光电子自聚焦透镜设计.docx

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光电子自聚焦透镜设计

课程设计任务书

学生某某：

南博文专业班级：

电子0802

指导教师：

洪建勋工作单位：

信息工程学院

题目:

初始条件：

（1）掌握光纤技术与应用基本原理

（2）Beamprop软件

（3）计算机

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

设计一个自聚焦棒，观察其仿真结果，并对耦合效率进行仿真，得到相应的结果。

按毕业设计要求撰写说明书。

时间安排：

1、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；课设答疑事项。

2、2011年6月28日至2011年7月6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

摘要

本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦棒（GRINlens），自聚焦棒主要应用于光纤传输系统中。

自聚焦棒同普通透镜的区别在于，自聚焦棒材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。

利用此特性，G-lens在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。

而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。

关键词：

梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直

Abstract

Thisarticlemainshowingtheimpactanalysisdesignstheself-focusinglensusingthegradientrefractiveindextothelightemission（GRINlens）,theself-focusinglensmainlyapplyintheopticalfibertransmissionsystem.Theself-focusinglenslieinwiththeordinarylens'difference,theself-focusinglensmaterialcancausealongtheaxialtransmissionlighttohavetherefraction,andcausestherefractiveindexthedistributiontoreducegraduallyalongtheradialdirection,thusrealizestheexitraybysmoothandthecontinualgatheringtoaspot.Usingthischaracteristic,G-lensintheopticalfibertransmissionsystemistheconstitutioncollimation,thecoupling,imagingsystem'smainpart.Butitsstructureissimple,thevolumesmallcharacteristicissuitableinthesmallopticsequipment,forexamplelookingglasssystem.

Keywords:

Gradientindex,GRINlens,Lightcoupling,Collimation

绪论

自聚焦棒体积小，重量轻，具有准直和聚某某用，且耦合效率高。

由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。

由于这种GRIN棒内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量,在某些场合可以代替非球面光学元件。

此外这种光学元件的几何形状简单,容易进行光学加工,且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。

因此GRIN棒透镜已经被越来越多地应用于光学系统，尤其是在光纤通信领域中。

其中自聚焦棒用于光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用、解复用器件以及光开关等显示出独特的优势。

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。

1自聚焦棒简介

1.1自聚焦棒

渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦棒是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜。

具有准直、聚焦和成像功能[1]。

随着人们对于信息需求量的日益增加，光纤通信系统正以日新月异的速度迅速发展，有两类光纤通信系统备受人们青睐，一类是长途干线光纤通信系统；另一类是局域网和用户回路光纤通信系统。

在光纤局域网和用户回路通信系统中，需要用到大量的光无源及有源器件，例如：

光耦合器、波分复用器、光开关和光收发器件等等。

这些器件无一例外使用了自聚焦棒。

1.2自聚焦棒的特点

光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。

传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。

自聚焦棒同普通透镜的区别在于，自聚焦棒材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点[2]。

它们的光路如图1.1所示。

图1.1普通透镜和自聚焦棒光路

自聚焦棒利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征[3]，其折射率变化由公式1表述。

其折射率分布曲线见图1.2。

（1）

公式

（1）中：

——表示自聚焦棒的中心折射率

——表示自聚焦棒的直径

——表示自聚焦棒的折射率分布常数

图1.2自聚焦棒折射率分布曲线

1.3自聚焦棒的主要参数

截距P——在自聚焦棒中光束是沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为一个截距P。

长度Z——自聚焦棒的长度为透镜两端面轴心间的距离。

折射率分布常数——自聚焦棒的折射率沿径向分布常数。

在此可以是A或

。

数值孔径——孔径NA有两种表示方式，如公式

（2）所示。

（2）

公式

（2）中：

——表示自聚焦棒的中心折射率

——表示入射光所在介质的折射率

——表示入射光线的最大孔径角

2自聚焦棒的应用

由于自聚焦棒具有端面聚焦及成像特性，以及圆柱状的外形特点，因而可以应用在多种不同的微型光学系统中，自聚焦棒的主要功能有聚焦、准直和成像。

2.1聚焦和准直

穿透透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点（如图1.2.1所示），但自聚焦棒在聚焦时克服了这些缺点。

根据自聚焦棒的传光原理，对于Z=1/4P截距的自聚焦棒，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦棒后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦棒聚焦点光斑的尺寸公式为：

（3）

公式（3）中：

——为焦点处光斑的半径

——为数值孔径

——为焦距

——为轴上的折射率

准直是聚焦功能的逆向运用。

根据自聚焦棒的传光原理，对于Z=1/4P截距的自聚焦棒，当汇聚光从自聚焦棒一端面输入时，经过自聚焦棒后会转变成平行光线，自聚焦棒的这一准直功能如图2.1所示。

图2.1自聚焦棒准直应用

2.2光耦合

由于自聚焦棒可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量及转换中有着很广泛的用途，自聚焦棒的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，例如：

光纤和光源（如图2.2所示）、光纤和光电探测器一级光纤和光纤之间的耦合等等。

图2.2平面自聚焦棒耦合

为了达到更好的聚焦效果，会在平端面自聚焦棒一端面加工一个1mm~3mm的曲面，此曲面与平端面自聚焦棒弥散斑小如图2.3所示。

因此球面自聚焦棒可减小聚焦光斑尺寸[4]。

图2.3球面自聚焦棒聚焦光斑

图2.4中表示L1为光源或光纤到自聚焦棒端面的距离，Z为自聚焦棒的长度，L2为自聚焦棒端面到光纤的距离。

为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦棒聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1和L2的距离来达到最佳耦合效率。

但是，在实际耦合过程中，耦合效率要小于其理论值，其原因是耦合效率与器件的结构和使用方法有直接的关系。

图2.4光纤传输耦合聚焦光轨迹图

2.3单透镜成像

自聚焦棒除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。

对于P/2及1P截距的自聚焦棒其端面成像机理如图2.5所示。

P/2截距的自聚焦棒其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦棒其端面成等大正像。

对于P/4截距的自聚焦棒物在无穷远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远）。

图2.5自聚焦棒端面成像示意图

2.4自聚焦棒阵列成像

自聚焦棒阵列（如图2.6所示）成像：

当采用球面透镜组合传送大幅图象时，目的是为了得到的1∶1的像，但是其共轭距一般是焦距的4倍。

通过使用自聚焦棒阵列，可大大缩短共轭距，使整个器件尺寸小型化；另一方面成直线排列的自聚焦棒阵列在整条直线上的成像分辨率相同，而整个视场的传递函数值比较均匀，大大提高成像质量，同时克服了普通球面透镜在透镜外围成像的分辨率和清晰度比中心低，以及组合装配工作复杂的缺点[5]。

因此自聚焦棒阵列成为复印机、传真机、扫描仪等仪器设备的重要器件。

图2.6自聚焦棒阵列成像示意图

3自聚焦棒设计仿真

3.1Beamprop简介

本次光学仿真用的软件是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。

图3.1Beamprop操作主界面

从Beamprop的主界面（图3.1）来看，操作还是相当方便的。

其中多数的主要功能都以快捷键的方式至于主界面的工具栏上。

不用费心思从繁琐的英文菜单中寻找自己需要的东西。

本次模拟自聚焦棒用的绘制工具即为SEGMENTMODE，用它可以在界面上画出想要的波导。

继而可以设置其详细参数和进行功能仿真。

3.2波导绘制及参数设置

首先是新创建一个设计文件。

在本次仿真中做了如下设置。

如图3.2所示。

图3.2创建新设计

在这一步中，设置光波长为1.55um，外界折射率为1.6。

波导宽度为100。

接着绘制波导模拟自聚焦棒。

图3.3自聚焦棒模拟图

界面中的红色部分即是在软件中模拟的自聚焦棒，即绘制一段波导来模拟。

对于自聚焦棒而言，折射率满