武汉理工大学光电子课设.docx

课程设计任务书
学生姓名：武汉理工大学 专业班级：电子1101 指导教师： 工作单位： 信息工程
题 目: 耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真 初始条件：
计算机、beamprop软件（或Fullwave软件）
要求完成的主要任标之 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-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。它一般专 门用来做光波导的模拟仿真。
设计原理
光纤耦合器简介
光纤耦合器是以光为媒介传输电信号的器件，光耦合器的特点是可实现 电信号的隔离传输，它可以传输交流信号，又可以传输直流信号，以实现 “光-电-光”的转化。光电耦合器具有传输效率高、隔离度好、抗干扰能力 强、寿命长、体积小和质量小的优点。
耦合机理
本设计主要针对光纤耦合器，对光纤耦合器的输出特性以及光纤耦合器的耦 合间隔与耦合比之间的关系进行探究。
在光纤传输系统中,光纤耦合器可以把多根光纤传输的光信号耦合进一根光 纤,或将一路光信号分成几路,并对各路的光功率分配比例有明确的要求。光纤耦 合器是一个四端口的网络，由两根靠近的光纤组成，分别由有光输入和无光输入、 耦合区间、直通臂和耦合臂部组成。基本结构如图所示。
图 2-1 光纤耦合器的结构图
直通臂
耦合臂
光纤耦合器的物理机制可以理解为: 当一束光由光纤耦合器的一个纤芯入 射时，因为不同的模式能量，2个纤芯中的光束，由于自相位调制（SPM）引起的相 移也不同。结果,即使是对称的光纤耦合器因为非线性效应也表现出不对称性。 际上， 这种情况与非对称光纤耦合器中的情况很类似。在非对称光纤耦合器中，
不同的模传播常数引起 2 个纤芯间的相对相移。并阻碍了两者间全部能量的转 移。
光纤耦合器与耦合长度的关系
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：
cosCL - jsin CL - j sin CL cos CL
1）
A
= exp-/pL
A
4
式中Al, 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，p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:
C = i = x, y （2）
i1
32n a 2（1 + ——）
2V
式中九为波长，n为包层折射率，a为近似矩形的耦合区截面宽度，V为归一化 2i
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0 ,
沿x轴和y轴的功率分布【3】为：P = Pcos20 , P = Psin20。与式（1）合并， xy
端口3和端口4输出功率分别为：
P = P（cos2 0 cos2 C L + sin2 0 cos2 C L） （3）
x y
P = P（cos2 0sin2 C L + sin2 0 sin2 C L） （4）
x y
耦合比R为耦合端（端口 4）输出功率与总输出功率的比值【4】：
c
P
R 二 4—
c P + P
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5）
=(cos2 © sin2 C L + sin2 © sin2 C L) *100%
xy
由于C = C +AC，且ACL很小【5】 所以cos ACL沁1, sin2 ACL沁0，带入式 yx
5）可得：
R 二 sin2 C L*100% （6）
cx
由式（2）和式（6）可以得到耦合比R和耦合区长度L的关系。由于正弦平 c