光电子单模光纤的基模计算.doc

武汉理工大学光电子技术课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 单模光纤的基模计算初始条件：计算机、Beamprop软件(或Fullwave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(或Fullwave软件)。（2）单模光纤的基模计算。（3）单模光纤的基模计算进行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(或Fullwave软件)，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。2012.6.29-7.5单模光纤的基模计算进行设计仿真，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： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日12目 录摘 要IAbstractII1 绪论12 Beamprop介绍23 单模光纤的简介33.1单模光纤的定义33.2 光纤结构与单模条件34 仿真步骤54.1 模拟环境参数基本设置54.2 光纤单模的基模计算分析84.3 基模的仿真85 心得体会11参考文献12武汉理工大学光电子技术课程设计说明书摘 要单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10m)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这样，1.31m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31m常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITUT在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。 关键字：单模光纤 色散 工作波段Abstract Single-mode fiber (Single Mode Fiber): very fine center glass core (core diameter is usually 9 or 10m), can only transfer a pattern of light. Mode dispersion is small, suitable for remote communication, but also the existence of material dispersion and waveguide dispersion, so that single-mode fiber have high requirements on the light source spectral width and stability of the spectral width is narrower, stability better. Later it was found in the 1.31m wavelength, single mode fiber material dispersion and waveguide dispersion is positive, one negative, the size exactly equal. 1.31m wavelength area has become a very good window of optical fiber communication, but also practical optical fiber communication systems working band. 1.31m the main parameters of the conventional single-mode fiber by the International Telecommunication Union ITU-T G652 recommendations to determine, so this fiber is also known as G652 fiber.Keywords: single-mode fiber dispersion in the working band1 绪论光纤是一种介质波导，在光纤内传输的导波有各种不同模式。对于一定波长的光，它在光纤内传输时包含哪些模式，取决于光纤的内部结构(n1、n2、a和b的数值)。在光纤传输理论中，通常以归一化频率V来表征光纤的特性，理论分析表明，各模式在V逐渐变小达到某数值时将会截止，即V小于某一数值以后，该种模式将不能在光纤中传输，弱波导纤维各低阶模式的截止归一化频率如下： LP01模 Vc=0 LP11模 Vc=2.405 LP21模 Vc=3.832 LP02模 Vc=3.832从以上数据可以看出，LP01模的截止频率等于0，即不论V等于什么数值，它都可以在光纤内传输，所以称为基模，在Vc时，只有基模传输,各高阶模都被截止。2 Beamprop介绍BeamPROP 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，1994年投入市场，被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。此软件使用先进的有限差分光束传播法 (finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。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，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。这里介绍几个方面的内容: 路径(Pathway)、监视器(monitor)、输入场(launch field)、仿真(simulation) 。在左边工具条上可以找到相应的按钮。Pathway是设计者需要观察光波传输情况的一条路径,Pathway的定义不改变波导的结构。通常一条路径应该包括广场输入部分的波导,你希望对光场进行观察的位置的波形,可以定义多条路径,软件自动编号。监视器(monitor)与Pathway相联系,观察指定Pathway中(或输出端)的光场， 就相当于实验中的示波器，可以定义多个monitor,软件自动编号，输入场(launch field)是仿真时必不可少的,是计算的初始条件。3 单模光纤的简介3.1单模光纤的定义根据光纤中的传输模式数量分类，光纤又可分为多模光纤和单模光纤。在一定的工作波长下，多模光纤是能传输许多模式的介质波导，而单模光纤只传输基模。单模光纤中只有基模在进行传输，因此粗略地讲，模场直径就是在单模光纤的接收端面上基模光斑的直径，也可以极其粗略地认为模场直径d 和单模光纤的纤芯直径相近。当光纤的归一化频率V小于其归一化截止频率Vc时，才能实现单模传输，即在光纤中仅有基模在传输，其余的高次模全部截止。 就是说，除了光纤的参量如纤芯半径，数值孔径必须满足一定条件外，要实现单模传输还必须使光波波长大于某个数值，即c，这个数值就叫做单模光纤的截止波长。 因此，截止波长c的含义是，能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长。也就是说，尽管其它条件皆满足，但如果光波波长不大于单模光纤的截止波长，仍不可能实现单模传输。 3.2 光纤结构与单模条件光纤的基本结构是两层同心圆柱状介质，如图3.1所示。内层为纤芯，外层为包层。纤芯的折射率比包层折射率稍大。当满足一定条件时，光波就能在纤芯和包层之间发生全反射，从而使光波沿着纤芯向前传播。实际的光纤在包层外面还有一层保护层，以便保护光纤不受污染及损伤。 图3.1 光纤的结构光纤通常由纤芯和包层组成，纤芯折射率大于包层折射率。本实验设计图3.2所示的阶跃折射率光纤。光纤中通常能传输多个模式，不同模式的场分布不同，基模场分布如图3.2所示。图3.2 光纤中基模（HE11模）场分布光纤中单模传输的条件为， （1）其中，为归一化频率，表示为 。 （2）可见，光纤中的模式与传输波长、光纤半径、芯层折射率、包层折射率有关。由（1）和（2）式可得光纤的截止半径为 。 （3）4 仿真步骤4.1 模拟环境参数基本设置打开BeamProp软件所在文件夹，打开CAD Layout程序，开始这次的光谱仿真。首先在菜单中选择“New Circuit”，然后修改其中的“Free Space Wavelength”、“Background Index”、“Index Difference”和“Waveguide Width”参数，参数设置如图4.1所示。图 4.1 点击后弹出基本设置对话框，波导的一些基本特性参数需要在此设定。我们模拟目前光通信系统中应用最为广泛的掩埋型二氧化硅波导（channel型）。变量取值意义Free space wavelength1.55um和1.32um光源波长Background index1.4632芯层折射率Index difference0.01包层和芯层折射率差表 1 首先画一根直波导。点击”Segment mode” （新建文件时默认就是此模式），如上图红圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一处单击鼠标左键，在任意另一处再单击左键，即可画出一条波导，如图 4.2所示图 4.2 图 4.3目前为止，画出的波导是任意的，我们还需要对它进行设置，将鼠标移动至波导上（红色区域上），再单击鼠标右键，会弹出波导的设置菜单。主要需要调整波导的位置。在Rsoft软件中，波导位置是由首尾两个坐标确定的，并且BPM计算的光是只沿着z轴传播（即竖直方向）具体设置见图4.3图 4.4 调整后的波导 单击后左侧工具栏会变成路径设置栏。点击”New”按钮，会新建一个路径，再左键点击我们画好的波导，使路径与波导相一致（此时波导会变绿色），如图4.5所示图 4.6图 4.5 然后再点击”Monitors”按钮，会弹出一个小对话框，设置一个与路径相匹配的探测器。按照图 4.6提示设置完后，点击对话框的”OK”按钮回到路径设置模式，再点击左侧的”OK”按钮回到画图模式。 再进行光源的设置。单击左侧工具栏中的”Edit Launch Field”按钮，如图4.7 设置完成点击”OK”。至此，模拟环境已基本设置完毕。再模拟前，要需先将文件保存下来。点击左上角”Save”按钮即可，注意在文件保存的路径中不允许出现空格和中文，务必注意！图 4.74.2 单模光纤的基模计算分析 根据公式（1）和公式（2）中，把v=2.405，相关光纤半径、芯层折射率、包层折射率的参数（如表1所示），后三者的数值是确定的，所以可以计算出理论的截止波长为：1.83um。 然后根据理论的截止波长不断改变波长，进行仿真，求得实际的截止波长。因为的根据所仿真出来的三维图形，当处于截止波长时图形的波导中传输时的分布情况只有单峰的情况，据此可求得是实际的截止波长。其实际为1.55um。4.3 基模的仿真 观察光在波导中传输时的分布情况。单击左侧工具栏下方的”Compute Fundamental Mode”按钮1） 根据模拟环境参数基本设置，在最先的参数设置中设置波长为1.32um。单击左侧工具栏下方的”Compute Fundamental Mode”按钮的。可仿真出来如图 4.8所示图 4.82）同理，根据模拟环境参数基本设置，在最先的参数设置中设置波长为1.55um。然后进行基模仿真，可得出图4.9 4.10所示的分布图图 4.9 点右上角的“View Graphs”可以根据视图模式的改变模拟出下两幅图：图 4.10 相对图4.8所示的三维图，图4.10的分布图只有一个单峰。 其实在此过程当中不仅仿真的了1.32um波长的，还不断尝试了其他波长的比1.55um的波长，在相对比较过程之中发现大于等于1.55um时的分布三维图可观测到单峰。在其他过程中当m=n时，即波导出现m个模式时出现n+1个波峰。5 心得体会通过本次课程设计，我重新学习和弄清楚了单模光纤的模式计算，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。课程设计也是同学们之间相互交流和学习的好机会，通过与同学的交流可以了解到别人的好的想法及思路，这将给我们的设计带来极大的帮助。课程设计是很有意义的，更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学