使用Rsoft对FBG光纤光栅的光谱仿真

1、课程设计任务书学生姓名：陈湘宝专业班级：电子科学与技术0901班指导教师：葛华工作单位：信息工程学院题目：Bragg光纤光栅的光谱仿真初始条件：计算机、beamprop软件要求完成的主要任务：1、课程设计工作量：2周2、技术要求：(1)学习beamprop软件。(2)设计Bragg光纤光栅的光谱仿真(3)对Bragg光纤光栅进行beamprop软件仿真工作。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2012.6.25-6.28学习beamprop软件，查阅

2、相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。2012.6.29-7.5对Bragg光纤光栅进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2012.7.6提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名：系主任(或责任教师)签名:摘要I.AbstractII1光纤光栅简介1.2BeamPROP软件介绍2.3光纤光栅的绘制与设置3.3.1 光纤光栅波导的全局设置3.3.2 光纤光栅的绘制4.3.3 光路的设置7.4光纤光栅的仿真8.4.1 光栅XZ切面图8.4.2 波形仿真9.4.3 参数扫描105心得体会1.36参考文献1.4.摘要光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤

3、芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。本文介绍的是通过BeamPROP软件进行光纤光栅的光谱仿真，以及讨论了不同参量对光谱图的影响。本文包含了光纤光栅的基本原理、BeamPROP软件介绍、以及进行光谱仿真的具体步骤。关键词：光纤光栅；BeamPROP光谱仿真AbstractOpticalfiberBragggratingisusingfibrematerialphotosensitivesex,throughthemethodofuvexposurewillincidentlighttoacoherentpatt

4、ernfibercore,infibercorealongthefiberaxiswithinthecoretotherefractiveindexcyclicalchange,soastoformthepermanentspacephasegrating,anditsfunctionisessentiallyinfibercoreisformedinanarrowbandfilterormirrors.ThispaperintroduceisthroughtheBeamPROPsoftwareinthespectrumoffibergratingsimulation,anddiscussed

5、thedifferentparameteroftheinfluenceofthespectra.Thisarticlecontainsfibergrating,thebasicprincipleofsoftwareisintroduced,andBeamPROPspectralsimulationofthespecificsteps.Keywords:fibergrating;BeamPROP;spectrumsimulation1光纤光栅简介布拉格光纤光栅(FiberBraggGrating)简称为FBG。在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，具作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或

6、反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。由于光纤本身的低损耗、抗电磁干扰，它在远距离通信中的到了广泛应用，并随之在通信、传感等领域得到重视和应用。经过近二三十年的研究与实践，光纤光栅迅速了很大发展，种类也迅速增加，出现了各种非均匀光纤光栅，1996年又出现了长周期光纤光栅。在实际需要的推动下，光纤光栅家族不断得到完善和丰富，也在通信和传感领域起到了无法替代的作用。具光谱图如图1.1所示。图1.1光纤光

7、栅光谱一nro)J0MOCL£右-在2BeamPROP软件介绍RSoft是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。此软件由美国RSOFT公司出品，其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数。RSoft是一款非常实用的光波导仿真软件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多种算法,使得它能够适用于各种不同要求场合。BPM计算方法也有多种形式，其中有限差分波束传播法（FD-BPM）得到了最广泛的应用，FD-BPM可以实现很准确的设计计算，同时可以允许较大的计算步进。我们使用的软件主要基于这种方法。其操作页面

8、如图2.1所示。图2.1RSoft的操作界面3光纤光栅的绘制与设置3.1 光纤光栅波导的全局设置首先，打开BeamPROPCAD-Layout程序，开始这次的波导的总体设置。在菜单中选择“NewCircuit,'在BPMOptions一项选择3D的波导，其中波导类型选择Fiber,然后依次修改其中的“FreeSpaceWavelength°backgroundInde擀'参数，参数设置如图3.1所示。图3.1光纤光栅的全局设置定义完全局后，开始定义变量。点击“EditSymbol啾钮进行变量定义。其中我定义了Period、Lin、Lout、M、delta_gratin

9、g等4个变量。如图3.2所示.Naine:Expression:CurrentValue:iid0LinloutMPeriodalphabackground_indeKbd_bpiiLbd.tolhounidary_maMboundary_iiLindeltadeltingfree_space_wavelengthrrYiHTi=4*Period.1OL4oO11maxAcceptSymbolRejectSymbolNewSymbolDeleteSymbolOKCancel图3.2变量定义表3.2 光纤光栅的绘制光纤光栅一共分3层。第一层的参数设置如图3.3所示。StrucliureType.

10、RfciiltType:DefaltPositionTapef：NeneSabols.OKDefaL*IndexTapeNoneLayerj.CancelComtneModeDefaUtWidthTapeHeightTapeYP<kTaper:NoneWidthMeasure:SegiOrientation:Tapers.AfcOata.De后，r：NonezAxisf；|NorwProffes.More.ii_hf_J_If.Jr1J1nrrnuMatetialPiopeitiBs:|LocallyDefanPiopeitiiK：|LocallyDelirr.：_JIndteicDif

11、ference:Inde(imag口醵.WaveguicfeWidth:WaveguideHeight|deltaIndexDrfferaice:Inde*(imagp&UWaveguideWidth:Wavegui而H自小itdata|alphapMdlh|而dUiIheiglitheigh1:YPosition:0YPosition:0X:z：X:z：10|0|0PReferenceType-Nore广OffsetAngleParameterValue:ReferenceTje:$iNoneCONset广AngleParameterVaLie:ReferenraTjeNoneOff

12、setAngleParameterValue:ReferenceTjae:,r-,Nome齿DflsetAngleParameterVaLe:ReferenceToiConiHieint|o-ReferenceTo:CompnnenL-|oReferenceTo:|LinReferenceTo:ComponanL|iComponenLpi-VerierVerlflKVerteK.o-Vertexo-图3.3第1层的参数设置StartingVertexMaferiaiProperties1ndexDiference:|delta_grahing1ndexmnagpart):alphaWjvegu

13、idtWidth|width_gr4irigWavejideHeiflH：|heigMYPosition:10X:Z|0ReferenceType:广NoneOffsetAngleParwieteiVAe:ReferenceTypeNeneOffset.AngleParameterValye；oReferenceTo:Component:|i-Vertex:|oReferenceTo:ComponentJVertai；Endingvertex:MaterialPlopaliescLocallyDeltriedjJIndewDifierence:|deltaIndex(inagpart):alp

14、haWavegiAdeWidth：vvidthWaweguideHeight|height丫Position:|oXZiI-仁RefaenceType:ReferenceType:户NoneNoraaOffsetOffset'AngleAngleParwnetwValue;P«anwlerValue|o|MHPeiiodReferenceTo:ReferenceTo:Component:|2Component:|2Vertaii口Vertex|o图3.4第2层的参数设置PropertiesforSegmenti3SbuctureType:Default二PositionTap

15、es:NoneTProfileType:DefaultdIndewTapef：NoneTCombineMode:DefaultWicfthTapet:NoneWidthMeasure:Default*HeightTapet:NoneSegOrientation:zAxisYPosTapecNoneSymbols.OKLayers.CancelTapers.ArcDataProfiles.More.StartirgyerteKEndmgVertexMaterialProperties:1LocallyDefinedMaterialPioperties:ILocallyDefined一JndscD

16、ifference:Indacfimagpart):|de*a；alphaIndexDiWerence:Index(imagpart):1.deltaafcihaWaveguideWidthcwidtihWaveguideWidttr,widthWaveguideHeightYPosition:Xhaght0z：WaveguideHeight:YPositionX:height0zReferenceTjpe:None才OffsetAngleParameterValue:位ReferenceTypeNone*OffsetrAngleFaiameteiValue|0FiefsenceTyperNo

17、ne*Offset"AngleParameterValue|24ReferenceTipe:None*'OffsetAneParameterVaSue:(oReferaiceTo:Component:Vertexh相ReferenceTo:Coiriponent:|2Vertex:yoReferenceTo:Componentj3Vertex:ijLoutReferenceTocComparent:Vertex:。StructureType:RofileType:CombineMode:WidthMeasure:Default二PositionTaper:|Mone.Symb

18、ols.QK|Default工lndexTaper:|(jseriCancelDefault二WitihTaperUserl二TapBrs.ArcDMa.RfifAljIt-HeittitTapei.iNnne-SegOrientation:z,-xis二)VPusTaper:|Hone二|Piofiles.More.光栅的第2、3层的参数设置如图3.4、图3.5所示。光栅的绘制过程中，我通过鼠标的点击与拖动画出三层光栅，通过对每个光栅的位置的设定可以实现第二层的首端与第一层的末端连接，第三层的首端与第二层的末端连接。第二层的Useri的设定如图3.6所示。图3.6Useri的定义为了以示区别

19、，我把中间的一层光栅的颜色设置为yellowo然后通过右键点击光栅层对每层分别进行设置，最后生成的光栅图形如图3.7所示。图3.7光纤光栅的波导3.3 光路的设置把光纤光栅绘制好后，就需要定义光路了。点击左侧工具栏中的“EditPathway敢锦,然后点击“NeW将三层光波导涂成绿色。如图3.8所示。ii矗图3.8定义光的路径然后点击“MoNtors打外监测器对话框，连续点击两次“Ne%让第一个保持默认状态,第二个监测器，将"MonitorComponents“MajorBackward：如图3.9所示。图3.9监视器1和监视器2的定义4光纤光栅的仿真4.1光栅XZ切面图点击“Com

20、puteIndexProfile®钮：将“DisplayMode!先择为"ContourMapXZ）”，将“ZComputeStep和“SliceStepS置为0.25,如图4.1所示。观察的切面图如图4.2所示。iX.k;SiBulationParamctera-ConputeIndexProfile图4.1ComputeIndexProfile的设定gSt工；iqu'UPContourMapofindexProfileatx=o-8-6-202468¥（出霜）图4.2光栅XZ切面图4.2波形仿真为了进一步观察光在波导中传输时的分布情况。点击“Perfo

21、rmSimulation图标打开仿真对话框。仿真对话框的参数设置如图4.3所示。点击“Bidirectional按钮以及修改“Toleranc的“5e-005。仿真结果，如图4.4所示。ParasettrsDomainMineDomainMax：CcwnputtStep.SliceStep:MonixxStep：CurentDefaultUseCurrent0而uteUseCurentVaIusVlueDe#sValueVakieDefsValufiDefaultUseValueDeffi|o12424025R25万“厂厂方LaunchDisplayMode;口即雄FiePrefix:Esti

22、matedIime:U045minSymbck.!ContourMap1SaveSettingsAdvanced.Display.jOutpit.j0KBidirectional.Cancel图4.4仿真结果的波形图4.3仿真对话框的参数设置4.3参数扫描点击“PerformParameterSc敲钮弹出对话框，设置如图4.5所示。设定好参数之后,得到正确的仿真结果如图4.6所示。ScanTsciableModeSetScriptModerINNERITERATIONpT«_spare_!wavetensJVariableName:StartingValue:EridingValue

23、;IncremehkScanOulpUlPiefe:MetaOutputPisfe:Pne-Proc&ssCmd.Post-PioeessCmdRunOption:MirwriEeSimufaIronRunScrplKE回-.9.87,G,543.2o.o.o,o,o,o,o.0sInd-noo±£uowCancel图4.5参数扫描对话框Y:1.Q46Hfreespacewavelengthx：1,295干图4.6仿真波形图5仿真波形讨论5.1改变GlobalSetings的设置通过改变GlobalSetings中的自由空间波长和BackgroundIndex的大小

24、可以让波形左右移动。仿真波形随着波长和折射率的变化而变化，如图5.1所示。1.0中“冷”£ulxtuu虹ent仃卬cmurourera-10nuujuanFreeSpaceWavelength:1.4BackgroundIndex:|1,35IndexDifference:|0.01WaveguideWidth:WaveguideHeight:fe,9,a,2o.o.c,0.o.().o.c.5d4no占七e口苣hrProfileType:FreeSpaceWavelength:BackgroundIndex：IndexDifference:WaveguideWidt

25、h:WaveguideHeightProhfeType;fre-s_spacejavelengthFreeSpaceWavelength:FlGBackgroundIndex:IndeKDifference:WaveguideWidth:WaveguideHeightProfileType:FT55fooiIeStepIndexfree_spac_w曰wWngtli图5.1仿真波形随波长和折射率的变化M、Period和delta_gratingM、Period和delta_gratingM的变化，仿真波形随M7£lq.43o.o.O.(.O.In.。bvuog1.5L6fraa_3p

26、ace_wavelength。卫-0.1-0.0玉43第0.0,0.-sdlrbQjo七5W1.41.516什吕日ce_wav&lenglh1.7M=40,Period=0.5M=50,Period=0.5fr66M5pa&_wav6l8ngmfree_spacewavelenglh5.2改变变量M的设置GlobalSetings的设置保持开始的设置不变，通过改变变量的大小的设置可以让波形的顶点上下移动。仿真波形随着变量的变化而变化。由于三种变量的讨论大致相同，我们只讨论了的变化如图5.2所示。L0帘野田而登照密柏演斑掷好阴短如的神口笛耻哥:口密耐用-01*，0.

27、9-0.8-M=60,Period=0.5M=70,Period=0.5图5.2仿真波形随M的变化6心得体会通过本次课程设计，我重新学习和弄清楚了光纤光栅的原理及其设计，并且初步学会用BeamPROP进行仿真。课程设计也让我学会了要充分的查找资料，利用身边的资源以及学会冷静的面对课程设计中出现的问题，从而去有效地解决问题。在课程设计过程中，收获知识，提高能力的同时，我也学到了很多人生的哲理，懂得怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。同时我也明白对任何事情如果付出越多，那么你收获也就越多。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力。我明白了，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。对这门课程的最大收获除了学习到了知识以外，更重要的是让我明白了一个道理：只要全身心的投入到一件事中，并且要有持之以恒的决心