1、 武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 李爽 專業(yè)班級(jí)：電子1301班 指導(dǎo)教師： 鐘毅 工作單位：信息工程學(xué)院 題 目: 光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系仿真 初始條件：具較扎實(shí)的光纖理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對(duì)光纖課題的選擇有一定的了解；具備光纖課題的設(shè)計(jì)能力及基本軟件仿真能力；能夠正確使用軟件進(jìn)行光纖課題的仿真與分析。要求完成的主要任務(wù)：（1）學(xué)習(xí)beamprop軟件。（2）光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長(zhǎng)度關(guān)系的理論分析。 （3）對(duì)設(shè)計(jì)的光纖耦合器進(jìn)行beamprop軟件仿真工作。（4）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含原理分析、仿真圖及設(shè)計(jì)總結(jié)）。時(shí)間安排：12016年

2、12月24日分班集中，講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。22016年12月25日 至2017年1月3日完成資料查閱、設(shè)計(jì)；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)。3. 2017年1月4日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 目 錄摘 要IAbstractII1緒論12.設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求22.1設(shè)計(jì)內(nèi)容22.2設(shè)計(jì)要求23 設(shè)計(jì)的基本原理33.1光纖耦合器簡(jiǎn)介3 3.2 光纖耦合器分類4 3.3耦合原理4 3.4光纖耦合器與耦合長(zhǎng)度的關(guān)系54 軟件仿真84.1 beamprop軟件介紹84

3、.2 對(duì)耦合器的仿真9 4.2.1光纖耦合器的繪制9 4.2.2仿真的結(jié)果115心得體會(huì)15參考文獻(xiàn)16 武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 摘 要 光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路，或用于延長(zhǎng)光纖鏈路的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。光纖耦合器是光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸(活動(dòng))連接的器件，它是把光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來(lái)，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其介入光鏈路從而對(duì)系統(tǒng)造成的影響減到最小。對(duì)于波導(dǎo)式光纖耦合器，一般是一種具有

4、Y型分支的元件，由一根光纖輸入的光信號(hào)可用它加以等分。當(dāng)耦合器分支路的開(kāi)角增大時(shí)，向包層中泄漏的光將增多以致增加了過(guò)剩損耗，所以開(kāi)角一般在30°以內(nèi)，因此波導(dǎo)式光纖耦合器的長(zhǎng)度不可能太短。關(guān)鍵詞：光纖，耦合器，波導(dǎo) 16 武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1緒論光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見(jiàn)的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見(jiàn)有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型

5、、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用熔融拉錐法(FBT)制作光纖耦合器熔融拉錐法是將兩根或兩根以上,除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏。在高溫加熱下熔融。同時(shí)向兩側(cè)拉伸。最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。從而實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。    光纖耦合器是一類重要的無(wú)源器件,其基本功能是實(shí)現(xiàn)光功率分配和光波長(zhǎng)分配.單模光纖耦合器是光纖通信系統(tǒng),光纖傳感器,光纖測(cè)量技術(shù)和信號(hào)處理系統(tǒng)中一種應(yīng)用十分廣泛的無(wú)源器件    這種技術(shù)在制作的效率和產(chǎn)品的性能等方面具有一定的優(yōu)勢(shì).是當(dāng)前制作光纖耦合器的主要方法

6、,以這種方法制作形成的光纖耦合器性能較前有了顯著提高.但是, 隨著光纖耦合器在軍事、 航天等高新技術(shù)領(lǐng)域的大量應(yīng)用, 對(duì)插入損耗的平坦度、 偏振靈敏度、 器件的可靠性、 工作帶寬和工作功率等方面的要求越來(lái)越高.這些實(shí)際需要對(duì)耦合器的制造工藝提出了更高的要求.為了滿足這些要求.科學(xué)家對(duì)各種制造藝進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。2.設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)光纖耦合器，利用beamprop軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，討論光纖耦合器耦合比與耦合區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系。2.2設(shè)計(jì)要求（1）學(xué)習(xí)beamprop軟件,初步了解軟件的原理。（2）對(duì)光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長(zhǎng)度關(guān)系的理論分析。 （3）對(duì)設(shè)計(jì)的

7、光纖耦合器進(jìn)行beamprop軟件仿真工作。（4）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告（應(yīng)包含原理分析、仿真圖及設(shè)計(jì)總結(jié)）。 3 設(shè)計(jì)的基本原理3.1光纖耦合器簡(jiǎn)介光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路，或用于延長(zhǎng)光纖鏈路的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器(屬于波導(dǎo)式，雙分支，單位1×2，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率)、直連式耦合器(連接2條相同或不同類型光纖接口的光纖,以延長(zhǎng)光纖鏈路)、星狀/樹(shù)狀耦合器、以及波長(zhǎng)多工器(WDM，若波長(zhǎng)屬高密度分出，即波長(zhǎng)間

8、距窄，則屬于DWDM)，制作方式則有燒結(jié)(Fuse)、微光學(xué)式(Micro Optics)、光波導(dǎo)式(Wave Guide)三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)(約有90%)。光纖耦合器可以分為熔融拉錐型和平面波導(dǎo)型兩種，熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進(jìn)行側(cè)面熔接而成；平面波導(dǎo)型是微光學(xué)元件型產(chǎn)品，采用光刻技術(shù)，在介質(zhì)或半導(dǎo)體基板上形成光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)分支分配功能。這兩種型式的分光原理類似，它們通過(guò)改變光纖間的消逝場(chǎng)相互耦合（耦合寬度，耦合長(zhǎng)度）以及改變光纖纖半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)不同大小分支量，反之也可以將多路光信號(hào)合為一路信號(hào)叫做合成器。熔錐型光纖耦合器因制作方法簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、容易與外部光纖連接成為一整體，

9、而且可以耐孚機(jī)械振動(dòng)和溫度變化等優(yōu)點(diǎn)，目前成為市場(chǎng)的主流制造技術(shù)。 3.2光纖耦合器的分類按照耦合的光纖的不同有如下分類：【3】 SC光纖耦合器：應(yīng)用于SC光纖接口，它與RJ-45接口看上去很相似，不過(guò)SC接口顯得更扁些，其明顯區(qū)別還是里面的觸片，如果是8條細(xì)的銅觸片，則是RJ-45接口，如果是一根銅柱則是SC光纖接口。 LC光纖耦合器：應(yīng)用于LC光纖接口，連接SFP模塊的連接器，它采用操作方便的模塊化插孔(RJ)閂鎖機(jī)理制成。（路由器常用） FC光纖耦合器：應(yīng)用于FC光纖接口，外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。 一般在ODF側(cè)采用。(配線架上用的最多) ST光纖耦合器：應(yīng)用于ST光

10、纖接口，常用于光纖配線架，外殼呈圓形，緊固方式為螺絲扣。（對(duì)于10Base-F連接來(lái)說(shuō)，連接器通常是ST類型。常用于光纖配線架）3.3耦合原理 光纖耦合器是光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸(活動(dòng))連接的器件，它是把光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來(lái)，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其介入光鏈路從而對(duì)系統(tǒng)造成的影響減到最小。對(duì)于波導(dǎo)式光纖耦合器，一般是一種具有Y型分支的元件，由一根光纖輸入的光信號(hào)可用它加以等分【2】。    2x2單模光纖耦合器可看作是兩個(gè)錐體相互靠近形成的, 其基本結(jié)構(gòu)如圖 l 所示.它的基本思想是: 相耦合的兩波導(dǎo)中的場(chǎng). 各自保持

11、了該波導(dǎo)獨(dú)立存在時(shí)的場(chǎng)分布和傳輸系數(shù).耦合的影響表現(xiàn)在場(chǎng)的復(fù)數(shù)振幅的沿途變化.設(shè)兩波導(dǎo)中的復(fù)數(shù)振幅為A1(z)和A2(z).由于耦合作用,它們沿途變化.其變化規(guī)律可用兩聯(lián)立的一階微分方程組表示: 圖3-1 光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖    式 中, A1、A2分別是兩根光纖的模場(chǎng)振幅;B1 、B2是兩根光纖在孤立狀態(tài)下的傳播常數(shù); Cij是耦合系數(shù).他們都是傳播方向z的函數(shù).當(dāng)兩根光纖相同時(shí),B1=B2,C12=c21=C,于是方程(1)的解析解為 :    將上式歸一化處理,且令P1為直通臂中的光功率,P2為耦合臂中的光功率,可得

12、:式中. L為耦合區(qū)的有效相互作用長(zhǎng)度 .也可以近似為熔融拉伸長(zhǎng)度;C為耦合系數(shù).    其中:    上式中, r 是光纖半徑,d是兩光纖中心的間距 ,U和W是光纖的纖芯和包層參量 .孤立光纖參量,和l是零階和一階修正的第二類貝塞爾函數(shù).由于含有貝塞耳函數(shù),式(4)相對(duì)比較復(fù)雜, 可簡(jiǎn)化如下 :式中 ,a是纖芯半徑.d=d/a ,d為兩纖芯問(wèn)的距離.常數(shù)C0,C1,C2依賴于V0.3.4 光纖耦合器與耦合長(zhǎng)度的關(guān)系光纖耦合器的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-4 光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個(gè)正交的基膜。當(dāng)傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時(shí)，

13、隨著纖芯的不斷變細(xì)，歸一化頻率V值逐漸減小，有越來(lái)越多的光功率滲入光纖包層中，因此實(shí)際上光功率是在由包層作為芯，纖外介質(zhì)作為新包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸?shù)?在輸出端，隨著纖芯逐漸變粗，V值逐漸增大，光功率被兩光纖芯以特定的比例“捕獲”。在熔錐區(qū)，兩光纖包層合并在一起，纖芯足夠逼近，形成弱耦合【2】。將一根光纖看做是另一光纖的擾動(dòng)。在弱導(dǎo)近似下，并假設(shè)光纖是無(wú)吸收的，則有耦合方程組： （1）式中A1，A3，A4分別為光纖耦合器1端，3端，4端得模場(chǎng)振幅，C為耦合系數(shù)，L為耦合區(qū)長(zhǎng)度，為傳播常熟。對(duì)于此光纖耦合器來(lái)說(shuō)，傳播吸收沿著兩個(gè)相互垂直的軸是不同的，式（1）可以寫(xiě)成沿x和y軸兩個(gè)方程，則耦合系數(shù)C

14、為： （2）式中為波長(zhǎng)，為包層折射率，a為近似矩形的耦合區(qū)截面寬度，為歸一化頻率。 假設(shè)端口1輸入的是線偏振光，光功率為P，偏振方向和x軸間的夾角為，沿x軸和y軸的功率分布【3】為：，。與式（1）合并，端口3和端口4輸出功率分別為： (3) （4） 耦合比為耦合端（端口4）輸出功率與總輸出功率的比值【4】： （5）由于,且很小【5】，所以,，帶入式（5）可得： （6）由式（2）和式（6）可以得到耦合比和耦合區(qū)長(zhǎng)度L的關(guān)系。由于正弦平方值在0到1之間，所以耦合比在0到100%之間，耦合比隨波長(zhǎng)變化而變化。 4 軟件仿真4.1 beamprop軟件介紹BeamPROP 是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)

15、計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件由美國(guó)RSOFT公司出品，1994年投入市場(chǎng)，被學(xué)院及產(chǎn)業(yè)公司的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員廣泛使用。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來(lái)模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場(chǎng)以及各種顯示、分析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用戶感興趣的各種數(shù)值特性。4.2 對(duì)耦合器的仿真

16、4.2.1 光纖耦合器的繪制進(jìn)入RSoft CAD-Layout，點(diǎn)擊新建文件，選擇所繪制的光纖耦合器的基本參數(shù)，選擇情況如圖4.1所示，芯區(qū)折射率為1.45+0.005=1.455，芯徑（直徑）為8um。所繪制的光纖耦合器的可變參量（耦合區(qū)長(zhǎng)度、間隔等）的設(shè)置如圖4.1所示。圖4.1 耦合器基本參數(shù)設(shè)定設(shè)定光纖耦合器的可變參數(shù)，設(shè)定值如圖4.2所示：圖4.2 耦合器可變參數(shù)的設(shè)定繪制的光纖耦合器的光路圖如圖4.3所示：圖4.3 耦合器的光路圖 4.2.2 仿真的結(jié)果先設(shè)定好輸出端監(jiān)測(cè)通道和對(duì)應(yīng)的參數(shù)，具體參數(shù)如圖4.4和4.5所示：圖4.4 耦合器通道的繪制圖圖4.5 通道的參數(shù)設(shè)定做好準(zhǔn)備

17、就可以進(jìn)行仿真了，本次設(shè)計(jì)進(jìn)行的是光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系仿真，所以可以只改變耦合區(qū)長(zhǎng)度來(lái)得到不同的仿真圖。不同的耦合長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)下面不同的仿真圖：圖4.6 耦合長(zhǎng)度為100um時(shí)的仿真圖圖4.7 耦合長(zhǎng)度為150um時(shí)的仿真圖圖4.8 耦合長(zhǎng)度為200um時(shí)的仿真圖圖4.9 耦合長(zhǎng)度為250um時(shí)的仿真圖通過(guò)對(duì)以上仿真結(jié)果的分析可得光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系：在耦合區(qū)間隔等參數(shù)一定的條件下，在一定范圍內(nèi)，隨著耦合區(qū)長(zhǎng)度的增大，耦合比也隨之增大，并有一個(gè)使耦合比達(dá)到最大值的最佳耦合區(qū)長(zhǎng)度。當(dāng)耦合區(qū)長(zhǎng)度超過(guò)最佳耦合區(qū)長(zhǎng)度后，耦合比會(huì)下降。并不是耦合區(qū)長(zhǎng)度越大越好，只有在適當(dāng)?shù)鸟?/p>

18、合區(qū)長(zhǎng)度處才能得到最優(yōu)的耦合比。5心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程.本次光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)中，所進(jìn)行的設(shè)計(jì)為“光纖耦合器的耦合比與耦合區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系仿真”。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)光纖技術(shù)方面的知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，特別是對(duì)無(wú)源器件光纖耦合器的工作原理、性能指標(biāo)的理解。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我對(duì)以前所學(xué)的光纖技術(shù)及應(yīng)用課程的相關(guān)知識(shí)也得到了鞏固，同時(shí)學(xué)會(huì)了光學(xué)仿真軟件Beamprop的簡(jiǎn)單的基本操作，為以后在光學(xué)方面的學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。深入的理解了光纖耦合器的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法以及得到了光纖耦合器耦合間隔與耦合比之間的關(guān)系，學(xué)習(xí)了BeamPROP軟件的使用。設(shè)計(jì)仿真中，我遇到了許多實(shí)際的問(wèn)題,也體會(huì)到了書(shū)本理論和實(shí)際操作的差異。通過(guò)這段時(shí)間的實(shí)踐，也使我對(duì)這門課產(chǎn)生了更加濃厚的興趣,更加體會(huì)到理論與實(shí)踐結(jié)合的重要性。在摸索該如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了實(shí)際操作能力。 參考文獻(xiàn)1原榮.光纖通信.北京：電子工業(yè)出版社，20022林學(xué)煌.光無(wú)源器件。北京：認(rèn)命郵電出版社，2001 3廖延彪等編著.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2009.1 4廖延彪.光纖光學(xué)。北京：清華大學(xué)出版社，20005