武汉理工大学光电子课设耦合器的耦合比与耦合区长度的关系.docx

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武汉理工大学光电子课设耦合器的耦合比与耦合区长度的关系

课程设计任务书

学生姓名：

武汉理工大学专业班级：

电子1101

指导教师：

工作单位：

信息工程

题目:

耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真

初始条件：

计算机、beamprop软件（或Fullwave软件）

要求完成的主要任务:

1、课程设计工作量：

2周

2、技术要求：

（1）学习beamprop软件（或Fullwave软件）。

（2）设计光纤耦合器的耦合比与耦合区长度关系的理论分析。

（3）对设计的光纤耦合器进行beamprop软件仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

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λ0、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

Abstract

Opticalcouplerisalsocalleddirectionallightcoupler,opticalsignalsofoptical,allthewaytorealize,insertanddistributionofthepassivecomponents,usedinthetelecommunicationsnetworkbasedonopticalfibertransmission,regionalnetwork,theopticalfibersensingtheInternetintheopticalfibernetwork.Theydependonopticalwaveguideelectromagneticfieldcouplingbetweentheworktotheperformanceindex,theirmainjobcenterwavelengthlambda0,additionalloss,couplingratio（dividebundleorspectralratio）,thanofopticallossandbackwardisolationdegree,etc.Thispaperwillbeasimpleanalysisofthecouplingofopticalfibercouplinglengthandthecouplingofareathanintherelationship,thecoursedesignoftheopticalsimulationsoftwareBeamproptoopticalfibercouplingofthecouplingofthelengthofthecouplingareathanandtherelationshipbetweenthesimplesimulationanalysis,coupledwiththatthanthelengthofthecouplingrelationshipbetweenarea.

Keywords:

OpticalCoupler;CouplingArea;CouplingRatio;Simulation

1绪论

光纤耦合器是以光为媒介传输电信号的器件，光耦合器的特点是可实现电信号的隔离传输，它可以传输交流信号，又可以传输直流信号，以实现“光-电-光”的转化。

光电耦合器具有传输效率高、隔离度好、抗干扰能力强、寿命长、体积小和质量小的优点，在电子行业广泛使用。

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-differencebeampropagationmethod）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设计原理

2.1光纤耦合器简介

光纤耦合器是以光为媒介传输电信号的器件，光耦合器的特点是可实现电信号的隔离传输，它可以传输交流信号，又可以传输直流信号，以实现“光-电-光”的转化。

光电耦合器具有传输效率高、隔离度好、抗干扰能力强、寿命长、体积小和质量小的优点。

2.2耦合机理

本设计主要针对光纤耦合器，对光纤耦合器的输出特性以及光纤耦合器的耦合间隔与耦合比之间的关系进行探究。

在光纤传输系统中,光纤耦合器可以把多根光纤传输的光信号耦合进一根光纤,或将一路光信号分成几路,并对各路的光功率分配比例有明确的要求。

光纤耦合器是一个四端口的网络，由两根靠近的光纤组成，分别由有光输入和无光输入、耦合区间、直通臂和耦合臂部组成。

基本结构如图所示。

图2-1光纤耦合器的结构图

光纤耦合器的物理机制可以理解为:

当一束光由光纤耦合器的一个纤芯入射时,因为不同的模式能量,2个纤芯中的光束,由于自相位调制（SPM）引起的相移也不同。

结果,即使是对称的光纤耦合器因为非线性效应也表现出不对称性。

际上,这种情况与非对称光纤耦合器中的情况很类似。

在非对称光纤耦合器中,不同的模传播常数引起2个纤芯间的相对相移。

并阻碍了两者间全部能量的转移。

2.3光纤耦合器与耦合长度的关系

在单模光纤中，传导模是两个正交的基膜。

当传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，归一化频率V值逐渐减小，有越来越多的光功率渗入光纤包层中，因此实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质作为新包层的复合波导中传输的;在输出端，随着纤芯逐渐变粗，V值逐渐增大，光功率被两光纤芯以特定的比例“捕获”。

在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合【2】。

将一根光纤看做是另一光纤的扰动。

在弱导近似下，并假设光纤是无吸收的，则有耦合方程组：

（1）

式中A1，A3，A4分别为光纤耦合器1端，3端，4端得模场振幅，C为耦合系数，L为耦合区长度，

为传播常熟。

对于此光纤耦合器来说，传播吸收沿着两个相互垂直的轴是不同的，式

（1）可以写成沿x和y轴两个方程，则耦合系数C为：

（2）

式中

为波长，

为包层折射率，a为近似矩形的耦合区截面宽度，

为归一化频率。

假设端口1输入的是线偏振光，光功率为P，偏振方向和x轴间的夹角为

，沿x轴和y轴的功率分布【3】为：

，

。

与式

（1）合并，端口3和端口4输出功率分别为：

（3）

（4）

耦合比

为耦合端（端口4）输出功率与总输出功率的比值【4】：

（5）

由于

且

很小【5】，所以

，带入式（5）可得：

（6）

由式

（2）和式（6）可以得到耦合比

和耦合区长度L的关系。

由于正弦平方值在0

到1之间，所以耦合比在0到100%之间，耦合比随波长变化而变化。

3Beamprop仿真

3.1软件介绍

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-differencebeampropagationmethod）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。

3.2光纤耦合器仿真

1）启动BeamPROP软件，点击左上角的“NewCircuit”按钮，新建仿真文件。

点击后弹出基本设置对话框，波导的一些基本特性参数需要在此设定。

我们模拟目前光通信系统中应用最为广泛的掩埋型二氧化硅波导（channel型）。

波导横截面的尺寸结构为5um，芯层折射率为1.5，包层折射率为1.45（包层和芯层的折射率差为0.05），如图3-1所示。

图3-1耦合器基本参数设定

2）设定光纤耦合器的可变参数，设定值如图3-2所示。

图3-2耦合器可变参数的设定

3）按照光路顺序画出耦合器，绘制的光纤耦合器的光路图如图3-3所示。

图3-3耦合器的光路图

4）设置左右光路通道如图3-4。

图3-4左右路径

5）为波导建立两条路径分别是直通臂和耦合臂，并且添加两个Monitor分别监测两个臂的输出光功率[7]。

监测器1监测路径1也就是直通臂，监测器2监测路径2也就是耦合臂，如图3-5。

3-5监视器设置

6）做好准备就可以进行仿真了，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，所以可以只改变耦合区长度来得到不同的仿真图。

不同的耦合长度对应下面不同的仿真图。

图3-6耦合长度为100um时

图3-7耦合长度为200um时

图3-8耦合长度为300um时

3.3仿真结果分析

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值的最佳耦合区长度。

当耦合区长度超过最佳耦合区长度后，耦合比会下降。

并不是耦合区长度越大越好，只有在适当的耦合区长度处才能得到最优的耦合比。

以上各仿真结果图中，MonitorValue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1.5，芯径（直径）为5um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300um，此时的耦合比约为70%，即约1.55dB。

图3-9光在波导中传输时的分布

4心得体会

本次光电子应用课程设计中，所进行的设计为“光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真”。

通过本次课程设计，我对光纤技术方面的知识有了进一步的了解，特别是对无源器件——光纤耦合器的工作原理、性能指标的理解。

在本次课程设计过程中，我对以前所学的《光纤技术及应用》课程的相关知识也得到了巩固，同时学会了光学仿真软件Beamprop的简单的基本操作，为以后在光学方面的学习奠定了一定的基础。

深入的理解了光纤耦合器的基本原理和实现方法以及得到了光纤耦合器耦合间隔与耦合比之间的关系，学习了BeamPROP软件的使用。

设计仿真中，我遇到了许多实际的问题,也体会到了书本理论和实际操作的差异。

通过这段时间的实践，也使我对这门课产生了更加浓厚的兴趣,更加体会到理论与实践结合的重要性。

在摸索该如何设计系统使之实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。

参考文献

[1]原荣.光纤通信.北京：

电子工业出版社，2002

[2]赵同刚等编著.通信光电子器件与系统的测量及仿真.北京：

科学出版社

[3]廖延彪等编著.光纤传感技术与应用.北京：

清华大学出版社，2009.1

[4]孙学康、张金菊编著.光纤通信技术.北京：

人民邮电出版社，2008.5

[5]刘德明编著.光纤光学与光纤通信基础实验.武汉：

华中科技大学出版社，

[6]胡庆等编著.光纤通信系统与网络.北京：

电子工业出版社，2010.8

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

题目：

耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真

答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日