单模熔融光纤耦合器，630 nm

2x2熔融光纤耦合器规格的定义

本标签页简单解释了我们如何确定2x2耦合器的若干关键规格。耦合器的端口在下方示意图中有定义。 在下文中，光输入到端口1。对于我们的宽带耦合器，端口3和端口4分别为信号输出和低功率输出。

额外损耗

额外损耗(dB)为总输入功率与总输出功率的比值：

P_port1是1端口的输入功率，P_port3+P_port4是3和4端口的总输出功率，假设2端口没有输入功率。所有的功率都用mW表示。

光学回波损耗(ORL)/方向性

方向性指一部分输入光通过一个输入端口从耦合器出射(即，光在端口2出射)，而不是从预期输出端口出射。它可以用下面的方程式，以dB为单位计算：

其中P_port1和P_port2分别为端口1和端口2的光功率(mW) 。这个输出是耦合器分支相接之处的背向反射的结果，它表示了端口3和4的总光输出的损耗。对于50:50的耦合器。方向性等于光学回波损耗(ORL，optical return loss)。

插入损耗

插入损耗定义为耦合器的一个输出分支(信号输出或低功率输出)处输入功率与输出功率的比值。插入损耗总是以分贝(dB)为单位。它一般用下式定义：

其中P_in和P_out是输入功率和输出功率(mW)。对于我们的2x2耦合器，信号输出和低功率输出都提供了插入损耗规格；我们的规格总是先列出信号输出的插入损耗。如要定义特定输出(端口3或端口4)的插入损耗，方程式可重写为：

一个类似的方程式可用于定义端口1处输入，端口2输出的插入损耗。然而，如上文所述，它已经被定义为耦合器的方向性了。

插入损耗其实包含耦合(例如，传播到另一输出分支的光)和额外损耗(例如，从耦合器损失的光)的影响。每个输出、信号和低功率输出所允许的最大插入损耗都是已明确给出。由于每个输出的插入损耗与耦合到另一输出的光相关，耦合器的两个输出不会同时具有最大插入损耗。

计算插入损耗，以dBm为单位
插入损耗也可以用功率计算，以dBm为单位。下方方程式为以mW与dBm为单位表达的功率之间的关系：

然后，插入损耗可以dB为单位按下式计算：

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耦合比计算的图形表示。

耦合比

插入损耗(dB)是耦合器每个分支输入功率与输出功率的比值，波长是它的函数变量。它同时能得出耦合比和额外损耗两个参数。耦合比可从测量的插入损耗计算出。耦合比(%)是来自每个输出端口(A和B)的光功率与两个输出端口的总光功率之和的比值，波长是它的函数变量。它不会受到光谱特性(比如水吸收区域)影响，因为两个输出分支受到影响的程度相同。点击下方蓝色信息图标可查看显示了我们的宽带耦合器的耦合比的持续性曲线图。

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均匀度计算的图形表示。

均匀度

均匀度也可以从测量的插入损耗计算。均匀度是插入损耗在带宽范围上的变化(dB为单位)。它是插入损耗在光谱范围上如何均匀分布的度量。路径A的均匀度是最高插入损耗值与红色实线插入损耗曲线之差(在上面的插入损耗曲线图中)。路径B的均匀度是蓝色实线插入损耗曲线与最低插入损耗值之差。点击下方蓝色信息图标可查看显示了我们的宽带耦合器的均匀度的持续性曲线图。

一般耦合实例

2x2熔融光纤耦合器可以最小损耗并且以指定耦合比在两根光纤之间分光或混光。Thorlabs库存提供的耦合器可选择四种耦合比之一：50:50、75:25、90:10或99:1。我们所有熔融光纤耦合器都是双向的，意味着所有端口都可以用作输入。右边的视频为几个简单的耦合实例。 

术语"信号输出"和"输出较少的端口"分别指更高功率输出和更低功率输出。举例说明，如果光输入到TW1064R1A2A耦合器的白色端口(99:1耦合比)，99%的透射光耦合到耦合器另一侧的白色端口，而剩下的1%耦合到红色端口。在这个实例中，第二个白色端口称为信号输出端口，且红色端口称为输出较少的端口。对于一个50:50的耦合器，信号输出和低功率输出具有相同的功率输出。 

在我们的宽带耦合器中，信号总是从蓝色传输到红色，或白色传输到白色，而输出较少的路径总是从蓝色传输到白色，或者白色到红色；下面的图应该从左边读到右边。对于我们的窄带耦合器，请参看耦合器附带的数据表，以确定信号传输路径和输出较少的路径。 

特定耦合实例

在下面的实例中，两个2x2 1300 nm宽带光纤耦合器(50:50和90:10的耦合比)使用输入信号A和B。右表列出了每个耦合器的插入损耗规格(信号输出和低功率输出)。如要计算任何给定输出处的功率，从输入功率减去信号输出和低功率输出的插入损耗(以dBm为单位)。

实例1: 从信号输出分光

对于这个实例，耦合器用于从单根输入分光，分出的光进入信号输出和低功率输出端口，如下图中所示。在下表中，输出端口用绿色显示。

	90:10 Coupling Ratio	50:50 Coupling Ratio
Port	Signal A	Signal A
1 (Input)	10 dBm (10 mW)	10 dBm (10 mW)
2 (Not Used)	-	-
3 (Tap Output)	-0.1 dBm (1.0 mW)	6.8 dBm (4.8 mW)
4 (Signal Output)	9.4 dBm (8.7 mW)	6.8 dBm (4.8 mW)
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实例2: 从两个输出混合两个信号

在该实例中，耦合器用于混合两个输入(指示为信号A和信号B)的光。输出光是一个混合信号，它包含信号A和信号B，两者的比例取决于耦合比。下表中标明了所有端口。在下表中，输出端口用绿色显示。

	90:10 Coupling Ratio		50:50 Coupling Ratio
Port	Signal A	Signal B	Signal A	Signal B
1 (Input A)	5 dBm (3.2 mW)	-	5 dBm (3.2 mW)	-
2 (Input B)	-	8 dBm (6.3 mW)	-	8 dBm (6.3 mW)
3 (Output)	-5.1 dBm (0.3 mW)	7.4 dBm (5.5 mW)	1.6 dBm (1.4 mW)	4.8 dBm (3.0 mW)
4 (Output)	4.4 dBm (2.8 mW)	-2.1 dBm (0.6 mW)	1.6 dBm (1.4 mW)	4.8 dBm (3.0 mW)
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实例3: 耦合一个返回的信号，其中端口4上具有反射体

在此，耦合器用于从单根输入分光，但是在这个实例中，端口4上具有一个100%的反射体，如下表中所示。结果，光再次被反射回到耦合器中，且再次分光。下图中标明了端口。在下表中，初始路径的输出端口用绿色显示。

	90:10 Coupling Ratio		50:50 Coupling Ratio
Port	Signal A	Reflected Signal A	Signal A	Reflected Signal A
1 (Input)	6 dBm (4.0 mW)	-14.2 dBm (0.04 mW)	6 dBm (4.0 mW)	-0.4 dBm (0.9 mW)
2 (No Input)	-	-4.7 dBm (0.34 mW)	-	-0.4 dBm (0.9 mW)
3 (Reflected Output)	-4.1 dBm (0.39 mW) Reflected	-	2.8 dBm (1.9 mW) Reflected	-
4 (Signal Output)	5.4 dBm (3.5 mW)	-	2.8 dBm (1.9 mW)	-
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步骤1

构建耦合器第一个分支(路径A)的光纤一端连接到光源，另一端连接到开关，开关另一端连接的是光谱分析仪(OSA)。

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步骤2

用OSA测量通过光纤和开关的光源光谱，并调零。 

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步骤3

构建耦合器第二分支(路径B)的光纤连接到光源和开关的第二个端口，开关连接到OSA。同样测量通过光纤和开关的光源光谱，并调零。

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步骤4

在制造站熔融两根光纤，以构建耦合器结构。熔融过程中，在OSA上监测从耦合器两个分支的输出。一旦耦合器到达所需的耦合比、额外损耗和插入损耗规格，立刻停止耦合器熔融。

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插入损耗(dB)是耦合器每个分支的输入功率与输出功率之比，波长是它的函数变量。它同时能得出耦合比和额外损耗两个参数。耦合比可从测量的插入损耗计算出。耦合比(%)是每个输出端口(A和B)的光功率与两个输出端口的总光功率之和的比值，波长是它的函数变量。它不会受到光谱特性(比如水吸收区域)影响，因为两个输出分支受到影响的程度相同。点击下方蓝色信息图标可查看显示宽带耦合器耦合比的持续性曲线图。

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均匀度也可以从测量的插入损耗计算。均匀度是插入损耗在带宽范围上的变化(dB为单位)。它是插入损耗在光谱范围上分布均匀程度的度量。路径A的均匀度是最高插入损耗值与红色实线插入损耗曲线之差(在上面的插入损耗曲线图中)。 路径B的均匀度是蓝色实线插入损耗曲线与最低插入损耗值之差。点击下方蓝色信息图标可查看显示宽带耦合器均匀度的持续性曲线图。

激光诱导的光纤损伤

以下教程详述了无终端(裸露的)、有终端光纤以及其他基于激光光源的光纤元件的损伤机制，包括空气-玻璃界面(自由空间耦合或使用接头时)的损伤机制和光纤玻璃内的损伤机制。诸如裸纤、光纤跳线或熔接耦合器等光纤元件可能受到多种潜在的损伤(比如，接头、光纤端面和装置本身)。光纤适用的最大功率始终受到这些损伤机制的最小值的限制。

虽然可以使用比例关系和一般规则估算损伤阈值，但是，光纤的绝对损伤阈值在很大程度上取决于应用和特定用户。用户可以以此教程为指南，估算最大程度降低损伤风险的安全功率水平。如果遵守了所有恰当的制备和适用性指导，用户应该能够在指定的最大功率水平以下操作光纤元件；如果有元件并未指定最大功率，用户应该遵守下面描述的"实际安全水平"该，以安全操作相关元件。可能降低功率适用能力并给光纤元件造成损伤的因素包括，但不限于，光纤耦合时未对准、光纤端面受到污染或光纤本身有瑕疵。关于特定应用中光纤功率适用能力的深入讨论，请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com。

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未损伤的光纤端面

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损伤的光纤端面

空气-玻璃界面的损伤

空气/玻璃界面有几种潜在的损伤机制。自由空间耦合或使用光学接头匹配两根光纤时，光会入射到这个界面。如果光的强度很高，就会降低功率的适用性，并给光纤造成永久性损伤。而对于使用环氧树脂将接头与光纤固定的终端光纤而言，高强度的光产生的热量会使环氧树脂熔化，进而在光路中的光纤表面留下残留物。

裸纤端面的损伤机制

光纤端面的损伤机制可以建模为大光学元件，紫外熔融石英基底的工业标准损伤阈值适用于基于石英的光纤(参考右表)。但是与大光学元件不同，与光纤空气/璃界面相关的表面积和光束直径都非常小，耦合单模(SM)光纤时尤其如此，因此，对于给定的功率密度，入射到光束直径较小的光纤的功率需要比较低。

右表列出了两种光功率密度阈值：一种理论损伤阈值，一种"实际安全水平"。一般而言，理论损伤阈值代表在光纤端面和耦合条件非常好的情况下，可以入射到光纤端面且没有损伤风险的最大功率密度估算值。而"实际安全水平"功率密度代表光纤损伤的最低风险。超过实际安全水平操作光纤或元件也是有可以的，但用户必须遵守恰当的适用性说明，并在使用前在低功率下验证性能。

计算单模光纤和多模光纤的有效面积
单模光纤的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的，它是光通过光纤的横截面积，包括纤芯以及部分包层。耦合到单模光纤时，入射光束的直径必须匹配光纤的MFD，才能达到良好的耦合效率。

例如，SM400单模光纤在400 nm下工作的模场直径(MFD)大约是Ø3 µm，而SMF-28 Ultra单模光纤在1550 nm下工作的MFD为Ø10.5 µm。则两种光纤的有效面积可以根据下面来计算：

SM400 Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5 µm)² = 7.07 µm² = 7.07 x 10^-8 cm²

 SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 µm)² = 86.6 µm² = 8.66 x 10^-7 cm²

为了估算光纤端面适用的功率水平，将功率密度乘以有效面积。请注意，此计算假设的是光束具有均匀的强度分布，但其实，单模光纤中的大多数激光束都是高斯形状，使得光束中心的密度比边缘处更高，因此，这些计算值将略高于损伤阈值或实际安全水平对应的功率。假设使用连续光源，通过估算的功率密度，就可以确定对应的功率水平：

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8 cm² x 1 MW/cm² = 7.1 x 10^-8 MW = 71 mW (理论损伤阈值)
     7.07 x 10^-8 cm² x 250 kW/cm² = 1.8 x 10^-5 kW = 18 mW (实际安全水平)

SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10^-7 cm² x 1 MW/cm² = 8.7 x 10^-7 MW = 870 mW (理论损伤阈值)
           8.66 x 10^-7 cm² x 250 kW/cm² = 2.1 x 10^-4 kW = 210 mW (实际安全水平)

多模(MM)光纤的有效面积由纤芯直径确定，一般要远大于SM光纤的MFD值。如要获得最佳耦合效果，Thorlabs建议光束的光斑大小聚焦到纤芯直径的70 - 80%。由于多模光纤的有效面积较大，降低了光纤端面的功率密度，因此，较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到多模光纤中。

插芯/接头终端相关的损伤机制

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曲线图展现了带终端的单模石英光纤的大概功率适用水平。每条线展示了考虑具体损伤机制估算的功率水平。最大功率适用性受到所有相关损伤机制的最低功率水平限制(由实线表示)。

有终端接头的光纤要考虑更多的功率适用条件。光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷或不锈钢插芯中。光通过接头耦合到光纤时，没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到光纤的外层，再进入插芯中，而环氧树脂用来将光纤固定在插芯中。如果光足够强，就可以熔化环氧树脂，使其气化，并在接头表面留下残渣。这样，光纤端面就出现了局部吸收点，造成耦合效率降低，散射增加，进而出现损伤。

与环氧树脂相关的损伤取决于波长，出于以下几个原因。一般而言，短波长的光比长波长的光散射更强。由于短波长单模光纤的MFD较小，且产生更多的散射光，则耦合时的偏移也更大。

为了最大程度地减小熔化环氧树脂的风险，可以在光纤端面附近的光纤与插芯之间构建无环氧树脂的气隙光纤接头。我们的高功率多模光纤跳线就使用了这种设计特点的接头。

确定具有多种损伤机制的功率适用性

光纤跳线或组件可能受到多种途径的损伤(比如，光纤跳线)，而光纤适用的最大功率始终受到与此光纤组件相关的最低损伤阈值的限制。

例如，右边曲线图展现了由于光纤端面损伤和光学接头造成的损伤而导致单模光纤跳线功率适用性受到限制的估算值。有终端的光纤在给定波长下适用的总功率受到在任一给定波长下，两种限制之中的较小值限制(由实线表示)。在488 nm左右工作的单模光纤主要受到光纤端面损伤的限制(蓝色实线)，而在1550 nm下工作的光纤受到接头造成的损伤的限制(红色实线)。

对于多模光纤，有效模场由纤芯直径确定，一般要远大于SM光纤的有效模场。因此，其光纤端面上的功率密度更低，较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到光纤中(图中未显示)。而插芯/接头终端的损伤限制保持不变，这样，多模光纤的最大适用功率就会受到插芯和接头终端的限制。

请注意，曲线上的值只是在合理的操作和对准步骤几乎不可能造成损伤的情况下粗略估算的功率水平值。值得注意的是，光纤经常在超过上述功率水平的条件下使用。不过，这样的应用一般需要专业用户，并在使用之前以较低的功率进行测试，尽量降低损伤风险。但即使如此，如果在较高的功率水平下使用，则这些光纤元件应该被看作实验室消耗品。

光纤内的损伤阈值

除了空气玻璃界面的损伤机制外，光纤本身的损伤机制也会限制光纤使用的功率水平。这些限制会影响所有的光纤组件，因为它们存在于光纤本身。光纤内的两种损伤包括弯曲损耗和光暗化损伤。

弯曲损耗
光在纤芯内传播入射到纤芯包层界面的角度大于临界角会使其无法全反射，光在某个区域就会射出光纤，这时候就会产生弯曲损耗。射出光纤的光一般功率密度较高，会烧坏光纤涂覆层和周围的松套管。

有一种叫做双包层的特种光纤，允许光纤包层(第二层)也和纤芯一样用作波导，从而降低弯折损伤的风险。通过使包层/涂覆层界面的临界角高于纤芯/包层界面的临界角，射出纤芯的光就会被限制在包层内。这些光会在几厘米或者几米的距离而不是光纤内的某个局部点漏出，从而最大限度地降低损伤。Thorlabs生产并销售0.22 NA双包层多模光纤，它们能将适用功率提升百万瓦的范围。

光暗化
光纤内的第二种损伤机制称为光暗化或负感现象，一般发生在紫外或短波长可见光，尤其是掺锗纤芯的光纤。在这些波长下工作的光纤随着曝光时间增加，衰减也会增加。引起光暗化的原因大部分未可知，但可以采取一些列措施来缓解。例如，研究发现，羟基离子(OH)含量非常低的光纤可以抵抗光暗化，其它掺杂物比如氟，也能减少光暗化。

即使采取了上述措施，所有光纤在用于紫外光或短波长光时还是会有光暗化产生，因此用于这些波长下的光纤应该被看成消耗品。

制备和处理光纤

通用清洁和操作指南
建议将这些通用清洁和操作指南用于所有的光纤产品。而对于具体的产品，用户还是应该根据辅助文献或手册中给出的具体指南操作。只有遵守了所有恰当的清洁和操作步骤，损伤阈值的计算才会适用。

1. 安装或集成光纤(有终端的光纤或裸纤)前应该关掉所有光源，以避免聚焦的光束入射在接头或光纤的脆弱部分而造成损伤。

2. 光纤适用的功率直接与光纤/接头端面的质量相关。将光纤连接到光学系统前，一定要检查光纤的末端。端面应该是干净的，没有污垢和其它可能导致耦合光散射的污染物。另外，如果是裸纤，使用前应该剪切，用户应该检查光纤末端，确保切面质量良好。

3. 如果将光纤熔接到光学系统，用户首先应该在低功率下验证熔接的质量良好，然后在高功率下使用。熔接质量差，会增加光在熔接界面的散射，从而成为光纤损伤的来源。

4. 对准系统和优化耦合时，用户应该使用低功率；这样可以最大程度地减少光纤其他部分(非纤芯)的曝光。如果高功率光束聚焦在包层、涂覆层或接头，有可能产生散射光造成的损伤。

高功率下使用光纤的注意事项
一般而言，光纤和光纤元件应该要在安全功率水平限制之内工作，但在理想的条件下(极佳的光学对准和非常干净的光纤端面)，光纤元件适用的功率可能会增大。用户首先必须在他们的系统内验证光纤的性能和稳定性，然后再提高输入或输出功率，遵守所有所需的安全和操作指导。以下事项是一些有用的建议，有助于考虑在光纤或组件中增大光学功率。

要防止光纤损伤光耦合进光纤的对准步骤也是重要的。在对准过程中，在取得最佳耦合前，光很容易就聚焦到光纤某部位而不是纤芯。如果高功率光束聚焦在包层或光纤其它部位时，会发生散射引起损伤

1. 使用光纤熔接机将光纤组件熔接到系统中，可以增大适用的功率，因为它可以最大程度地减少空气/光纤界面损伤的可能性。用户应该遵守所有恰当的指导来制备，并进行高质量的光纤熔接。熔接质量差可能导致散射，或在熔接界面局部形成高热区域，从而损伤光纤。

2. 连接光纤或组件之后，应该在低功率下使用光源测试并对准系统。然后将系统功率缓慢增加到所希望的输出功率，同时周期性地验证所有组件对准良好，耦合效率相对光学耦合功率没有变化。

3. 由于剧烈弯曲光纤造成的弯曲损耗可能使光从受到应力的区域漏出。在高功率下工作时，大量的光从很小的区域(受到应力的区域)逃出，从而在局部形成产生高热量，进而损伤光纤。请在操作过程中不要破坏或突然弯曲光纤，以尽可能地减少弯曲损耗。

4. 用户应该针对给定的应用选择合适的光纤。例如，大模场光纤可以良好地代替标准的单模光纤在高功率应用中使用，因为前者可以提供更佳的光束质量，更大的MFD，且可以降低空气/光纤界面的功率密度。

5. 阶跃折射率石英单模光纤一般不用于紫外光或高峰值功率脉冲应用，因为这些应用与高空间功率密度相关。

下图囊括了我们提供的1x2和2x2单模耦合器选项。点击彩色条可访问每款耦合器的网页。请注意，1020 nm ± 50 nm(橙色条)选项用于最高50 W的高功率应用。