武漢理工大學(xué)光電子課設(shè)-耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關(guān)系

1、 武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 武漢理工大學(xué) 專業(yè)班級： 電子1101 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程 題 目: 耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關(guān)系仿真 初始條件：計(jì)算機(jī)、beamprop軟件(或Fullwave軟件)要求完成的主要任務(wù): 1、課程設(shè)計(jì)工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)beamprop軟件(或Fullwave軟件)。（2）設(shè)計(jì)光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度關(guān)系的理論分析。（3）對設(shè)計(jì)的光纖耦合器進(jìn)行beamprop軟件仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。 目

2、 錄摘 要IAbstractII1緒論12 設(shè)計(jì)原理22.1光纖耦合器簡介22.2耦合機(jī)理22.3 光纖耦合器與耦合長度的關(guān)系33 Beamprop仿真53.1 軟件介紹53.2 光纖耦合器仿真53.3 仿真結(jié)果分析104心得體會11參考文獻(xiàn)12 武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說明書 摘 要光纖耦合器又稱光定向耦合器，是對光信號實(shí)現(xiàn)分路、合路、插入和分配的無源器件，應(yīng)用于基于光纖傳輸?shù)碾娦啪W(wǎng)路、區(qū)域網(wǎng)路、光纖傳感網(wǎng)路等光纖網(wǎng)絡(luò)中。它們是依靠光波導(dǎo)間電磁場的相互耦合來工作的，它們的性能指標(biāo)主要有工作中心波長0、附加損耗、耦合比（分束比或分光比）、分路損耗及反向隔離度等。本文將簡單分析光纖耦合器的

3、耦合區(qū)長度與耦合比的關(guān)系，在本次課程設(shè)計(jì)中采用光學(xué)模擬仿真軟件Beamprop來進(jìn)行光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關(guān)系的簡單仿真分析，得出耦合比與耦合區(qū)長度的關(guān)系。關(guān)鍵詞：光學(xué)耦合器；耦合區(qū)；耦合比；仿真 AbstractOptical coupler is also called directional light coupler, optical signals of optical, all the way to realize, insert and distribution of the passive components, used in the telecommunicati

4、ons network based on optical fiber transmission, regional network, the optical fiber sensing the Internet in the optical fiber network. They depend on optical waveguide electromagnetic field coupling between the work to the performance index, their main job center wavelength lambda 0, additional los

5、s, coupling ratio (divide bundle or spectral ratio), than of optical loss and backward isolation degree, etc. This paper will be a simple analysis of the coupling of optical fiber coupling length and the coupling of area than in the relationship, the course design of the optical simulation software

6、Beamprop to optical fiber coupling of the coupling of the length of the coupling area than and the relationship between the simple simulation analysis, coupled with that than the length of the coupling relationship between area.Keywords: Optical Coupler; Coupling Area; Coupling Ratio;Simulation 13 武

7、漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說明書1緒論光纖耦合器是以光為媒介傳輸電信號的器件，光耦合器的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)電信號的隔離傳輸，它可以傳輸交流信號，又可以傳輸直流信號，以實(shí)現(xiàn)“光-電-光”的轉(zhuǎn)化。光電耦合器具有傳輸效率高、隔離度好、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、體積小和質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)，在電子行業(yè)廣泛使用。本次課程設(shè)計(jì)將利用Beamprop光學(xué)仿真軟件來對光纖耦合器的性能指標(biāo)之一耦合比與耦合區(qū)的長度的關(guān)系進(jìn)行仿真分析，得出它們之間的關(guān)系。Beamprop 是一個高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學(xué)院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)

8、設(shè)計(jì)人員廣泛使用。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、分析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用戶感興趣的各種數(shù)值特性。它一般專門用來做光波導(dǎo)的模擬仿真。2 設(shè)計(jì)原理2.1光纖耦合器簡介光纖耦合器是以光為媒介傳輸電信號的器件，光耦合器的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)電信號的隔離傳輸，它可以傳

9、輸交流信號，又可以傳輸直流信號，以實(shí)現(xiàn)“光-電-光”的轉(zhuǎn)化。光電耦合器具有傳輸效率高、隔離度好、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、體積小和質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)。2.2耦合機(jī)理本設(shè)計(jì)主要針對光纖耦合器，對光纖耦合器的輸出特性以及光纖耦合器的耦合間隔與耦合比之間的關(guān)系進(jìn)行探究。在光纖傳輸系統(tǒng)中,光纖耦合器可以把多根光纖傳輸?shù)墓庑盘栺詈线M(jìn)一根光纖,或?qū)⒁宦饭庑盘柗殖蓭茁?并對各路的光功率分配比例有明確的要求。光纖耦合器是一個四端口的網(wǎng)絡(luò)，由兩根靠近的光纖組成，分別由有光輸入和無光輸入、耦合區(qū)間、直通臂和耦合臂部組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示。圖2-1 光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖光纖耦合器的物理機(jī)制可以理解為: 當(dāng)一束光由光纖耦合器的一

10、個纖芯入射時,因?yàn)椴煌哪Ｊ侥芰? 2個纖芯中的光束,由于自相位調(diào)制( SPM)引起的相移也不同。結(jié)果,即使是對稱的光纖耦合器因?yàn)榉蔷€性效應(yīng)也表現(xiàn)出不對稱性。際上, 這種情況與非對稱光纖耦合器中的情況很類似。在非對稱光纖耦合器中,不同的模傳播常數(shù)引起 2個纖芯間的相對相移。并阻礙了兩者間全部能量的轉(zhuǎn)移。2.3 光纖耦合器與耦合長度的關(guān)系在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個正交的基膜。當(dāng)傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時，隨著纖芯的不斷變細(xì)，歸一化頻率V值逐漸減小，有越來越多的光功率滲入光纖包層中，因此實(shí)際上光功率是在由包層作為芯，纖外介質(zhì)作為新包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸?shù)?在輸出端，隨著纖芯逐漸變粗，V值逐漸增大，光功率被兩

11、光纖芯以特定的比例“捕獲”。在熔錐區(qū)，兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合【2】。將一根光纖看做是另一光纖的擾動。在弱導(dǎo)近似下，并假設(shè)光纖是無吸收的，則有耦合方程組： （1）式中A1，A3，A4分別為光纖耦合器1端，3端，4端得模場振幅，C為耦合系數(shù)，L為耦合區(qū)長度，為傳播常熟。對于此光纖耦合器來說，傳播吸收沿著兩個相互垂直的軸是不同的，式（1）可以寫成沿x和y軸兩個方程，則耦合系數(shù)C為： （2）式中為波長，為包層折射率，a為近似矩形的耦合區(qū)截面寬度，為歸一化頻率。 假設(shè)端口1輸入的是線偏振光，光功率為P，偏振方向和x軸間的夾角為，沿x軸和y軸的功率分布【3】為：，。與式（1）合并，

12、端口3和端口4輸出功率分別為： (3) （4） 耦合比為耦合端（端口4）輸出功率與總輸出功率的比值【4】： （5）由于,且很小【5】，所以,，帶入式（5）可得： （6）由式（2）和式（6）可以得到耦合比和耦合區(qū)長度L的關(guān)系。由于正弦平方值在0到1之間，所以耦合比在0到100%之間，耦合比隨波長變化而變化。3 Beamprop仿真3.1 軟件介紹BeamPROP 是一個高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學(xué)院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)設(shè)計(jì)人員廣泛使用。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法 (finite-dif

13、ference beam propagation method)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、分析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用戶感興趣的各種數(shù)值特性。3.2 光纖耦合器仿真1）啟動BeamPROP軟件，點(diǎn)擊左上角的“New Circuit”按鈕，新建仿真文件。 點(diǎn)擊后彈出基本設(shè)置對話框， 波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。 我們模擬目前光通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的掩埋型二氧化硅

14、波導(dǎo)（channel 型） 。波導(dǎo)橫截面的尺寸結(jié)構(gòu)為 5um，芯層折射率為 1.5，包層折射率為 1.45（包層和芯層的折射率差為 0.05），如圖3-1所示。圖3-1耦合器基本參數(shù)設(shè)定2）設(shè)定光纖耦合器的可變參數(shù)，設(shè)定值如圖3-2所示。圖3-2耦合器可變參數(shù)的設(shè)定3）按照光路順序畫出耦合器，繪制的光纖耦合器的光路圖如圖3-3所示。圖3-3耦合器的光路圖4）設(shè)置左右光路通道如圖3-4。圖3-4左右路徑5）為波導(dǎo)建立兩條路徑分別是直通臂和耦合臂，并且添加兩個Monitor分別監(jiān)測兩個臂的輸出光功率7。監(jiān)測器1監(jiān)測路徑1也就是直通臂，監(jiān)測器2監(jiān)測路徑2也就是耦合臂，如圖3-5。3-5監(jiān)視器設(shè)置6）

15、做好準(zhǔn)備就可以進(jìn)行仿真了，本次設(shè)計(jì)進(jìn)行的是光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關(guān)系仿真，所以可以只改變耦合區(qū)長度來得到不同的仿真圖。不同的耦合長度對應(yīng)下面不同的仿真圖。圖3-6耦合長度為100um時圖3-7耦合長度為200um時圖3-8耦合長度為300um時3.3 仿真結(jié)果分析通過對以上仿真結(jié)果的分析可得光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關(guān)系：在耦合區(qū)間隔等參數(shù)一定的條件下，在一定范圍內(nèi)，隨著耦合區(qū)長度的增大，耦合比也隨之增大，并有一個使耦合比達(dá)到最大值的最佳耦合區(qū)長度。當(dāng)耦合區(qū)長度超過最佳耦合區(qū)長度后，耦合比會下降。并不是耦合區(qū)長度越大越好，只有在適當(dāng)?shù)鸟詈蠀^(qū)長度處才能得到最優(yōu)的耦合比。以上各仿真

16、結(jié)果圖中，Monitor Value中藍(lán)線為始發(fā)光纖中的光強(qiáng)分布，即1.Mode，綠線為目標(biāo)光纖中的光強(qiáng)分布，即2.Mode。通過對仿真結(jié)果的比較分析可得，所設(shè)計(jì)的芯區(qū)折射率為1.5，芯徑（直徑）為5um的兩根光纖組成的耦合區(qū)間隔為-1um的光纖耦合器的最佳耦合區(qū)長度約為300um，此時的耦合比約為70%，即約1.55dB。圖3-9光在波導(dǎo)中傳輸時的分布4心得體會本次光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)中，所進(jìn)行的設(shè)計(jì)為“光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關(guān)系仿真”。通過本次課程設(shè)計(jì)，我對光纖技術(shù)方面的知識有了進(jìn)一步的了解，特別是對無源器件光纖耦合器的工作原理、性能指標(biāo)的理解。在本次課程設(shè)計(jì)過程中，我對以前所學(xué)的光纖技術(shù)及應(yīng)用課程的相關(guān)知識也得到了鞏固，同時學(xué)會了光學(xué)仿真軟件Beamprop的簡單的基本操作，為以后在光學(xué)方面的學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。深入的理解了光纖耦合器的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法以及得到了光纖耦合器耦合間隔與耦合比之間的關(guān)系，學(xué)習(xí)了BeamPROP軟件的使用。設(shè)計(jì)仿真中，我遇到了許多實(shí)際的問題,也體會到了書本理論和實(shí)際操作的差異。通過這段時間的實(shí)踐，也使我對這門課產(chǎn)生了更加濃厚的興趣,更加體會到理論與實(shí)踐結(jié)合的重要性。在摸索該如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。參考文獻(xiàn)1 原榮.光纖通信.北京：電子工業(yè)出版社，20022 趙同剛等