武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 學(xué)妹拯救者 專業(yè)班級(jí): 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(shí)的光電子技術(shù)的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；學(xué)會(huì)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(shí)。利用BeamPROP仿真軟件對(duì)光纖耦合器實(shí)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(jì)報(bào)告（應(yīng)包含仿真圖，調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時(shí)間安排：2012年6月25日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。2012年6月26日至2012年7月6日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。2012年7月6日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)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"Abstract II\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(jiǎn)介 4\o"CurrentDocument"3光纖耦合的仿真 4\o"CurrentDocument"3.1光纖耦合的繪制 4\o"CurrentDocument"3.1.1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 73.2.2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(xiàn) 11摘要光纖耦合器又稱光定向耦合器，是對(duì)光信號(hào)實(shí)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(chǎng)的相互耦合來工作的，它們的性能指標(biāo)主要有工作中心波長(zhǎng)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(jì)算公式。然后結(jié)合實(shí)際制作條件進(jìn)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⑴。關(guān)鍵詞：光纖耦合器；單模光纖；耦合區(qū)間隔AbstractFibercoupler,alsoknownasopticaldirectionalcoupler,theopticalsignal,splitter,combiner,insertionanddistributionofpassivecomponentsusedinfiber-optictelecommunicationsopticalfibertransmissionnetwork,LAN,fiberopticsensingnetworknetwork.Theyrelyonthemutualcouplingofthewaveguideelectromagneticfieldstowork,theirperformanceworkcenterwavelength九0istheexcessloss,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(hào)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、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等⑵。目前.國(guó)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(shí)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(shí)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(zhǎng)度和間隔有關(guān)系。2x2單模光纖耦合器可看作是兩個(gè)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(chǎng).各自保持了該波導(dǎo)獨(dú)立存在時(shí)的場(chǎng)分布和傳輸系數(shù).耦合的影響表現(xiàn)在場(chǎng)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Al(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(jì)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(jì)主要針對(duì)光纖耦合器，對(duì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路，或用于延長(zhǎng)光纖鏈路的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器(屬于波導(dǎo)式，雙分支，單位1X2，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)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(zhǎng)光纖鏈路)、星狀/樹狀耦合器、以及波長(zhǎng)多工器(WDM，若波長(zhǎng)屬高密度分出，即波長(zhǎng)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?hào)耦合進(jìn)一根光纖，或?qū)⒁宦饭庑盘?hào)分成幾路，并對(duì)各路的光功率分配比例有明確的要求。光纖耦合器是一個(gè)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2圖1光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖光纖耦合器的物理機(jī)制可以理解為：當(dāng)一束光由光纖耦合器的一個(gè)纖芯入射時(shí)，因?yàn)椴煌哪Ｊ侥芰?2個(gè)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(duì)稱的光纖耦合器因?yàn)榉蔷€性效應(yīng)也表現(xiàn)出不對(duì)稱性。際上,這種情況與非對(duì)稱光纖耦合器中的情況很類似。在非對(duì)稱光纖耦合器中，不同的模傳播常數(shù)引起2個(gè)纖芯間的相對(duì)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(1.1)(1.2)平行直光纖的纖芯相互接近時(shí)，在其中傳輸?shù)幕?chǎng)分布就會(huì)互相滲透和交疊。這樣1號(hào)光纖中傳播的導(dǎo)模場(chǎng)將在2號(hào)光纖中產(chǎn)生極化作用，從而在2號(hào)光纖中激起傳導(dǎo)模。設(shè)nil和n12分別為1號(hào)光纖和2號(hào)光纖的芯層折射率，(1.1)(1.2)E=a(Z)e(r)ej(①t-卩1z)⑶111E=a(Z)e(r)ej(①t-P2z)⑶222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(jì)算公式。K二JK二J已1E2.(彎-n2)dxJE2dx1(1.3)從而計(jì)算得到耦合系數(shù)(1.4)WdK()0(1.4)8兀3a2nr2(n2一n2)K2(W)1211其中九是光波波長(zhǎng)，n是纖芯的折射率，n是包層的折射率，d是光纖的間12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)⑹1.3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(dá)式可以，耦合系數(shù)與耦合區(qū)間的長(zhǎng)度以及耦合區(qū)間的間隔相關(guān)。以上耦合系數(shù)的表達(dá)式是針對(duì)平行光纖組成的無損耗耦合器分析推導(dǎo)出來的，在實(shí)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(jìn)包層的消逝場(chǎng)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(shí)候，可以將產(chǎn)生的模式畸變忽略不計(jì)。曲率半徑影響著耦合器的有效作用長(zhǎng)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)。2BeamPROP軟件介紹本文采用仿真軟件BeamPROP進(jìn)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(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(guó)RSOFT公司出品，1994年投入市場(chǎng)，被學(xué)院及產(chǎn)業(yè)公司的開發(fā)設(shè)計(jì)人員廣泛使用。此軟件使用先進(jìn)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(jì)光學(xué)器件輕松方便。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)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場(chǎng)以及各種顯示、分析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)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(shí)際使用的光纖的折射率以及光波波長(zhǎng)。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。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(gè)Monitor分別監(jiān)測(cè)兩個(gè)臂的輸出光功率⑺。監(jiān)測(cè)器1監(jiān)測(cè)路徑1也就是直通臂，監(jiān)測(cè)器2監(jiān)測(cè)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(biāo)設(shè)置為-(width+gap)/2，而路徑2的X坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)，耦合區(qū)長(zhǎng)度設(shè)為2000。變量設(shè)置如圖5所示。圖5變量設(shè)置3.2果如圖7所示，其中藍(lán)線代表路徑1的光功率，綠線代表路徑2的光功率。QBeakPROP-ComputationCoapleted-3.2果如圖7所示，其中藍(lán)線代表路徑1的光功率，綠線代表路徑2的光功率。QBeakPROP-ComputationCoapleted-麟2,^73T:2DT3 口File ViewE.utlHelp-aX1000一E

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1<!-1000-咗Q-10 0 10 20圖W光纖耦合器輸出特性皿應(yīng)紋J由仿真結(jié)果可以看出光的傳播路徑，光激勵(lì)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(gè)耦合間隔的耦合比，從而得出相應(yīng)的關(guān)系。本設(shè)計(jì)使用BeamPROP中的PerformParameterScan功能實(shí)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0卩m到1卩m以0.02卩m的步進(jìn)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(lán)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。F；E-F；E-S￥inPlot一[Plot:stu>己乏2）耦合間隔較大的仿真結(jié)果設(shè)置耦合間隔由1卩m到5卩m以0.02卩m的步進(jìn)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(shí)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。m0.9.87654-3-21om0.9.87654-3-21o1CI_u.cl_u.ao._u.ao.aTinPlot一[Plot:stu>.psc]匚JFileEdit1陰1DrawOjitiorLSWiniluwHelp_o'X□|ugJ e|除i強(qiáng)11X:1.8^1 Y:1.1559圖9仿真結(jié)果由仿真結(jié)果得出結(jié)論，當(dāng)耦合間隔比較小的時(shí)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(shí)，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(shí)，耦合區(qū)長(zhǎng)度在2000卩m左右，直通臂和耦合臂在500卩m左右，得到的仿真圖形較為適合。4總結(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很