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

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 电 子 0801 指导教师： 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）。

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目 录

摘 要............................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 1绪论............................................................................................................................. 1 2.设计内容及要求........................................................................................................ 2

2.1设计内容.......................................................................................................... 2 2.2设计要求.......................................................................................................... 2 3 设计的基本原理........................................................................................................ 3

3.1耦合原理.......................................................................................................... 4 3.2 光纤耦合器与耦合长度的关系..................................................................... 5 4 软件仿真.................................................................................................................... 8

4.1 beamprop软件介绍........................................................................................ 8 4.2 对耦合器的仿真............................................................................................. 9 5心得体会................................................................................................................... 15 参考文献...................................................................................................................... 16

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摘 要

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

I

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Abstract

Optical fiber coupler and says the Splitter), differences (connector, adapter, flanges, is used to implement the light signal optical / $road, or to extend fiber optic link element, belong to light passive components field, in the telecom network, cable TV network, users http://baike.baidu.com/view/54145.htm loop system, local area network will be applied to.

Optical coupler is optical fiber and optical fiber can removeconnected devices, activities it is the two end of optical fiber precision docking up to make launch of optical output light energy can maximum limit coupled to receive the fiber to, and its intervention in optical link and the system to minimize the impact of. For optical fiber waveguide couplers, generally is one kind has the components, Y branch by an optical fiber input light signal can be used it to equal sections. When couplers branch of the way open Angle increases, the packet layer to the leakage of the light will increase so that increased surplus loss, so open Angle within 30 ° in general, so the length of the optical fiber waveguide couplers can't be too short.

Keywords: optical fiber, couplers, waveguide

II

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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【1】。

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。

1

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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。

（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）。

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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(Micro Optics)、光波导式(Wave Guide)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）

3

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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:

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 :

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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：

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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：

A3iLcosCLjsinCLA1expAjsinCLcosCL0 （1）

4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：

Ci3132n2a2(1)V\\i ix,y （2）

式中为波长，n2为包层折射率，a为近似矩形的耦合区截面宽度，Vi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：PxPcos2，PyPsin2。与式（1）合并，端口3和端口4输出功率分别为：

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P3P(cos2cos2CxLsin2cos2CyL) (3) P4P(cos2sin2CxLsin2sin2CyL) （4）

耦合比Rc为耦合端（端口4）输出功率与总输出功率的比值【4】：

RcP4(cos2sin2CxLsin2sin2CyL)*100% （5）

P3P4由于CyCxC,且CL很小【5】，所以cosCL1,sin2CL0，带入式（5）可得：

Rcsin2CxL*100% （6）

由式（2）和式（6）可以得到耦合比Rc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。

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4 软件仿真

4.1 beamprop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-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。

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4.2 对耦合器的仿真

4.2.1 光纤耦合器的绘制

进入RSoft CAD-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：

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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

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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

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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

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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

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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。

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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.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固„„通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

通过本次课程设计，我重新学习和弄清楚了光纤耦合器的原理及其设计，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。课程设计也是同学们之间相互交流和学习的好机会，通过与同学的交流可以了解到别人的好的想法及思路，这将给我们的设计带来极大的帮助。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。课程设计是很有意义的，更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。

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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[M]。北京：认命邮电出版社，2001

[3]TEKIPPE V J,MOORE D R. Performance and reliability of fused

couplers[C]//Perceeding of SPIE1998.USA:SPIE Press,1998,3666:56-61 [4]廖延彪.光纤光学[M]。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 [6]HONG Li-feng,GE Chun-feng.The full wave optical fiber couple of the fused taped [J].Acta Physica Sinica,2003,52(2):390-394

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本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 青蛙哥 电子0803 性 别 男 题 目：光纤耦合器的耦合比与耦合区长度的关系仿真 答辩或质疑记录： 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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