设计光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系李爽111.docx
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设计光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系李爽111
【关键字】设计
课程设计任务书
学生姓名：
李爽专业班级：
电子1301班
指导教师：
钟毅工作单位：
信息工程学院
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：
具较扎实的光纤理论知识及较强的实践能力；对光纤课题的选择有一定的了解；具备光纤课题的设计能力及基本软件仿真能力；能够正确使用软件进行光纤课题的仿真与分析。
要求完成的主要任务：
（1）学习beamprop软件。
（2）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。
（4）完成课程设计报告（应包含原理分析、仿真图及设计总结）。
时间安排：
1．2016年12月24日分班集中，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。
2．2016年12月25日至2017年1月3日完成资料查阅、设计；完成课程设计报告撰写。
3.2017年1月4日提交课程设计报告，进行课程设计答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1
5
6
摘要
（Coupler）又称分歧器（Splitter）、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光主动元件领域，在电信网路、网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。
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。
对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。
当耦合器分支路的开角增大时，向包层中泄漏的光将增多以致增加了过剩损耗，所以开角一般在30°以内，因此波导式光纤耦合器的长度不可能太短。
关键词：
光纤，耦合器，波导
1绪论
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。
目前，国内外普遍采用熔融拉锥法（FBT）制作光纤耦合器熔融拉锥法是将两根或两根以上,除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢。
在高温加热下熔融。
同时向两侧拉伸。
最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构。
从而实现传输光功率耦合的一种方法。
光纤耦合器是一类重要的无源器件,其基本功能是实现光功率分配和光波长分配.单模光纤耦合器是光纤通信系统,光纤传感器,光纤测量技术和信号处理系统中一种应用十分广泛的无源器件
这种技术在制作的效率和产品的性能等方面具有一定的优势.是当前制作光纤耦合器的主要方法,以这种方法制作形成的光纤耦合器性能较前有了显着提高.但是,随着光纤耦合器在军事、航天等高新技术领域的大量应用,对插入损耗的平坦度、偏振灵敏度、器件的可靠性、工作带宽和工作功率等方面的要求越来越高.这些实际需要对耦合器的制造工艺提出了更高的要求.为了满足这些要求.科学家对各种制造艺进行了大量的相关研究。
2.设计内容及要求
2.1设计内容
根据所学知识，设计一个光纤耦合器，利用beamprop软件对其进行仿真分析，讨论光纤耦合器耦合比与耦合区长度的关系。
2.2设计要求
（1）学习beamprop软件,初步了解软件的原理。
（2）对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。
（4）完成课程设计报告（应包含原理分析、仿真图及设计总结）。
3设计的基本原理
3.1光纤耦合器简介
光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter）、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。
光纤耦合器可分标准耦合器（属于波导式，双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、直连式耦合器（连接2条相同或不同类型光纤接口的光纤,以延长光纤链路）、星状/树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属于DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（MicroOptics）、光波导式（WaveGuide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90%）。
光纤耦合器可以分为熔融拉锥型和平面波导型两种，熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；平面波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。
这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合宽度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。
熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体，而且可以耐孚机械振动和温度变化等优点，目前成为市场的主流制造技术。
3.2光纤耦合器的分类
按照耦合的光纤的不同有如下分类：
【3】
SC光纤耦合器：
应用于SC光纤接口，它与RJ-45接口看上去很相似，不过SC接口显得更扁些，其明显区别还是里面的触片，如果是8条细的铜触片，则是RJ-45接口，如果是一根铜柱则是SC光纤接口。
LC光纤耦合器：
应用于LC光纤接口，连接SFP模块的连接器，它采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成。
（路由器常用）
FC光纤耦合器：
应用于FC光纤接口，外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。
一般在ODF侧采用。
（配线架上用的最多）
ST光纤耦合器：
应用于ST光纤接口，常用于光纤配线架，外壳呈圆形，紧固方式为螺丝扣。
（对于10Base-F连接来说，连接器通常是ST类型。
常用于光纤配线架）
3.3耦合原理
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。
对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分【2】。
2x2单模光纤耦合器可看作是两个锥体相互靠近形成的,其基本结构如图l所示.它的基本思想是:
相耦合的两波导中的场.各自保持了该波导独立存在时的场分布和传输系数.耦合的影响表现在场的复数振幅的沿途变化.设两波导中的复数振幅为A1（z）和A2（z）.由于耦合作用,它们沿途变化.其变化规律可用两联立的一阶微分方程组表示:
图3-1 光纤耦合器的结构图
式中,A1、A2分别是两根光纤的模场振幅;B1、B2是两根光纤在孤立状态下的传播常数;Cij是耦合系数.他们都是传播方向z的函数.当两根光纤相同时,B1=B2,C12=c21=C,于是方程
（1）的解析解为:
将上式归一化处理,且令P1为直通臂中的光功率,P2为耦合臂中的光功率,可得:
式中.L为耦合区的有效相互作用长度.也可以近似为熔融拉伸长度;C为耦合系数.
其中:
上式中,r是光纤半径,d是两光纤中心的间距,U和W是光纤的纤芯和包层参量.孤立光纤参量,和l是零阶和一阶修正的第二类贝塞尔函数.由于含有贝塞耳函数,式（4）相对比较复杂,可简化如下:
式中,a是纤芯半径.d=d/a,d为两纤芯问的距离.常数C0,C1,C2依赖于V0.
3.4光纤耦合器与耦合长度的关系
光纤耦合器的结构图如图3-1所示：
图3-4光纤耦合器结构图
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。
4软件仿真
4.1beamprop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。
4.2对耦合器的仿真
4.2.1光纤耦合器的绘制
进入RSoftCAD-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1.45+0.005=1.455，芯径（直径）为8um。
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4.1所示。
图4.1耦合器基本参数设定
设定光纤耦合器的可变参数，设定值如图4.2所示：
图4.2耦合器可变参数的设定
绘制的光纤耦合器的光路图如图4.3所示：
图4.3耦合器的光路图
4.2.2仿真的结果
先设定好输出端监测通道和对应的参数，具体参数如图4.4和4.5所示：
图4.4耦合器通道的绘制图
图4.5通道的参数设定
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4.6耦合长度为100um时的仿真图
图4.7耦合长度为150um时的仿真图
图4.8耦合长度为200um时的仿真图
图4.9耦合长度为250um时的仿真图
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。
5心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练和考察过程.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]林学煌.《光无源器件》。
北京：
认命邮电出版社，2001
[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]廖延彪.《光纤光学》。
北京：
清华大学出版社，2000
[5]黄章勇.《》光纤通信用新型光无源器件》.北京：
北京邮电大学出版社，2003
本科生课程设计成绩评定表
姓名
李爽
学号
00112
性别
男
专业、班级
电子1301班
课程设计题目：
光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
评分项目
最高分限
实际得分
设计说明书（论文）文理通顺、书写工整、图纸整洁。
10
方案设计合理，有一定创新，计算正确，论证充分。
20
答辩时态度谦虚有礼。
10
能够及时正确地回答教师所提出的问题。
30
仿真设计及其运行情况
10
设计报告规范性
20
总分
100
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2016年月日
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