武汉理工大学光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真

1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子1101班指导教师：洪建勋工作单位：武汉理工大学题 目：光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真初始条件：具有一定的光纤光学基础知识，能较好地理解光纤耦合器的工作原理及其性能指标；会使用光学仿真软件，如Beamprop等；具备装有Beamprop或其他光学仿真软件的计算机平台。要求完成的主要任务：1. 学会使用Beamprop光学仿真软件；2. 学习掌握光纤耦合器的工作原理及其性能指标；3. 利用Beamprop软件进行光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真，并对仿真结果进行分析总结。专心-专注-专业目录摘要光纤耦合器又称光定向

2、耦合器，是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件，应用于基于光纤传输的电信网路、区域网路、光纤传感网路等光纤网络中。它们是依靠光波导间电磁场的相互耦合来工作的，它们的性能指标主要有工作中心波长0、附加损耗、耦合比（分束比或分光比）、分路损耗及反向隔离度等。本文将简单分析光纤耦合器的耦合区长度与耦合比的关系，在本次课程设计中采用光学模拟仿真软件Beamprop来进行光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系的简单仿真分析，得出耦合比与耦合区长度的关系。关键词：光学耦合器；耦合区；耦合比；仿真AbstractOptical coupler is also called directional li

3、ght coupler, optical signals of optical, all the way to realize, insert and distribution of the passive components, used in the telecommunications network based on optical fiber transmission, regional network, the optical fiber sensing the Internet in the optical fiber network. They depend on optica

4、l waveguide electromagnetic field coupling between the work to the performance index, their main job center wavelength lambda 0, additional loss, coupling ratio (divide bundle or spectral ratio), than of optical loss and backward isolation degree, etc. This paper will be a simple analysis of the cou

5、pling of optical fiber coupling length and the coupling of area than in the relationship, the course design of the optical simulation software Beamprop to optical fiber coupling of the coupling of the length of the coupling area than and the relationship between the simple simulation analysis, coupl

6、ed with that than the length of the coupling relationship between area. Keywords: Optical Coupler; Coupling Area; Coupling Ratio;Simulation1绪论随着光纤通信、光纤传感等光网络技术的发展，光纤系统日趋成熟，应用领域不断拓宽，光纤系统的结构日趋复杂，促使各种无源功能器件逐渐发展起来，光纤耦合器就是其中的一种。光纤耦合器又称光定向耦合器，是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件，广泛应用于基于光纤传输的电信网路、区域网路、光纤传感网路等光纤网络中。光纤耦合

7、器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。它的性能指标主要有工作中心波长0、附加损耗、耦合比（分束比或分光比）、分路损耗及反向隔离度等。光纤耦合器的类型有Y型耦合器、2×2星状耦合器、n×m耦合器、波分复用器，耦合器的结构有光纤型、微器件型、波导型等，其中光纤型耦合器根据制造方法又分熔锥型和研磨型。耦合器等无源器件是光纤传输系统的重要组成部分，只有深入掌握它们，了解它们的各项性能指标，才能设计出适合不同需要的光纤系统。本次课程设计将利

8、用Beamprop光学仿真软件来对光纤耦合器的性能指标之一耦合比与耦合区的长度的关系进行仿真分析，得出它们之间的关系。Beamprop是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。此软件由美国RSOFT公司出品，1994年投入市场，被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。此软件使用先进的有限差分光束传播法 (finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场

9、以及各种显示、分析功能选项。另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。它一般专门用来做光波导的模拟仿真。2光纤耦合器简介2.1光纤耦合器的原理及制作光纤耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出，它的性能指标主要有工作中心波长0、附加损耗、耦合比（分束比或分光比）、分路损耗及反向隔离度等。光纤耦合器对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器或解复用器。根据输入端光纤数及输出端光纤数，光纤耦合器可分为1×n及n×n星状耦

10、合器及2×2定向耦合器。耦合器的结构有光纤型、微器件型、波导型等，其中光纤型耦合器根据制造方法又分熔锥型和研磨型。图2.1为直连型光纤耦合器的图示，图2.2为波导式Y型分支路光纤耦合器的图示。图2.1直连型光纤耦合器图2.2波导式Y型分支路光纤耦合器多模光纤的n可做到很大，如64×64的星状耦合器的超额损耗可以降低到1dB以下。制造工艺普遍采用熔融双锥渐变的办法，即将多根裸光纤绞在一起，加热到软化温度，适当拉伸，在熔融区形成渐变双锥结构。从输入端看，每根光纤的芯径都在渐渐地、均匀地变细，可传输的模式愈来愈少，达到截止的模式将辐射进包层区，最后所有的模式都变成了包层模。接着光

11、纤的芯径又逐渐增大，光又重新耦合进入芯区，并将相当均匀地在每根输出光纤中分配能量。因此，任意一根输入光纤的光功率都会大致均匀地分配到每一根输出光纤中去。这就是星状耦合器的工作原理。单模光纤1×n耦合器的制造工艺与多模光纤相同，但耦合机理不同。如2×2单模光纤耦合器，其输入光纤中传播的已是最低模式，不再会截止。在渐变耦合区中，当两芯区非常靠近时，它们的模式场会相互重叠，光功率将以相干耦合的形式从一个芯区耦合到另一个芯区，稍后又耦合回来，在两条纤芯间来回振荡。只需在适当位置终止耦合（两条光纤分开），则可以按预期的比例将光功率注入指定的光纤。显然，单模光纤耦合器的制造难度比多模光

12、纤更大。实际上无论是多模还是单模光纤耦合器的制造工艺都是精密控制下的全自动过程，质量控制非常严格，以至于单模光纤定向耦合器的超额损耗可以低于0.1dB，但单模光纤耦合器的耦合比较难控制。图2.32×2的可调光纤定向耦合器图2.3为2×2的可调光纤定向耦合器示意图，两块玻璃或石英衬底事先磨抛并切割出适当半径的弧形槽，将两根裸单模光纤嵌入槽内并稳妥粘结。研磨光纤包层材料直至芯区非常接近表面，表面抛光后两部件按图示对接起来，即完成耦合器的制作。保持光纤轴线平行，在垂直于轴的方向上推动滑块则可改变两根光纤之间的耦合比。在2×2的光纤定向耦合器中，光束从输入端口Input进

13、入耦合器，在耦合区中从一根光纤（图2.3中Output1所对应的光纤）耦合到另一根光纤（图2.3中Output2所对应的光纤）中，耦合到输出端口Output2的光功率可通过耦合比计算得出。耦合比为光纤耦合器各输出端口的输出功率占总功率的比值，计算公式为CR（dB）=-lg（Poi/P总），也可用百分比表示CR（%）=（Poi/P总）×100%。耦合比与耦合器的耦合区长度及间隔等有关，本次设计将使用光学仿真软件来进行光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真，并进行简单的分析。2.2光纤耦合器的类型及结构光纤耦合器的类型有Y型耦合器、2×2星状耦合器、n×m耦合器、波

14、分复用器，耦合器的结构有光纤型、微器件型、波导型等，其中光纤型耦合器根据制造方法又分熔锥型和研磨型。以下为常用光纤耦合器的简单图示。图2.4 Y型耦合器图2.5 2×2耦合器图2.6星状耦合器图2.7波分复用器图2.4为Y型耦合器，这是一种3端口耦合器，其功能是把一根光纤输入的光信号按一定的比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。这种耦合器主要用作不同分路器的功率分配器或功率组合器。图2.5为4端口耦合器，这是一种2×2耦合器（2×2星状耦合器），用来完成光功率在不同端口间的分配。它可用作定向耦合器或分路器，但不能用作合路器。图2.6

15、为星状耦合器，这是一种n×m耦合器，其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n可以不相等，一般用作多端口功率分配器。图2.7为波分复用器（合波器/分波器），它可对多个不同波长的信号进行结合（合波器）或分离（分波器），因而不仅涉及光功率的分配，还涉及不同波长的分配，因而可看作是一种特殊形式的光耦合器。耦合器的结构有光纤型、微器件型、波导型等，其中光纤型耦合器根据制造方法又分熔锥型和研磨型。熔锥型光纤耦合器，为把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作的各种器件。这种方法可以构成Y型耦合器、定向耦合器和波分复用器等。它是将两根或多根光纤，把涂覆盖层去掉清洗干净后

16、，拧成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，中间部分是哑铃状的双锥体。研磨型光纤耦合器，它是将两根光纤一边的包层磨掉大部分，剩下很薄的一层，然后将两根光纤经研磨的一侧拼合在一起，中间涂上一层折射率匹配液而制成，于是两根光纤可以通过包层里的消失场发生耦合，得到所需的耦合功率。由于其耦合机理也是利用消失场耦合，因而其特性和原理类似于熔锥型光纤耦合器。微器件型耦合器是用自聚焦透镜和分光片、滤光片或光栅等微光学器件构成的耦合器。波导型耦合器是在一片平板衬底上制作所需的光波导而制成，衬底做支撑体，同时又做波导包层，波导材料一般用Sio2，横截面为矩形或半圆形。耦合器等无源器件是光纤传输系统

17、的重要组成部分，只有深入掌握它们，了解它们的工作原理、结构以及各项性能指标，才能设计出适合不同需要的光纤系统。3 Beamprop的使用简介Beamprop是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。此软件由美国RSOFT公司出品，1994年投入市场，被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。此软件使用先进的有限差分光束传播法 (Finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数

18、，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。它一般专门用来做光波导的模拟仿真。下面来简单介绍一下Beamprop的基本操作。1点击RSoft CAD-Layout进入操作界面，如图3.1所示。图3.1RSoft CAD-Layout操作界面2在软件中，点击左上角的”New Circuit”按钮，或点击“File”中的“New”按钮，新建文件，这时会出现新建文件的基本参数选择窗口，如图3.2所示。图3.2基本参数选择窗口其中的主要参数有所新建的文件的类型（Waveguide Mo

19、del Dimension）2D或3D，仿真工具（Simulation Tool），在本次设计中用“Beamprop/BPM”，材料折射率的选择等，所设计的光纤芯区的折射率为Background Index的数值加上Index Difference的数值。3在图3.2中点击“OK”进入画图界面，如图3.3所示，在左边的工具栏中选择画图的线条类型，直线或曲线等。图3.3画图界面4完成画图后，点击“Edit Pathways”进行路径设置，界面如图3.4所示；点击“Edit Monitors”进行仿真监控变量的相关设置，界面如图3.5所示；点击“Edit Launch Field”进行信号源的参数

20、设置，一般选用默认值。点击“Edit Symbols”可以修改或新建变量来该变所设计的光纤的长度、宽度等，操作界面如图3.6所示；还可以点击“Edit Global Settings”来重新设置材料的基本参数图3.4路径设置界面图3.5监控变量设置界面5完成各项参数的设置后，点击“Perform Simulation”进行仿真，仿真结果显示窗口如图3.7所示。点击“Display Index Profile”还可以查看波导横截面的结构，点击“Compute Fundamental Mode”可以查看光在波导中传输时的分布情况。图3.6 Symbols变量修改操作界面图3.7 仿真结果显示窗口在

21、仿真结果显示窗口中还可以选择多种三维视图来观察仿真结果，下图为一种三维视图。图3.8仿真结果的一种三维视图以上的内容简单介绍了Beamprop软件的简单的基本操作，应通过实践操作来深入掌握该软件的使用。4耦合比与耦合区长度的关系仿真4.1光纤耦合器的绘制进入RSoft CAD-Layout，点击新建文件，选择所绘制的光纤耦合器的基本参数，选择情况如图4.1所示，芯区折射率为1.4629+0.0053=1.4682，芯径（直径）为8.2um。所绘制的光纤耦合器的可变参量（耦合区长度、间隔等）的设置如图4.2所示。图4.3为所绘制的光纤耦合器的图示。图4.1光纤耦合器的基本参数图4.2光纤耦合器的

22、可变参量图4.3所绘制的光纤耦合器绘制好光纤耦合器后，可以通过点击左边工具栏中相应的按钮来修改耦合器的参数，如耦合区长度等。4.2仿真的前期准备在进行本次课程设计的光纤耦合器的功能仿真前，需要先设置光纤路径，设置窗口如图4.4所示；设置光源的参数，设置窗口如图4.5所示，一般设置为默认值（单模光），本次设计的仿真也是采用默认值；为了便于观察分析仿真结果，还需设置监控变量。图4.4路径设置窗口图4.5光源参数设置窗口4.3仿真结果本次设计进行的是光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真，所以在耦合区间隔（separation）等参量不变的情况下，只需在绘制好的光纤耦合器中修改可变参量length

23、（耦合区长度）的值，就可以得出多组不同耦合区长度的单模光纤耦合器的仿真结果，从而得出光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系，找出本次设计的光纤耦合器的最佳耦合区长度。本次所设计的光纤耦合器的耦合区间隔的值固定为-1um。通过多次改变所设计的光纤耦合器的耦合区长度，观察分析仿真结果，发现所设计的光纤耦合器的最佳耦合区长度约在275um285um之间，此时从光源输入光纤耦合到另一根光纤输出端口的光功率最大。以下为不同耦合区长度下的耦合仿真结果：图4.6耦合区长度为80um的仿真结果图4.7耦合区长度为200um的仿真结果图4.8耦合区长度为260um的仿真结果图4.9耦合区长度为270um的仿真结果

24、图4.10耦合区长度为275um的仿真结果图4.11耦合区长度为280um的仿真结果图4.12耦合区长度为285um的仿真结果图4.13耦合区长度为290um的仿真结果图4.14耦合区长度为350um的仿真结果图4.15耦合区长度为380um的仿真结果以上各仿真结果图中，Monitor Value中蓝线为始发光纤中的光强分布，即1.Mode，绿线为目标光纤中的光强分布，即2.Mode。通过对仿真结果的比较分析可得，所设计的芯区折射率为1.4692，芯径（直径）为8.2um的两根光纤组成的耦合区间隔为-1um的光纤耦合器的最佳耦合区长度约为280um，此时的耦合比约为70%，即约1.55dB。下面的图4.16、图4.17为耦合区长度分别为280um时的仿真结果三维视图、光在波导中传输时的分布情况图示。图4.16仿真结果三维视图图4.17光在波导中传输时的分布通过对以上仿真结果的分析可得光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系：在耦合区间隔等参数一定的条件下，在一定范围内，随着耦合区长度的增大，耦合比也随之增大，并有一个使耦合比达到最大