光电子课设--光谱光栅分析.doc

武汉理工大学光电子技术课程设计说明书16目录摘要IAbstractII绪论11光纤光栅21.1 光纤光栅简介21.2 光纤的基本结构与模式21.3平面光栅31.4 光纤光栅谱41.5 光纤光栅的应用42 Beamprop介绍63光谱仿真73.1 BeamProp参数设置步骤73.2 检查指数资料93.3 分析建立103.4 仿真103.5 在波长上的扫描114 心得体会13参考文献14摘要光纤光栅是在光线中制作的一种无源器件，在光纤中沿轴向建立一种折射率周期性的分布，它能够对特定波长附近一定带宽内的光具有反射或损耗作用。早期的光纤光栅是指光纤布拉格光栅，直到出现了长周期光纤光栅后，才有了两种分类。本文介绍的是通过Beamprop软件进行光纤光栅的光谱仿真，Beamprop是一款实用性非常强的光学应用软件，本文包含了Beamprop软件的介绍、光纤光栅的原理以及进行光谱分析及仿真。关键词：光纤光栅；Beamprop；光谱仿真AbstractThe fiber grating is a passive device in the procedure of light, the fiber along the axis to create a periodic refractive index distribution, it can be near a particular wavelength of light within a certain bandwidth, or loss of effect with reflections.Early fiber grating is the fiber Bragg grating, until after a long period fiber grating, only two categories. This article describes the software through Beamprop fiber grating spectral simulation, Beamprop is a very strong practical optical applications, this article contains Beamprop software introduction, the principle of fiber Bragg grating and spectral analysis and simulation.Key words: fiber grating; Beamprop; spectrum simulation绪论光电子器件的进步推动了光纤通信的发展，器件出现了包括光纤光栅在内的各种光纤器件。由于具有低损耗、大带宽和不受电磁干扰等特点，光纤已成为现代通信网络中的重要传输媒介。而光纤光栅是最近几年发展非常迅速的光纤无源器件，光纤光栅通过一定的方法在光纤纤芯形成永久性折射率周期性变化的光纤器件，实质上是纤芯折射率发生周期性变化的一段光纤。光纤光栅的应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的，逐渐在实际中得到应用。1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现纤芯掺入锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干扰法制成了世界上第一根光纤光栅。光纤的光敏性主要是指光纤的折射率在受到某些波长的激光照射后，会发生永久改变的特性。在平面介质光波导中，布拉格光栅的应用较早，主要应用于半导体激光器中，而后出现了光纤布拉格光栅，随着光纤光栅写入技术的成熟，光纤光栅在光通信和传感中得到广泛应用，特别是在光通信领域。光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的特性和应用有许多不同之处，也有类似的地方，都可用于通信和传感等领域。1 光纤光栅 1.1 光纤光栅简介光纤光栅是在光纤中制作的一种无源器件，在光纤中沿轴向建立一种折射率周期性分布，它能够对特定波长附近一定带宽内的光具有反射或损耗作用。早期的光纤光栅是指光纤布拉格光栅，直到1996年出现了长周期光纤光栅后，光纤光栅按照其工作原理的差别，被分为光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。牵着周期较小，在通常的光通信波段，周期在微米以下；后者周期分布较宽，可以从数十微米到几百微米，但从理论上说也可以小到数微米。光纤布拉格光栅，是由于光栅的存在，而使在光纤中前向传输的纤芯模和后向传输的纤芯模之间发生耦合，也就是前向传输的纤芯模被耦合到后向传输的纤芯模中，实质上相当于在光纤中放置了一个反射镜。长周期光纤光栅，是由于光栅的存在，而使光纤中的前向传输的纤芯模被耦合到同向传输的包层模中，由于光纤的包层和保护层之间的界面的不均匀性，包层模在传输不长的距离后被损耗掉，实际上，长周期光纤光栅相当于使纤芯模受到了损耗或衰减。1.2 光纤的基本结构与模式光纤光栅的理论研究及很多特性都和光纤的基本结构与模式密不可分，因此，本节简单介绍光纤的一些基本概念，包括光纤的结构和模式（纤芯层和包层模）。光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质光波导，通常是两层或多层同心圆柱形。光纤把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内，并引导广播沿着光纤轴线方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。光纤的基本结构是两层同心圆柱状介质，如图1.1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。没有保护层的光纤外面是空气，称为裸光纤，在分析光纤光栅特性使通常考虑的是裸光纤。图1.1 光纤的基本结构光纤按折射率分布的方式分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。前者纤芯折射率的分布是均匀的，在纤芯和包层的界面处折射率发生突变或跃迁；后者折射率按一定函数关系随纤芯半径而变化。在对光纤光栅的定量分析中，一半以阶跃折射率光纤为例。1.3 平面光栅光纤光栅的一些特点可以用平面光栅的一半原理加以说明，取样光纤光栅的光谱结构也和平面光栅的衍射光谱类似，如存在缺级现象等，因此，这里对物理学中的平面光栅作简单介绍。光栅是一种具有周期性结构的光学元件，常见的是物理学中的平面光栅。还有一种光栅是计量光栅，它和平面光栅类似，但栅距较大，主要用于位移精确测量。平面光栅是一种多光束干涉的光学元件，光纤光栅同平面光栅一样，也是一种具有周期性结构的多光束干涉的光学元件，它的一些特性可以用平面光栅的原理定性说明，不少文献利用这种方法对光纤光栅作了初步说明，下面简单介绍一下物理学中的平面光栅。大量等宽度的狭缝等间距地排列起来形成的光学元件就是平面光栅。在一块很平的玻璃上刻出一系列等宽度、等间距的刻痕，刻痕处相当于毛玻璃，光无法透过，两条刻痕之间相当于一个狭缝，可以透光，这样做成的光栅是一种平面透射式的光栅，如图1.2所示。 图1.21.4 光纤光栅谱光纤布拉格光栅对光纤中传输的光具有反射作用，反射光的光谱宽度比较窄，一般可以达到1nm一下，也可以有几纳米。如图1.3左所示，是一种较典型的光纤布拉格光栅的反射谱。长周期光纤光栅能将纤芯模耦合到包层模，相当于纤芯模受到了损耗，从而在输出端形成损耗峰。峰的宽度较大，在数纳米到几十纳米之间，也有更宽的，另外包层模较多，同一个光纤光栅可以将纤芯模耦合到不同的包层模，从而在一定的波长范围内有多个损耗峰。图1.3右是一种较典型的长周期光纤光栅的透射谱（一个损耗峰）。图 1.3 光纤光栅谱1.5 光纤光栅的应用 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。光纤光栅的主要应用有以下几个方面。（1）光纤激光器；（2）半导体激光波长选择和稳定器；（3）光纤放大器增益平坦化器件；（4）色散补偿和脉冲压缩；（5）光上/下路复用器与波分复用/解复用器；（6）光纤光栅在光通信中的其他应用；（7）光纤光栅传感器。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。3光谱仿真3.1 BeamProp参数设置步骤打开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3.1所示。 图3.1 全局设置然后点击“Edit Symbols”按钮进行变量定义，如表3.1所示：变量取值意义Period0.5光栅结构的周期LinPeriod4输入波导的长度LoutLin输出波导的长度M40光栅结构中的总周期数delta_grating0.05光栅结构中的最大指数干扰表3.1 变量定义表然后进行光栅的绘制，通过鼠标的点击与拖动画出三层光栅，其中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，然后每层分别都要进行设置，通过右键点击光栅层就可以修改参数，第一层的参数设置如图3.2所示：图3.2而第三层参数设置就是将末端Z值从Lin修改为Lout。由于第二层需要进行较多修改，所以单独讨论，如图3.4所示，首先将“Index Difference”修改为delta_grating，光栅长度设为MPeriod，还要点击“More”按钮修改“Display Color”为黄色。除此之外，还要对光栅损耗进行定义，选择“Index Taper”修改为图3.3所示，这是非常重要的一步，假若没有这一步，将会发生错误。 图3.3 图3.43.2 检查指数资料为了看清楚光栅结构的指数损耗，我们需要检查XZ plane中的指数资料。点击“Compute Index Profile”按钮就可查看并修改了。如表3.2所示：方面取值描述Display ModeContourMap（XZ）XZ plane为期望值Z Compute Step0.25取值足够小那么我们能看清楚光栅结构Z Slice Step0.25保证光栅结构可见表3.2图3.5 结果3.3 分析建立现在光栅结构已经定义好了，就需要监测器去查看分析。点击左侧工具栏中的“Edit Pathways”按钮，然后点击“New”将三层光波导涂成绿色。然后点击“Monitors”打开监测器对话框，连续点击两次“New”，让第一个保持在默认状态，在第二个监测器对话框中，将“Monitor Component”设为“MajorBackward”。当这两个监测器设置正确后，进行下一步仿真。3.4 仿真点击“Perform Simulation”图标打开仿真对话框。点击“Bidirectional”按钮以及修改“Tolerance”为5e-005。然后在仿真对话框的参数设置如图3.6所示：图3.6然后就能得出仿真结果，如图3.7所示：图3.73.5 在波长上的扫描 点击“Perform Parameter Scan”按钮弹出对话框，设置如图3.8所示：图3.8图3.94 心得体会参考文献1 张自嘉光纤光栅理论基础与传感技术北京：科学出版社