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:指导教师: 题 目:陈湘宝专业班级：电子科学与技术0901班葛华工作单位：信息工程学院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:2012625做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2012625-6.28学习beamprop

2、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:Abstract1光纤光栅简介2 Bea mPROP软件介绍3光纤光栅的绘制与设置3.1光纤光栅波导的全局设置3.2光纤光栅的绘制3.3光路的设置4光纤光栅的仿真4.1光栅XZ切面图4.2波形仿真4.3参数扫描5心得体会6参考文献,8.9.101314II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，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率

3、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Beam PROP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、Bea mPROP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AbstractOp tical fiber Bragg grat ing is using fibre material p hotose nsitive sex, through the method of uv expo sure will in cide nt light

4、 to a cohere nt p atter n fiber core, in fiber core along the fiber axis with in the core to the refractive in dex cyclical cha nge, so as to form the p erma nent sp ace p hase grati ng, and its function is esse ntially in fiber core is formed in a n arrow band filter or mirrors.This paper in troduc

5、e is through the Bea mPROP software in the sp ectrum of fiber grat ing simulati on, and discussed the differe nt p arameter of the in flue nee of the sp ectra. This article contains fiber grating, the basic principle of software is introduced, and BeamPROP spectral simulati on of the sp ecific ste p

6、s.Keywords: fiber grating; BeamPROP; spectrum simulation1光纤光栅简介布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating)简称为FBG。在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)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

7、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。其光谱图如图1.1所示。图1.1光纤光栅光谱2®)晏丘殳至崔2 Bea mPROP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

8、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。其操作页面如图2.1所示。冋(II_h.迴冈冋 国 H馬司 B匝1石0 呪 HH 囤nWi111 图2.1 RSoft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BeamPROP CAD-Layout程序，开始这次的波导的总体设置。在菜单中选择“New Circuit，”在BPM Options

9、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“Free Space Waveleng、”Background Index等参数，参数设置如图3.1所示。xStartcipi TindoivGLOBAL SETTINGS厂2D币r 厂6 V广 Semi C Full厂Waveguide Model Dimensior. Radial Clculqtior;Eflectiye IndsH Calculation: Polarcahon:Simulation Tool:3D BPM Options:Vector Mode:NoneBicbrectionad Calculario

10、n:i -j FDTO Option?：Dispeision/NonlirieantyGratirtgMOD ti尙詢皿D厂 FulhVAVE/FDID厂 BahdSOLVEFree Space Wavefength； |1.553D Structure Tvpe： |Fitei Lover Ircfew:| jBackground Index:|1.455Indew Diff 亡fence;Slab Indew：I'l.'J hr'i n'Waveguide Wicfth:EElab Height;I-Waveguide Height:|G-dlf 仁|一|L

11、1FroJile Type:StepIndeK jJ| Anisotropic:厂NM1INITIALVIEWING DIMENSIONSX Min:RETZMin：ZNaw: iDOOSave Mew El白tup Settings： 匸OlCCancel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 “ Edit Symbols按钮进行变量定义。其中我定义了Period、Lin、Lout、M、delta_grating 等 4 个变量。如图 3.2 所示.b-ocrac 7 ririZKporcssi-izraL rInuxrciit Value:二 inLoutMPeri

12、od alpha baizkgrQur： d_ l Titles bcl_bpmSd_tol i)OLuiddry_jiiaiii ijouniory_min delta delta QretincE ±-ee_5race_ vs ve length<4*Fei-ioiLin403 53I 4E10J 1J. OS1 435Accent Svjr.bolRejESt Syir.bolW曰F SywiholDelete Syir.bolOKCcel图3.3第1层的参数设置图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。StrncUnelp

13、e- 卩 icfiioTpc tomine Mfid©-|Dc&t3 说加加和per；|g Tg|ij忑 讪dlh I mg 丽; H 詢 ht Taper； j (Jone YFosTacffJiNone|te-adlVjI瓦d3 |D出勿I3SW»s. JSeuOrenrrion： 1*5 耳Left .Pia'ilffi.匚 anrz-piArc Data -t*Lit .edtjdpho|widHhfM-S rrhg ThzMotMd PicpcrtciIncb DiFer6：nQe:Iind&<(im3g 冃 U；Wj包idrXMic

14、th: Wd'cgudo Height Y Pcation；X:T-FncfrTgVpriPVMalffial PfopertMi；IndeH DiflererqaIndo? (in科 part) 曲 Wkl+i： >/T/sgudoHcit; V Million：l_ -叮:l Jj 2|<J?MlaiJioHsiefti忙 e lipe厂 aria* /rdaP Arami Fafcj 皆IrR al er Slice I oc CJTiponert: J Vslci. 厂"Aefiieroe iip& * Mare 广 Oflsal 厂 ArgcRe

15、fsianca larConporetT："Vertrh 1R 曲剧 35 7i«. 厂 Meroff -jfhsbl 厂加igt7aLa!oResienza lorCcnipcnenc： |1vciitK yPetsfante Tppt 厂 None 席'fset 广 AngtoPjfflriflt*! Vjiu#:Lili Fefarmnce T : CofTpen-jnh jl VclItK.!-图3.5第3层的参数设置_Stuclure lype | DefaultT尸Hii新订耳egNcntdh'rsNe 1 jce：|baultJIndEK la

16、terfUser!Tr ofrbinF WoHpDofaultdWhl=irprU»r1Ttdlh HiJiure;jIHeiitTafCPNbricegOrientaron; J|z如JYPD5ldFerfJcn&Smbols.,. DL ILasers .Cjn;elTapeis .Jaic Data._Froraes. jMore,.,loftingVcrc?：Encirg VcrtcKMa'enal FropefttjIndsK DifferarceI JctadtingIndBH (imag “rtjV/ivsguideWidiTWawsguidHfiigi

17、l'YRm 疏 r：Jpbo M/idth.grjtingtarerialFTopertiesIrdK DfferencellrddH inag pRjWaj«guid»VAdihrWflyflguidsHwgh-YMfonirftefe ence Tioe: r None 圧 CffseiA-iglePaiameler Vabe:P Flcfiycftoc T nCcmponenl | Ver 觀；pftefaence Type:* Hone的泊广 AneParmneter VduB：dncfctCfKC To：C-tomzionBril:Veriez. |iRe

18、eiencs Tpe:I ' None(' Cilf泊 ''Angle P arameter Vaue:Pneciencfi To:CoTiponent |2,Fi 白aencs Tipec I NoneAngle Pa-ametef Vaue: j曲韦rindI riefcfencfi To;CornpcnenL pYe tex； oVtiten图3.4第2层的参数设置St'uctueTjips: PraFila T'ps:Mfajh *1I De创II 3LcmbineMods:iDcfjdh 31酗前二)pDS(im T 旳計FIrdaKT

19、eper:wklih T dper:Height Tpcr: NineYPosTdper: i'Njne 二Srnods. OKLflvsr*.Tferj.CancelAjc Data. 5tdii.iy V 申 ipKtruirij YeitxMaterial RroprHc: . _如口.：心Materia Ptops tie*;I I- - JOI '【I JdIndeKDilForenc?;| deltahde* DiffefenffI della(ndoH jmag paH):肚扁hdftH (inag paitV/avegude VIdih: jkvidtrWave

20、guide widih:(viidthV/avegude Hegtit: ffi丽htWvegjide HeightheiqkrYPzHrrvjoY Pns帕rr|O光芒X：ZlIr1厶Helasrce Typ&Refere (poEHeterence TiptHelefinoe Tpe:厂 Nore广 Hcne厂 Here< N:rw(* oirsst'* orrset僭 ulisei<*' Dtsrt厂 Ange厂 Angle< AnjieC AngteFdrarne'er Value:Parameter Vaue:P afamstef V

21、aiue:PararieterVdIue:P|oio|LoutRelefsrce TorRefefe TofReference To:HftleienoeT:CompDrent j3Cflmjcnent pCofTpenenh |3romponenb |2Veiten:pVertex-pVertexoVeites:pSeg (ientalnn- 7ak5 三ProilK .Mciie .!-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。

22、第二层的User 1的设定如图3.6所示。图3.9监视器1和监视器2的定义User Function.|U 蛇r Taper 1|step(M*'z)打X Pejinfs： Si+Iy Points：jWIz/m Ktn:|oy min:|a£/« MdK：|1y Ma?c|1Source Type:E xprssEionFile Name / Expression 伺；; f=)J:OKICancel图3.6 User 1的定义3.7所示。为了以示区别，我把中间的一层光栅的颜色设置为yellow。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iC

23、uEaz!：!"向耳® 回圍死 1H gs SHM5j3.3光路的设置“Edit Pathway按钮,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然后点击 New将二层光波导涂成绿色。如图3.8所示。然后点击第二个监测器,图3.8定义光的路径“ Monitors打开监测器对话框，连续点击两次“ New”让第一个保持默认状态,将 “Monitor Componen设为 “Major Backward” 如图 3.9所示。Mom or huirfcerUuiii NiJnr I丄回Dp*M&nioiaacnc嗨：FitklFUethl；PosfonV-Cot

24、 per entMccoOtfi hit ItIljra File |E-HniT)MffWa 询 OnShM：Rd* 档.Eacsgicunt HQ 打 sN：Wid-h珈UliltSla: ModePtwef -jBocLsTJjid H-IdelaJlI Nojdbnrnrrn 卜ivlafli PKkwjdDrl-fl H属 laJrMocif1»w册：Mijur n aJidrIkij.l1 ''D日|孕卜怯上+怙才I.IPmirr' V:UiJ日Ifl Fic !E+1inn-|-1rjcFII氏”-Montw tiptoe -I npbt Fiv

25、rtirJl'J Aj?DKCjrD«l訥 inh&c.,!-4光纤光栅的仿真4.1光栅XZ切面图点击 “ Comp ute In dex P rofile按钮，将 “ Dis play Mode选择为 “ Con tourMapXZ) ”，将 “ ZCompute Step和“Slice Ste设置为0.25,如图4.1所示。观察的切面图如图4.2所示。Lurrenl Uefault UseLurentDefault Use IVdlue旳Lie DehValue DehDcrnain Min:a.e l-F-s1l-'-.tDo備in Max;30声R丽

26、1 )7? I*匚 crnpub# Step；0lSir傷101 .1P1雨Slice Step:|0-1Monitor St即；Dispi Mode:Oubut Fie Prefix;X¥Eymbola .Zlulput .I CoriourMap曰 |Diijjlc* . IzLurie ritVabeU efault Value|o 11"|2411 -lo 1If0.251. 50.250 ?FUseD除厂厂Eitimated Time:0.040 min ISave仏(ti门加CKCancel II图 4.1 Compute Index Profile 的设定图4

27、.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“P erform Simulatio n 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为”5e-005。仿真结果，如图4.4所示。rlLafeaiiBQP SiauiatioaFataxetetsDomair Min： j-9.3|r?Domairi Maw. |9 0J7Corripute Step: jO.I).-臣Slice Step:0.1j¥Moriitof SleptDisplay Mode:CurrentValue

28、Defaidt UseValue DefsCurrentValueDefault UseCurienlValueDetauft LiseValueD嗎VueDefsi1汕Iph(7ITbr- c _i iJR124n?0.10.111Ql25|irifoi-00.25L厂1a251"i7Output File Prefix:jCoWoufMap 应 yjEstimated Time:0.045 mihSave SettingsDisplay.OKCancel图4.3仿真对话框的参数设置201 Mrde 01. Mifiide 0Putkway, /onlor:吟曜罄t却辛鈕塾猷渲L

29、- 工g基朋# 11 绥韓1=KJ101.0-9巧心C 3 & 9xtumj H 1 M i I r I I ' r I' I1.0 0. 0.0Mo niter Value e.u)图4.4仿真结果的波形!-4.3参数扫描点击“Perform Parameter Scaj按钮弹出对话框，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。Whkh刖哎JhM_?paM_wivsl(rgch |£ tarting V aJueI1.?PtnargVilusJ1-7JoInci3iiiz；ntD d圧护RcfK：llttl1Hers Cl IfM

30、i Riefw11Plc-TitcciJ Clid-11P u?c-Pkk?£6 Cme1iRiir OptiwiDeFeuk1* 1Pbt DjinsMudK?rHodcSct|nMnTriscSiiBjbfanrtcrclMcde：l&effluKHim Scnpr：p匚忙CjNoeJINNEF ITERATIONOUTER IT in VI ON图4.5参数扫描对话框图4.6仿真波形图t - IPioi;1L0tjnrnnnmomnmynTryvntxaonnvwvjwnraraTninnmicmmj0.0|-i玉jpm 十-J 匚 I I !i &g

31、t; I j nS；1.31415fr e e_spac e_waval< ngl hX； 1.295116Y： 1.D46E17!-图5.1仿真波形随波长和折射率的变化5仿真波形讨论5.1 改变 Global Setings 的设置通过改变Global Setings中的自由空间波长和 Background Index的大小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。1.0fee Space Wavelength:|1.4Background Indez:11.351'.Indew Diffefence:|001Vaveauide Width;if

32、 6A/veguide HeightieProfile Tvpe:莎和IndexFree Spce Wavelength:P-5BackgroLiiid Index:Index Difference:0.01Waveguide WidthsWaveguide Height;|b'Prolile TvpkjSlep lnde«nctro £5生inaino总書Free Space Wavelength:(1.90.7OS04tn0.2d'.iO'.O和,f TT T fit1.31.4O.G =04Backgiound Inde坨ll.55IrdeM

33、Difference:0.01r=卡'i?''F*"f±z_匸駐土_；ZEi "珂 7 ,、* *1.6ie17ria« sE>«ca ufaTvtanoihIIIIWdvegufde Width:Waveguide HeightlefeProJile Type：StepIndcKpAca_w vtlwngm663!-M、Period 和 delta_gratingM、Period 和 delta_grating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M的变化，仿真波形随M5.2改变变量M的设置Glo

34、bal Set ings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如图5.2所示。I11 q r I、j_u_LLi4i ir和 1 n Iijj_Lmi_u：O.e r0.5 -tU rdji0.1 ru+ .,k41.6-hSr- LjliZkJLjI fn lA171.4i.e1.61.7M=50, Period=0.5IsngrhM=40 ,P eriod=0.5f .LJ "s叮.y y IK丄.J-LI».丄 IJ.rf BTEM IJ.丄-!> P.UB丄门og -0-9.-rr0.7 -一$ $

35、46 0 0indtHQ EMUDS0-30.2 -0.1 -0.01.3. U4 TJ ._L_11. M>':.j.i.141 51.617ri*s_ipflc*_wawe l»nlhindmo 5«S3M=70, Period=0.5M=60 ,P eriod=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