單模光纖的基模計(jì)算

/課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名：徐帆專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電子0902指導(dǎo)教師:洪建勛工作單位：信息工程學(xué)院題目：?jiǎn)文９饫w的基模計(jì)算初始條件：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)一個(gè)單模光纖，分析單模光纖的電磁場(chǎng)分布，并研究輸入光波波長(zhǎng)、纖芯折射率、纖芯半徑對(duì)單模光纖傳輸模式的影響。（3）對(duì)單模光纖的電磁場(chǎng)分布和傳輸模式進(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)工作規(guī)范》要求撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。全文用A4紙打印,圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范.時(shí)間安排：2012.6。25做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說(shuō)明。2012。6。25—6。28學(xué)習(xí)beamprop軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)。2012.6。29-7。5對(duì)單模光纖進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫(xiě).2012.7。6提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯.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”1-3"\h\z\u摘要 IAbstract IIHYPERLINK\l”_Toc329251342"1緒論 12.1。1光纖的結(jié)構(gòu) 2_Toc329251356"3單模光纖 7HYPERLINK\l”_Toc329251357”3。1單模傳輸?shù)臈l件 7_Toc329251360”3.2。2色散系數(shù) 7HYPERLINK\l”_Toc329251361"3.2.3模場(chǎng)直徑 8HYPERLINK\l”_Toc329251362"3。2.4截止波長(zhǎng) 84Beamprop介紹 105軟件仿真 115.2軟件仿真及結(jié)果分析 14_Toc329251369”5。2.3折射率對(duì)單模光纖模式的影響 16HYPERLINK\l”_Toc329251370”5.2。4纖芯半徑對(duì)單模光纖模式的影響 18,然后修改其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、“IndexDifference”和“WaveguideWidth"參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖5-1所示。這里選擇標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的參數(shù)設(shè)置。圖5-1全局設(shè)置畫(huà)出一根光纖波導(dǎo),調(diào)制它的位置，使其豎直放置，再設(shè)置光源的特性和觀察的路徑。首先設(shè)置路徑,單擊左側(cè)工具欄中的”EditPathways”按鈕。單擊后左側(cè)工具欄會(huì)變成路徑設(shè)置欄。點(diǎn)擊"New"按鈕，會(huì)新建一個(gè)路徑，再左鍵點(diǎn)擊我們畫(huà)好的波導(dǎo),使路徑與波導(dǎo)相一致（此時(shí)波導(dǎo)會(huì)變綠色），如圖5—2所示。圖5—2新建路徑然后再點(diǎn)擊"Monitors"按鈕,會(huì)彈出一個(gè)小對(duì)話框，設(shè)置一個(gè)與路徑相匹配的探測(cè)器,選擇FiberModepower，如圖5—3所示.點(diǎn)擊對(duì)話框的"OK”按鈕回到路徑設(shè)置模式,再點(diǎn)擊左側(cè)的”O(jiān)K"按鈕回到畫(huà)圖模式.圖5—3探測(cè)器設(shè)置窗口再進(jìn)行光源的設(shè)置。單擊左側(cè)工具欄中的”EditLaunchField"按鈕，單擊后會(huì)彈出輸入光源的設(shè)置對(duì)話框。選擇FiberMode和基模即可，如下圖5-4所示。圖5—4輸入光源設(shè)置對(duì)話框設(shè)置完成點(diǎn)擊”O(jiān)K”。至此,模擬環(huán)境已基本設(shè)置完畢。再模擬前，要需先將文件保存下來(lái)。為了驗(yàn)證光纖波導(dǎo)參數(shù)的正確性，而在CAD界面只看俯視圖不能完全了解波導(dǎo)結(jié)構(gòu),我們還需要查看波導(dǎo)橫截面的結(jié)構(gòu)。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄下方的”DisplayIndexProfile”按鈕會(huì)彈出對(duì)話框，選擇DisplayMode為”ContourMap（XY）”模式，并點(diǎn)擊"OK”，即可看到波導(dǎo)橫截面的折射率分布,如圖5-5所示。根據(jù)圖可得單模光纖折射率分布有明顯的分界，其中纖芯折射率為1。4682，包層折射率為1.4629,與開(kāi)始設(shè)定的參數(shù)相一致，設(shè)計(jì)成功。圖5—5單模光纖橫截面折射率分布5.2軟件仿真及結(jié)果分析5.2.1單模光纖的電磁場(chǎng)分布單擊PerformSimulation選項(xiàng)，選擇Slices，單擊OK，最后得到如下的仿真圖。其中藍(lán)線的高低表示光功率的大小。圖5—6單模光纖光功率分布對(duì)于某一個(gè)模式來(lái)說(shuō)，其電磁場(chǎng)能量在理想情況下應(yīng)被封閉在纖芯中沿軸向傳輸。但實(shí)際上，在纖芯和包層的界面處，電磁場(chǎng)并不為零，而是由纖芯中的震蕩形式轉(zhuǎn)變?yōu)榘鼘又械闹笖?shù)衰減。因此，要傳輸?shù)膶?dǎo)波能量大部分是在纖芯中傳輸，而有一部分則在包層中傳輸。圖5-6也驗(yàn)證了這一點(diǎn),光功率主要分布在纖芯和纖芯包層界面處,然后隨著半徑的增大，光功率逐漸降為零。對(duì)于階躍型單模光纖，基膜場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上的場(chǎng)強(qiáng)分布近似為高斯分布，光纖截面上軸心處的場(chǎng)強(qiáng)最大，因此把沿纖芯直徑方向，相對(duì)該場(chǎng)強(qiáng)最大點(diǎn)功率下降了1/e的兩點(diǎn)之間的距離，稱為單模光纖的模場(chǎng)直徑。5.2.2輸入光波長(zhǎng)對(duì)單模光纖模式的影響設(shè)定一個(gè)變量wavelength，使輸入光波長(zhǎng)等于wavelength,取三個(gè)不同的值1。55,1.05，0。55（單位：um)，其他參數(shù)保持不變。單擊菜單欄Run，再選擇ComputeMode0~3，進(jìn)行橫截面?zhèn)鬏斈Ｊ椒抡?。最后得到的仿真圖如圖5—7、圖5-8、圖5—9所示。圖5-7波長(zhǎng)為1.55um時(shí)傳輸模式仿真圖圖5-8波長(zhǎng)為1.05um時(shí)傳輸模式仿真圖圖5-9波長(zhǎng)為0。55um時(shí)傳輸模式仿真圖其中當(dāng)輸入光波長(zhǎng)為1。55，1.05（單位：um)時(shí)，只有一個(gè)傳輸模式m=0，即基膜。當(dāng)輸入光波長(zhǎng)為0.55um，產(chǎn)生不止一個(gè)模式m=0、1、2，圖5—9給出了二階模m=2的仿真圖，此時(shí)不再滿足單模傳輸條件。光纖的歸一化頻率當(dāng)減小時(shí)，增大,當(dāng)減小到一定數(shù)值時(shí)，可能不再滿足，即不再滿足單模傳輸條件，這與仿真結(jié)果相符。從另一個(gè)角度也可以分析，對(duì)應(yīng)著歸一化截止頻率的波長(zhǎng)為截止波長(zhǎng)，用表示，它是保證單模傳輸?shù)谋匾獥l件。當(dāng)時(shí),光纖中只傳輸單模。本次仿真中前兩次波長(zhǎng)值都大于,第三次小于，就長(zhǎng)生多個(gè)傳輸模式了就產(chǎn)生了多個(gè)傳輸模式。5。2。3折射率對(duì)單模光纖模式的影響設(shè)定一個(gè)變量index，使包層折射率等于index，并保持纖芯與包層的折射率差始終為0.0053,取三個(gè)不同的值1.4629,4.4629，7.4629，其他參數(shù)不變。單擊菜單欄Run，再選擇ComputeMode0～3，進(jìn)行橫截面?zhèn)鬏斈Ｊ椒抡?。最后得到的仿真圖如圖5—10、圖5-11、圖5—12所示。其中當(dāng)折射率取1。4624，4。4624時(shí),只有一個(gè)傳輸模式，即基膜m=0，滿足單模傳輸條件.當(dāng)折射率等于7。4692時(shí)，產(chǎn)生不止一個(gè)傳輸模式m=0、1，不滿足單模傳輸條件，圖5-12給出了一階模m=1的仿真圖。圖5-10折射率為1。4629時(shí)的傳輸模式仿真圖圖5—11折射率為4。4629時(shí)的傳輸模式仿真圖圖5—12折射率為7.4629時(shí)的傳輸模式仿真圖光纖的歸一化頻率當(dāng)增大時(shí)，增大,當(dāng)增大到一定數(shù)值時(shí)，可能不再滿足，即不再滿足單模傳輸條件，這與仿真結(jié)果相符。5.2。4纖芯半徑對(duì)單模光纖模式的影響設(shè)定一個(gè)變量wide,使光纖纖芯長(zhǎng)和寬等于wide，通過(guò)改變wide來(lái)改變纖芯半徑。wide取三個(gè)不同的值8。2，18，28（單位：um)，其他參數(shù)不變.單擊菜單欄Run，再選擇ComputeMode0～3,進(jìn)行橫截面?zhèn)鬏斈Ｊ椒抡?最后得到的傳輸模式仿真圖如圖4—13、圖4—14、圖4—15所示.圖5—13wide為8。2um時(shí)的傳輸模式仿真圖圖5-14wide為18um時(shí)的傳輸模式仿真圖圖5-15wide為28um時(shí)的傳輸模式仿真圖其中當(dāng)wide取8。2