使用Rsoft對(duì)FBG光纖光柵的光譜仿真

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生： 陳湘寶 專業(yè)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)0901班指導(dǎo)教師： 葛 華 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: Bragg光纖光柵的光譜仿真 初始條件：計(jì)算機(jī)、beamprop軟件要求完成的主要任務(wù): 1、課程設(shè)計(jì)工作量：2周2、技術(shù)要求：1學(xué)習(xí)beamprop軟件。2設(shè)計(jì)Bragg光纖光柵的光譜仿真3對(duì)Bragg光纖光柵進(jìn)行beamprop軟件仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按?武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)?要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間安排：2021.6.25做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說明。2021.6.25-6.28學(xué)習(xí)beampro

2、p軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的根本理論知識(shí)。2021.6.29-7.5對(duì)Bragg光纖光柵進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫。2021.7.6 提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行辯論。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任或責(zé)任教師簽名： 年 月 日目 錄摘 要IAbstractII1光纖光柵簡介12 BeamPROP軟件介紹23光纖光柵的繪制與設(shè)置3 3.1光纖光柵波導(dǎo)的全局設(shè)置3 3.2光纖光柵的繪制4 3.3光路的設(shè)置74光纖光柵的仿真8 4.1光柵XZ切面圖8 4.2波形仿真9 4.3參數(shù)掃描105心得體會(huì)116參考文獻(xiàn)12武漢理工大學(xué)?光電子技術(shù)?課程設(shè)計(jì)說明書摘 要光纖光柵是利用光纖材料的

3、光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡。本文介紹的是通過BeamPROP軟件進(jìn)行光纖光柵的光譜仿真，以及討論了不同參量對(duì)光譜圖的影響。本文包含了光纖光柵的根本原理、BeamPROP軟件介紹、以及進(jìn)行光譜仿真的具體步驟。關(guān)鍵詞：光纖光柵；BeamPROP；光譜仿真IAbstract Optical fiber Bragg grating is using fibre material photosensitive sex, through the metho

4、d of uv exposure will incident light to a coherent pattern fiber core, in fiber core along the fiber axis within the core to the refractive index cyclical change, so as to form the permanent space phase grating, and its function is essentially in fiber core is formed in a narrow band filter or mirro

5、rs. This paper introduce is through the BeamPROP software in the spectrum of fiber grating simulation, and discussed the different parameter of the influence of the spectra. This article contains fiber grating, the basic principle of software is introduced, and BeamPROP spectral simulation of the sp

6、ecific steps.Keywords: fiber grating; BeamPROP; spectrum simulationII1光纖光柵簡介布拉格光纖光柵Fiber Bragg Grating簡稱為FBG。在纖芯內(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。目前應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。由于光纖本身的低損耗、抗電磁干擾，它在遠(yuǎn)距離通信中的到了廣泛

7、應(yīng)用，并隨之在通信、傳感等領(lǐng)域得到重視和應(yīng)用。經(jīng)過近二三十年的研究與實(shí)踐，光纖光柵迅速了很大開展，種類也迅速增加，出現(xiàn)了各種非均勻光纖光柵，1996年又出現(xiàn)了長周期光纖光柵。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，光纖光柵家族不斷得到完善和豐富，也在通信和傳感領(lǐng)域起到了無法替代的作用。其光譜圖如圖1.1所示。圖1.1 光纖光柵光譜12 BeamPROP軟件介紹RSoft是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)。RSoft是一款非常實(shí)用的光波導(dǎo)仿真軟件。其中

8、包含了BPM,FDTD,FEM等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。BPM計(jì)算方法也有多種形式，其中有限差分波束傳播法FD-BPM得到了最廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)D-BPM可以實(shí)現(xiàn)很準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)可以允許較大的計(jì)算步進(jìn)。我們使用的軟件主要基于這種方法。其操作頁面如圖2.1所示。圖2.1 RSoft的操作界面3光纖光柵的繪制與設(shè)置3.1光纖光柵波導(dǎo)的全局設(shè)置 首先，翻開BeamPROP CAD-Layout程序，開始這次的波導(dǎo)的總體設(shè)置。在菜單中選擇“New Circuit，在BPM Options一項(xiàng)選擇3D的波導(dǎo)，其中波導(dǎo)類型選擇Fiber，然后依次修改其中的“Free Space Wa

9、velength、“Background Index等參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖3.1所示。圖3.1光纖光柵的全局設(shè)置 定義完全局后，開始定義變量。點(diǎn)擊“Edit Symbols按鈕進(jìn)行變量定義。其中我定義了Period、Lin、Lout、M、delta_grating等4個(gè)變量。如圖3.2所示.圖3.2 變量定義表3.2光纖光柵的繪制光纖光柵一共分3層。第一層的參數(shù)設(shè)置如圖3.3所示。圖3.3 第1層的參數(shù)設(shè)置圖3.4 第2層的參數(shù)設(shè)置圖3.5 第3層的參數(shù)設(shè)置光柵的第2、3層的參數(shù)設(shè)置如圖3.4、圖3.5所示。光柵的繪制過程中，我通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與拖動(dòng)畫出三層光柵，通過對(duì)每個(gè)光柵的位置的設(shè)定可以實(shí)現(xiàn)

10、第二層的首端與第一層的末端連接，第三層的首端與第二層的末端連接。第二層的User 1的設(shè)定如圖3.6所示。圖3.6 User 1的定義為了以示區(qū)別，我把中間的一層光柵的顏色設(shè)置為yellow。然后通過右鍵點(diǎn)擊光柵層對(duì)每層分別進(jìn)行設(shè)置，最后生成的光柵圖形如圖3.7所示。圖3.7 光纖光柵的波導(dǎo)3.3光路的設(shè)置 把光纖光柵繪制好后，就需要定義光路了。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄中的“Edit Pathways按鈕，然后點(diǎn)擊“New將三層光波導(dǎo)涂成綠色。如圖3.8所示。圖3.8 定義光的路徑 然后點(diǎn)擊“Monitors翻開監(jiān)測器對(duì)話框，連續(xù)點(diǎn)擊兩次“New，讓第一個(gè)保持默認(rèn)狀態(tài)，第二個(gè)監(jiān)測器，將“Monitor

11、Component設(shè)為“MajorBackward。如圖3.9所示。圖3.9 監(jiān)視器1和監(jiān)視器2的定義4光纖光柵的仿真4.1光柵XZ切面圖 點(diǎn)擊“Compute Index Profile按鈕，將“Display Mode選擇為“ContourMapXZ，將“Z Compute Step和“Slice Step設(shè)置為0.25，如圖4.1所示。觀察的切面圖如圖4.2所示。圖4.1 Compute Index Profile的設(shè)定圖4.2 光柵XZ切面圖4.2波形仿真 為了進(jìn)一步觀察光在波導(dǎo)中傳輸時(shí)的分布情況。點(diǎn)擊“Perform Simulation圖標(biāo)翻開仿真對(duì)話框。仿真對(duì)話框的參數(shù)設(shè)置如圖4

12、.3所示。點(diǎn)擊“Bidirectional按鈕以及修改“Tolerance為5e-005。仿真結(jié)果，如圖4.4所示。圖4.3仿真對(duì)話框的參數(shù)設(shè)置 圖4.4 仿真結(jié)果的波形4.3參數(shù)掃描 點(diǎn)擊“Perform Parameter Scan按鈕彈出對(duì)話框，設(shè)置如圖4.5所示。設(shè)定好參數(shù)之后，得到正確的仿真結(jié)果如圖4.6所示。圖4.5 參數(shù)掃描對(duì)話框圖4.6 仿真波形圖5仿真波形討論5.1改變Global Setings的設(shè)置通過改變Global Setings中的自由空間波長和Background Index的大小可以讓波形左右移動(dòng)。仿真波形隨著波長和折射率的變化而變化，如圖5.1所示。圖5.1

13、仿真波形隨波長和折射率的變化5.2改變變量M的設(shè)置Global Setings的設(shè)置保持開始的設(shè)置不變，通過改變變量M、Period和delta_grating的大小的設(shè)置可以讓波形的頂點(diǎn)上下移動(dòng)。仿真波形隨著變量M、Period和delta_grating的變化而變化。由于三種變量的討論大致相同，我們只討論了M的變化，仿真波形隨M的變化如圖5.2所示。 M=40,Period=0.5 M=50,Period=0.5 M=60,Period=0.5 M=70,Period=0.5圖5.2仿真波形隨M的變化6心得體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，我重新學(xué)習(xí)和弄清楚了光纖光柵的原理及其設(shè)計(jì)，并且初步學(xué)會(huì)用Be

14、amPROP進(jìn)行仿真。課程設(shè)計(jì)也讓我學(xué)會(huì)了要充分的查找資料，利用身邊的資源以及學(xué)會(huì)冷靜的面對(duì)課程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，從而去有效地解決問題。 在課程設(shè)計(jì)過程中，收獲知識(shí)，提高能力的同時(shí)，我也學(xué)到了很多人生的哲理，懂得怎么樣去制定方案，怎么樣去實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，并掌握了在執(zhí)行過程中怎么樣去克服心理上的不良情緒。同時(shí)我也明白對(duì)任何事情如果付出越多，那么你收獲也就越多。 通過這次設(shè)計(jì)，我懂得了學(xué)習(xí)的重要性，了解到理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的重要意義，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持、耐心和努力。我明白了，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。更重要

15、的是如何把自己平時(shí)所學(xué)的東西應(yīng)用到實(shí)際中。 對(duì)這門課程的最大收獲除了學(xué)習(xí)到了知識(shí)以外，更重要的是讓我明白了一個(gè)道理：只要全身心的投入到一件事中，并且要有持之以恒的決心，就一定會(huì)有收獲。有的人覺得自己做不出來，就網(wǎng)上搜一個(gè)了事，但是，放棄一次黑暗中摸索的經(jīng)歷，就放棄了一次成長的時(shí)機(jī)！如果你付出了，沒有收獲。那只能說，是付出的還不夠多。我想我對(duì)光電子的學(xué)習(xí)只能算是個(gè)入門，這個(gè)領(lǐng)域的開展空間非常大，應(yīng)用范圍也非常廣泛，而且我相信在將來還會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。因此在以后的學(xué)習(xí)過程中，我不能因?yàn)檎n程學(xué)習(xí)的結(jié)束而結(jié)束了我對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的探索，相反我會(huì)更加努力的去學(xué)習(xí)它。感謝老師孜孜不倦的教誨，讓我不僅學(xué)到了

16、知識(shí)，也學(xué)到了做人做事的一些道理，為我提供了很多幫助。在接下來的學(xué)習(xí)生涯中，我會(huì)繼續(xù)努力，努力扎實(shí)地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)自己的理想。 7參考文獻(xiàn)1 張自嘉.光纖光柵理論根底與傳感技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2021 .22 趙勇.光纖光柵及其傳感技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2007.13 饒?jiān)平⑼趿x平、朱濤.光纖光柵原理及應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2006.84 吳朝霞、吳飛.光纖光柵傳感原理及應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2021.35 彭吉虎、吳伯瑜.光纖技術(shù)及應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社，1992.66 黃章勇. 光纖通信用新型光無源器件.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003.5本科生課程設(shè)計(jì)成績評(píng)定表姓 名 陳 湘 寶性 別 男專業(yè)、班級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)0901班課程設(shè)計(jì)題目：Bragg光纖光柵的光譜仿真課程設(shè)計(jì)辯論或質(zhì)疑記錄：1. 光纖布拉格光柵和長周期光柵的區(qū)別？ 答：光纖布拉格光柵對(duì)光纖中傳輸?shù)墓饩哂蟹瓷渥饔?，反射光的光譜寬度比擬窄，一般可以到達(dá)1nm一下，也可以有幾納米是一種較典型的光纖布拉格光柵的反射譜。而長周