耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系仿真上傳

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師: 工作單位：信息工程學(xué)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(shí)的光電子技術(shù)的理論知識及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；學(xué)會使用BeamPROP仿真軟件。要求完成的主要任務(wù)：掌握光纖耦合器的相關(guān)概念與知識。利用BeamPROP仿真軟件對光纖耦合器實(shí)現(xiàn)仿真。得出光纖耦合器的耦合間隔與耦合比之間的關(guān)系。完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含仿真圖，調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時間安排：第1天做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說明2013年第2-5天學(xué)習(xí)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。第6-9天對單環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫。第10天提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名:目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IAbstract II\o"CurrentDocument"緒論 1\o"CurrentDocument"1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 4\o"CurrentDocument"BeamPROP軟件介紹 5\o"CurrentDocument"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 83.1.3設(shè)置位置的變量 83.2仿真結(jié)果 83.2.1光纖耦合器的傳播路徑仿真 83.2.2耦合間隔與耦合比的關(guān)系掃描仿真 9\o"CurrentDocument"4總結(jié) 12\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 13\o"CurrentDocument"本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表 14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(shí)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(jìn)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可用它加以等分。當(dāng)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(jì)算公式。然后結(jié)合實(shí)際制作條件進(jìn)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⑴。關(guān)鍵詞：光纖耦合器；單模光纖；耦合區(qū)間隔AbstractFibercoupler,alsoknownasopticaldirectionalcoupler,theopticalsignal,splitter,combiner,insertionanddistributionofpassivecomponentsusedinfiber-optictelecommunicationsopticalfibertransmissionnetwork,LAN,fiberopticsensingnetworknetwork.Theyrelyonthemutualcouplingofthewaveguideelectromagneticfieldstowork,theirperformanceworkcenterwavelengthA0istheexcessloss,coupling(splittingratioorcouplingratio),thesplreverseisolation.Thispapertheoreticallythesingle-modefibercouplercouplingcoefficientformula.Thenareasonableapproximationtotheactualproductionconditions,usingBeamPROPsoftwaresimulation,andexploretherelationshipofthecouplingoffiberthantheintervalandthecouplingregion.Keywords:opticalfibercoupler;single-modefiber;couplinginterval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、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等［21。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(shí)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(dú)立存在時的場分布和傳輸系數(shù)?耦合的影響表現(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Al(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(jì)算公式⑶。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(shí)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(jī)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(jìn)行研磨拋光，后將經(jīng)研磨的兩根光纖拼接在一起，靠透過纖芯一包層界面的消逝場產(chǎn)生耦合。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：直通臂圖2熔融拉錐式耦合器的結(jié)構(gòu)F面介紹幾種典型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)，如圖3所示:

臺路器Q端口) 分路器端口〉3?耦合器(4端口)入齢入2入上蘆 A1+X2紅* 戸2分波器 合波器■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)nil和nl2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。TOC\o"1-5"\h\zE=a(Z)e(r)ej(⑹-貽)[3] (11)ii iE=a(Z)e(r)ej(⑹-柑z)[3] (1.2)222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(jì)算公式。i?28|LXK= o—2卩Ji?28|LXK= o—2卩121i- (1.3)JE2dx1從而計(jì)算得到耦合系數(shù)

Wd卩2Wd卩2 .K.(JK= ?c 8兀3a2n r2(n2-n2) K2(W)1 2 1 1(1.4)其中九是光波波長，n是纖芯的折射率，n是包層的折射率，d是光纖的間距（耦合(1.4)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(dá)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(dá)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(shí)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(jìn)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)的條件不完全相符。但是，當(dāng)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(jì)。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)。2BeamPROP軟件介紹本文采用仿真軟件BeamPROP進(jìn)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(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-differencebeampropagationmethod)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［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(shí)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），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。WaveguideModelDimension:C*2D3DBPMOptions:RadialCalculation:廠WaveguideModelDimension:C*2D3DBPMOptions:RadialCalculation:廠VectorMode:c*None「SemiEffectiveIndexCalculation:廠Bidir已ctio門日ICalculation:廠Polarization:TErTMFDTDOptions:SimulationTool:Dispersion/Nonlinearity:廠席BeamPROP/BPMCFulfWAVE/FDTD「GratingMODBandSOLVECDiffractMODGLOBALSETTINGSrFullFiber ||baL：kgrLiund_iridex+i：EditLayers...EditTensors...OKI CancelFiber ||baL：kgrLiund_iridex+i：EditLayers...EditTensors...OKI CancelFreeSpaceWavelength:BackgroundIndex:IndexDifference:WaveguideWidth:Waveguid已Height:ProfileType:INITIALVIEWINGDIMENSIONSXMin: pgci ZMin:XMax:[50 ZMax:|1i：ii：ii：iSaveNewStartupSettings:廠圖4耦合器基本參數(shù)設(shè)置

蘇RSoftCADLayout-BeamPROP-[E:\RSoft\examples\BeamPROP\COUPLER.IN...I=I回l—W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⑺。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(biāo)設(shè)置為-(width+separation)/2，而路徑2的X坐標(biāo)設(shè)置為(width+separation)/2。變量的添加只要在工具欄中使用EditSymbols工具即可實(shí)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(dāng)耦合區(qū)間的間隔separation設(shè)置為1卩m時，使用Simulation得到仿真結(jié)果如圖7所示，其中藍(lán)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(jì)使用BeamPROP中的PerformParameterScan功能實(shí)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卩m到1卩m以0.05卩m的步進(jìn)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(lán)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。

EFileEditPlotDrawOptionsWindow旦呂Ipl-khl回同百|(zhì)巨j］目畫］牖國］23WinPlot-[Plot:scanl.psc]1.00.0EFileEditPlotDrawOptionsWindow旦呂Ipl-khl回同百|(zhì)巨j］目畫］牖國］23WinPlot-[Plot:scanl.psc]1.00.00.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.3-0.2-0.0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0br0.4-QIh-□I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卩m到5卩m以0.05卩m的步進(jìn)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。:ileEditPlotDrawj:ileEditPlotDrawjQptionsWindowHep口岡岡□y<Da|ESdraw]Indlno-lolcOIAII—I—rpSI—3）耦合間隔更大的仿真結(jié)果設(shè)置耦合間隔由0卩m到10卩m以0.05卩m的步進(jìn)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12所示。由圖可以看出當(dāng)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。I-II則X目WinPlotI-II則X■JFileEditPlotDrawOptionsWindowHelp0.20.10.00 1 2 3 4 5 6 7separationIE<0.20.10.00 1 2 3 4 5 6 7separationIE<□E■：:：■的;0(和.0￡.8.7￡￡43■sdlno」￡_匚0巨<>[D8 9 10|X：5.7906 |Y：0.033613圖12仿真結(jié)果（0到10um）由仿真結(jié)果得出結(jié)論，當(dāng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)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