武汉理工大学光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真

武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子1101班指导教师：洪建勋工作单位：武汉理工大学题目：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：1.学会使用Beamprop光学仿真软件；2.学习掌握光纤耦合器的工作原理及其性能指标；3.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。武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书目录摘要................................................................................................................................IAbstract.........................................................................................................................II1绪论.............................................................................................................................12光纤耦合器简介.........................................................................................................22.1光纤耦合器的原理及制作..............................................................................22.2光纤耦合器的类型及结构..............................................................................43Beamprop的使用简介..............................................................................................64耦合比与耦合区长度的关系仿真.............................................................................94.1光纤耦合器的绘制..........................................................................................94.2仿真的前期准备............................................................................................104.3仿真结果........................................................................................................105个人小结...................................................................................................................13参考文献......................................................................................................................14武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书I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；仿真武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书IIAbstractOpticalcouplerisalsocalleddirectionallightcoupler,opticalsignalsofoptical,allthewaytorealize,insertanddistributionofthepassivecomponents,usedinthetelecommunicationsnetworkbasedonopticalfibertransmission,regionalnetwork,theopticalfibersensingtheInternetintheopticalfibernetwork.Theydependonopticalwaveguideelectromagneticfieldcouplingbetweentheworktotheperformanceindex,theirmainjobcenterwavelengthlambda0,additionalloss,couplingratio(dividebundleorspectralratio),thanofopticallossandbackwardisolationdegree,etc.Thispaperwillbeasimpleanalysisofthecouplingofopticalfibercouplinglengthandthecouplingofareathanintherelationship,thecoursedesignoftheopticalsimulationsoftwareBeamproptoopticalfibercouplingofthecouplingofthelengthofthecouplingareathanandtherelationshipbetweenthesimplesimulationanalysis,coupledwiththatthanthelengthofthecouplingrelationshipbetweenarea.Keywords:OpticalCoupler;CouplingArea;CouplingRatio;Simulation武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书11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。光纤耦合器的类型有Y型耦合器、2×2星状耦合器、n×m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。武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书22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。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1×n及n×n星状耦合器及2×2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64×64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。单模光纤1×n耦合器的制造工艺与多模光纤相同，但耦合机理不同。如2武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书3×2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，光功率将以相干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2.32×2的可调光纤定向耦合器图2.3为2×2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2×2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Output1所对应的光纤）耦合到