规光纤耦合器——太赫兹光纤耦合器

2007年，Chen等人率先制成太赫兹单模光纤耦合器。由于反对称模截止，这种太赫兹光纤耦合器的耦合比不依赖于耦合区长度。在太赫兹光纤通信系统、3dB功率分配器、太赫兹光纤内窥镜等领域，这种新型耦合器具有广阔的应用前景。