耦合比与耦合区间隔的关系仿真上传

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师: 工作单位：信息工程学院—题目：光纤耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系仿真初始条件：具较扎实的光电子技术的理论知识及较强的实践能力；学会使用BeamPROP仿真软件。要求完成的主要任务：掌握光纤耦合器的相关概念与知识。利用BeamPROP仿真软件对光纤耦合器实现仿真。得出光纤耦合器的耦合间隔与耦合比之间的关系。完成课程设计报告（应包含仿真图，调试及设计总结）。时间安排：第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明2013年第2-5天学习Fullwave软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。第6-9天对单环微环谐振滤波器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。第10天提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名： 年月日系主任（或责任教师）签名:目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IAbstract II\o"CurrentDocument"绪论 1\o"CurrentDocument"1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率 31.3耦合效率的影响因素 4\o"CurrentDocument"BeamPROP软件介绍 5\o"CurrentDocument"光纤耦合器的仿真 63.1光纤耦合器的绘制 63.1.1建立波导 63.1.2设置路径与监视器 7图6耦合器通道的绘制图 83.1.3设置位置的变量 83.2仿真结果 83.2.1光纤耦合器的传播路径仿真 83.2.2耦合间隔与耦合比的关系扫描仿真 9\o"CurrentDocument"4总结 12\o"CurrentDocument"参考文献 13\o"CurrentDocument"本科生课程设计成绩评定表 14摘要光纤耦合器（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，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。当耦合器分支路的开角增大时，向包层中泄漏的光将增多以致增加了过剩损耗，所以开角一般在30°以内，因此波导式光纤耦合器的长度不可能太短。本文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⑴。关键词：光纤耦合器；单模光纤；耦合区间隔AbstractFibercoupler,alsoknownasopticaldirectionalcoupler,theopticalsignal,splitter,combiner,insertionanddistributionofpassivecomponentsusedinfiber-optictelecommunicationsopticalfibertransmissionnetwork,LAN,fiberopticsensingnetworknetwork.Theyrelyonthemutualcouplingofthewaveguideelectromagneticfieldstowork,theirperformanceworkcenterwavelengthA0istheexcessloss,coupling(splittingratioorcouplingratio),thesplreverseisolation.Thispapertheoreticallythesingle-modefibercouplercouplingcoefficientformula.Thenareasonableapproximationtotheactualproductionconditions,usingBeamPROPsoftwaresimulation,andexploretherelationshipofthecouplingoffiberthantheintervalandthecouplingregion.Keywords:opticalfibercoupler;single-modefiber;couplinginterval绪论光电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［21。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Al(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耦合比的计算公式⑶。1耦合原理分析1.1光纤耦合器的基本结构光纤耦合器是把一个或多个光输入分配给一个或多个光输出实现光信号分路/合路的功能器件。它是一个无源器件。光纤耦合器的耦合机理是基于光纤的消逝场的模式理论。多模与单模光纤均可做成耦合器。一般有两种结构型式：1.拼接式，2.熔融拉锥式.1•拼接式：将光纤埋入玻璃块中的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，后将经研磨的两根光纤拼接在一起，靠透过纤芯一包层界面的消逝场产生耦合。原理如图1所示：图1拼接式耦合器的结构2•熔融拉锥式：将两根或多根光纤扭绞在一起，经过对耦合部分加热熔融并拉伸而形成双锥形耦合区。如下图2所示：直通臂图2熔融拉锥式耦合器的结构F面介绍几种典型光纤耦合器的结构，如图3所示:

台路器Q端口) 分路器端口〉3•耦合器(4端口)入齢入2入上芦 A1+X2紅* 戸2分波器 合波器■图3几种典型光纤耦合器的结构其中四端口耦合器又是最基本的结构。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nil和nl2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。TOC\o"1-5"\h\zE=a(Z)e(r)ej(⑹-貽)[3] (11)ii iE=a(Z)e(r)ej(⑹-柑z)[3] (1.2)222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。i®28|LXK= o—2卩Ji®28|LXK= o—2卩121i- (1.3)JE2dx1从而计算得到耦合系数

Wd卩2Wd卩2 .K.(JK= •c 8兀3a2n r2(n2-n2) K2(W)1 2 1 1(1.4)其中九是光波波长，n是纤芯的折射率，n是包层的折射率，d是光纤的间距（耦合(1.4)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。2BeamPROP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-differencebeampropagationmethod)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［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5um，芯层折射率为1.435,包层折射率为1.435（包层和芯层的折射率差为0.01），如图4。之后绘制相应的波导，由光纤耦合器的基本结构可以画出相应的波导形状如图5所示。WaveguideModelDimension:C*2D3DBPMOptions:RadialCalculation:厂WaveguideModelDimension:C*2D3DBPMOptions:RadialCalculation:厂VectorMode:c*None「SemiEffectiveIndexCalculation:厂Bidir已ctio门日ICalculation:厂Polarization:TErTMFDTDOptions:SimulationTool:Dispersion/Nonlinearity:厂席BeamPROP/BPMCFulfWAVE/FDTD「GratingMODBandSOLVECDiffractMODGLOBALSETTINGSrFullFiber ||baL：kgrLiund_iridex+i：EditLayers...EditTensors...OKI CancelFiber ||baL：kgrLiund_iridex+i：EditLayers...EditTensors...OKI CancelFreeSpaceWavelength:BackgroundIndex:IndexDifference:WaveguideWidth:Waveguid已Height:ProfileType:INITIALVIEWINGDIMENSIONSXMin: pgci ZMin:XMax:[50 ZMax:|1i：ii：ii：iSaveNewStartupSettings:厂图4耦合器基本参数设置

蘇RSoftCADLayout-BeamPROP-[E:\RSoft\examples\BeamPROP\COUPLER.IN...I=I回l—W图5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⑺。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6。

图6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EditSymbols工具即可实现，耦合区长度设为10000。变量设置如图7所示。图7变量设置图8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1卩m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9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0.9,也就是耦合臂输出功率是输入功率的0.9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PerformParameterScan功能实现耦合间隔的扫描。1）耦合间隔较小的仿真结果设置耦合间隔由0卩m到1卩m以0.05卩m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10可以看出耦合比与耦合间隔成近似正弦规律周期变化。

EFileEditPlotDrawOptionsWindow旦吕Ipl-khl回同百|巨j］目画］牖国］23WinPlot-[Plot:scanl.psc]1.00.0EFileEditPlotDrawOptionsWindow旦吕Ipl-khl回同百|巨j］目画］牖国］23WinPlot-[Plot:scanl.psc]1.00.00.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.3-0.2-0.0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0br0.4-QIh-□I图10仿真结果图（耦合间隔0-1um）2）耦合间隔较大的仿真结果设置耦合间隔由1卩m到5卩m以0.05卩m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11所示。:ileEditPlotDrawj:ileEditPlotDrawjQptionsWindowHep口冈冈□y<Da|ESdraw]Indlno-lolcOIAII—I—rpSI—3）耦合间隔更大的仿真结果设置耦合间隔由0卩m到10卩m以0.05卩m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12所示。由图可以看出当耦合间隔大于7.8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。I-II則X目WinPlotI-II則X■JFileEditPlotDrawOptionsWindowHelp0.20.10.00 1 2 3 4 5 6 7separationIE<0.20.10.00 1 2 3 4 5 6 7separationIE<□E■：:：■的;0(和.0£.8.7££43■sdlno」£_匚0巨<>[D8 9 10|X：5.7906 |Y：0.033613图12仿真结果（0到10um）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合比成正弦规律周期性变化。中间虽然有衰减但不影响整体的实验结果。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