課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：電子0901指導教師：工作單位：信息工程學院題目：單模光纖的基膜計算初始條件：具較扎實的光電子技術的理論知識及較強的實踐能力；學會使用BeamPROP仿真軟件。要求完成的主要任務：掌握單模光纖的相關概念與知識。利用BeamPROP仿真軟件對單模光纖基膜的實現(xiàn)仿真。得出單模光纖的結構及性能。完成課程設計報告（應包含仿真圖，調試及設計總結）。時間安排：2012年6月28日分班集中，布置課程設計任務、選題；講解課設具體實施計劃與課程設計報告格式的要求；課設答疑事項。2012年6月29日至2012年7月4日完成資料查閱、設計、制作與調試；完成課程設計報告撰寫。2012年7月5日提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。指導教師簽名：年月日系主任（或責任教師）簽名：年月日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要II\o"CurrentDocument"AbstractIII\o"CurrentDocument"緒論IV\o"CurrentDocument"1原理分析V\o"CurrentDocument"光纖理論分析V1.1.1光纖的組成V\o"CurrentDocument"1.1.2光纖的模式VI\o"CurrentDocument"1.1.3單模光纖的基本分析VI\o"CurrentDocument"1.2單模光纖VII\o"CurrentDocument"1.2.1單模光纖的結構VII\o"CurrentDocument"1.2.2單模光纖中的傳播模VIII\o"CurrentDocument"圖1.22VIII\o"CurrentDocument"1.2.3單模光纖的性能VIII\o"CurrentDocument"2BeamPROP軟件使用IX\o"CurrentDocument"2.1軟件簡介IX\o"CurrentDocument"BeamPROP仿真X\o"CurrentDocument"3仿真設計XII\o"CurrentDocument"3.1單模光纖基膜的仿真XII\o"CurrentDocument"3.2仿真文件設計XIII3.2.1建立波導XIII\o"CurrentDocument"3.2.2設置位置的變量XIII\o"CurrentDocument"3.3仿真結果XIV\o"CurrentDocument"3.3.1單模光纖基膜的傳播路徑仿真XIV\o"CurrentDocument"3.3.2包層直徑與相對輸出功率的關系仿真XVI\o"CurrentDocument"4總結XVII\o"CurrentDocument"結論XVII\o"CurrentDocument"體會XVII\o"CurrentDocument"參考文獻XVIII武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書摘要一般v小于2.405時,光纖中就只有一個波峰通過，故稱為單模光纖，它的芯子很細，約為3一10微米,，模式色散很小.影響光纖傳輸帶寬度的主要因素是各種色散，而以模式色散最為重要，單模光纖的色散小，故能把光以很寬的頻帶傳輸很長距離。單模光纖具備10micron的芯直徑，可容許單模光束傳輸，可減除頻寬及振模色散(Modaldispersion)的限制，但由于單模光纖芯徑太小，較難控制光束傳輸，故需要極為昂貴的激光作為光源體，而單模光纜的主要限制在于材料色散(Materialdispersion)，單模光纜主要利用激光才能獲得高頻寬，而由于LED會發(fā)放大量不同頻寬的光源，所以材料色散要求非常重要。單模光纖相比于多模光纖可支持更長傳輸距離，在100Mbps的以太網以至1G千兆網，單模光纖都可支持超過5000m的傳輸距離。從成本角度考慮，由于光端機非常昂貴，故采用單模光纖的成本會比多模光纖電纜的成本高。關鍵詞：單模光纖；傳輸直徑；AbstractGeneralVislessthan2.405,thefiberisonlyonewavethrough,socalledsingle-modefiber,itscoreisverysmall,about3-10microns,mode,dispersionissmall.Theeffectoffibertransmissionbandwidthisthemainfactorinvariousdispersion,modedispersionismostimportant,single-modeopticalfiberdispersionsmall,itcanbringlighttoawidebandtransmissionforlongdistance.Singlemodeopticalfiberwith10microncorediameter,permitsasingle-modelaserbeampropagation,deductiblebandwidthandvibrationmodedispersion(Modaldispersion)constraints,butasaresultofsingle-modefibercorediameteristoosmall,itisdifficulttocontrolthebeamtransmission,itneedsextremelyexpensivelaserasalightsourcebody,andasinglemodefiberopticcablemainlimitationisthatthematerialdispersion(Materialdispersion),singlemodeopticalfibercablemainlyuseslasertogethighbandwidth,becauseLEDwillreleasealargenumberofdifferentbandwidthofthelightsource,sothematerialdispersionrequirementisveryimportant.Singlemodefibercomparedtothemultimodeopticalfibermaysupportalongertransmissiondistance,in100Mbpsand1GEthernetGigabitEthernet,single-modefibercansupportmorethan5000moftransmissiondistance.Fromacostperspective,sincetheopticalmachineisveryexpensive,sotheuseofsingle-modefibercostthanmultimodeopticalfibercableofhighcost.Keywords:singlemodeopticalfibertransmissiondiameter;緒論單模光纖(SingleModeFiber):中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10pm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來又發(fā)現(xiàn)在1.31pm波長處，單模光纖的材料色散和波導色散一為正、一為負，大小也正好相等。這樣，1.31pm波長區(qū)就成了光纖通信的一個很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段1.31pm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國際電信聯(lián)盟ITU-T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。1原理分析1.1光纖理論分析1.1.1光纖的組成光纖是指能夠傳導光波的圓柱形介質光波導，通常光纖三層介質，分別是是芯層、包層和涂層，芯層折射率n1稍大于包層折射率n2,導波光由于全反射背包層約束在芯層中沿光纖延伸方向傳播。圖1.1階躍光纖橫截面結構圖按照芯層的折射率的大小可以將光纖分為階躍光纖和梯度光纖。對于階躍光纖折射率分層均勻分布，有芯層折射率n1大于包層折射率n2。梯度光纖其芯層折射率徑向為漸變式。由于光纖的芯層和包層的折射率之差很小，光纖相對折射率可以近似用下式表示?！?"1一n2(1.1)n2光纖的折射率之差又稱為光纖的結構參數(shù)⑵是光纖非常重要的一個參量，影響光纖的色散特性和耦合效率。

1.1.2光纖的模式在光纖中由于芯層的折射率大于包層的折射率因而當光以大于一定角度入射時就會產生全反射現(xiàn)象，從而大大減少了光纖的損耗，實現(xiàn)光信號傳輸。在光纖的受光角內，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯-包層交界面上產生全反射的傳播光線，就可稱之為光的一個傳輸模式。當光纖的芯直徑較大時，則在光纖的受光角內，可允許光波以多個特定的角度射入光纖端面，并在光纖中傳播，此時，就稱光纖中有多個模式。這種能傳輸多個模式的光纖就稱為多模光纖。如圖所示，以不同入射角入射在光纖端面上的光線在光纖中形成不同的傳播模式。沿光纖軸傳播的叫做基模，相繼還有一次模、二次模等。其中，模次較低的模為低次模，如二次模；模次較高的模為高次模。當光纖芯直徑很小時，光纖只允許與光纖軸方向一致的光線通過，即只允許通過一個基模。這種只允許傳輸一個基模的光纖就稱為單模光纖。1.1.3單模光纖的基本分析單模光纖是在一定工作波長下，傳輸基膜HE11模(或爵01)的光纖，若單模光纖的折射率分布是理想的階躍型的，當光纖的歸一化頻率V<2.405時，光纖只有兩個相互正交的LP01模，其橫向電場E七可以表示為(r<a)

wrEK()(r>a)00aK(r>a)LP01模的傳輸常數(shù)p01可以從下列特征方程式和V，u，W的關系式中聯(lián)合求出，即uJ](u)=wK](w)J(u)K(w)這些是階躍光纖得出的結論。定義滿足下式的人為單模光纖的截止波長c當傳輸光波長大于人時，便滿足在這種光纖中單模傳輸?shù)臈l件。cLP模的場分布，在線芯中按J（-）變化，在包層里按K（墮）變化，這010a0a種變化和高斯函數(shù)接近，因此。在許多實際問題中，經常^ELT^模的分布近似為卜列形式匕〉=〈A〉exp[—」）]EB1.2單模光纖1.2.1單模光纖的結構如果能將光纖纖芯的直徑尺寸做到幾個波長（通常是8?12pm）并且使纖芯包層折射率差很小。則可制成單模光纖。令V=2.4,可以看到能夠在一個相當大的實際纖芯尺寸a和纖芯包層折射差A變化范圍內實現(xiàn)單模傳播。但實際的單模光纖其纖芯包層折射率差一般在0.2%?1.0%間變化，因而纖芯直徑取值必須是第一個高階模截止，或者說使V值稍小于2.4。武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書1.2.2單模光纖中的傳播模任何普通的單模光纖中實際上都存在兩個獨立的簡并傳播模。這兩個模式極為相似，但它們的偏振面相互正交。這兩個模式可以任意地取水平（H）方向偏振或取垂直方向（V）偏振，如圖1.22所示。這兩個正交偏振模中的任意一個都構成主模，即班］］模。在一般情況下，光纖中傳播的光波的電場是兩個偏振模的線性疊加，合成波的偏振狀況決定于注入光纖點的光波的偏振狀態(tài)。假設我們隨意地選取這兩個正交的模式中的一個，并假定其電場的橫向分量沿x軸方向偏振，而另一個正交的模式電場的橫向分量必然沿y軸方向偏振，如圖1.22所示。在具有完善的圓對稱的理想光纖中，這兩個簡并的模式具有相同的傳播常數(shù)（%K），任意偏振態(tài)的光波注入光纖后，其偏振狀態(tài)在傳播過程中不會發(fā)生變化。圖單模光纖的性能在生產單模光纖時，制造商特別關注光纖結構對色度色散的偏振模色散的影響。色散特性是應考慮的最重要特性，因為他們是制約長距離和高速率傳輸?shù)氖?/p>

武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書要因素。階躍折射率石英玻璃光纖在1310nm處有最小的色散值，而在1550nm(c波段內)處的損耗最小。對于長距離傳輸，應工作在C波段，但其色散明顯大于1310nm窗口。為達到告訴長距離傳輸，通常光纖設計人員可以調整光線的參數(shù)，將零色散波長移至更長的波長段。在電信網絡中使用最為廣泛的單模光纖是近似為階躍折射率的光纖，它在O波帶1310nm波長處具有最優(yōu)的色散特性。這些1310nm最優(yōu)化單模光纖可以設計成匹配包層或凹陷包層如圖1.23所示。匹配包層光纖的整個包層折射率保持不變，其典型的模場直徑大約為9.5叩，纖芯一包層折射率差為0.35%左右。凹陷包層光纖的內包層折射率要低于外包層，模場直徑大約為9^m，典型的正負折射率差分別為0.25%和0.12%。a=4.5pmj■一2aA=i0.35%a=4.5pmj■一2aA=i0.35%F匹配包層,2a*a=4.2卜a=0.25%1A=0.12%12凹陷包層2BeamPROP軟件使用2.1軟件簡介本文采用仿真軟件BeamPROP進行仿真從而探究光纖耦合器的耦合效率與耦合區(qū)間之間的關系。BeamPROP是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件由美國RSOFT公司出品，1994年投入市場，被學院及產業(yè)公司的開發(fā)設計人員廣泛使用。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法(finite-differencebeampropagationmethod)來模擬分析光學器

件。用戶界面友好，分析和設計光學器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路CAD設計系統(tǒng)，且可控制相關的模擬參數(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。2.2BeamPROP仿真1）新建仿真文件啟動BeamPROP軟件，點擊左上角的“NewCircuit”按鈕，新建仿真文件。點擊后彈出基本設置對話框，波導的一些基本特性參數(shù)需要在此設定。我們模擬目前光通信系統(tǒng)中應用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導（channel型）。波導橫截面的尺寸結構為4um，芯層折射率為1.465,包層折射率為1.455（包層和芯層的折射率差為0.01）。GLOBALSETTINGSWaveguideModelDimension:-ladialCalculation:EffectiveWaveguideModelDimension:-ladialCalculation:EffectiveIndexCalculation:Polarization:rTErTMSimulationTool:際BeamPROP/BPMGratingMODCDiffractMODrFullWAVE/FDTDCBandSOLVEBPMOptions:VectorMode:NoneSemiFullBidirectionalCalculation:FDTDOptions:Dispersion/Nonlinearity:-reeSpaceWavelength:13DStructureType":|FiberBackgroundIndex:1.455CoverIndex:IndexDifference:0.01SlabIndex:-reeSpaceWavelength:13DStructureType":|FiberBackgroundIndex:1.455CoverIndex:IndexDifference:0.01SlabIndex:|background_indew+(WaveguideWidth:SlabHeight:WaveguideHeight:|0EditLayers...ProfileType:Anisotropic:EditTensors...2）繪制波導Cancel點擊BeamPROP窗口左邊的mode，繪制相應形狀的波導⑹。鼠標左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出相應的波導。將鼠標移動全波導上（紅色區(qū)域上），再單擊鼠標右鍵，會彈出波導的設置菜單。通過設置變量可以方便的改變波導的位置以及大小。3）設置仿真激勵要實現(xiàn)仿真結果，我們還需要設置光源的特性和觀察的路徑，還需要添加監(jiān)視器觀察輸出特性。設置路徑通過單擊左側工具欄中的“EditPathways"按鈕。單擊后左側工具欄會變成路徑設置欄。點擊“New”按鈕，會新建一個路徑，再左鍵點擊我們畫好的波導，使路徑與波導相一致（此時波導會變綠色），如下圖：然后再點擊“Monitors”按鈕，會彈出一個小對話框，設置一個與路徑相匹配的探測器。按照下圖提示設置完后，點擊對話框的“OK”按鈕回到路徑設置模式，再點擊左側的“OK”按鈕回到畫圖模式。再進行光源的設置。單擊左側工具欄中的“EditLaunchField"按鈕，如下圖。單擊后會彈出輸入光源的設置對話框。選取波導的基模即可。如下圖：設置完成點擊“OK”。至此，模擬環(huán)境已基本設置完畢。再模擬前，要需先將文件保存下來。4）波導仿真并觀察仿真結果仿真文件建立好之后，只要點擊工具欄中的PerformSimulation即可實現(xiàn)仿真，點擊后軟件自動完成仿真得出仿真結果，繪制仿真圖形。從仿真圖形中可武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書以得出相應的結論。還可以使用PerformParameterScan設定相應參數(shù)變化獲得相應的輸出圖形。X(jim)圖2.3激勵仿真結果3仿真設計3.1單模光纖基膜的仿真要得到單模光纖基膜的仿真，根據原理分析可知，光纖耦合器就是兩束光纖靠近時會產生耦合效應，從路徑1輸入的光功率會沿著路徑1進行傳播，并且這種傳輸纖芯折射率和包層折射率以及通信波長有一定的關系［。使用BeamPROP軟件的可以建立相應的仿真文件實現(xiàn)光在單模光纖基膜的輸出特性的仿真。武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書3.2仿真文件設計3.2.1建立波導通過上面軟件使用方法，建立相應的仿真文件，參數(shù)設置結合實際使用的光纖的折射率以及光波波長。設置導橫截面的寬度為4um，芯層折射率為1.465,包層折射率為1.455（包層和芯層的折射率差為0.01）。之后繪制相應的波導，由單模光纖的基本結構可以畫出相應的波導形狀如圖所示。3Dstructure為Fiber。3.2.2設置位置的變量3Dstructure為Fiber。為了方便改變耦合區(qū)的間隔，起始設置時為

武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書width=9.5,由于選的是圓形的，所以這里的width為半徑。變量的添加只要在工具欄中使用EditSymbols工具即可實現(xiàn)。變量設置如圖所示。Name:Expression:CurrentValue:|width|9.Salphabackground_indexdeltadimensioneimfree_space_wave1engthheightkOlaunch_typeprofile_typesim_toolslice_display_modeName:Expression:CurrentValue:|width|9.Salphabackground_indexdeltadimensioneimfree_space_wave1engthheightkOlaunch_typeprofile_typesim_toolslice_display_modestructurewidthrrr0103012(2*pi)/free_space_iLAUNCH_COMPMODE—PROF_STEPINDEXST_BEAMPROPDISPLAY_CONTOURMAP：STRUCTFIBERAcceptSymbolRejectSymbolNewSymbolDeleteSymbol3.3仿真結果3.3.1單模光纖基膜的傳播路徑仿真將3Dstructure設置為Fiber時，width=9.5使用Simulation得到仿真結果如圖所示，左邊的圖代表光纖傳播譜，Monitor藍線代表各點相對入射功率的功率〔jBeamPROP-ComputationCompleted-X:-0.903V-751FileEditViewRunHelpE=3.N1800150012009006003000A>AAAAAAAAAAAJULA----------