耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系仿真上傳

武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書PAGEPAGEI課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：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(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；學(xué)會(huì)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(shí)。2．利用BeamPROP仿真軟件對(duì)光纖耦合器實(shí)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(jì)報(bào)告（應(yīng)包含仿真圖，調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時(shí)間安排：1．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2．2013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(shí)。3.第6-9天對(duì)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。4.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：年月日武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書PAGEI武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書目錄24283摘要 I6524Abstract II18603緒論 1100131耦合原理分析 2277081.1光纖耦合器的基本結(jié)構(gòu) 2200151.2光纖耦合器的耦合效率 3236331.3耦合效率的影響因素 4322942BeamPROP軟件介紹 5152073光纖耦合器的仿真 6176873.1光纖耦合器的繪制 698843.1.1建立波導(dǎo) 6321283.1.2設(shè)置路徑與監(jiān)視器 724808圖6耦合器通道的繪制圖 7120683.1.3設(shè)置位置的變量 823123.2仿真結(jié)果 9255403.2.1光纖耦合器的傳播路徑仿真 9142803.2.2耦合間隔與耦合比的關(guān)系掃描仿真 9304094總結(jié) 124493參考文獻(xiàn) 1324347本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 14PAGE15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(hào)分路/合路，或用于延長(zhǎng)光纖鏈路的元件，屬于光被動(dòng)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(huì)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(dòng))連接的器件，它是把光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)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(duì)系統(tǒng)造成的影響減到最小。對(duì)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(hào)可用它加以等分。當(dāng)耦合器分支路的開角增大時(shí)，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(zhǎng)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[1]。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,theirperformanceworkcenterwavelengthλ0istheexcessloss,coupling(splittingratioorcouplingratio),thesplitterlossandreverseisolation.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(hào)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[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(shí)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(zhǎng)度和間隔有關(guān)系。2x2單模光纖耦合器可看作是兩個(gè)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(chǎng).各自保持了該波導(dǎo)獨(dú)立存在時(shí)的場(chǎng)分布和傳輸系數(shù).耦合的影響表現(xiàn)在場(chǎng)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(jì)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(gè)或多個(gè)光輸入分配給一個(gè)或多個(gè)光輸出實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路的功能器件。它是一個(gè)無源器件。光纖耦合器的耦合機(jī)理是基于光纖的消逝場(chǎng)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—包層界面的消逝場(chǎng)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(duì)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(shí)，在其中傳輸?shù)幕?chǎng)分布就會(huì)互相滲透和交疊。這樣1號(hào)光纖中傳播的導(dǎo)模場(chǎng)將在2號(hào)光纖中產(chǎn)生極化作用，從而在2號(hào)光纖中激起傳導(dǎo)模。設(shè)n11和n12分別為1號(hào)光纖和2號(hào)光纖的芯層折射率，nc為包層折射率。由光纖的傳導(dǎo)場(chǎng)可得兩條光纖中的場(chǎng)分布。[3]（1.1）[3]（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(jì)算公式。（1.3）從而計(jì)算得到耦合系數(shù)（1.4）其中是光波波長(zhǎng)，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(dá)式可以，耦合系數(shù)與耦合區(qū)間的長(zhǎng)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(duì)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(chǎng)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(shí)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(zhǎng)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(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(chǎng)，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(chǎng)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(zhǎng)。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。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(gè)Monitor分別監(jiān)測(cè)兩個(gè)臂的輸出光功率[7]。監(jiān)測(cè)器1監(jiān)測(cè)路徑1也就是直通臂，監(jiān)測(cè)器2監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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時(shí)，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(lì)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(gè)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到1以0.05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。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(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。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(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(shí)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(dāng)耦合間隔比較小的時(shí)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(shí)，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(jì)，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要