武漢理工大學光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系仿真

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：電子1101班指導教師：洪建勛工作單位：武漢理工大學題 目：光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系仿真初始條件：具有一定的光纖光學基礎知識，能較好地理解光纖耦合器的工作原理及其性能指標；會使用光學仿真軟件，如Beamprop等；具備裝有Beamprop或其他光學仿真軟件的計算機平臺。要求完成的主要任務：1. 學會使用Beamprop光學仿真軟件；2. 學習掌握光纖耦合器的工作原理及其性能指標；3. 利用Beamprop軟件進行光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系仿真，并對仿真結果進行分析總結。專心-專注-專業(yè)目錄摘要光纖耦合器又稱光定向

2、耦合器，是對光信號實現分路、合路、插入和分配的無源器件，應用于基于光纖傳輸的電信網路、區(qū)域網路、光纖傳感網路等光纖網絡中。它們是依靠光波導間電磁場的相互耦合來工作的，它們的性能指標主要有工作中心波長0、附加損耗、耦合比（分束比或分光比）、分路損耗及反向隔離度等。本文將簡單分析光纖耦合器的耦合區(qū)長度與耦合比的關系，在本次課程設計中采用光學模擬仿真軟件Beamprop來進行光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系的簡單仿真分析，得出耦合比與耦合區(qū)長度的關系。關鍵詞：光學耦合器；耦合區(qū)；耦合比；仿真AbstractOptical coupler is also called directional li

3、ght coupler, optical signals of optical, all the way to realize, insert and distribution of the passive components, used in the telecommunications network based on optical fiber transmission, regional network, the optical fiber sensing the Internet in the optical fiber network. They depend on optica

4、l waveguide electromagnetic field coupling between the work to the performance index, their main job center wavelength lambda 0, additional loss, coupling ratio (divide bundle or spectral ratio), than of optical loss and backward isolation degree, etc. This paper will be a simple analysis of the cou

5、pling of optical fiber coupling length and the coupling of area than in the relationship, the course design of the optical simulation software Beamprop to optical fiber coupling of the coupling of the length of the coupling area than and the relationship between the simple simulation analysis, coupl

6、ed with that than the length of the coupling relationship between area. Keywords: Optical Coupler; Coupling Area; Coupling Ratio;Simulation1緒論隨著光纖通信、光纖傳感等光網絡技術的發(fā)展，光纖系統(tǒng)日趨成熟，應用領域不斷拓寬，光纖系統(tǒng)的結構日趨復雜，促使各種無源功能器件逐漸發(fā)展起來，光纖耦合器就是其中的一種。光纖耦合器又稱光定向耦合器，是對光信號實現分路、合路、插入和分配的無源器件，廣泛應用于基于光纖傳輸的電信網路、區(qū)域網路、光纖傳感網路等光纖網絡中。光纖耦合

7、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。它的性能指標主要有工作中心波長0、附加損耗、耦合比（分束比或分光比）、分路損耗及反向隔離度等。光纖耦合器的類型有Y型耦合器、2×2星狀耦合器、n×m耦合器、波分復用器，耦合器的結構有光纖型、微器件型、波導型等，其中光纖型耦合器根據制造方法又分熔錐型和研磨型。耦合器等無源器件是光纖傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，只有深入掌握它們，了解它們的各項性能指標，才能設計出適合不同需要的光纖系統(tǒng)。本次課程設計將利

8、用Beamprop光學仿真軟件來對光纖耦合器的性能指標之一耦合比與耦合區(qū)的長度的關系進行仿真分析，得出它們之間的關系。Beamprop是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學院及產業(yè)公司的開發(fā)設計人員廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和設計光學器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路CAD設計系統(tǒng)，且可控制相關的模擬參數，如：數值參數、輸入場

9、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值特性。它一般專門用來做光波導的模擬仿真。2光纖耦合器簡介2.1光纖耦合器的原理及制作光纖耦合器的功能是把一個或多個光輸入分配給多個或一個光輸出，它的性能指標主要有工作中心波長0、附加損耗、耦合比（分束比或分光比）、分路損耗及反向隔離度等。光纖耦合器對光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串擾噪聲。耦合器大多與波長無關，與波長相關的耦合器專稱為波分復用器或解復用器。根據輸入端光纖數及輸出端光纖數，光纖耦合器可分為1×n及n×n星狀耦

10、合器及2×2定向耦合器。耦合器的結構有光纖型、微器件型、波導型等，其中光纖型耦合器根據制造方法又分熔錐型和研磨型。圖2.1為直連型光纖耦合器的圖示，圖2.2為波導式Y型分支路光纖耦合器的圖示。圖2.1直連型光纖耦合器圖2.2波導式Y型分支路光纖耦合器多模光纖的n可做到很大，如64×64的星狀耦合器的超額損耗可以降低到1dB以下。制造工藝普遍采用熔融雙錐漸變的辦法，即將多根裸光纖絞在一起，加熱到軟化溫度，適當拉伸，在熔融區(qū)形成漸變雙錐結構。從輸入端看，每根光纖的芯徑都在漸漸地、均勻地變細，可傳輸的模式愈來愈少，達到截止的模式將輻射進包層區(qū)，最后所有的模式都變成了包層模。接著光

11、纖的芯徑又逐漸增大，光又重新耦合進入芯區(qū)，并將相當均勻地在每根輸出光纖中分配能量。因此，任意一根輸入光纖的光功率都會大致均勻地分配到每一根輸出光纖中去。這就是星狀耦合器的工作原理。單模光纖1×n耦合器的制造工藝與多模光纖相同，但耦合機理不同。如2×2單模光纖耦合器，其輸入光纖中傳播的已是最低模式，不再會截止。在漸變耦合區(qū)中，當兩芯區(qū)非?？拷鼤r，它們的模式場會相互重疊，光功率將以相干耦合的形式從一個芯區(qū)耦合到另一個芯區(qū)，稍后又耦合回來，在兩條纖芯間來回振蕩。只需在適當位置終止耦合（兩條光纖分開），則可以按預期的比例將光功率注入指定的光纖。顯然，單模光纖耦合器的制造難度比多模光

12、纖更大。實際上無論是多模還是單模光纖耦合器的制造工藝都是精密控制下的全自動過程，質量控制非常嚴格，以至于單模光纖定向耦合器的超額損耗可以低于0.1dB，但單模光纖耦合器的耦合比較難控制。圖2.32×2的可調光纖定向耦合器圖2.3為2×2的可調光纖定向耦合器示意圖，兩塊玻璃或石英襯底事先磨拋并切割出適當半徑的弧形槽，將兩根裸單模光纖嵌入槽內并穩(wěn)妥粘結。研磨光纖包層材料直至芯區(qū)非常接近表面，表面拋光后兩部件按圖示對接起來，即完成耦合器的制作。保持光纖軸線平行，在垂直于軸的方向上推動滑塊則可改變兩根光纖之間的耦合比。在2×2的光纖定向耦合器中，光束從輸入端口Input進

13、入耦合器，在耦合區(qū)中從一根光纖（圖2.3中Output1所對應的光纖）耦合到另一根光纖（圖2.3中Output2所對應的光纖）中，耦合到輸出端口Output2的光功率可通過耦合比計算得出。耦合比為光纖耦合器各輸出端口的輸出功率占總功率的比值，計算公式為CR（dB）=-lg（Poi/P總），也可用百分比表示CR（%）=（Poi/P總）×100%。耦合比與耦合器的耦合區(qū)長度及間隔等有關，本次設計將使用光學仿真軟件來進行光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系仿真，并進行簡單的分析。2.2光纖耦合器的類型及結構光纖耦合器的類型有Y型耦合器、2×2星狀耦合器、n×m耦合器、波

14、分復用器，耦合器的結構有光纖型、微器件型、波導型等，其中光纖型耦合器根據制造方法又分熔錐型和研磨型。以下為常用光纖耦合器的簡單圖示。圖2.4 Y型耦合器圖2.5 2×2耦合器圖2.6星狀耦合器圖2.7波分復用器圖2.4為Y型耦合器，這是一種3端口耦合器，其功能是把一根光纖輸入的光信號按一定的比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。這種耦合器主要用作不同分路器的功率分配器或功率組合器。圖2.5為4端口耦合器，這是一種2×2耦合器（2×2星狀耦合器），用來完成光功率在不同端口間的分配。它可用作定向耦合器或分路器，但不能用作合路器。圖2.6

15、為星狀耦合器，這是一種n×m耦合器，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n可以不相等，一般用作多端口功率分配器。圖2.7為波分復用器（合波器/分波器），它可對多個不同波長的信號進行結合（合波器）或分離（分波器），因而不僅涉及光功率的分配，還涉及不同波長的分配，因而可看作是一種特殊形式的光耦合器。耦合器的結構有光纖型、微器件型、波導型等，其中光纖型耦合器根據制造方法又分熔錐型和研磨型。熔錐型光纖耦合器，為把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術制作的各種器件。這種方法可以構成Y型耦合器、定向耦合器和波分復用器等。它是將兩根或多根光纖，把涂覆蓋層去掉清洗干凈后

16、，擰成麻花狀，然后在加熱熔融狀態(tài)下邊加熱邊向兩邊拉伸而成，中間部分是啞鈴狀的雙錐體。研磨型光纖耦合器，它是將兩根光纖一邊的包層磨掉大部分，剩下很薄的一層，然后將兩根光纖經研磨的一側拼合在一起，中間涂上一層折射率匹配液而制成，于是兩根光纖可以通過包層里的消失場發(fā)生耦合，得到所需的耦合功率。由于其耦合機理也是利用消失場耦合，因而其特性和原理類似于熔錐型光纖耦合器。微器件型耦合器是用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學器件構成的耦合器。波導型耦合器是在一片平板襯底上制作所需的光波導而制成，襯底做支撐體，同時又做波導包層，波導材料一般用Sio2，橫截面為矩形或半圓形。耦合器等無源器件是光纖傳輸系統(tǒng)

17、的重要組成部分，只有深入掌握它們，了解它們的工作原理、結構以及各項性能指標，才能設計出適合不同需要的光纖系統(tǒng)。3 Beamprop的使用簡介Beamprop是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學院及產業(yè)公司的開發(fā)設計人員廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法 (Finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和設計光學器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路CAD設計系統(tǒng)，且可控制相關的模擬參數

18、，如：數值參數、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值特性。它一般專門用來做光波導的模擬仿真。下面來簡單介紹一下Beamprop的基本操作。1點擊RSoft CAD-Layout進入操作界面，如圖3.1所示。圖3.1RSoft CAD-Layout操作界面2在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，或點擊“File”中的“New”按鈕，新建文件，這時會出現新建文件的基本參數選擇窗口，如圖3.2所示。圖3.2基本參數選擇窗口其中的主要參數有所新建的文件的類型（Waveguide Mo

19、del Dimension）2D或3D，仿真工具（Simulation Tool），在本次設計中用“Beamprop/BPM”，材料折射率的選擇等，所設計的光纖芯區(qū)的折射率為Background Index的數值加上Index Difference的數值。3在圖3.2中點擊“OK”進入畫圖界面，如圖3.3所示，在左邊的工具欄中選擇畫圖的線條類型，直線或曲線等。圖3.3畫圖界面4完成畫圖后，點擊“Edit Pathways”進行路徑設置，界面如圖3.4所示；點擊“Edit Monitors”進行仿真監(jiān)控變量的相關設置，界面如圖3.5所示；點擊“Edit Launch Field”進行信號源的參數

20、設置，一般選用默認值。點擊“Edit Symbols”可以修改或新建變量來該變所設計的光纖的長度、寬度等，操作界面如圖3.6所示；還可以點擊“Edit Global Settings”來重新設置材料的基本參數圖3.4路徑設置界面圖3.5監(jiān)控變量設置界面5完成各項參數的設置后，點擊“Perform Simulation”進行仿真，仿真結果顯示窗口如圖3.7所示。點擊“Display Index Profile”還可以查看波導橫截面的結構，點擊“Compute Fundamental Mode”可以查看光在波導中傳輸時的分布情況。圖3.6 Symbols變量修改操作界面圖3.7 仿真結果顯示窗口在

21、仿真結果顯示窗口中還可以選擇多種三維視圖來觀察仿真結果，下圖為一種三維視圖。圖3.8仿真結果的一種三維視圖以上的內容簡單介紹了Beamprop軟件的簡單的基本操作，應通過實踐操作來深入掌握該軟件的使用。4耦合比與耦合區(qū)長度的關系仿真4.1光纖耦合器的繪制進入RSoft CAD-Layout，點擊新建文件，選擇所繪制的光纖耦合器的基本參數，選擇情況如圖4.1所示，芯區(qū)折射率為1.4629+0.0053=1.4682，芯徑（直徑）為8.2um。所繪制的光纖耦合器的可變參量（耦合區(qū)長度、間隔等）的設置如圖4.2所示。圖4.3為所繪制的光纖耦合器的圖示。圖4.1光纖耦合器的基本參數圖4.2光纖耦合器的

22、可變參量圖4.3所繪制的光纖耦合器繪制好光纖耦合器后，可以通過點擊左邊工具欄中相應的按鈕來修改耦合器的參數，如耦合區(qū)長度等。4.2仿真的前期準備在進行本次課程設計的光纖耦合器的功能仿真前，需要先設置光纖路徑，設置窗口如圖4.4所示；設置光源的參數，設置窗口如圖4.5所示，一般設置為默認值（單模光），本次設計的仿真也是采用默認值；為了便于觀察分析仿真結果，還需設置監(jiān)控變量。圖4.4路徑設置窗口圖4.5光源參數設置窗口4.3仿真結果本次設計進行的是光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系仿真，所以在耦合區(qū)間隔（separation）等參量不變的情況下，只需在繪制好的光纖耦合器中修改可變參量length

23、（耦合區(qū)長度）的值，就可以得出多組不同耦合區(qū)長度的單模光纖耦合器的仿真結果，從而得出光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系，找出本次設計的光纖耦合器的最佳耦合區(qū)長度。本次所設計的光纖耦合器的耦合區(qū)間隔的值固定為-1um。通過多次改變所設計的光纖耦合器的耦合區(qū)長度，觀察分析仿真結果，發(fā)現所設計的光纖耦合器的最佳耦合區(qū)長度約在275um285um之間，此時從光源輸入光纖耦合到另一根光纖輸出端口的光功率最大。以下為不同耦合區(qū)長度下的耦合仿真結果：圖4.6耦合區(qū)長度為80um的仿真結果圖4.7耦合區(qū)長度為200um的仿真結果圖4.8耦合區(qū)長度為260um的仿真結果圖4.9耦合區(qū)長度為270um的仿真結果

24、圖4.10耦合區(qū)長度為275um的仿真結果圖4.11耦合區(qū)長度為280um的仿真結果圖4.12耦合區(qū)長度為285um的仿真結果圖4.13耦合區(qū)長度為290um的仿真結果圖4.14耦合區(qū)長度為350um的仿真結果圖4.15耦合區(qū)長度為380um的仿真結果以上各仿真結果圖中，Monitor Value中藍線為始發(fā)光纖中的光強分布，即1.Mode，綠線為目標光纖中的光強分布，即2.Mode。通過對仿真結果的比較分析可得，所設計的芯區(qū)折射率為1.4692，芯徑（直徑）為8.2um的兩根光纖組成的耦合區(qū)間隔為-1um的光纖耦合器的最佳耦合區(qū)長度約為280um，此時的耦合比約為70%，即約1.55dB。下面的圖4.16、圖4.17為耦合區(qū)長度分別為280um時的仿真結果三維視圖、光在波導中傳輸時的分布情況圖示。圖4.16仿真結果三維視圖圖4.17光在波導中傳輸時的分布通過對以上仿真結果的分析可得光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長度的關系：在耦合區(qū)間隔等參數一定的條件下，在一定范圍內，隨著耦合區(qū)長度的增大，耦合比也隨之增大，并有一個使耦合比達到最大