光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真

1、课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：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：学会使用Beamprop光学仿真软件；学习掌握光纤耦合器的工作原理及其性能指标；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。时间安排：2011年6月27日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体 实施计划与课程设计报告格式的要求；课

2、设答疑事项。2011年6月28日至2011年7月7日完成资料查阅、设计、制作与调 试；完成课程设计报告撰写。3.2011年7月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名：年 月 日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 摘要IAbstractII HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1绪论1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2光纤耦合器简介2 HYPERLINK l

3、bookmark21 o Current Document 2.1光纤耦合器的原理及制作2 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2.2光纤耦合器的类型及结构4 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 3 Beamprop的使用简介6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4耦合比与耦合区长度的关系仿真9 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 4.1光纤耦合器的绘制9 HYPERLINK l bookmark36

4、o Current Document 4.2仿真的前期准备10 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 4.3仿真结果10 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 5个人小结13 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 参考文献14摘要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，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 工作中心波长久0、附

5、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 light coupler, optical signals of optical, all the way to realize, insert and distribution of the pas

6、sive 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 optical waveguide electromagnetic field coupling between the work to the performance index, their main jo

7、b 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 coupling of optical fiber coupling length and the coupling of area than in the relationship, the cours

8、e 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, coupled with that than the length of the coupling relationship between area.Keywords: Optical Coupler; C

9、oupling 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

10、的性能指标主要有工作中心波长久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 X2星状耦合器、nXm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

11、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

12、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2 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1Xn及nXn星状耦 合器及2X2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

13、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64X64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

14、纤1Xn耦合器的制造工艺与多模光纤相同，但耦合机理不同。如2X2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，光功率将以相十耦 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.

15、32X2的可调光纤定向耦合器图2.3为2x2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2x2的光纤定向耦合器中，光束从输入端口 Input进入耦合器，在耦合区 中从一根光纤（图2.3中Outputl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

16、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（P/P 总），也可用百分比表示 CR （%） =（P/P 总）x100%。 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、2X2星状耦合器、nXm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。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 2X2耦合器图2.6星状耦合器图2.7波分复用器图2.

17、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2X2耦合器（2X2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为星状耦合器，这是一种nXm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

18、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，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

19、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

20、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

21、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。2在软件中，点击左上角的”New Circuit，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。Startup WindowGLOBAL SETTINGSWaveguide Model Dimension:Radial Calculation:Effective Index Calculation:Polarization:Simulation Tool:8 BeamPROP/BPML GratingMODC DiffractMODB

22、PM Options:Vector Mode: (* None 厂 Semi 厂 FullBidirectional Calculation: I-FDTD Options:D ispersion/N onlinearity:Free Space Wavelength:Background Indew:Index Difference:Waveguide Width:Waveguide Height:Profile Type:C FullWAVE/FDTDC BandS OLVE其中的主要参数有所新建的文件的类型(Waveguide Model Dimension) 2D 或3D,仿真工具(S

23、imulation 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。踹 RSoft CAD Layout - Beam PROP - f:RS oftexa mpl e su ntitl ed. in dFile Edit View Options Run Graph Utility Window Help图3.3：画点击“Edi成画图后，点击“Ed

24、it PathwaySi血Monitors”进彳亍仿真监控变量的相关设置，:界面如图:3.5:所示进行路径设置，界面如图34 -示;点击位Field”进行信号源的参数设置，一般选用默认值。点击“EditSymb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：螃所示；还可以点击 “Edit G妙魏Setting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“Compu

25、te Fundamental Mode ”可以查看光在波导中传输时的分布情况。diiiLensionWidth4 Beam PROP - Computation Completed - X: 0.8702 Y: 524.3还可以种三Monitor:PROF STEPINDEXST BEAMPRUFsiin toolNaTiie :| f lie type(2*pi J/free space wajSTRUCT FIBER图3.6 Symbols变量修改操作界面图3.7仿真结果显示窗口accept SymbolReiect SymbolNew SymbolDelete Symb

26、o1 Pathway,选择多种三维视图来观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光纤耦合器的可变参量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

27、，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（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

28、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:Pathway, -Monitor: BeamPROP - Computation Completed - X: 0.5878 Y: 375.3I 口 I 回 lai| 口 | 回，BeamPROP - Computation Completed - X: 0.5766 Y: 404.3图4.8耦合区长度为哦怖m的仿真结果图4.9耦合区长度为270um的仿真结果图4.10耦合区长度为

29、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X (呻)Monitor Value (a u )2. Mode 0BeamPROP -File Edit View Runf 800 7Z 600 -Pathway.Monitor:1, Mode 01D00 -2. Mode 0Pathway.Monitor: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 l.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

30、.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。卜面的图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。，BeamPROP - Computation Completed - X: 546 Y: 302File Edit View Run Help0.0-30-20-100102030Horizontal Direction (pm)File Edit View Run HelpComputed Transverse Mode Profile (m=0,neff=