自聚焦光纖的設(shè)計(jì)及其與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合效率分析

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：電子0902指導(dǎo)教師： 工作單位：信息工程學(xué)院題 目：白聚焦光纖的設(shè)計(jì)及其與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合效率分析 初始條件：(1) 掌握光纖技術(shù)與應(yīng)用基本原理(2) Beampr。做件(3) 計(jì)算機(jī)要求完成的主要任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)自聚焦光纖，觀察其仿真結(jié)果，并對(duì)耦合效率進(jìn)行仿真，得到相 應(yīng)的結(jié)果。時(shí)間安排：2012.6.25做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說明。2012.6.25-6.28 學(xué)習(xí)beamprop軟件(或Fullwave軟件)，查閱相關(guān)資料， 復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)。2012.6.29-7.5對(duì)自聚焦光纖進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫。201

2、2.7.6提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名:系主任(或責(zé)任教師)簽名:摘要iAbstractI.I.緒論1.1自聚焦光纖簡介2.1.1自聚焦光纖2.1.2自聚焦光纖的特點(diǎn)21.3自聚焦光纖的主要參數(shù) 32自聚焦光纖的應(yīng)用 4.2.1聚焦和準(zhǔn)直4.2.2光耦合5.2.3單透鏡成像6.3自聚焦光纖設(shè)計(jì)仿真 .7.3.1 Beamprop 簡介7.3.2波導(dǎo)繪制及參數(shù)設(shè)置83.3自聚焦光纖功能仿真 1.03.4自聚焦光纖的耦合效率對(duì)比 1 14心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)14武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)摘要本文主要說明應(yīng)用梯度折射率對(duì)光傳播的影響分析設(shè)計(jì)自聚焦光纖(GRINlens),自聚焦光纖主

3、要應(yīng)用丁光纖傳輸系統(tǒng)中。自聚焦光纖同普通透鏡的區(qū)別 在丁，自聚焦光纖材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。 利用此特性，G-lens 在光纖傳輸系統(tǒng)中是構(gòu)成準(zhǔn)直、耦合、成像系統(tǒng)的主要部分。而它結(jié)構(gòu)簡單，體 積小的特點(diǎn)更適用丁小型光學(xué)器材中，例如窺鏡系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：梯度折射率，自聚焦，光耦合，準(zhǔn)直2AbstractThis article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive in

4、dex to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causesth

5、e refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system'

6、;s main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system.KeywordsGradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)緒論自聚焦光纖體積小，重量輕，具有準(zhǔn)直和聚焦作用，且耦合效率高。由雙透 鏡組成的準(zhǔn)直聚焦耦合系統(tǒng)中可以有較大間隙以插入濾波片、衰減片等來構(gòu)成多種體

7、積小、結(jié)構(gòu)緊湊的無源器件，所以在光纖通信系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。 由丁這種GRIN光纖內(nèi)部的折射率變化可以調(diào)節(jié)，當(dāng)它用丁復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)， 可以減少系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)量，在某些場合可以代替非球面光學(xué)元件。此外這 種光學(xué)元件的幾何形狀簡單，容易進(jìn)行光學(xué)加工，且使用這種光學(xué)元件的系統(tǒng)具有 結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此GRIN光纖透鏡已經(jīng)被越來越多地 應(yīng)用丁光學(xué)系統(tǒng),尤其是在光纖通信領(lǐng)域中。其中自聚焦光纖用丁光纖之間的連 接、隔離、定向耦合，波分復(fù)用、解復(fù)用器件以及光開關(guān)等顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Beamprop是一個(gè)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 丁設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件

8、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-difference beam propagation method冰模擬分析光學(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)橐惶淄晟频挠枚≡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。161自聚焦光纖簡介1.1自聚焦光纖漸變折射率材料有徑向漸變

9、和軸向漸變折射率材料，自聚焦光纖是使用徑向漸變折射率材料制成的透鏡，其折射率分布式沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有準(zhǔn)直、聚焦和成像功能1。隨著人們對(duì)丁信息需求量的日益增加，光纖通信系統(tǒng)正以日新月異的速度迅 速發(fā)展，有兩類光纖通信系統(tǒng)備受人們宵睞， 一類是長途干線光纖通信系統(tǒng)；另 一類是局域網(wǎng)和用戶回路光纖通信系統(tǒng)。在光纖局域網(wǎng)和用戶回路通信系統(tǒng)中,需要用到大量的光無源及有源器件， 例如：光耦合器、波分復(fù)用器、光開關(guān)和光收發(fā)器件等等。 這些器件無一例外使 用了自聚焦光纖。1.2自聚焦光纖的特點(diǎn)光線在空氣中傳播當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，由丁介質(zhì)的折射率不同會(huì)改變其傳 播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過控制透鏡表面

10、的曲率， 從而完成聚焦和成像功能 的。自聚焦光纖同普通透鏡的區(qū)別在丁，自聚焦光纖材料不僅能夠使沿徑向傳輸 的光產(chǎn)生折射，而且其沿徑向逐漸減小的折射率分布， 能夠?qū)崿F(xiàn)出射光線被平滑 且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)2。它們的光路如圖1.1所示。圖1.1普通透鏡和自聚焦光纖光路自聚焦光纖利用了梯度變折射率分布沿徑向逐漸減小的變化特征3,其折射率變化由公式1表述。其折射率分布曲線見圖1.2。A 2N(r) =N°(1 r )(1)2公式(1)中：No表示自聚焦光纖的中心折射率D表示自聚焦光纖的直徑A表示自聚焦光纖的折射率分布常數(shù)No-D20+D/2圖1.2自聚焦光纖折射率分布曲線1.3自聚焦光纖的主要參

11、數(shù)截距P在自聚焦光纖中光束是沿正弦軌跡傳播，完成一個(gè)正弦波周期的長度即成為一個(gè)截距P。長度Z 自聚焦光纖的長度為透鏡兩端面軸心間的距離。折射率分布常數(shù)一一自聚焦光纖的折射率沿徑向分布常數(shù)。在此可以是A或'. A。數(shù)值孔徑一一孔徑NA有兩種表示方式，如公式(2)所示。NA=nSin©m =% 頊 No2 N2(2)公式(2)中：No表示自聚焦光纖的中心折射率N表小入射光所在介質(zhì)的折射率口 m表小入射光線的最大孔徑角2自聚焦光纖的應(yīng)用由丁自聚焦光纖具有端面聚焦及成像特性，以及圓柱狀的外形特點(diǎn)，因而可以應(yīng)用在多種不同的微型光學(xué)系統(tǒng)中，自聚焦棒的主要功能有聚焦、準(zhǔn)直和成像。2.1聚焦

12、和準(zhǔn)直穿透透鏡在聚焦時(shí)存在著結(jié)構(gòu)尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺點(diǎn)(如圖1.2.1所示)，但自聚焦光纖在聚焦時(shí)克服了這些缺點(diǎn)。根據(jù)自聚焦光纖的傳光原理，對(duì)丁 Z=1/4P截距的自聚焦光纖，當(dāng)從一端面輸入是一束 平行光時(shí)，經(jīng)過自聚焦棒后光線匯聚在另一端面上，由球差理論可得自聚焦光纖聚焦點(diǎn)光斑的尺寸公式為：二 1 一 -f(NA)(3)2 N0公式(3)中：R為焦點(diǎn)處光斑的半徑NA為數(shù)值孔徑f為焦距No為軸上的折射率準(zhǔn)直是聚焦功能的逆向運(yùn)用。根據(jù)自聚焦光纖的傳光原理，對(duì)丁Z=1/4P截距的自聚焦光纖，當(dāng)匯聚光從自聚焦光纖一端面輸入時(shí)， 經(jīng)過自聚焦光纖后會(huì)轉(zhuǎn) 變成平行光線，自聚焦光纖

13、的這一準(zhǔn)直功能如圖2.1所示。.二 r -'K白KE株透鎮(zhèn)圖2.1自聚焦光纖準(zhǔn)直應(yīng)用2.2光耦臺(tái)由丁自聚焦光纖可以通過水平端面完成聚焦功能，加之其簡單圓柱外形，使得其在進(jìn)行光能量鏈接及轉(zhuǎn)換中有著很廣泛的用途，自聚焦光纖的這種聚焦功能使其能夠應(yīng)用丁多種光耦合場所，例如：光纖和光源（如圖2.2所示）、光纖和光電探測器一級(jí)光纖和光纖之間的耦合等等。圖2.2平面自聚焦光纖耦合為了達(dá)到更好的聚焦效果，會(huì)在平端面自聚焦光纖一端面加工一個(gè) 1mm3mm的曲面，此曲面與平端面自聚焦光纖彌散斑小如圖 2.3所示。因此球 面自聚焦棒可減小聚焦光斑尺寸4。圖2.3球面自聚焦光纖聚焦光斑圖2.4中表示L1為光

14、源或光纖到自聚焦光纖端面的距離，Z為自聚焦光纖的長度，L2為自聚焦光纖端面到光纖的距離。為了使光源或光纖發(fā)出的光經(jīng)過 自聚焦光纖聚焦后能夠有效地耦合進(jìn)光纖，需要調(diào)節(jié) L1和L2的距離來達(dá)到最 佳耦合效率。但是，在實(shí)際耦合過程中，耦合效率要小丁其理論值，其原因是耦 合效率與器件的結(jié)構(gòu)和使用方法有直接的關(guān)系。圖2.4光纖傳輸耦合聚焦光軌跡圖圖2.5自聚焦光纖端面成像示意圖2.3單透鏡成像自聚焦光纖除了具備一般曲面透鏡的成像功能還具備端面成像的特性。對(duì)丁P/2及1P截距的自聚焦光纖其端面成像 機(jī)理如圖2.5所示。P/2截距的自聚焦光 纖其端面成等大倒像，而 1P截距的自 聚焦光纖其端面成等大正像。對(duì)

15、丁 P/4 截距的自聚焦光纖物在無窮遠(yuǎn)處時(shí)象在 其后端面（只要物距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大丁透鏡長度 時(shí)可理解為無窮遠(yuǎn)）。3自聚焦光纖設(shè)計(jì)仿真3.1 Beamprop 簡介本次光學(xué)仿真用的軟件是 Beamprop是一個(gè)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，專用丁設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。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)橐惶淄晟频挠枚≡O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路 CA破計(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)

16、。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。圖3.1 Beamprop 操作主界面從Beamprop的主界面(圖3.1)來看，操作還是相當(dāng)方便的。其中多數(shù)的 主要功能都以快捷鍵的方式至丁主界面的工具欄上。不用費(fèi)心思從繁瑣的英文菜 單中尋找自己需要的東西。本次模擬自聚焦棒用的繪制工具即為SEGMENMOD E用它可以在界面上畫出想要的波導(dǎo)。繼而可以設(shè)置其詳細(xì)參數(shù)和進(jìn)行功能仿真。3.2波導(dǎo)繪制及參數(shù)設(shè)置首先是新創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)文件。在本次仿真中做了如下設(shè)置。如圖3.2所示圖3.2創(chuàng)建新設(shè)計(jì)在這一步中，設(shè)置光波長為1.55um，外

17、界折射率為1.6。波導(dǎo)寬度為100 接著繪制波導(dǎo)模擬自聚焦光纖圖3.3自聚焦光纖模擬圖界面中的紅色部分即是在軟件中模擬的自聚焦光纖，即繪制一段波導(dǎo)來模即從兩邊向中間逐漸增擬。對(duì)丁自聚焦光纖而言，折射率滿足類拋物線的規(guī)律,大。在Beamprop中可以設(shè)置其折射率模式 Profile Type 為Gaussian。滿足自聚焦光纖的折射率變化規(guī)律。設(shè)置方法如下所示圖3.4波導(dǎo)折射率設(shè)置右鍵點(diǎn)擊界面中的波導(dǎo)即可出現(xiàn)如圖3.3的屆性界面。將左起第二項(xiàng)Profile Type在下拉菜單中改為 Gaussian。接下來的步驟是設(shè)置監(jiān)控電源，在EDIT PATHWA畢設(shè)置，如圖3.5所示圖3.5監(jiān)控電源設(shè)置3

18、.3自聚焦光纖功能仿真接下來就可以進(jìn)行自聚焦光纖的仿真,運(yùn)行Perform Simulation ,選擇不同的演示模式(Display Mode )可以觀測到自聚焦棒在光信息傳播中的狀態(tài)。4 BeamPROP - Computation Ccmpleted - X: 144 ¥: 268圖3.6波導(dǎo)折射率狀態(tài)圖3.7光在波導(dǎo)中傳播路徑仿真圖3.6仿真是的波導(dǎo)中折射率的分布圖，為高斯函數(shù)的3D模擬圖形。圖3.7顯示的是自聚焦光纖中的光線傳播路徑，可以看到光線由平行入射到最后聚丁一 點(diǎn)，符合自聚焦光纖的特性。3.4自聚焦光纖的耦合效率對(duì)比在介質(zhì)中另模擬一段折射率均勻的波導(dǎo)， 用丁跟自聚焦

19、光纖進(jìn)行耦合。波導(dǎo) 位置圖形如圖3.8所示。圖3.8波導(dǎo)間耦合圖中1為接收波導(dǎo)，2為發(fā)射波導(dǎo)。第一種情況中設(shè)置 2為自聚焦透鏡。當(dāng)透鏡棒長度為L/4時(shí)，那么入射光為平行光時(shí)，出射光會(huì)聚，此時(shí)入射到下一級(jí)的光能量損失最小，達(dá)到耦合最佳狀態(tài)。如圖 3.9所示，通過幾次試驗(yàn), 找到自聚焦棒L/4長度，此時(shí)實(shí)現(xiàn)出射光聚焦，而后直接連接光纖。Xg1.00.0圖3.9 光耦合2D仿真示意圖Height圖3-7光耦合3D仿真4心得體會(huì)此次，我的光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)課題是：自聚焦棒的設(shè)計(jì)與仿真。利用 Beamprop軟件，完成一個(gè)完整的功能實(shí)現(xiàn)了的單透鏡反射式照相物鏡光學(xué)系統(tǒng)。 假設(shè)如果沒有軟件的仿真，那整個(gè)設(shè)計(jì)過程的龐大的調(diào)試過程其復(fù)雜程度是難以 想象的。通過這次課程設(shè)計(jì)，不僅使我對(duì) Beamprop軟件有了初步的了解