使用Rsoft对FBG光纤光栅地光谱仿真.docx
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使用Rsoft对FBG光纤光栅地光谱仿真
课程设计任务书
学生：
湘宝专业班级：
电子科学与技术0901班
指导教师：
华工作单位：
信息工程学院
题目:
Bragg光纤光栅的光谱仿真
初始条件：
计算机、beamprop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。
（2）设计Bragg光纤光栅的光谱仿真
（3）对Bragg光纤光栅进行beamprop软件仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《理工大学课程设计工作规》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规。
时间安排：
2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
2012.6.25-6.28学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计容的基本理论知识。
2012.6.29-7.5对Bragg光纤光栅进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
2012.7.6提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯形成一个窄带的滤波器或反射镜。
本文介绍的是通过BeamPROP软件进行光纤光栅的光谱仿真，以及讨论了不同参量对光谱图的影响。
本文包含了光纤光栅的基本原理、BeamPROP软件介绍、以及进行光谱仿真的具体步骤。
关键词：
光纤光栅；BeamPROP；光谱仿真
Abstract
OpticalfiberBragggratingisusingfibrematerialphotosensitivesex,throughthemethodofuvexposurewillincidentlighttoacoherentpatternfibercore,infibercorealongthefiberaxiswithinthecoretotherefractiveindexcyclicalchange,soastoformthepermanentspacephasegrating,anditsfunctionisessentiallyinfibercoreisformedinanarrowbandfilterormirrors.
ThispaperintroduceisthroughtheBeamPROPsoftwareinthespectrumoffibergratingsimulation,anddiscussedthedifferentparameteroftheinfluenceofthespectra.Thisarticlecontainsfibergrating,thebasicprincipleofsoftwareisintroduced,andBeamPROPspectralsimulationofthespecificsteps.
Keywords:
fibergrating;BeamPROP;spectrumsimulation
1光纤光栅简介
布拉格光纤光栅（FiberBraggGrating）简称为FBG。
在纤芯形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
目前应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
由于光纤本身的低损耗、抗电磁干扰，它在远距离通信中的到了广泛应用，并随之在通信、传感等领域得到重视和应用。
经过近二三十年的研究与实践，光纤光栅迅速了很大发展，种类也迅速增加，出现了各种非均匀光纤光栅，1996年又出现了长周期光纤光栅。
在实际需要的推动下，光纤光栅家族不断得到完善和丰富，也在通信和传感领域起到了无法替代的作用。
其光谱图如图1.1所示。
图1.1光纤光栅光谱
2BeamPROP软件介绍
RSoft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，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。
RSoft是一款非常实用的光波导仿真软件。
其中包含了BPM,FDTD,FEM等多种算法，使得它能够适用于各种不同要求场合。
BPM计算方法也有多种形式，其中有限差分波束传播法（FD-BPM）得到了最广泛的应用，FD-BPM可以实现很准确的设计计算，同时可以允许较大的计算步进。
我们使用的软件主要基于这种方法。
其操作页面如图2.1所示。
图2.1RSoft的操作界面
3光纤光栅的绘制与设置
3.1光纤光栅波导的全局设置
首先，打开BeamPROPCAD-Layout程序，开始这次的波导的总体设置。
在菜单中选择“NewCircuit”，在BPMOptions一项选择3D的波导，其中波导类型选择Fiber，然后依次修改其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”等参数，参数设置如图3.1所示。
图3.1光纤光栅的全局设置
定义完全局后，开始定义变量。
点击“EditSymbols”按钮进行变量定义。
其中我定义了Period、Lin、Lout、M、delta_grating等4个变量。
如图3.2所示.
图3.2变量定义表
3.2光纤光栅的绘制
光纤光栅一共分3层。
第一层的参数设置如图3.3所示。
图3.3第1层的参数设置
图3.4第2层的参数设置
图3.5第3层的参数设置
光栅的第2、3层的参数设置如图3.4、图3.5所示。
光栅的绘制过程中，我通过鼠标的点击与拖动画出三层光栅，通过对每个光栅的位置的设定可以实现第二层的首端与第一层的末端连接，第三层的首端与第二层的末端连接。
第二层的User1的设定如图3.6所示。
图3.6User1的定义
为了以示区别，我把中间的一层光栅的颜色设置为yellow。
然后通过右键点击光栅层对每层分别进行设置，最后生成的光栅图形如图3.7所示。
图3.7光纤光栅的波导
3.3光路的设置
把光纤光栅绘制好后，就需要定义光路了。
点击左侧工具栏中的“EditPathways”按钮，然后点击“New”将三层光波导涂成绿色。
如图3.8所示。
图3.8定义光的路径
然后点击“Monitors”打开监测器对话框，连续点击两次“New”，让第一个保持默认状态，第二个监测器，将“MonitorComponent”设为“Major—Backward”。
如图3.9所示。
图3.9监视器1和监视器2的定义
4光纤光栅的仿真
4.1光栅XZ切面图
点击“ComputeIndexProfile”按钮，将“DisplayMode”选择为“ContourMap（XZ）”，将“ZComputeStep”和“SliceStep”设置为0.25，如图4.1所示。
观察的切面图如图4.2所示。
图4.1ComputeIndexProfile的设定
图4.2光栅XZ切面图
4.2波形仿真
为了进一步观察光在波导中传输时的分布情况。
点击“PerformSimulation”图标打开仿真对话框。
仿真对话框的参数设置如图4.3所示。
点击“Bidirectional”按钮以及修改“Tolerance”为5e-005。
仿真结果，如图4.4所示。
图4.3仿真对话框的参数设置
图4.4仿真结果的波形
4.3参数扫描
点击“PerformParameterScan”按钮弹出对话框，设置如图4.5所示。
设定好参数之后，得到正确的仿真结果如图4.6所示。
图4.5参数扫描对话框
图4.6仿真波形图
5仿真波形讨论
5.1改变GlobalSetings的设置
通过改变GlobalSetings中的自由空间波长和BackgroundIndex的大小可以让波形左右移动。
仿真波形随着波长和折射率的变化而变化，如图5.1所示。
图5.1仿真波形随波长和折射率的变化
5.2改变变量M的设置
GlobalSetings的设置保持开始的设置不变，通过改变变量M、Period和delta_grating的大小的设置可以让波形的顶点上下移动。
仿真波形随着变量M、Period和delta_grating的变化而变化。
由于三种变量的讨论大致相同，我们只讨论了M的变化，仿真波形随M的变化如图5.2所示。
M=40,Period=0.5M=50,Period=0.5
M=60,Period=0.5M=70,Period=0.5
图5.2仿真波形随M的变化
6心得体会
通过本次课程设计，我重新学习和弄清楚了光纤光栅的原理及其设计，并且初步学会用BeamPROP进行仿真。
课程设计也让我学会了要充分的查找资料，利用身边的资源以及学会冷静的面对课程设计中出现的问题，从而去有效地解决问题。
在课程设计过程中，收获知识，提高能力的同时，我也学到了很多人生的哲理，懂得怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。
同时我也明白对任何事情如果付出越多，那么你收获也就越多。
通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力。
我明白了，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。
对这门课程的最大收获除了学习到了知识以外，更重要的是让我明白了一个道理：
只要全身心的投入到一件事中，并且要有持之以恒的决心，就一定会有收获。
有的人觉得自己做不出来，就网上搜一个了事，但是，放弃一次黑暗中摸索的经历，就放弃了一次成长的机会！
如果你付出了，没有收获。
那只能说，是付出的还不够多。
我想我对光电子的学习只能算是个入门，这个领域的发展空间非常大，应用围也非常广泛，而且我相信在将来还会有更加广阔的应用前景。
因此在以后的学习过程中，我不能因为课程学习的结束而结束了我对这个领域的探索，相反我会更加努力的去学习它。
感老师孜孜不倦的教诲，让我不仅学到了知识，也学到了做人做事的一些道理，为我提供了很多帮助。
在接下来的学习生涯中，我会继续努力，努力扎实地学习专业知识，实现自己的理想。
7参考文献
[1]自嘉.光纤光栅理论基础与传感技术.：
科学，2009.2
[2]勇.光纤光栅及其传感技术.：
国防工业，2007.1
[3]饶云江、王义平、朱涛.光纤光栅原理及应用.：
科学 ，2006.8
[4]吴朝霞、吴飞.光纤光栅传感原理及应用.：
国防工业 ，2011.3
[5]吉虎、吴伯瑜.光纤技术及应用.：
理工大学，1992.6
[6]黄章勇.光纤通信用新型光无源器件.：
邮电大学，2003.5
本科生课程设计成绩评定表
姓名
湘宝
性别
男
专业、班级
电子科学与技术0901班
课程设计题目：
Bragg光纤光栅的光谱仿真
课程设计答辩或质疑记录：
1.光纤布拉格光栅和长周期光栅的区别？
答：
光纤布拉格光栅对光纤中传输的光具有反射作用，反射光的光谱宽度比较窄，一般可以达到1nm一下，也可以有几纳米是一种较典型的光纤布拉格光栅的反射谱。
而长周期光纤光栅能将纤芯模耦合到包层模，相当于纤芯模受到了损耗，从而在输出端形成损耗峰。
峰的宽度较大，一般在数纳米到几十纳米之间，且包层模较多，同一个长周期光纤光栅可以将纤芯模耦合到不同的包层模，从而在一定的波长围有多个损耗峰。
2.绘图中定义的五个变量的具体意思是什么？
答：
Period是光栅结构的周期；Lin是输入波导的长度；Lout是输出波导的长度；M是光栅结构中的总周期数；delta_grating光栅结构中的最大指数干扰。
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
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