使用Rsoft對FBG光纖光柵的光譜仿真

1、!-課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師: 題 目:陳湘寶專業(yè)班級：電子科學(xué)與技術(shù)0901班葛華工作單位：信息工程學(xué)院Bragg光纖光柵的光譜仿真初始條件:計算機(jī)、beamprop軟件要求完成的主要任務(wù)：1、課程設(shè)計工作量：2周 2、技術(shù)要求:(1) 學(xué)習(xí)beamprop軟件。(2) 設(shè)計Bragg光纖光柵的光譜仿真(3) 對Bragg光纖光柵進(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)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排:2012625做課設(shè)具體實施安排和課設(shè)報告格式要求說明。2012625-6.28學(xué)習(xí)beamprop

2、軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計內(nèi)容的基本理論知識。2012.6.29-7.5對Bragg光纖光柵進(jìn)行設(shè)計仿真工作，完成課設(shè)報告的撰寫。2012.7.6提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名:系主任(或責(zé)任教師)簽名:Abstract1光纖光柵簡介2 Bea mPROP軟件介紹3光纖光柵的繪制與設(shè)置3.1光纖光柵波導(dǎo)的全局設(shè)置3.2光纖光柵的繪制3.3光路的設(shè)置4光纖光柵的仿真4.1光柵XZ切面圖4.2波形仿真4.3參數(shù)掃描5心得體會6參考文獻(xiàn),8.9.101314II光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入 纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率

3、周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵, 其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。本文介紹的是通過Beam PROP軟件進(jìn)行光纖光柵的光譜仿真，以及討論了不同參量對光譜圖的影響。本文包含了光纖光柵的基本原理、Bea mPROP軟件介紹、以及進(jìn)行光譜仿真的具體步驟。關(guān)鍵詞：光纖光柵；BeamPROP光譜仿真AbstractOp tical fiber Bragg grat ing is using fibre material p hotose nsitive sex, through the method of uv expo sure will in cide nt light

4、 to a cohere nt p atter n fiber core, in fiber core along the fiber axis with in the core to the refractive in dex cyclical cha nge, so as to form the p erma nent sp ace p hase grati ng, and its function is esse ntially in fiber core is formed in a n arrow band filter or mirrors.This paper in troduc

5、e is through the Bea mPROP software in the sp ectrum of fiber grat ing simulati on, and discussed the differe nt p arameter of the in flue nee of the sp ectra. This article contains fiber grating, the basic principle of software is introduced, and BeamPROP spectral simulati on of the sp ecific ste p

6、s.Keywords: fiber grating; BeamPROP; spectrum simulation1光纖光柵簡介布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating)簡稱為FBG。在纖芯內(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵，其作用的實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損 耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列 優(yōu)異性能。目前應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。由于光纖本身的低損耗、抗電磁干擾，它在遠(yuǎn)距離通信中的到了廣泛應(yīng)用，并隨之在 通

7、信、傳感等領(lǐng)域得到重視和應(yīng)用。經(jīng)過近二三十年的研究與實踐，光纖光柵迅速了很大發(fā)展，種類也迅速增加，出現(xiàn)了各種非均勻光纖光柵，1996年又出現(xiàn)了長周期光纖光柵。在實際需要的推動下，光纖光柵家族不斷得到完善和豐富，也在通信和傳感領(lǐng)域起到了無 法替代的作用。其光譜圖如圖1.1所示。圖1.1光纖光柵光譜2®)晏丘殳至崔2 Bea mPROP軟件介紹RSoft是一個高度集成了計算機(jī)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(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國 RSOFT公司出品，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)。RSoft是一款非常實用的光波導(dǎo)仿

8、真軟件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多種算法,使得它能夠適用于各種不同要求場合。BPM計算方法也有多種形式，其中有限差分波束傳 播法（FD-BPM ）得到了最廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)D-BPM可以實現(xiàn)很準(zhǔn)確的設(shè)計計算，同時可以允許較大的計算步進(jìn)。我們使用的軟件主要基于這種方法。其操作頁面如圖2.1所示。冋(II_h.迴岡冋 國 H馬司 B匝1石0 呪 HH 囤nWi111 圖2.1 RSoft的操作界面3光纖光柵的繪制與設(shè)置3.1光纖光柵波導(dǎo)的全局設(shè)置首先，打開BeamPROP CAD-Layout程序，開始這次的波導(dǎo)的總體設(shè)置。在菜單中選擇“New Circuit，”在BPM Options

9、項選擇3D的波導(dǎo)，其中波導(dǎo)類型選擇 Fiber，然后依次修改其中的“Free Space Waveleng、”Background Index等參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖3.1所示。xStartcipi TindoivGLOBAL SETTINGS廠2D幣r 廠6 V廣 Semi C Full廠Waveguide Model Dimensior. Radial Clculqtior;Eflectiye IndsH Calculation: Polarcahon:Simulation Tool:3D BPM Options:Vector Mode:NoneBicbrectionad Calculario

10、n:i -j FDTO Option?：Dispeision/NonlirieantyGratirtgMOD ti尙詢皿D廠 FulhVAVE/FDID廠 BahdSOLVEFree Space Wavefength； |1.553D Structure Tvpe： |Fitei Lover Ircfew:| jBackground Index:|1.455Indew Diff 亡fence;Slab Indew：I'l.'J hr'i n'Waveguide Wicfth:EElab Height;I-Waveguide Height:|G-dlf 仁|一|L

11、1FroJile Type:StepIndeK jJ| Anisotropic:廠NM1INITIALVIEWING DIMENSIONSX Min:RETZMin：ZNaw: iDOOSave Mew El白tup Settings： 匸OlCCancel圖3.1光纖光柵的全局設(shè)置!-定義完全局后，開始定義變量。點擊 “ Edit Symbols按鈕進(jìn)行變量定義。其中我定義了Period、Lin、Lout、M、delta_grating 等 4 個變量。如圖 3.2 所示.b-ocrac 7 ririZKporcssi-izraL rInuxrciit Value:二 inLoutMPeri

12、od alpha baizkgrQur： d_ l Titles bcl_bpmSd_tol i)OLuiddry_jiiaiii ijouniory_min delta delta QretincE ±-ee_5race_ vs ve length<4*Fei-ioiLin403 53I 4E10J 1J. OS1 435Accent Svjr.bolRejESt Syir.bolW曰F SywiholDelete Syir.bolOKCcel圖3.3第1層的參數(shù)設(shè)置圖3.2變量定義表3.2光纖光柵的繪制光纖光柵一共分3層。第一層的參數(shù)設(shè)置如圖3.3所示。StrncUnelp

13、e- 卩 icfiioTpc tomine Mfid©-|Dc&t3 說加加和per；|g Tg|ij忑 訕dlh I mg 麗; H 詢 ht Taper； j (Jone YFosTacffJiNone|te-adlVjI瓦d3 |D出勿I3SW»s. JSeuOrenrrion： 1*5 耳Left .Pia'ilffi.匚 anrz-piArc Data -t*Lit .edtjdpho|widHhfM-S rrhg ThzMotMd PicpcrtciIncb DiFer6：nQe:Iind&<(im3g 冃 U；Wj包idrXMic

14、th: Wd'cgudo Height Y Pcation；X:T-FncfrTgVpriPVMalffial PfopertMi；IndeH DiflererqaIndo? (in科 part) 曲 Wkl+i： >/T/sgudoHcit; V Million：l_ -叮:l Jj 2|<J?MlaiJioHsiefti忙 e lipe廠 aria* /rdaP Arami Fafcj 皆IrR al er Slice I oc CJTiponert: J Vslci. 廠"Aefiieroe iip& * Mare 廣 Oflsal 廠 ArgcRe

15、fsianca larConporetT："Vertrh 1R 曲劇 35 7i«. 廠 Meroff -jfhsbl 廠加igt7aLa!oResienza lorCcnipcnenc： |1vciitK yPetsfante Tppt 廠 None 席'fset 廣 AngtoPjfflriflt*! Vjiu#:Lili Fefarmnce T : CofTpen-jnh jl VclItK.!-圖3.5第3層的參數(shù)設(shè)置_Stuclure lype | DefaultT尸Hii新訂耳egNcntdh'rsNe 1 jce：|baultJIndEK la

16、terfUser!Tr ofrbinF WoHpDofaultdWhl=irprU»r1Ttdlh HiJiure;jIHeiitTafCPNbricegOrientaron; J|z如JYPD5ldFerfJcn&Smbols.,. DL ILasers .Cjn;elTapeis .Jaic Data._Froraes. jMore,.,loftingVcrc?：Encirg VcrtcKMa'enal FropefttjIndsK DifferarceI JctadtingIndBH (imag “rtjV/ivsguideWidiTWawsguidHfiigi

17、l'YRm 疏 r：Jpbo M/idth.grjtingtarerialFTopertiesIrdK DfferencellrddH inag pRjWaj«guid»VAdihrWflyflguidsHwgh-YMfonirftefe ence Tioe: r None 圧 CffseiA-iglePaiameler Vabe:P Flcfiycftoc T nCcmponenl | Ver 觀；pftefaence Type:* Hone的泊廣 AneParmneter VduB：dncfctCfKC To：C-tomzionBril:Veriez. |iRe

18、eiencs Tpe:I ' None(' Cilf泊 ''Angle P arameter Vaue:Pneciencfi To:CoTiponent |2,Fi 白aencs Tipec I NoneAngle Pa-ametef Vaue: j曲韋rindI riefcfencfi To;CornpcnenL pYe tex； oVtiten圖3.4第2層的參數(shù)設(shè)置St'uctueTjips: PraFila T'ps:Mfajh *1I De創(chuàng)II 3LcmbineMods:iDcfjdh 31酗前二)pDS(im T 旳計FIrdaKT

19、eper:wklih T dper:Height Tpcr: NineYPosTdper: i'Njne 二Srnods. OKLflvsr*.Tferj.CancelAjc Data. 5tdii.iy V 申 ipKtruirij YeitxMaterial RroprHc: . _如口.：心Materia Ptops tie*;I I- - JOI '【I JdIndeKDilForenc?;| deltahde* DiffefenffI della(ndoH jmag paH):肚扁hdftH (inag paitV/avegude VIdih: jkvidtrWave

20、guide widih:(viidthV/avegude Hegtit: ffi麗htWvegjide HeightheiqkrYPzHrrvjoY Pns帕rr|O光芒X：ZlIr1厶Helasrce Typ&Refere (poEHeterence TiptHelefinoe Tpe:廠 Nore廣 Hcne廠 Here< N:rw(* oirsst'* orrset僭 ulisei<*' Dtsrt廠 Ange廠 Angle< AnjieC AngteFdrarne'er Value:Parameter Vaue:P afamstef V

21、aiue:PararieterVdIue:P|oio|LoutRelefsrce TorRefefe TofReference To:HftleienoeT:CompDrent j3Cflmjcnent pCofTpenenh |3romponenb |2Veiten:pVertex-pVertexoVeites:pSeg (ientalnn- 7ak5 三ProilK .Mciie .!-光柵的第2、3層的參數(shù)設(shè)置如圖3.4、圖3.5所示。光柵的繪制過程中，我通過鼠標(biāo)的點擊與拖動畫出三層光柵，通過對每個光柵的位置的設(shè)定可以實現(xiàn)第二層的首端與第一層的末端連接，第三層的首端與第二層的末端連接。

22、第二層的User 1的設(shè)定如圖3.6所示。圖3.9監(jiān)視器1和監(jiān)視器2的定義User Function.|U 蛇r Taper 1|step(M*'z)打X Pejinfs： Si+Iy Points：jWIz/m Ktn:|oy min:|a£/« MdK：|1y Ma?c|1Source Type:E xprssEionFile Name / Expression 伺；; f=)J:OKICancel圖3.6 User 1的定義3.7所示。為了以示區(qū)別，我把中間的一層光柵的顏色設(shè)置為yellow。然后通過右鍵點擊光柵層對每層分別進(jìn)行設(shè)置，最后生成的光柵圖形如圖iC

23、uEaz!：!"向耳® 回圍死 1H gs SHM5j3.3光路的設(shè)置“Edit Pathway按鈕,把光纖光柵繪制好后，就需要定義光路了。點擊左側(cè)工具欄中的然后點擊 New將二層光波導(dǎo)涂成綠色。如圖3.8所示。然后點擊第二個監(jiān)測器,圖3.8定義光的路徑“ Monitors打開監(jiān)測器對話框，連續(xù)點擊兩次“ New”讓第一個保持默認(rèn)狀態(tài),將 “Monitor Componen設(shè)為 “Major Backward” 如圖 3.9所示。Mom or huirfcerUuiii NiJnr I丄回Dp*M&nioiaacnc嗨：FitklFUethl；PosfonV-Cot

24、 per entMccoOtfi hit ItIljra File |E-HniT)MffWa 詢 OnShM：Rd* 檔.Eacsgicunt HQ 打 sN：Wid-h珈UliltSla: ModePtwef -jBocLsTJjid H-IdelaJlI Nojdbnrnrrn 卜ivlafli PKkwjdDrl-fl H屬 laJrMocif1»w冊：Mijur n aJidrIkij.l1 ''D日|孕卜怯上+怙才I.IPmirr' V:UiJ日Ifl Fic !E+1inn-|-1rjcFII氏”-Montw tiptoe -I npbt Fiv

25、rtirJl'J Aj?DKCjrD«l訥 inh&c.,!-4光纖光柵的仿真4.1光柵XZ切面圖點擊 “ Comp ute In dex P rofile按鈕，將 “ Dis play Mode選擇為 “ Con tourMapXZ) ”，將 “ ZCompute Step和“Slice Ste設(shè)置為0.25,如圖4.1所示。觀察的切面圖如圖4.2所示。Lurrenl Uefault UseLurentDefault Use IVdlue旳Lie DehValue DehDcrnain Min:a.e l-F-s1l-'-.tDo備in Max;30聲R麗

26、1 )7? I*匚 crnpub# Step；0lSir傷101 .1P1雨Slice Step:|0-1Monitor St即；Dispi Mode:Oubut Fie Prefix;X¥Eymbola .Zlulput .I CoriourMap曰 |Diijjlc* . IzLurie ritVabeU efault Value|o 11"|2411 -lo 1If0.251. 50.250 ?FUseD除廠廠Eitimated Time:0.040 min ISave仏(ti門加CKCancel II圖 4.1 Compute Index Profile 的設(shè)定圖4

27、.2光柵XZ切面圖!-4.2波形仿真為了進(jìn)一步觀察光在波導(dǎo)中傳輸時的分布情況。點擊“P erform Simulatio n 圖標(biāo)打開仿真對話框。仿真對話框的參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示。點擊“Bidirectional按鈕以及修改“Toleranc為”5e-005。仿真結(jié)果，如圖4.4所示。rlLafeaiiBQP SiauiatioaFataxetetsDomair Min： j-9.3|r?Domairi Maw. |9 0J7Corripute Step: jO.I).-臣Slice Step:0.1j¥Moriitof SleptDisplay Mode:CurrentValue

28、Defaidt UseValue DefsCurrentValueDefault UseCurienlValueDetauft LiseValueD嗎VueDefsi1汕Iph(7ITbr- c _i iJR124n?0.10.111Ql25|irifoi-00.25L廠1a251"i7Output File Prefix:jCoWoufMap 應(yīng) yjEstimated Time:0.045 mihSave SettingsDisplay.OKCancel圖4.3仿真對話框的參數(shù)設(shè)置201 Mrde 01. Mifiide 0Putkway, /onlor:吟曜罄t卻辛鈕塾猷渲L

29、- 工g基朋# 11 綏韓1=KJ101.0-9巧心C 3 & 9xtumj H 1 M i I r I I ' r I' I1.0 0. 0.0Mo niter Value e.u)圖4.4仿真結(jié)果的波形!-4.3參數(shù)掃描點擊“Perform Parameter Scaj按鈕彈出對話框，設(shè)置如圖4.5所示。設(shè)定好參數(shù)之后,得到正確的仿真結(jié)果如圖4.6所示。Whkh刖哎JhM_?paM_wivsl(rgch |£ tarting V aJueI1.?PtnargVilusJ1-7JoInci3iiiz；ntD d圧護(hù)RcfK：llttl1Hers Cl IfM

30、i Riefw11Plc-TitcciJ Clid-11P u?c-Pkk?£6 Cme1iRiir OptiwiDeFeuk1* 1Pbt DjinsMudK?rHodcSct|nMnTriscSiiBjbfanrtcrclMcde：l&effluKHim Scnpr：p匚忙CjNoeJINNEF ITERATIONOUTER IT in VI ON圖4.5參數(shù)掃描對話框圖4.6仿真波形圖t - IPioi;1L0tjnrnnnmomnmynTryvntxaonnvwvjwnraraTninnmicmmj0.0|-i玉jpm 十-J 匚 I I !i &g

31、t; I j nS；1.31415fr e e_spac e_waval< ngl hX； 1.295116Y： 1.D46E17!-圖5.1仿真波形隨波長和折射率的變化5仿真波形討論5.1 改變 Global Setings 的設(shè)置通過改變Global Setings中的自由空間波長和 Background Index的大小可以讓波形左右移動。仿真波形隨著波長和折射率的變化而變化，如圖5.1所示。1.0fee Space Wavelength:|1.4Background Indez:11.351'.Indew Diffefence:|001Vaveauide Width;if

32、 6A/veguide HeightieProfile Tvpe:莎和IndexFree Spce Wavelength:P-5BackgroLiiid Index:Index Difference:0.01Waveguide WidthsWaveguide Height;|b'Prolile TvpkjSlep lnde«nctro £5生inaino總書Free Space Wavelength:(1.90.7OS04tn0.2d'.iO'.O和,f TT T fit1.31.4O.G =04Backgiound Inde坨ll.55IrdeM

33、Difference:0.01r=卡'i?''F*"f±z_匸駐土_；ZEi "珂 7 ,、* *1.6ie17ria« sE>«ca ufaTvtanoihIIIIWdvegufde Width:Waveguide HeightlefeProJile Type：StepIndcKpAca_w vtlwngm663!-M、Period 和 delta_gratingM、Period 和 delta_grating的變化而變化。由于三種變量的討論大致相同,我們只討論了M的變化，仿真波形隨M5.2改變變量M的設(shè)置Glo

34、bal Set ings的設(shè)置保持開始的設(shè)置不變，通過改變變量的大小的設(shè)置可以讓波形的頂點上下移動。仿真波形隨著變量的變化如圖5.2所示。I11 q r I、j_u_LLi4i ir和 1 n Iijj_Lmi_u：O.e r0.5 -tU rdji0.1 ru+ .,k41.6-hSr- LjliZkJLjI fn lA171.4i.e1.61.7M=50, Period=0.5IsngrhM=40 ,P eriod=0.5f .LJ "s叮.y y IK丄.J-LI».丄 IJ.rf BTEM IJ.丄-!> P.UB丄門og -0-9.-rr0.7 -一$ $

35、46 0 0indtHQ EMUDS0-30.2 -0.1 -0.01.3. U4 TJ ._L_11. M>':.j.i.141 51.617ri*s_ipflc*_wawe l»nlhindmo 5«S3M=70, Period=0.5M=60 ,P eriod=0.5圖5.2仿真波形隨M的變化6心得體會通過本次課程設(shè)計，我重新學(xué)習(xí)和弄清楚了光纖光柵的原理及其設(shè)計，并且初步學(xué)會 用BeamPROP進(jìn)行仿真。課程設(shè)計也讓我學(xué)會了要充分的查找資料，利用身邊的資源 以及學(xué)會冷靜的面對課程設(shè)計中出現(xiàn)的問題，從而去有效地解決問題。在課程設(shè)計過程中，收獲知識，提高能力的同時，我也學(xué)到了很多人生的哲理，懂得 怎么樣去制定計劃，怎么樣去實現(xiàn)這個計劃，并掌握了在執(zhí)行過程中怎么樣去克