耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系仿真上傳

1、武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目：光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系仿真初始條件：具較扎實的光電子技術(shù)的理論知識及較強的實踐能力；學會使用BeamPROP仿真軟件。要求完成的主要任務(wù)：1. 掌握光纖耦合器的相關(guān)概念與知識。2利用BeamPROP仿真軟件對光纖耦合器實現(xiàn)仿真。3. 得出光纖耦合器的耦合間隔與耦合比之間的關(guān)系。4. 完成課程設(shè)計報告（應(yīng)包含仿真圖，調(diào)試及設(shè)計總結(jié)）。時間安排：1第1天 做課設(shè)具體實施安排和課設(shè)報告格式要求說明22013年第2-5天學習Fullwave軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習所設(shè)計

2、內(nèi)容的基本理論知識。3. 第6-9天對單環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行設(shè)計仿真工作，完成課設(shè)報告的撰寫。4. 第10天提交課程設(shè)計報告，進行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日I武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計說明書目錄摘要IAbstractII緒論11耦合原理分析21.1 光纖耦合器的基本結(jié)構(gòu)21.2 光纖耦合器的耦合效率31.3耦合效率的影響因素42 BeamPROP軟件介紹53光纖耦合器的仿真63.1光纖耦合器的繪制63.1.1 建立波導(dǎo)63.1.2 設(shè)置路徑與監(jiān)視器7圖6 耦合器通道的繪制圖73.1.3 設(shè)置位置的變量83.2 仿真結(jié)果93.2.1 光纖耦合器的傳

3、播路徑仿真93.2.2 耦合間隔與耦合比的關(guān)系掃描仿真94 總結(jié)12參考文獻13本科生課程設(shè)計成績評定表14I摘要光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會應(yīng)用到。光纖耦合器是光纖與光纖之間進行可拆卸(活動)連接的器件，它是把光纖的兩個端面精密對接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其介入光鏈路從而對系統(tǒng)造成的影響減到最小。對于波導(dǎo)式光纖耦合器，一般是一種具有Y型分支的元件，由一根光纖輸入的光信號

4、可用它加以等分。當耦合器分支路的開角增大時，向包層中泄漏的光將增多以致增加了過剩損耗，所以開角一般在30°以內(nèi)，因此波導(dǎo)式光纖耦合器的長度不可能太短。本文從理論上推導(dǎo)了單模光纖耦合器耦合系數(shù)的計算公式。然后結(jié)合實際制作條件進行了合理的近似,利用BeamPROP軟件仿真，探究了光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系1。關(guān)鍵詞：光纖耦合器；單模光纖；耦合區(qū)間隔 AbstractFiber coupler, also known as optical directional coupler, the optical signal, splitter, combiner, insertion

5、and distribution of passive components used in fiber-optic telecommunications optical fiber transmission network, LAN, fiber optic sensing networknetwork. They rely on the mutual coupling of the waveguide electromagnetic fields to work, their performance work center wavelength 0 is the excess loss,

6、coupling (splitting ratio or coupling ratio), the splitter loss and reverse isolation. This paper theoretically the single-mode fiber coupler coupling coefficient formula. Then a reasonable approximation to the actual production conditions, using BeamPROP software simulation, and explore the relatio

7、nship of the coupling of fiber than the interval and the coupling region.Keywords: optical fiber coupler; single-mode fiber; coupling interval15緒論光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極

8、管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等2。目前. 國內(nèi)外普遍采用熔融拉錐法(FBT) 制作光纖耦合器 熔融拉錐法是將兩根或兩根以上,除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏 .在高溫加熱下熔融 .同時向兩側(cè)拉伸. 最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu).從而實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。耦合比是光纖耦合器的主要參數(shù)之一, 如何獲得分光比可調(diào)的光纖比 一直是人們需要解決的技術(shù)難題。單模光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)間的長度和間隔有關(guān)系。2x2單模光纖耦合器可看作是兩個錐體相互靠近形成的。它的基本思想是: 相耦合的兩波導(dǎo)中的場. 各自保持了該波導(dǎo)獨立存在時的場分布和傳輸系數(shù).耦合的影響表

9、現(xiàn)在場的復(fù)數(shù)振幅的沿途變化.設(shè)兩波導(dǎo)中的復(fù)數(shù)振幅為A1(z)和A2(z).由于耦合作用,它們沿途變化.其變化規(guī)律可用兩聯(lián)立的一階微分方程組表示。從而得到光纖耦合器的耦合比的計算公式3。1耦合原理分析1.1 光纖耦合器的基本結(jié)構(gòu) 光纖耦合器是把一個或多個光輸入分配給一個或多個光輸出實現(xiàn)光信號分路/合路的功能器件。它是一個無源器件。 光纖耦合器的耦合機理是基于光纖的消逝場的模式理論。多模與單模光纖均可做成耦合器。一般有兩種結(jié)構(gòu)型式： 1. 拼接式， 2. 熔融拉錐式.1拼接式：將光纖埋入玻璃塊中的弧形槽中，在光纖側(cè)面進行研磨拋光，后將經(jīng)研磨的兩根光纖拼接在一起，靠透過纖芯包層界面的消逝場產(chǎn)生耦合。

10、原理如圖1所示：圖1 拼接式耦合器的結(jié)構(gòu)2熔融拉錐式：將兩根或多根光纖扭絞在一起，經(jīng)過對耦合部分加熱熔融并拉伸而形成雙錐形耦合區(qū)。如下圖2所示： 圖2 熔融拉錐式耦合器的結(jié)構(gòu)下面介紹幾種典型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)，如圖3所示：圖3 幾種典型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)其中四端口耦合器又是最基本的結(jié)構(gòu)。1.2 光纖耦合器的耦合效率平行直光纖的纖芯相互接近時，在其中傳輸?shù)幕龇植季蜁ハ酀B透和交疊。這樣1號光纖中傳播的導(dǎo)模場將在2號光纖中產(chǎn)生極化作用，從而在2號光纖中激起傳導(dǎo)模。設(shè)n11和 n12分別為1號光纖和2號光纖的芯層折射率，nc為包層折射率。由光纖的傳導(dǎo)場可得兩條光纖中的場分布。 3 （1.1） 3 （

11、1.2）由光纖耦合器的耦合關(guān)系以及相應(yīng)的波導(dǎo)方程可以得到耦合系數(shù)的計算公式。 （1.3）從而計算得到耦合系數(shù) （1.4）其中是光波波長，是纖芯的折射率，是包層的折射率，d是光纖的間距（耦合間隔），a是光纖橫向尺寸，K0和K1分別是零階和一階貝塞爾函數(shù)6。1.3耦合效率的影響因素光纖耦合器的耦合比與很多因素有關(guān)，由光纖耦合器的耦合系數(shù)的表達式可以，耦合系數(shù)與耦合區(qū)間的長度以及耦合區(qū)間的間隔相關(guān)。以上耦合系數(shù)的表達式是針對平行光纖組成的無損耗耦合器分析推導(dǎo)出來的, 在實際的光纖定向耦合器制作中, 兩根光纖都彎成了圓弧形,滲透進包層的消逝場被部分或者完全去除,因此光纖的幾何邊界與以上推導(dǎo)的條件不完全

12、相符。 但是,當曲率半徑R 足夠大的時候, 可以將產(chǎn)生的模式畸變忽略不計。 曲率半徑影響著耦合器的有效作用長度, 它使兩根互相耦合的光纖之間的間距d 和耦合系數(shù)c 都成為耦合區(qū)位置z 的函數(shù)。2 BeamPROP軟件介紹本文采用仿真軟件BeamPROP進行仿真從而探究光纖耦合器的耦合效率與耦合區(qū)間之間的關(guān)系。BeamPROP 是一個高度集成了計算機輔助設(shè)計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計集成光學波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)設(shè)計人員廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propa

13、gation method)來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計光學器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設(shè)計光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計系統(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。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨立執(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6。3光纖耦合器的仿真3.1光纖耦合器的繪制3.1.1 建立波導(dǎo)通過上面軟件使用方法，建立相應(yīng)的仿真文件，參數(shù)設(shè)置結(jié)合實際使用的光纖的折射率以及光波波長。設(shè)置導(dǎo)橫截面的寬度為5um，芯層折射率為 1.435，包層折射率為 1.435（包層和芯層的折射率差為 0.01）

14、 ，如圖4。之后繪制相應(yīng)的波導(dǎo)，由光纖耦合器的基本結(jié)構(gòu)可以畫出相應(yīng)的波導(dǎo)形狀如圖5所示。圖4 耦合器基本參數(shù)設(shè)置圖5 光纖耦合器光路圖3.1.2 設(shè)置路徑與監(jiān)視器為波導(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6。 圖6 耦合器通道的繪制圖3.1.3 設(shè)置位置的變量為了方便改變耦合區(qū)的間隔，將路徑1的x坐標設(shè)置為-（width+separation）/2，而路徑2的X坐標設(shè)置為（width+separation）/2。變量的添加只要在工具欄中使用Edit Symbols工具即可實

15、現(xiàn)，耦合區(qū)長度設(shè)為10000。變量設(shè)置如圖7所示。圖7 變量設(shè)置圖8 路徑1的參數(shù)設(shè)置3.2 仿真結(jié)果3.2.1 光纖耦合器的傳播路徑仿真當耦合區(qū)間的間隔separation設(shè)置為1時，使用Simulation得到仿真結(jié)果如圖7所示，其中藍線代表路徑1的光功率，綠線代表路徑2的光功率。圖9 光纖耦合器輸出特性 由仿真結(jié)果可以看出光的傳播路徑，光激勵由路徑1耦合到了路徑2。耦合比為0.9，也就是耦合臂輸出功率是輸入功率的0.9倍。3.2.2 耦合間隔與耦合比的關(guān)系掃描仿真為了探究光耦合器的耦合間隔與耦合比的關(guān)系，要改變耦合間隔得到各個耦合間隔的耦合比，從而得出相應(yīng)的關(guān)系。本設(shè)計使用BeamPRO

16、P中的Perform Parameter Scan功能實現(xiàn)耦合間隔的掃描。1）耦合間隔較小的仿真結(jié)果設(shè)置耦合間隔由0到1以0.05的步進變化，可以得到耦合比與耦合間隔的關(guān)系。曲線圖如圖所示，藍色線代表直通臂的輸出功率與輸入功率的比值，綠色代表耦合臂的輸出功率與輸入功率的比值。由圖10可以看出耦合比與耦合間隔成近似正弦規(guī)律周期變化。圖10 仿真結(jié)果圖(耦合間隔0-1um) 2） 耦合間隔較大的仿真結(jié)果設(shè)置耦合間隔由1到5以0.05的步進變化，同樣可以得到耦合比與耦合間隔的關(guān)系。曲線圖如圖11所示。圖11 仿真結(jié)果（ 1到5um）3） 耦合間隔更大的仿真結(jié)果設(shè)置耦合間隔由0到10以0.05的步進變

17、化，同樣可以得到耦合比與耦合間隔的關(guān)系。曲線圖如圖12所示。由圖可以看出當耦合間隔大于7.8時耦合間隔和耦合比不再以近似正弦規(guī)律變化，而是按照指數(shù)規(guī)律變化，最后沒有了耦合效果。圖12 仿真結(jié)果（0到10um）由仿真結(jié)果得出結(jié)論，當耦合間隔比較小的時候，光纖耦合器的耦合間隔與耦合比成正弦規(guī)律周期性變化。中間雖然有衰減但不影響整體的實驗結(jié)果。當耦合間隔大于一定的值時，耦合比成指數(shù)規(guī)律變化，最終趨向于0，以致兩路光纖沒有關(guān)系，不具有耦合關(guān)系，光纖耦合器的耦合比與耦合間隔成貝塞爾函數(shù)的關(guān)系。4 總結(jié)回顧起此次課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，可以說得是苦多于甜，但是可以學到

18、很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。經(jīng)過這次課程設(shè)計的制作，使我加深了對光纖相關(guān)知識的理解。深入的理解了光纖耦合器的基本原理和實現(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，學習了BeamPROP軟件的使用。設(shè)計仿真中，我遇到了許多實際的問題,也體會到了書本理論和實際操作的差異。通過這段時間的實踐，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踐結(jié)合的重要性。在摸索該如何設(shè)計系統(tǒng)使之實現(xiàn)所需功能的過程中，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維，增加了實際操作能力。 參考文獻1 石順祥等編著，光纖技術(shù)及應(yīng)用，武漢：華中科技大學出版社，2009.92 趙同剛等