耦合比与耦合区间隔的关系仿真

1、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： 助人为乐 专业班级： 一定通过 指导教师： 不计得失 工作单位： 信息工程学院 题 目：双波导耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系仿真初始条件：计算机、beamprop软件(或Fullwave软件)要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）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）设计双波导耦合器的各项参数。（3）对双波导耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系进行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

2、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：2013.12.9做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2013.12.10-2013.12.14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。2013.12.-2013.12.19对双波导耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系进行设计仿真并完成报告的撰写。2013.12.20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I目录摘要IAbstractII绪论11耦合原理分析21.1 光纤耦合器的基本结构21.2 光纤耦合器的耦合效

3、率31.3 耦合效率的影响因素32 BeamPROP软件简介43 光纤耦合的仿真53.1 光纤耦合的绘制53.1.1 建立波导53.1.2 设置路径与监视器63.1.3 设置位置的变量63.2 仿真结果73.2.1 光纤耦合器的传播路径仿真73.2.2 耦合间隔与耦合比的关系扫描仿真84 总结10参考文献11摘要光纤耦合器又称光定向耦合器，是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件，应用于基于光纤传输的电信网路、区域网路、光纤传感网路等光纤网络中。它们是依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作的，它们的性能指标主要有工作中心波长0、附加损耗、耦合比（分束比或分光比）、分路损耗及反向隔离度等。本文

4、从理论上推导了单模光纤耦合器耦合系数的计算公式。然后结合实际制作条件进行了合理的近似,利用BeamPROP软件仿真，探究了光纤耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系1。关键词：光纤耦合器；单模光纤；耦合区间隔 AbstractFiber coupler, also known as optical directional coupler, the optical signal, splitter, combiner, insertion and distribution of passive components used in fiber-optic telecommunications opti

5、cal fiber transmission network, LAN, fiber optic sensing networknetwork. They rely on the mutual coupling of the waveguide electromagnetic fields to work, their performance work center wavelength 0 is the excess loss, coupling (splitting ratio or coupling ratio), the splitter loss and reverse isolat

6、ion. This paper theoretically the single-mode fiber coupler coupling coefficient formula. Then a reasonable approximation to the actual production conditions, using BeamPROP software simulation, and explore the relationship of the coupling of fiber than the interval and the coupling region.Keywords:

7、 optical fiber coupler; single-mode fiber; coupling interval13绪论光纤耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等2。目前. 国内外普遍采用熔融拉锥法(FBT) 制作光纤耦合器 熔融拉锥法是将两根或两根以上,除去涂覆层的

8、光纤以一定的方式靠拢 .在高温加热下熔融 .同时向两侧拉伸. 最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构.从而实现传输光功率耦合的一种方法。耦合比是光纤耦合器的主要参数之一, 如何获得分光比可调的光纤比 一直是人们需要解决的技术难题。单模光纤耦合器的耦合比与耦合区间的长度和间隔有关系。2x2单模光纤耦合器可看作是两个锥体相互靠近形成的。它的基本思想是: 相耦合的两波导中的场. 各自保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数.耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化.设两波导中的复数振幅为A1(z)和A2(z).由于耦合作用,它们沿途变化.其变化规律可用两联立的一阶微分方程组表示。从而得到光纤耦合器的

9、耦合比的计算公式3。1耦合原理分析1.1 光纤耦合器的基本结构本设计主要针对光纤耦合器，对光纤耦合器的输出特性以及光纤耦合器的耦合间隔与耦合比之间的关系进行探究。光纤耦合器(Coupler)又称分歧器(Splitter)、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域。光纤耦合器可分标准耦合器(属于波导式，双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率)、直连式耦合器(连接2条相同或不同类型光纤接口的光纤,以延长光纤链路)、星状/树状耦合器、以及波长多工器(WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属于DWDM)，制作方式则有烧结(F

10、use)、微光学式(Micro Optics)、光波导式(Wave Guide)三种，而以烧结式方法生产占多数(约有90%)4。在光纤传输系统中,光纤耦合器可以把多根光纤传输的光信号耦合进一根光纤,或将一路光信号分成几路,并对各路的光功率分配比例有明确的要求。光纤耦合器是一个四端口的网络，由两根靠近的光纤组成，分别由有光输入和无光输入、耦合区间、直通臂和耦合臂部组成。基本结构如图所示。图1 光纤耦合器的结构图光纤耦合器的物理机制可以理解为: 当一束光由光纤耦合器的一个纤芯入射时,因为不同的模式能量, 2个纤芯中的光束,由于自相位调制( SPM)引起的相移也不同。结果,即使是对称的光纤耦合器因为

11、非线性效应也表现出不对称性。际上, 这种情况与非对称光纤耦合器中的情况很类似。在非对称光纤耦合器中,不同的模传播常数引起 2个纤芯间的相对相移。并阻碍了两者间全部能量的转移5。1.2 光纤耦合器的耦合效率平行直光纤的纤芯相互接近时，在其中传输的基模场分布就会互相渗透和交叠。这样1号光纤中传播的导模场将在2号光纤中产生极化作用，从而在2号光纤中激起传导模。设n11和 n12分别为1号光纤和2号光纤的芯层折射率，nc为包层折射率。由光纤的传导场可得两条光纤中的场分布。 3 （1.1） 3 （1.2）由光纤耦合器的耦合关系以及相应的波导方程可以得到耦合系数的计算公式。 （1.3） 从而计算得到耦合系

12、数 （1.4）其中是光波波长，是纤芯的折射率，是包层的折射率，d是光纤的间距（耦合间隔），a是光纤横向尺寸，K0和K1分别是零阶和一阶贝塞尔函数6。1.3耦合效率的影响因素光纤耦合器的耦合比与很多因素有关，由光纤耦合器的耦合系数的表达式可以，耦合系数与耦合区间的长度以及耦合区间的间隔相关。以上耦合系数的表达式是针对平行光纤组成的无损耗耦合器分析推导出来的, 在实际的光纤定向耦合器制作中, 两根光纤都弯成了圆弧形,渗透进包层的消逝场被部分或者完全去除,因此光纤的几何边界与以上推导的条件不完全相符。 但是,当曲率半径R 足够大的时候, 可以将产生的模式畸变忽略不计。 曲率半径影响着耦合器的有效作用

13、长度, 它使两根互相耦合的光纤之间的间距d 和耦合系数c 都成为耦合区位置z 的函数。2 BeamPROP软件介绍本文采用仿真软件BeamPROP进行仿真从而探究光纤耦合器的耦合效率与耦合区间之间的关系。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

14、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6。3光纤耦合器的仿真3.1光纤耦合器的绘制3.1.1 建立波导通过上面软件使用方法，建立相应的仿真文件，参数设置结合实际使用的光纤的折射率以及光波波长。设置导横截面的宽度为4um，芯层折射率为 3.378，包层折射率为 3.3847（包层和芯层的折射率差为 0.0067）,如图2所示。图2 耦合器基本参数设置图2 全局变量设置之后绘制相应的波导，由光纤耦合器的基本结构可

15、以画出相应的波导形状如图3所示。直通臂耦合臂 图3 光纤耦合器光路图3.1.2 设置路径与监视器为波导建立两条路径分别是直通臂和耦合臂，并且添加两个Monitor分别监测两个臂的输出光功率7。监测器1监测路径1也就是直通臂，监测器2监测路径2也就是耦合臂，如图4。 图4耦合器通道的绘制图3.1.3 设置位置的变量为了方便改变耦合区的间隔，将路径1的x坐标设置为-（width+separation）/2，而路径2的X坐标设置为（width+separation）/2。变量的添加只要在工具栏中使用Edit Symbols工具即可实现，耦合区长度设为10000。变量设置如图5所示。 图5 变量设置图

16、6 路径1的参数设置3.2 仿真结果3.2.1 光纤耦合器的传播路径仿真当耦合区间的间隔separation设置为3时，使用Simulation得到仿真结果如图7所示，其中蓝线代表路径1的光功率，绿线代表路径2的光功率。 图7 光纤耦合器输出特性由仿真结果可以看出光的传播路径，光激励由路径1耦合到了路径2。耦合比为0.5，也就是耦合臂输出功率是输入功率的0.5倍。3.2.2 耦合间隔与耦合比的关系扫描仿真为了探究光耦合器的耦合间隔与耦合比的关系，要改变耦合间隔得到各个耦合间隔的耦合比，从而得出相应的关系。本设计使用BeamPROP中的Perform Parameter Scan功能实现耦合间隔

17、的扫描。1）耦合间隔较小的仿真结果设置耦合间隔由0到1以0.02的步进变化，可以得到耦合比与耦合间隔的关系。曲线图如图所示，蓝色线代表直通臂的输出功率与输入功率的比值，绿色代表耦合臂的输出功率与输入功率的比值。由图8可以看出耦合比与耦合间隔成近似正弦规律周期变化。图8 仿真结果图2） 耦合间隔较大的仿真结果设置耦合间隔由1到5以0.02的步进变化，同样可以得到耦合比与耦合间隔的关系。曲线图如图所示，由图可以看出当耦合间隔大于3.5时耦合间隔和耦合比不再以近似正弦规律变化，而是按照指数规律变化，最后没有了耦合效果。图9 仿真结果由仿真结果得出结论，当耦合间隔比较小的时候，光纤耦合器的耦合间隔与耦

18、合比成正弦规律周期性变化。当耦合间隔大于一定的值时，耦合比成指数规律变化，最终趋向于0，以致两路光纤没有关系，不具有耦合关系，光纤耦合器的耦合比与耦合间隔成贝塞尔函数的关系。在设置光路参数时，耦合区长度在10000左右，直通臂和耦合臂在10000左右，得到的仿真图形较为适合。4 总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练和考察过程.通过这次课程设计使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，对以前所学过的知识