基于平面光波导的低损耗1×2光纤分束器的设计与分析 段小红（Xiaohong Duan）和 穆罕默德·苏海米·阿卜-拉赫曼（Mohammad Syuhaimi Ab-Rahman）

《Photonics》：Design and Analysis of a Low-Loss 1 × 2 POF Splitter Based on Planar Optical Waveguide Xiaohong Duan and Mohammad Syuhaimi Ab-Rahman

　　摘要：为了满足短距离可见光通信（VLC）系统中对低成本、低损耗和环保型光功率分配器的需求，本文提出了一种基于平面光波导（POW）和塑料光纤（POF）集成的低损耗1×2 Y型分支光分器，并通过实验进行了验证。该器件采用芯径为1毫米的大芯阶跃折射率POF，能够高效地耦合多模光信号。1×2 POF分器的设计与结构优化通过光束传播方法（BPM）进行模拟。我们通过低成本的手工组装工艺制造了该器件，随后进行了封装和实验测试。在650纳米波长下对十个样品的测量结果显示，最小插入损耗为3.4分贝，最低过剩损耗为0.8分贝。分光比范围为49.6%:50.4%至37%:63%，最小均匀性为0.06，表明其功率分配性能稳定。这些结果证实了一种简单且低成本的制造方法能够实现实用的光学性能，为基于聚合物的可扩展光子集成提供了一条可行的路径。

1. 引言
随着可见光通信（VLC）在高速室内接入、智能家居系统和车辆网络等应用中的不断发展，对于成本效益高、可靠性好且易于部署的光学互连解决方案的需求日益增长[1,2]。与传统射频（RF）通信相比，VLC具有许多优势，包括丰富的频谱资源、强大的抗电磁干扰能力和增强的安全性[3,4]。然而，VLC系统的整体性能在很大程度上取决于光传输链路的效率和稳定性，尤其是无源分配组件的性能[2,5,6]。因此，为短距离应用开发低损耗、低成本的光功率分配网络（ODN）仍然是VLC实际应用中的一个关键挑战。
对于各种无源器件而言，1×2光分器是最基本的功能单元，广泛应用于信号分配、系统监控、冗余保护和网络配置。塑料光纤（POF）具有较大的芯径（0.5–1毫米）、较高的数值孔径（NA ≈ 0.5）、良好的机械柔韧性和较低的制造成本。由于这些特性，POF成为短距离可见光通信（VLC）的理想传输媒介[7,8]。在可见光波长范围（380–780纳米），尤其是在650纳米附近，基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的POF表现出相对较低的衰减（约0.15–0.25分贝/米）和良好的机械强度[9]。这些特性使POF非常适合家庭网络、车辆通信和工业互连[1,9]。因此，需要高效且成本效益高的基于POF的光功率分器来实现大规模的VLC系统。
从制造角度来看，传统的1×2 POF分器大多采用熔融锥形渐变（FBT）或基于光刻的平面波导技术制成。FBT是一种成熟的方法，但由于聚合物材料的热稳定性差以及大芯光纤的多模特性，其在POF中的应用受到限制。这些问题可能导致结构不一致性及较高的插入损耗[10]。另一方面，光刻波导虽然具有较高的制造精度，但与毫米级POF芯的的模式场不匹配问题较为严重。此外，它们需要洁净室环境下的制造工艺，从而增加了制造复杂性和成本[11,12]。POW技术提供了一种不同的途径，它允许灵活的光路设计并在基板上实现更高程度的集成[11,13]。通过这种方式，使用POW结构制造1×2 POF分器可以保持良好的光学性能并降低制造成本，有助于推动VLC光组件的发展。

从物理角度来看，大芯阶跃折射率POF作为高度多模波导工作时，可以支持数百到数千种导模式。这些模式之间的传播常数差异会导致强烈的模式间色散，从而限制了可实现的系统带宽[14,15]。阶跃折射率多模光纤的带宽与长度之间的关系可近似表示为：
(1)
其中n为核心折射率，L为传输长度。对于典型的芯径为1毫米的PMMA POF，带宽-长度乘积约为10–100 MHz·100米。这一限制意味着在设计基于POF的器件时，不仅要考虑光功率分配，还要考虑结构参数对模式演化和带宽性能的影响。在这种情况下，1×2 Y型分支POF分器非常适合大芯多模光纤系统。其简单的几何形状和可控的功率分配使其具有吸引力[11,16,17]。然而，其性能受到分支区域几何特征的影响，如分支角度、过渡长度和波导轮廓。这些参数控制模式耦合和转换过程，进而影响插入损耗、分光均匀性和模式色散。因此，Y型分支几何结构对于功率分配和系统的有效传输带宽至关重要。
基于以上考虑，本文提出了一种基于POW结构的低损耗1×2 Y型分支POF分器，对其进行了仿真和实验测试。该器件采用芯径为1毫米的PMMA光纤。通过BeamPROP优化了关键结构参数，如分支角度、过渡长度和折射率分布，以平衡低插入损耗和均匀的功率分配。POF分器的制造采用了简单的手工工艺结合紫外线（UV）固化。这种方法降低了制造成本并保持了稳定的光学性能。
在本文中，首先介绍了基于平面光波导（POW）的低损耗1×2 Y型分支POF分器；其次介绍了POF的材料特性及用于器件表征的关键性能参数；第三建立了器件模型，优化了1×2 POF分器的结构参数，并使用RSoft（版本2018.12）进行了仿真分析；第四描述了制造过程、实验方法和测量结果；第五讨论了实验结果与仿真之间的差异、影响因素、性能限制及潜在改进措施；最后总结了主要发现，评估了器件性能，并指出了未来研究的方向。

2. 材料与方法
2.1. PMMA POF
本研究中使用的1×2分器采用芯径为1毫米的大芯阶跃折射率POF。该POF的数值孔径（NA）约为0.5，核心折射率约为1.49，包层由折射率约为1.41的氟化聚合物制成，因此折射率差（Δn）约为0.08[18,19]。这种较大的折射率对比度有助于在芯-包层界面处实现良好的全内反射（TIR），从而使光场限制在核心区域内，减少辐射损耗和通道间串扰。PMMA在可见光范围（约380–780纳米）内具有良好的光学透明度，其在650纳米处的典型衰减系数约为0.2分贝/米[1,20]。PMMA光纤的结构如图1a所示，其物理样品如图1b所示。此外，PMMA与多种可紫外线固化的聚合物兼容性良好，具有优异的粘附性，这对后续的波导制造和器件集成非常有用[21]。

2.2. POF分器的性能指标
POF分器是短距离光通信系统中的关键无源组件，其性能直接影响光信号的稳定性、功率预算和传输效率[10,15,22]。主要评估指标包括1×2 POF分器的插入损耗、过剩损耗、分光比和分光均匀性。这些指标为器件设计、制造和性能评估提供了基本依据。
插入损耗（IL）衡量输入信号通过分器到达指定输出端口时的光功率损失。第i个输出端的插入损耗定义为：
(2)
其中Pi表示输入光功率，Pi表示第i个输出端的光功率。较低的IL值意味着更低的传输损耗和更高的器件效率。
过剩损耗（EL）是指超出理论分光损耗的额外损耗，反映了分器结构的内在质量。其定义为：
(3)
EL主要来源于辐射泄漏、Y型分支结处的散射以及锥形过渡区域的缺陷，包括材料不均匀性或制造缺陷。EL受结构对称性、锥形设计选择和制造精度的显著影响。因此，EL是衡量器件质量和大规模制造可重复性的关键指标。
分光比（SR）描述了光功率在输出端口之间的分配情况，其表达式为：
SR的变化主要源于波导结构的不对称性、制造误差和波长依赖性。SR直接反映了器件分配光功率的能力，是判断器件是否提供均匀功率分配的关键指标。
均匀性（SU）衡量两个输出端口之间的光功率分配差异。SU表明器件在不同工作条件下的功率分配均匀性。因此，它是衡量POF分器长期运行稳定性的重要指标。SU的定义如下：
(5)
较小的SU值表示波动范围更窄，意味着器件具有更好的分光均匀性和更稳定的功率分配。

3. 器件设计与仿真
3.1. 器件设计
我们使用RSoft软件的BeamPROP模块进行POW结构仿真和性能优化。1×2 Y型分支POF分器的设计目标是实现最小的辐射损耗，并在保证平滑多模光束分光的同时实现均匀的功率分配。本文采用基于标量近似的束传播方法（BPM）进行仿真，可以直接观察沿传播方向的光场演变。
BPM通过逐步推进光场分布，将标量亥姆霍兹方程转换为抛物线传播形式，如以下方程所示：
(6)
其中E是光场包络，Δn是折射率扰动，λ是真空波数。
BPM的核心假设与绝热设计原理高度兼容，能够准确模拟输入基模在锥形区域内的绝热传输和对称分光过程[23]。这意味着在单个模式拍长内光场包络的相对变化足够小，从而抑制了基模能量向高阶模式的耦合并减少了辐射损耗[24,25]。相应的条件表示为：
(7)
其中d是波导的等效宽度，λm是模式拍长。
Y型1×2 POF分器的POW结构主要由三部分组成：输入波导、锥形过渡区域和两个输出波导。结构设计的重点是降低光损耗、确保分光均匀性，并兼顾手工制造工艺的可行性，同时平衡低成本和低损耗要求。输入和两个输出波导的尺寸需与1毫米大芯PMMA光纤匹配，因此波导直径设置为1毫米，以确保光信号的有效耦合并减少手动对准难度。波导基材采用PMMA（折射率为1.41），锥形区域填充了Epo-Tek OG603 UV可固化粘合剂（Epoxy Technology, Inc., Billerica, MA, USA）。OG603 UV在420–1600纳米波长范围内的透射率高达98%，未固化时的折射率为1.4734，固化后的折射率为1.5037，接近波导核心材料的折射率，实现了光滑的折射率过渡，减少了折射率突变引起的菲涅尔反射和光泄漏[19,22,26]。
基于POW的1×2 POF分器采用对称设计，其3D结构如图2a所示。Y型分支的初始设计角度为15°。然而，为了确保仿真和性能优化之间的一致性，整个Y形分支区域都填充了OG603粘合剂以用于仿真。从BPM仿真获得的1 × 2 POF分光器的折射率分布如图2b所示。图2展示了（a）仿真结构和（b）1 × 2 POF分光器的折射率分布。在基于POW的1 × 2 POF分光器中，输入波导逐渐分成两个输出臂。当光波从输入波导进入分支区域时，能量通过绝热梯度结构均匀分配到两个输出波导中[25,27]。为了减少分支区域的辐射损耗和模式失配损耗，必须合理设计分支角度、锥形区域长度和器件尺寸[17,22,28]。因此，本文主要通过优化分支角度和锥形区域的长度来实现低损耗和均匀的光束分离。3.2. 器件仿真与优化Y型1 × 2 POF分光器的分支角度对辐射损耗影响最大。如果分支角度过小，会导致器件过长，不利于集成；而如果角度过大，则会导致模式场突变并增加辐射损耗[26,29]。因此，为了确定Y型分支结构的最佳分支角度，在[10°, 25°]的角度范围内进行了全范围仿真，以分析650 nm波长下Y型分光器输入和输出端口的光功率变化。仿真结果显示，光信号在平面波导内传播平滑，输入功率损耗最小：大约99.7%的输入功率得以保持，且没有观察到明显的光泄漏（见图3a）。Y形分支处的光功率分布均匀，两个输出端口的功率比接近1:1。当分支角度θ小于19°时，两个端口的输出光功率几乎没有任何损耗。当θ超过19°时，输出功率首先显著减少，然后再次增加，这表明较大的分叉角度会导致光散射损耗增加，如图3b所示。图3. 分支角度（θ）对（a）输入功率和（b）输出功率的影响。由于过小的分支角度会导致器件尺寸过大，从而显著增加注塑和人工加工的难度，最终选择了θ = 17°作为最佳值，以在保证最小损耗的同时兼顾加工可行性。在将最佳分支角度设定为17°后，我们对分叉长度在4 mm到20 mm的范围内进行了仿真，以观察POF分光器输入和输出端口的光功率变化情况。仿真结果显示，当分叉长度在16 mm到20 mm之间时，光信号通过分叉区域的传播最为平滑。这个范围内的损耗几乎为零，因此传输效率最高，如图4所示。最终我们选择了17 mm的分叉长度。这一选择考虑到了器件尺寸小型化的需求以及手动注塑的实际限制，既减少了整体器件尺寸，又保持了低损耗性能。图4. 分叉长度对输入和输出功率的影响。3.3. 器件仿真分析1 × 2 POF分光器的锥形过渡区域是连接输入波导和输出波导的分支结构。该区域使光模式能够平滑变化，有助于避免分支点处的模式突变，从而减少散射损耗。在优化的参数下，仿真中使用的具体结构参数如下：输入波导长度为10 mm，分支角度为17°，分叉区域长度为17 mm，输出波导长度为3 mm。这种设计不仅保持了光信号的稳定传输，还为手动填充UV固化环氧树脂粘合剂OG603留出了足够的空间。我们扫描了300到900 nm的波长范围，以测试该器件在可见光范围内的性能（见图5a）。在POF分光器的380到780 nm的工作窗口内，输出的分光比接近50%:50%，表明其结构具有良好的对称性，且对波长的依赖性很小。同时，输入端的归一化功率损耗低于0.1%，输出端低于0.05%，说明损耗较低。在300到380 nm的范围内，输入端的损耗增加不到0.6%，输出端的损耗增加不到0.3%。这种小的损耗主要由于材料的较强吸收和模式场的变化所致。这些结果证实了所提出的1 × 2 POF分光器在可见光范围内具有良好的宽带性能，其分光特别稳定，且在380–780 nm波段内的损耗较低。图5. （a）300–900 nm波长范围内的归一化输入和输出功率变化，（b）1 × 2 POF分光器在传播过程中的归一化光功率场分布，以及（c）两个输出端口Z = 30,000 μm处的电场分布和（d）磁场分布。我们使用BPM中的板模式近似模型对650 nm入射波长的1 × 2 Y型分支POF分光器进行了仿真和分析，结果如图5b所示。目的是研究结构参数如何影响光场分离和功率分布。输入光功率集中在中心波导（靠近X ≈ 0的位置）。当光到达分支区域（靠近Z ≈ 15,000 mm）时，光场对称地分布在两个Y形连接器的臂中。之后，输出功率被限制在两个输出波导内（靠近X ≈ ±2.5 mm）并保持稳定。波导外的场强非常小，说明光场被很好地限制住，辐射损耗低，且没有模式失真。归一化光功率沿传播路径的变化如下。图5b显示了传播方向上的归一化光功率，其中“1,power*”代表总输入功率，“1,power”代表端口1的输出功率，“2,power”代表端口2的输出功率。当输入功率设置为1 a.u.时，两个输出通道的功率都保持在0.5 a.u.，没有任何波动。这证实了光束分离行为的收敛性和长期稳定性。我们获取并分析了Z = 30 mm处两个输出端的Ey电场分布（图5c）和Hx磁场分布（图5d）。结果显示光场完全从中心波导移动到两个输出臂。出现了两个对称的能量峰值，对应50:50的功率分配。Ey和Hx的空间分布非常接近，证实了TE模式的电磁场是正交且完整的。Ey的实部呈平滑的单峰分布，而其虚部在波导中心呈现反相位分布。Hx分布与电场分布一致，证明输出的是低损耗、高纯度的基模。这些结果支持了1 × 2 POF分光器的设计，并证实BPM仿真设置是正确的。它们还为后续的器件制造和性能测试提供了可靠的理论基础。需要注意的是，上述仿真基于理想结构和材料参数，并未考虑实际制造误差和多模激发条件对波长响应的影响。因此，为了进一步评估所提出的1 × 2 POF分光器在真实多模条件下的光学性能，我们对TE和TM偏振进行了多模激发仿真，如图6所示。与理想的单模或简化标量仿真不同，多模仿真考虑了大芯POF结构内多个传播模式的共存和重新分布。图6. 在（a）TE偏振和（b）TM偏振下，以及（c）归一化输出光功率作为输入偏振角度函数的情况下，所提出分光器的模拟输出场分布。仿真结果显示，在传播过程中有一些光功率从分支区域泄漏（图6a,b）。其原因包括模式重新分布、Y形分支处的辐射损耗以及输入波导与两个输出分支之间的模式匹配不良。归一化输入和输出功率的下降表明分光器内部存在传播损耗。TE（图6a）和TM（图6b）偏振的仿真结果表明，归一化输出功率分布非常相似。这意味着1 × 2 POF分光器结构对偏振的依赖性较低。我们还模拟了归一化输入和输出功率随输入偏振角度（0°, 30°, 45°, 60°, 90°）的变化。这些结果（如图6c所示）表明，在这个偏振范围内，归一化输出功率保持稳定，没有大的变化。这进一步证实了偏振依赖性损耗不是该分光器的主要损耗机制。相比之下，对于大芯POF分光器，主要性能变化与多模传播、模式重新分布、节点辐射损耗和制造相关的几何偏差有关[15,25,30]。在多模激发下的仿真分光比约为47%:53%，略偏离理想的50%:50%比率。这个结果是合理的，因为在大芯多模POF分光器中，输出功率分布受到模式组成和分光区域内多模干涉的强烈影响。不同模式之间的建设性和破坏性干涉导致两个输出端口之间的功率不平衡[30,31,32]。考虑到该器件是手工制造的，不可避免地存在与仿真中假设的理想对称结构的一些偏差。因此，本研究进一步对关键结构参数进行了敏感性分析，以定量评估制造误差对器件性能的影响。使用优化的17°分支角度和17 mm分叉长度作为初始值，我们对关键几何参数进行了参数扫描。首先，将两个输出分支相对于输入波导轴设置为±8.5°的角度，并引入每个分支±0.5°的偏差（即总分支角度变化在17° ± 1°范围内）。我们计算了两个输出端口的归一化光功率，以获得插入损耗的变化。结果表明，当分支角度变化在±1°范围内时，分光比在44%到56%之间波动，表明器件对分支角度非常敏感（图7a）。与理想1 × 2 POF分光器的理论插入损耗（≈3.01 dB）相比，分支角度误差引入了额外的0.55 dB损耗（图7b）。此外，我们对分叉长度在±0.5 mm范围内进行了敏感性分析。结果表明，在这个误差范围内，分光比在47%到53%之间变化，表明对称性得到了良好保持（图7c）。相应的插入损耗变化如图7d所示，额外的损耗约为0.3 dB。总体而言，分支角度的偏差对器件性能的影响大于分叉长度的偏差，主要是因为分支角度直接影响模式分离过程中的能量分布。图7. 分支角度偏差对（a）输出光功率和（b）插入损耗变化的影响，以及分叉长度偏差对（c）输出光功率和（d）插入损耗变化的影响。根据上述分析，随着关键结构参数偏差的减小，器件的对称性得到增强，分光均匀性提高，插入损耗降低，如图7中的红色区域所示。相比之下，两端蓝色区域（对应较大的偏差）显示出相反的效果，即分割均匀性降低和插入损耗增加。4. 设备制造与结果 4.1. 设备制造我们使用注塑成型技术制造了一种平面光波导（POW）基板，尺寸为30毫米×10毫米×2毫米，其中集成了一个1×2的Y型分支结构。注塑成型过程确保了高度的尺寸一致性，使其适合大规模生产。随后的光纤耦合和封装过程是在实验室条件下手动完成的。具体的手动制造步骤如下：首先使用了三根直径为1毫米、长度为20厘米的PMMA POF作为输入端口和两个输出端口。然后使用逐渐变细的砂纸（800、1500和3000目）进行渐进式机械抛光，以去除和减少切割过程中产生的表面缺陷和不规则性。每次抛光后，我们在光学显微镜（约200倍放大）下观察光纤端面以检查表面质量。最终抛光的表面光滑，没有明显的划痕或边缘碎屑。我们将抛光后的POF插入PMMA波导基板的输入和输出槽中。所有对准步骤都是手动完成的。接着通过来回移动光纤位置来调整光纤端面与波导核心区域的对准，直到找到最佳对准状态。特别注意保持两个输出光纤与Y型分支结构的对称性。我们使用透明胶带固定光纤，以确保在后续处理过程中对准的稳定性。接下来将UV固化胶粘剂（EPO-TEK OG603）注入光纤端面和波导槽之间的锥形过渡区域。使用微量注射器分多次少量注入胶粘剂，以减少气泡的形成。当没有观察到可见的气泡时，填充过程被视为完成。然后将设备暴露在紫外光下20分钟，以确保胶粘剂完全固化。最后，我们使用PMMA盖板封装设备，提供基本的机械保护并防止灰尘污染。图8显示了制造的分割器样品。4.2. 测量与结果在实验室环境中手动制造了十个POF分割器样品。选择650纳米波长作为测试光源，并使用OFT 820光损耗仪（OPTOKON，捷克共和国Jihlava）测量光功率。光源是一个650纳米的红色LED，工作在连续波（CW）模式下，用于测试可见光通信波段中的POF。光通过对接耦合方法直接注入直径为1毫米的PMMA光纤的输入端。使用光功率仪测量每个分支端口的输出光功率。为了消除连接器和跳线引入的额外损耗，在测试前使用了一段30厘米长的POF作为参考光纤（REF）来校正后续的测量结果。在测试过程中，将分割器的两个输出端口连接到光功率仪上，并测量每个端口的光功率。为了提高测量结果的可靠性和统计显著性，并定量评估手动制造过程的重复性和测量稳定性，我们在相同实验条件下对每个样品进行了十次测量。根据收集的数据，计算了每个样品的输出光功率的平均值和标准差（SD），以评估样品之间的一致性。标准差的定义如下：（8）其中表示第i次实验中测量的光功率，表示平均值，n=10表示重复测量的次数。图9显示了十个制造样品在650纳米波长下两个端口的输出光功率的统计结果。每个数据点代表十次重复测量的平均值，误差条表示相应的标准差。结果显示两个输出端口之间存在显著的不平衡，表明分割性能之间存在样品间的差异。观察到的标准差范围大约在±0.05到±0.2 dBm之间，反映了测量波动的存在。这些差异主要是由于手动对准、抛光和胶粘剂填充过程中引入的制造公差所致。总体而言，这表明设备性能受到手动制造误差的显著影响，导致重复性和一致性有限。图9. 在相同条件下测量的十个制造样品的输出光功率的平均值和标准差。为了表征设备性能，计算并统计分析了十个样品的插入损耗、额外损耗、分割比和分割均匀性。结果表明，插入损耗范围为3.4 dB至9.4 dB（图10a），额外损耗范围为0.8 dB至6 dB（图10b），分割比范围为49.6%:50.4%至37%:63%（图10c），均匀性范围为0.06 dB至2.4 dB（图10d）。这些结果表明两个输出端口之间的功率差异很小，分割均匀性令人满意。图10. 十个样品的（a）插入损耗，（b）额外损耗，（c）分割比和（d）均匀性。5. 讨论本研究设计并制造了一个1×2的POF功率分配器，采用实验室规模的手动制造工艺，不依赖高端或复杂的制造设备。这种方法具有低成本和易于实施的优点；然而，在制造过程中不可避免地会引入不确定性。首先，关于光纤端面质量，我们采用了逐步使用越来越细的砂纸进行手工抛光的工艺，随后在光学显微镜（约200倍）下进行检查。尽管如此，抛光过程依赖于操作员，并可能留下残余的微观粗糙度，这些表面缺陷会引入散射损耗，这在大芯多模波导中是一个不可忽视的损耗机制[26,27,28,29]。关于光纤对准，该过程是手动的，缺乏精确的对准步骤。虽然通过迭代调整和临时固定可以提高对准精度，但不可避免的轴向错位和角度偏差仍然存在。这些偏差导致光纤与波导之间的模式耦合不完全，增加了插入损耗[26,28,30]。因此，对准误差被认为是影响设备性能一致性的主要因素之一。在填充UV固化胶粘剂（EPO-TEK OG603）的过程中，我们使用微量注射器缓慢注入以减少空气的捕获。然而，在没有真空脱气或受控分配系统的情况下，仍可能形成残余的微气泡。这些微气泡会导致局部折射率不连续，从而增加额外的散射和损耗[19,21,25,32]。此外，在UV固化过程中，胶粘剂的折射率从大约1.4734增加到1.5037，同时伴随着大约1-4%的体积收缩[11,18,19,21]。由于几何约束和相对较小的胶粘剂体积，预计产生的结构变形将是有限的，而折射率的增加可能会部分增强光的限制，从而补偿小的几何扰动[11,22,33]。因此，固化的影响（包括潜在的微气泡形成或胶粘剂不均匀性）预计小于0.001 dB，不是主要的损耗来源。基于第3节中呈现的仿真结果和上述物理机理分析，本文建立了一个误差分析模型，将该总损耗分解为多个贡献因素，包括结构偏差、对准误差、端面粗糙度、胶粘剂界面效应、气泡引起的散射和多模激发条件。我们总结了每个误差因素对应的损耗范围，如表1所示。该模型为观察到的制造样品之间的性能差异提供了定量解释，并突出了手动制造在可重复性方面的固有局限性。尽管存在这些局限性，这种制造方法在性能和复杂性之间取得了良好的平衡。为了进一步评估设备性能，我们选择了五个表现出相对较低损耗和良好分割均匀性的代表性样品（样品1-5）进行测试。表2比较了它们的插入损耗、额外损耗和分割比与之前报道的650纳米POF或聚合物分割器的性能。应该注意的是，这些样品代表了当前制造条件下的最佳性能，而不是平均水平。我们提出的1×2 POF分割器实现了低插入损耗（3.4–9.4 dB）、相当的额外损耗（0.8–6 dB）和接近理想的分割比。尽管由于手动制造过程存在一些性能差异，但结果表明，可以使用简化的低成本方法获得有竞争力的光学性能。这使得该设备成为短距离和成本敏感的VLC应用的有希望的候选者。表2. 其他工作和本工作中650纳米1×2分割器的性能指标比较。本研究展示了良好的光学性能和低成本的制造方法，但仍存在一些局限性。与传统技术（如FBT和基于硅的光纤）相比，我们提出的方法具有环境优势。这种优势来自于其更简单的工艺条件，包括室温UV固化和较少的材料使用[10,12]。然而，我们没有进行能量消耗或化学废弃物的定量评估，也没有进行系统的环境稳定性测试。在实际应用中，光纤、胶粘剂和波导之间的接口可能会受到温度和湿度变化的影响。这些变化可能导致折射率的变化、热膨胀的不匹配和机械应力，从而影响长期性能[19,21,28]。此外，实验验证仅在650纳米一个波长下进行了少量手工样品的测试。尚未全面研究该设备在整个POF工作范围内的不同波长下的表现，或其在环境变化下的长期重复性。我们未来的工作将包括宽带测试、环境可靠性检查以及工艺优化，包括改进的对准精度和胶粘剂控制，以提高设备的一致性并实现可扩展的制造。从制造角度来看，从当前的手工原型转向高产量的自动化生产带来了许多现实世界的挑战。这些挑战包括如何获得光纤和波导之间精确且可重复的对准，如何控制胶粘剂的量和分布以避免空洞或不均匀厚度等缺陷，以及如何在大规模生产中保持端面质量的一致性。此外，必须小心控制由工艺引起的不同变化，如固化收缩和热应力，以确保长期可靠性。为了应对这些挑战，需要使用精密对准平台、自动化分配系统和在线检测技术。还需要工艺标准化和公差优化[26,28,35,36]。6. 结论我们设计并实验验证了一种基于POW的低成本1×2 POF分割器。该设备使用大芯（1毫米）POF实现了有效的耦合，能够在可见光波段进行有效的多模传输。我们使用BPM优化了Y型分支结构，得到了接近平衡的分割比和低理论额外损耗。该设备是在注塑成型的PMMA基板上手工插入光纤并使用UV固化胶粘剂填充制造的。在650纳米下的实验结果显示，插入损耗范围为3.4至9.4 dB，额外损耗范围为0.8至6 dB。统计分析表明，尽管存在由制造公差引起的性能差异，该设备在实验室条件下仍能保持稳定运行。此外，我们基于损耗机理分析和仿真量化了对准误差、端面粗糙度、胶粘剂界面效应和微气泡对总损耗的影响。尽管存在这些局限性，该设备在多模条件下的极化敏感度低且性能稳定，显示出其适用于短距离VLC应用的潜力。此外，我们提出的Y型分支波导架构可以通过级联或树状配置扩展到1×N分割器。然而，这种扩展引入了挑战，包括累积的额外损耗、对结构不对称性的增加敏感性以及增加的多模干扰。因此，需要仔细优化分支角度、过渡长度和几何对称性，以保持均匀的功率分布。对于高阶分光器而言，可能需要采用先进的设计策略，例如绝热过渡和多级损耗平衡，才能达到可接受的性能。总之，所提出的方法为实现低成本的光功率分配设备提供了一条可行的途径，同时识别了影响性能和可扩展性的关键因素。未来的工作将集中在工艺自动化、宽带和环境稳定性的评估，以及为新兴的可见光通信（VLC）和短距离光互连应用开发可扩展的分光器架构上。