刘俭辉
（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津，300072）
摘要：综述了光纤熔锥技术在光功率分配、复用/解复用、功率耦合和增益平坦化等方面的新应用，并分析了全光纤器件的优势，体现了熔锥技术的重要性及其发展活力。
关键词：全波耦合器，Interleaver，泵浦合波器，扩束光纤，单纤熔锥滤波器
1 引言
熔融拉锥（FBT）法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方法（打结、特殊夹具平行烧等）靠拢，在高温加热下熔融（烧氢、微型陶瓷电加热器、CO2激光），同时由步进电机带动夹具向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输功率耦合的一种方法。
熔锥技术的最基本应用是制作光纤耦合器。光纤耦合器是一类重要的无源器件，其基本功能是实现光功率分配和光波长分配。随着光纤通信技术、光纤用户网、光纤CATV、无源光网络、光纤传感技术等领域的迅猛发展，它的应用也越来越广泛，例如：光纤全反镜，非线性光环镜(NOLM)，光纤环形腔等。本文综述了熔锥技术的新进展及其在光通信中的重要应用。
2 熔锥技术在光通信中的新应用
2.1 全波耦合器
随着全波光纤的出现，光通信网的各种节点器件的宽带特性日显重要。朗讯公司于1998年6月研制出全波光纤(All-wave Fiber)，消除了1385nm水峰，带宽达到了1280nm~1625nm。2001年，朗讯公司完成首例全波光纤城域网传输试验。在光放大器方面，超宽带EDFA和光纤喇曼放大器(FRA)的研究不断进展，光纤喇曼放大器由于其自身固有的全波段（1292~1660nm）可放大特性和可利用传输光纤在线放大的优点，1999年已成功地应用于DWDM传输系统。在光源方面，超连续（SC）脉冲光源可以为光通信系统提供谱宽高达200nm强度平坦的稳定光源。总之，纵观整个光纤通信系统，"宽带化"已经成为新型电信网的主要特征之一。所有这些都对光通信器件的工作带宽提出了越来越高的要求，相应的器件技术也将实现向宽带技术的过渡，光纤耦合器也不例外。
熔锥型全光纤耦合器(Coupler)是光纤通信系统中重要的基本器件之一。文献[1]针对全波光纤提出了一种熔锥型全波（O+E+S+C+L Band）耦合器（All-Wave Coupler），带宽达到了390nm（1260～1650）。All-Wave Coupler利用带宽拓展技术（非对称工艺）来改变器件的波长特性，使其带宽达到1260nm-1650nm，使得在其带宽范围内均能满足分光精度的要求，而且满足低附加损耗、低偏振相关损耗（PDL）。图1和图2分别是分束比为1:99的普通耦合器（1550nm）和全波耦合器(1260nm~1650nm) 的光谱特性。
全波耦合器带宽覆盖了光通信系统的O+E+S+C+L波段，在即将全面展开的应用全波光纤的CWDM城域网建设中会被广泛应用，并且将来全波光纤如果应用到骨干网，全波耦合器将发挥更重要的作用，还有在目前非常热门的光纤喇曼放大器中要用到多个超宽带的抽头耦合器（Tap-coupler），熔锥型全波耦合器是其最佳选择。
2.2 Interleaver
DWDM系统的核心器件之一是光波分复用/解复用器。为实现50 GHz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，2000年3月的OFC展览上多家公司提出一种群组滤波器，Chroum公司称之为Slicer, Wavesplitter, JDS Uniphase等公司称之为Interleaver。复用是将两路分别包含多个波长的光信号合并成一路波长间隔减半的光信号；解复用是将一路多波长信号分成两路，一路包含奇数路波长，另一路包含偶数路波长，间隔倍增。
Interleaver不但在长途干线通信中发挥很大作用，而且对于城域网、接入网等的应用也很有吸引力。理想的Interleaver器件应该是：插入损耗低，通带形状平坦，通道间串扰特性良好，温度机械稳定性好等等。目前实现Interleaver的技术有多种，通过熔融拉锥工艺制作全光纤非平衡Mach-Zehnder干涉仪型的Interleaver是其中一种比较简单的办法[2]。其基本原理如图3所示，M-Z干涉仪型Interleaver由两个3dB耦合器连接组成。因为该器件利用了光的相位干涉，故有极高的波长灵敏性，可完成密集波分复用的要求。但与此同时也具有外界干扰不稳定性，如对温度的高度灵敏。光纤具有热胀冷缩特性，且其折射率也随温度变化。将直接导致复用信道间隔及峰值波长发生漂移，影响器件的滤波性能。有人提出一种用PZT负反馈抑制温飘的办法，反过来考虑，就是一个可调谐的波分复用器，即通过PZT调节相位差来调整复用间隔和峰值波长。非平衡MZI型Interleaver属于全光纤型无源器件，与其它类型相比其最大优点就是和光纤的耦合效率比较高，偏振无关，制作工艺简单，生产成本低。缺点也是存在温度飘移问题，解决方法主要有，PZT负反馈控制；紫外激光光折变效应修正；半导体帕尔帖效应控温等。 ITF Optical Technogolies公司和Wavesplitter公司采用全光纤MZI方案制作Interleaver，并有成熟产品出售。
总之，Interleaver的出现减轻了现有的WDM器件解复用对波长间隔要求的负担，提高系统传输容量，是一种快速发展的很有前景的新型复用/解复用器件。
2.3 泵浦合波器
光纤放大器技术的不断发展，对无源器件提出了新的要求。光纤耦合器等全光纤无源器件的设计和制做水平的提高，使这一问题得以解决。
光放大器一直是光传输系统发展的主要推动技术，EDFA是90年代中期系统发展的关键推动技术，但EDFA在噪声、非线性和增益带宽方面受到限制，而最近喇曼放大器的推出突破了这些限制。由于其利用非线性效应，因此要使用比EDFA更高的泵浦功率。为获得更好的性能，分布式喇曼放大器现采用了泵浦偏振复用和波长复用相结合的方案[3]，实现此方案的关键器件就是泵浦合波器。泵浦合波器的合波功能不但提供了喇曼放大器所需要的高泵浦功率，而且不需要使用增益平坦滤波器（GFF），即可以得到平坦的增益谱形。另外，泵浦合波器完全满足喇曼放大器在高功率性能和可靠性等方面的要求。
熔融拉锥工艺方面的重要改进，使得窄带熔锥耦合器实用化，其波长间距可以小到直至2nm，并且获得非常高的中心波长精确度。利用这种新的窄带耦合器制做的波长泵浦合波器，可以对2~8个波长的泵浦激光器进行合波，极大的提高了放大器的整体泵浦功率。器件的信道间距和中心波长很容易调整以适应喇曼放大器的泵浦波长。这种波长泵浦合波器产品的插损极低，每级的典型插损值可达0.15dB。偏振泵浦合波器是光放大器中使用的另外一种关键的高功率合波技术。最初，这种产品使用微光学技术，问题是插损较高（0.5~0.7dB），高功率性能有限。最近推出了全光纤的偏振泵浦合波器。这种器件具有和全光纤波长泵浦合波器同样优越的性能，插损典型值<0.25dB，并可以精确控制器件与泵源的中心波长匹配。全光纤偏振复用泵浦合波器和波长复用泵浦合波器可以有效的结合使用（图4），从而为采用泵浦激光器的合波方式来获得高功率泵源的方法，提供了超低损耗的合波性能。
综上所述，泵浦合波器性能卓越，具有插损低，承受功率高，性能稳定，设计灵活等优点，因此，此产品已成为喇曼光纤放大器制造厂商的首选。
2.4 扩束光纤（TEC fiber）
TEC (Thermal-diffusion Expanded Core ) 是一项带来许多惊喜的新技术[4]，解决了单模光纤中很多有关光纤对接和功率处理的难题。纤芯扩展使用的是日本NTT公司的Micro Burner Method专利技术，基本结构如图5所示。该项技术的应用极为广泛，如半导体激光器与尾纤的耦合（图6），EDFA中铒光纤与单模光纤之间的续接等。扩束光纤的使用不但提高了光传输效率，而且减少了器件数量，降低了器件或者系统的成本。
2.5 单纤熔锥滤波器
采用熔融拉锥法实现光功率耦合的耦合系数与波长相关，因此在耦合过程中，器件对波长是敏感的，利用这一特性可制作光滤波器件。在制作滤波器时，可通过改变拉锥条件，比如拉制周期、氢气流量、火头位置等，增强耦合系数对波长的敏感性，来制作性能优良的滤波器件。
在熔锥系列器件中有一种特殊的是由单根光纤拉制而成的双锥器件[5]，可以用作带通滤波器、带阻滤波器、窄带滤波器、波分复用器等。有文献报导双锥光纤滤波器可用于EDFA的增益平坦化，为了解决级联EDFA的增益均衡问题，有学者研制出其透过谱形状与基于光纤光栅的增益均衡器的透过谱十分相似的带阻双锥滤波器。还有研究者提出在一根光纤上拉制几个连续的锥可有效扩展谱响应透过峰峰值间的波长间隔，降低透过峰的带宽，形成一个全光纤的窄带滤波器，可以达到很高的消光比。
3 结束语
熔锥技术的优点：极低的附加损耗，方向性好，制造周期短，良好的环境稳定性，器件性能稳定，控制方法灵活简单，和成本低廉适于批量生产。因此全光纤型器件具有其它一些器件不能比拟的优势。
熔锥技术的应用拓展在光通信产业的发展中起着非常重要的作用，光通信产业的快速发展也为该项技术带来巨大的发展空间。
参考文献
[1] 张瑞峰, 葛春风, 等. 熔锥型全波耦合器. 物理学报, 2003, 2 (52).
[2] 张瑞峰, 葛春风, 等. 奇偶交错空分滤波器. 光电子·激光, 2002, 13 (6): 652-656.
[3] Stéphane Bourgeois, Fiber-Based Components meet the needs of next-generation amplifiers[J]. WDM SOLUTIONS, 2001, 3.
[4] http://www.totoku.com/products/optical_product/appli/tec/
[5] A.V.Belov, E.M.Dianov et al., Gain spectrum flattening of erbium-doped fiber amplifier using tapered fiber filter. Proc. Topical Metting of Optical Amplifier and their Application.
摘自 光纤新闻网
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