耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系仿真

武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：學(xué)妹拯救者專業(yè)班級:電子09指導(dǎo)教師：學(xué)妹工作單位:信息工程學(xué)院題目：光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系仿真初始條件：具較扎實的光電子技術(shù)的理論知識及較強的實踐能力；學(xué)會使用BeamPROP仿真軟件。要求完成的主要任務(wù)：掌握光纖耦合器的相關(guān)概念與知識。利用BeamPROP仿真軟件對光纖耦合器實現(xiàn)仿真。得出光纖耦合器的耦合間隔與耦合比之間的關(guān)系。完成課程設(shè)計報告（應(yīng)包含仿真圖，調(diào)試及設(shè)計總結(jié)）。時間安排：2012年6月25日分班集中，布置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。2012年6月26日至2012年7月6日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。2012年7月6日提交課程設(shè)計報告，進行課程設(shè)計驗收和答辯。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TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要I\o"CurrentDocument"AbstractII\o"CurrentDocument"緒論1\o"CurrentDocument"1耦合原理分析21.1光纖耦合器的基本結(jié)構(gòu)2\o"CurrentDocument"1.2光纖耦合器的耦合效率3\o"CurrentDocument"1.3耦合效率的影響因素3\o"CurrentDocument"2BeamPROP軟件簡介4\o"CurrentDocument"3光纖耦合的仿真43.1光纖耦合的繪制43.1.1建立波導(dǎo)4\o"CurrentDocument"3.1.2設(shè)置路徑與監(jiān)視器6\o"CurrentDocument"3.1.3設(shè)置位置的變量63.2仿真結(jié)果73.2.1光纖耦合器的傳播路徑仿真7\o"CurrentDocument"3.2.2耦合間隔與耦合比的關(guān)系掃描仿真8\o"CurrentDocument"4總結(jié)10\o"CurrentDocument"參考文獻11武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書摘要光纖耦合器又稱光定向耦合器，是對光信號實現(xiàn)分路、合路、插入和分配的無源器件，應(yīng)用于基于光纖傳輸?shù)碾娦啪W(wǎng)路、區(qū)域網(wǎng)路、光纖傳感網(wǎng)路等光纖網(wǎng)絡(luò)中。它們是依靠光波導(dǎo)間電磁場的相互耦合來工作的，它們的性能指標主要有工作中心波長久0、附加損耗、耦合比（分束比或分光比）、分路損耗及反向隔離度等。本文從理論上推導(dǎo)了單模光纖耦合器耦合系數(shù)的計算公式。然后結(jié)合實際制作條件進行了合理的近似，利用BeamPROP軟件仿真，探究了光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)間隔的關(guān)系［1］。關(guān)鍵詞：光纖耦合器；單模光纖；耦合區(qū)間隔武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書AbstractFibercoupler,alsoknownasopticaldirectionalcoupler,theopticalsignal,splitter,combiner,insertionanddistributionofpassivecomponentsusedinfiber-optictelecommunicationsopticalfibertransmissionnetwork,LAN,fiberopticsensingnetworknetwork.Theyrelyonthemutualcouplingofthewaveguideelectromagneticfieldstowork,theirperformanceworkcenterwavelengthX0istheexcessloss,coupling(splittingratioorcouplingratio),thesplitterlossandreverseisolation.Thispapertheoreticallythesingle-modefibercouplercouplingcoefficientformula.Thenareasonableapproximationtotheactualproductionconditions,usingBeamPROPsoftwaresimulation,andexploretherelationshipofthecouplingoffiberthantheintervalandthecouplingregion.Keywords:opticalfibercoupler;single-modefiber;couplinginterval緒論光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控品閘管型、光電達林頓型、集成電路型等⑵。目前.國內(nèi)外普遍采用熔融拉錐法(FBT)制作光纖耦合器熔融拉錐法是將兩根或兩根以上，除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏.在高溫加熱下熔融.同時向兩側(cè)拉伸.最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu).從而實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。耦合比是光纖耦合器的主要參數(shù)之一，如何獲得分光比可調(diào)的光纖比一直是人們需要解決的技術(shù)難題。單模光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)間的長度和間隔有關(guān)系。2x2單模光纖耦合器可看作是兩個錐體相互靠近形成的。它的基本思想是：相耦合的兩波導(dǎo)中的場.各自保持了該波導(dǎo)獨立存在時的場分布和傳輸系數(shù).耦合的影響表現(xiàn)在場的復(fù)數(shù)振幅的沿途變化.設(shè)兩波導(dǎo)中的復(fù)數(shù)振幅為A1(z)和A2(z).由于耦合作用，它們沿途變化.其變化規(guī)律可用兩聯(lián)立的一階微分方程組表示。從而得到光纖耦合器的耦合比的計算公式⑶。1耦合原理分析1.1光纖耦合器的基本結(jié)構(gòu)本設(shè)計主要針對光纖耦合器，對光纖耦合器的輸出特性以及光纖耦合器的耦合間隔與耦合比之間的關(guān)系進行探究。光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動元件領(lǐng)域。光纖耦合器可分標準耦合器(屬于波導(dǎo)式，雙分支，單位1X2，亦即將光訊號分成兩個功率)、直連式耦合器(連接2條相同或不同類型光纖接口的光纖，以延長光纖鏈路)、星狀/樹狀耦合器、以及波長多工器(WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬于DWDM)，制作方式則有燒結(jié)(Fuse)、微光學(xué)式(MicroOptics)、光波導(dǎo)式(WaveGuide)三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)(約有90%)[4]。在光纖傳輸系統(tǒng)中,光纖耦合器可以把多根光纖傳輸?shù)墓庑盘栺詈线M一根光纖，或?qū)⒁宦饭庑盘柗殖蓭茁?，并對各路的光功率分配比例有明確的要求。光纖耦合器是一個四端口的網(wǎng)絡(luò)，由兩根靠近的光纖組成，分別由有光輸入和無光輸入、耦合區(qū)間、直通臂和耦合臂部組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示。端口1」_'w端口3端口2端口4圖1光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖光纖耦合器的物理機制可以理解為：當(dāng)一束光由光纖耦合器的一個纖芯入射時，因為不同的模式能量,2個纖芯中的光束，由于自相位調(diào)制(SPM)引起的相移也不同。結(jié)果，即使是對稱的光纖耦合器因為非線性效應(yīng)也表現(xiàn)出不對稱性。際上,這種情況與非對稱光纖耦合器中的情況很類似。在非對稱光纖耦合器中，不同的模傳播常數(shù)引起2個纖芯間的相對相移。并阻礙了兩者間全部能量的轉(zhuǎn)移⑸。

1.2光纖耦合器的耦合效率平行直光纖的纖芯相互接近時，在其中傳輸?shù)幕龇植季蜁ハ酀B透和交疊。這樣1號光纖中傳播的導(dǎo)模場將在2號光纖中產(chǎn)生極化作用，從而在2號光纖中激起傳導(dǎo)模。設(shè)nil和n12分別為1號光纖和2號光纖的芯層折射率，nc為包層折射率。由光纖的傳導(dǎo)場可得兩條光纖中的場分布。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"E=a（Z）e（r）ej（①f-釧z）[3]（1.1）111\o"CurrentDocument"E-a（Z）e（r）ej（?f"2z）[3]（1.2）由光纖耦合器的耦合關(guān)系以及相應(yīng)的波導(dǎo)方程可以得到耦合系數(shù)的計算公式。皿28口』EE(n2-n2)dx（1.3）（1.4）\o"CurrentDocument"K=——0—1匚JE2dx1（1.3）（1.4）從而計算得到耦合系數(shù)Wd.”.I；)8兀3a2nr2(n2-n2)K2(W)1211其中人是光波波長，n1是纖芯的折射率，n2是包層的折射率，d是光纖的間距（耦合間隔），a是光纖橫向尺寸，K0和K1分別是零階和一階貝塞爾函數(shù)[6]1.3耦合效率的影響因素光纖耦合器的耦合比與很多因素有關(guān)，由光纖耦合器的耦合系數(shù)的表達式可以，耦合系數(shù)與耦合區(qū)間的長度以及耦合區(qū)間的間隔相關(guān)。以上耦合系數(shù)的表達式是針對平行光纖組成的無損耗耦合器分析推導(dǎo)出來的，在實際的光纖定向耦合器制作中，兩根光纖都彎成了圓弧形,滲透進包層的消逝場被部分或者完全去除，因此光纖的幾何邊界與以上推導(dǎo)的條件不完全相符。但是，當(dāng)曲率半徑R足夠大的時候，可以將產(chǎn)生的模式畸變忽略不計。曲率半徑影響著耦合器的有效作用長度，它使兩根互相耦合的光纖之間的間距d和耦合系數(shù)c都成為耦合區(qū)位置z的函數(shù)。武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書2BeamPROP軟件介紹本文采用仿真軟件BeamPROP進行仿真從而探究光纖耦合器的耦合效率與耦合區(qū)間之間的關(guān)系。BeamPROP是一個高度集成了計算機輔助設(shè)計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學(xué)院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)設(shè)計人員廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法(finite-differencebeampropagationmethod)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計光學(xué)器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設(shè)計光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、分析功能選項。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用戶感興趣的各種數(shù)值特性⑹。3光纖耦合器的仿真3.1光纖耦合器的繪制3.1.1建立波導(dǎo)通過上面軟件使用方法，建立相應(yīng)的仿真文件，參數(shù)設(shè)置結(jié)合實際使用的光纖的折射率以及光波波長。設(shè)置導(dǎo)橫截面的寬度為4um，芯層折射率為1.455,包層折射率為1.465(包層和芯層的折射率差為0.01),如圖2。圖2耦合器基本參數(shù)設(shè)置之后繪制相應(yīng)的波導(dǎo)，由光纖耦合器的基本結(jié)構(gòu)可以畫出相應(yīng)的波導(dǎo)形狀如圖3所示。3所示。圖3光纖耦合器光路圖3.1.2設(shè)置路徑與監(jiān)視器為波導(dǎo)建立兩條路徑分別是直通臂和耦合臂，并且添加兩個Monitor分別監(jiān)測兩個臂的輸出光功率口］。監(jiān)測器1監(jiān)測路徑1也就是直通臂，監(jiān)測器2監(jiān)測路徑2也就是耦合臂，如圖4。圖4耦合器通道的繪制圖3.1.3設(shè)置位置的變量為了方便改變耦合區(qū)的間隔，將路徑1的X坐標設(shè)置為-(width+gap)/2，而路徑2的X坐標設(shè)置為(width+gap)/2。變量的添加只要在工具欄中使用EditSymbols工具即可實現(xiàn)，耦合區(qū)長度設(shè)為2000。變量設(shè)置如圖5所示。圖5變量設(shè)置IPropertiesforSeg>ent#1StructureTvpe:[DefaultPositionTaper:[NoneFProfileTvpe:DefaultCombineMode:DefaultWidthMeasure:Default▼SegOrientation:Axis.▼IndexTaper:^one▼WidthTaper:^one十HeightTaper:None▼?PosTaper:None-StartingVertexEndingVertexIndexDifference:Indesfimagpart):WaveguideWidth:WaveguideHeight:VPosition:alphawidthIndexDifference:■delta3.23.2.&|-(^idth+gap^height

[0~z：300Index[imagpart):WaveguideWidth:WaveguideHeight:拍Position:：alpha|widthheightZ:|-1400ReferenceType:*NoneOffsetAngle仿真結(jié)果|o1e光纖耒Component:ReferenceType:■*None口施圖6AngleParameterValue:|o的傳播路徑仿Component:當(dāng)耦合區(qū)間的間隔gap設(shè)置為4ReferericeType:None至1的參數(shù)設(shè)置AngleParameter.Value:0真eferenceTo:Component:1蘆時，使拓mReferericeTvpe:None■*OffsetAngleParameter.Value:poooReferenceTo:Component:]ulation得到仿真結(jié)果如圖7所示，其中藍線代表路徑1的光功率，綠線代表路徑2的光功率。QBeaaPROP-ComputationCoapleted-X:2,PT3T:2078□回區(qū)FileViewE.utlHelp.ax1.0PathiAiay,Monitor:0.50.0圖7光纖耦合器輸出特性V血沖u.)由仿真結(jié)果可以看出光的傳播路徑，光激勵由路徑1耦合到了路徑2。耦合比為0.49，也就是耦合臂輸出功率是輸入功率的0.49倍。3.2.2耦合間隔與耦合比的關(guān)系掃描仿真為了探究光耦合器的耦合間隔與耦合比的關(guān)系，要改變耦合間隔得到各個耦合間隔的耦合比，從而得出相應(yīng)的關(guān)系。本設(shè)計使用BeamPROP中的PerformParameterScan功能實現(xiàn)耦合間隔的掃描。1）耦合間隔較小的仿真結(jié)果設(shè)置耦合間隔由0Rm到槌m以0.02rm的步進變化，可以得到耦合比與耦合間隔的關(guān)系。曲線圖如圖所示，藍色線代表直通臂的輸出功率與輸入功率的比值，綠色代表耦合臂的輸出功率與輸入功率的比值。由圖8可以看出耦合比與耦合間隔成近似正弦規(guī)律周期變化?！闠inPlot—￡TinPlot—[Plot:stu>.psc]If□ifxRE-!■DRAW圖8仿真結(jié)果圖2）耦合間隔較大的仿真結(jié)果設(shè)置耦合間隔由1Rm到5Rm以0.02rm的步進變化，同樣可以得到耦合比與耦合間隔的關(guān)系。曲線圖如圖所示，由圖可以看出當(dāng)耦合間隔大于3.4時耦合間隔和耦合比不再以近似正弦規(guī)律變化，而是按照指數(shù)規(guī)律變化，最后沒有了耦合效果。LJFileEdit3XFl.：.+DrawOjitionsWindqwHelpTinPlot-LJFileEdit3XFl.：.+DrawOjitionsWindqwHelpTinPlot-[Plot:stu>.psc].0.9.87654-3-21o1CIo.clo.o.o.o.clo.口■4—ln_H-no」s一Low由仿真結(jié)果得出結(jié)論，當(dāng)耦合間隔比較小的時候，光纖耦合器的耦合間隔與耦合比成正弦規(guī)律周期性變化。當(dāng)耦合間隔大于一定的值時，耦合比成指數(shù)規(guī)律變化，最終趨向于0，以致兩路光纖沒有關(guān)系，不具有耦合關(guān)系，光纖耦合器的耦合比與耦合間隔成貝塞爾函數(shù)的關(guān)系。在設(shè)置光路參數(shù)時，耦合區(qū)長度在2000Rm左右，直通臂和耦合臂在500Rm左右，得到的仿真圖形較為適合。4總結(jié)課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力