单模光纤基膜计算

学生姓名： 专业班级： 电子0901 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目：单模光纤的基膜计算 初始条件：

具较扎实的光电子技术的理论知识及较强的实践能力；学会使用BeamPROP仿真软件。

要求完成的主要任务：

1. 掌握单模光纤的相关概念与知识。

2．利用BeamPROP仿真软件对单模光纤基膜的实现仿真。 3. 得出单模光纤的结构及性能。

4. 完成课程设计报告（应包含仿真图，调试及设计总结）。

时间安排：

1．2012年6月28日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2．2012年6月29日 至2012年7月4日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。

3. 2012年7月5日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录

摘要............................................................................................................................... II Abstract ........................................................................................................................ III 绪论.............................................................................................................................. IV 1原理分析.................................................................................................................... V

1.1光纤理论分析.................................................................................................. V

1.1.1光纤的组成............................................................................................ V 1.1.2光纤的模式........................................................................................... VI 1.1.3 单模光纤的基本分析.......................................................................... VI 1.2单模光纤....................................................................................................... VII

1.2.1 单模光纤的结构................................................................................ VII 1.2.2 单模光纤中的传播模....................................................................... VIII 图1.22........................................................................................................ VIII 1.2.3单模光纤的性能................................................................................ VIII

2 BeamPROP软件使用 .............................................................................................. IX

2.1软件简介......................................................................................................... IX 2.2 BeamPROP仿真 ............................................................................................. X 3 仿真设计................................................................................................................ XII

3.1 单模光纤基膜的仿真.................................................................................. XII 3.2 仿真文件设计............................................................................................. XIII 3.2.1 建立波导.................................................................................................. XIII

3.2.2 设置位置的变量............................................................................... XIII 3.3 仿真结果..................................................................................................... XIV

3.3.1 单模光纤基膜的传播路径仿真....................................................... XIV 3.3.2 包层直径与相对输出功率的关系仿真........................................... XVI

4 总结......................................................................................................................XVII

4.1 结论............................................................................................................XVII 4.2 体会............................................................................................................XVII 参考文献................................................................................................................ XVIII

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摘要

一般v小于2.405时,光纤中 就只有一个波峰通过,故称为单模光纤,它的芯子

很细,约为3一10微米,，模式色散很小.影响光纤传输带宽度的主要因素是各种色散,而以模式色散最为重要,单模光纤的色散小,故能把光以很宽的频带传输很长距离。 单模光纤具备10 micron的芯直径，可容许单模光束传输，可减除频宽及振模色散(Modal dispersion)的限制，但由于单模光纤芯径太小，较难控制光束传输，故需要极为昂贵的激光作为光源体，而单模光缆的主要限制在于材料色散(Material dispersion)，单模光缆主要利用激光才能获得高频宽，而由于LED会发放大量不同频宽的光源，所以材料色散要求非常重要。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100Mbps的以太网以至1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。从成本角度考虑，由于光端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤电缆的成本高。

关键词：单模光纤； 传输直径；

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Abstract

General V is less than 2.405, the fiber is only one wave through, so called single-mode fiber, its core is very small, about 3- 10microns, mode, dispersion is small. The effect of fiber transmission band width is the main factor in various dispersion, mode dispersion is most important, single-mode optical fiber dispersion small, it can bring light to a wide band transmission for long distance. Single mode optical fiber with10 micron core diameter, permits a single-mode laser beam propagation, deductible bandwidth and vibration mode dispersion ( Modal dispersion ) constraints, but as a result of single-mode fiber core diameter is too small, it is difficult to control the beam transmission, it needs extremely expensive laser as a light source body, and a single mode fiber optic cable main limitation is that the material dispersion ( Material dispersion ), single mode optical fiber cable mainly uses laser to get high bandwidth, because LED will release a large number of different bandwidth of the light source, so the material dispersion requirement is very important. Single mode fiber compared to the multimode optical fiber may support a longer transmission distance, in100Mbps and1G Ethernet Gigabit Ethernet, single-mode fiber can support more than 5000m of transmission distance. From a cost perspective, since the optical machine is very expensive, so the use of single-mode fiber cost than multimode optical fiber cable of high cost.

Key words: single mode optical fiber transmission diameter;

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绪论

单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。

IV

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1原理分析

1.1光纤理论分析 1.1.1光纤的组成

光纤是指能够传导光波的圆柱形介质光波导，通常光纤三层介质，分别是是芯层、包层和涂层，芯层折射率n1稍大于包层折射率n2，导波光由于全反射背包层约束在芯层中沿光纤延伸方向传播。

n2n1涂层包层芯区

图1.1 阶跃光纤横截面结构图

按照芯层的折射率的大小可以将光纤分为阶跃光纤和梯度光纤。对于阶跃光

纤折射率分层均匀分布，有芯层折射率n1大于包层折射率n2。梯度光纤其芯层折射率径向为渐变式。由于光纤的芯层和包层的折射率之差很小，光纤相对折射率可以近似用下式表示。

n1n2 (1.1) n2光纤的折射率之差又称为光纤的结构参数[2]，是光纤非常重要的一个参量，影响光纤的色散特性和耦合效率。

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1.1.2光纤的模式

在光纤中由于芯层的折射率大于包层的折射率因而当光以大于一定角度入射时就会产生全反射现象，从而大大减少了光纤的损耗，实现光信号传输。

在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称之为光的一个传输模式。当光纤的芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时，就称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。如图所示，以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式。沿光纤轴传播的叫做基模，相继还有一次模、二次模等。其中，模次较低的模为低次模，如二次模；模次较高的模为高次模。

当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过，即只允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的光纤就称为单模光纤。

1.1.3 单模光纤的基本分析

单模光纤是在一定工作波长下，传输基膜 HE 11 模（或 01 ）的光纤，

LP若单模光纤的折射率分布是理想的阶跃型的，当光纤的归一化频率V<2.405时，光纤只有两个相互正交的 LP 01 模，其横向电场 E t 可以表示为

LP01模的传输常数01可以从下列特征方程式和V，u，w的关系式中联合求出，即

urEJ()00a(ra)J0(u)Et wrEK()00a(ra)K(u)0uJ1(u)wK1(w)J0(u)K0(w)V2u2w2VI

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这些是阶跃光纤得出的结论。

定义满足下式的c为单模光纤的截止波长

当传输光波长大于c时，便满足在这种光纤中单模传输的条件。

urwr)变化，在包层里按K0()变化，这aa种变化和高斯函数接近，因此。在许多实际问题中，经常把LP01模的分布近似为

2n0a22.405 LP01模的场分布，在线芯中按J0(下列形式

ExArexp[()]EyBwg

1.2单模光纤 1.2.1 单模光纤的结构

如果能将光纤纤芯的直径尺寸做到几个波长（通常是8～12m）并且使

纤芯包层折射率差很小。则可制成单模光纤。令V=2.4，可以看到能够在一个相当大的实际纤芯尺寸a和纤芯包层折射差变化范围内实现单模传播。但实际的单模光纤其纤芯包层折射率差一般在0.2%～1.0%间变化，因而纤芯直径取值必须是第一个高阶模截止，或者说使V值稍小于2.4。

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1.2.2 单模光纤中的传播模

任何普通的单模光纤中实际上都存在两个独立的简并传播模。这两个模式

极为相似，但它们的偏振面相互正交。这两个模式可以任意地取水平（H）方向偏振或取垂直方向（V）偏振，如图1.22所示。这两个正交偏振模中的任意一个都构成主模，即HE11模。在一般情况下，光纤中传播的光波的电场是两个偏振模的线性叠加，合成波的偏振状况决定于注入光纤点的光波的偏振状态。

假设我们随意地选取这两个正交的模式中的一个，并假定其电场的横向分量沿x轴方向偏振，而另一个正交的模式电场的横向分量必然沿y轴方向偏振，如图1.22所示。在具有完善的圆对称的理想光纤中，这两个简并的模式具有相同的传播常数（KxKy），任意偏振态的光波注入光纤后，其偏振状态在传播过程中不会发生变化。

Y y 水平模式 垂直模式

图1.22

x x

1.2.3单模光纤的性能

在生产单模光纤时，制造商特别关注光纤结构对色度色散的偏振模色散的影响。色散特性是应考虑的最重要特性，因为他们是制约长距离和高速率传输的首

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要因素。阶跃折射率石英玻璃光纤在1310nm处有最小的色散值，而在1550nm（c波段内）处的损耗最小。对于长距离传输，应工作在C波段，但其色散明显大于1310nm窗口。为达到告诉长距离传输，通常光纤设计人员可以调整光线的参数，将零色散波长移至更长的波长段。

在电信网络中使用最为广泛的单模光纤是近似为阶跃折射率的光纤，它在O波带1310nm波长处具有最优的色散特性。这些1310nm最优化单模光纤可以设计成匹配包层或凹陷包层如图1.23所示。匹配包层光纤的整个包层折射率保持不变，其典型的模场直径大约为9.5 ,m纤芯—包层折射率差为0.35%左右。凹陷包层光纤的内包层折射率要低于外包层，模场直径大约为9 m，典型的正负折射率差分别为0.25%和0.12%。

2a ma4.5m a=4.2 0.25% 2a 0.35% 1 0.12%

2 匹配包层 凹陷包层

图1.23

2 BeamPROP软件使用

2.1软件简介

本文采用仿真软件BeamPROP进行仿真从而探究光纤耦合器的耦合效率与耦合区间之间的关系。

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

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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[6]。

2.2 BeamPROP仿真

1）新建仿真文件

启动BeamPROP软件，点击左上角的“New Circuit”按钮，新建仿真文件。 点击后弹出基本设置对话框， 波导的一些基本特性参数需要在此设定。 我们模拟目前光通信系统中应用最为广泛的掩埋型二氧化硅波导（channel 型） 。波导横截面的尺寸结构为 4um，芯层折射率为 1.465，包层折射率为 1.455（包层和芯层的折射率差为 0.01）。

图2.1 波导参数设置界面

2）绘制波导

点击BeamPROP窗口左边的mode，绘制相应形状的波导[6]。鼠标左键，在任意另一处再单击左键，即可画出相应的波导。将鼠标移动至波导上（红色区域

X

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上） ，再单击鼠标右键，会弹出波导的设置菜单。通过设置变量可以方便的改变波导的位置以及大小。

图2.2 绘制波导

3）设置仿真激励

要实现仿真结果，我们还需要设置光源的特性和观察的路径，还需要添加监视器观察输出特性。设置路径通过单击左侧工具栏中的“Edit Pathways”按钮。 单击后左侧工具栏会变成路径设置栏。点击“New”按钮，会新建一个路径，再左键点击我们画好的波导，使路径与波导相一致（此时波导会变绿色），如下图： 然后再点击“Monitors”按钮，会弹出一个小对话框，设置一个与路径相匹配的探测器。按照 下图提示设置完后， 点击对话框的“OK”按钮回到路径设置模式， 再点击左侧的“OK”按钮回到 画图模式。 再进行光源的设置。单击左侧工具栏中的“Edit Launch Field”按钮，如下图。 单击后会弹出输入光源的设置对话框。选取波导的基模即可。如下图： 设置完成点击“OK”。至此，模拟环境已基本设置完毕。再模拟前，要需先将文件保存下来。 4）波导仿真并观察仿真结果

仿真文件建立好之后，只要点击工具栏中的Perform Simulation即可实现仿真，点击后软件自动完成仿真得出仿真结果，绘制仿真图形。从仿真图形中可

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以得出相应的结论。还可以使用Perform Parameter Scan 设定相应参数变化获得相应的输出图形。

图2.3 激励仿真结果

3 仿真设计

3.1 单模光纤基膜的仿真

要得到单模光纤基膜的仿真，根据原理分析可知，光纤耦合器就是两束光纤靠近时会产生耦合效应，从路径1输入的光功率会沿着路径1进行传播，并且这种传输纤芯折射率和包层折射率以及通信波长有一定的关系[。

使用BeamPROP软件的可以建立相应的仿真文件实现光在单模光纤基膜的输出特性的仿真。

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3.2 仿真文件设计 3.2.1 建立波导

通过上面软件使用方法，建立相应的仿真文件，参数设置结合实际使用的光纤的折射率以及光波波长。设置导横截面的宽度为4um，芯层折射率为 1.465，包层折射率为 1.455（包层和芯层的折射率差为 0.01）。

之后绘制相应的波导，由单模光纤的基本结构可以画出相应的波导形状如图所示。

3.2.2 设置位置的变量

为了方便改变耦合区的间隔，起始设置时为3D structure为Fiber。

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width=9.5,由于选的是圆形的，所以这里的width为半径。变量的添加只要在工具栏中使用Edit Symbols工具即可实现。变量设置如图所示。

图3.2 设置变量

3.3 仿真结果

3.3.1 单模光纤基膜的传播路径仿真

将3D structure设置为Fiber时，width=9.5使用Simulation得到仿真结果如图所示，左边的图代表光纤传播谱，Monitor蓝线代表各点相对入射功率的功率

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图3.3

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3.3.2 包层直径与相对输出功率的关系仿真

为了探究包层直径与相对输出功率的关系，要改变包层直径，从而得出相应的关系。本设计使用BeamPROP中的Scan variable功能实现包层直径的取值变化。该功能的使用如图所示。通过设置Starting Value 和Ending Value 以及Increment[7]。可以观察各个点的相对输出功率。包层直径与相对输出功率的关系。

1）相对输出功率的仿真结果

设置直径r由1m到20m以0.5m的步进变化，可以得到直径与相对输出功率的关系。曲线图如图所示，蓝色线代表输出功率与输入功率的比值，由图可以看出相对输出功率的变化。

图3.4 仿真结果

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4 总结

4.1 结论

本次课程设计通过学习相关的光电子、光纤的知识（尤其是单模光纤）以及BeamPROP光学仿真软件。实现了单模光纤的输出特性仿真。由仿真结果得出结论，当包层直径比较小的时候，相对输出功率接近为1，基本无损耗，归一化后的输入功率是1，包层直径逐渐变大时，相对输出功率逐渐减小，说明光在包层内传播有损耗。

4.2 体会

经过这次课程设计的制作，使我加深了对光纤相关知识的理解。深入的理解了单模光纤的结构，传输特性，偏振等。学习了BeamPROP软件的使用。设计仿真中，我遇到了许多实际的问题,也体会到了书本理论和实际操作的差异。通过这段时间的实践，也使我对这门课产生了更加浓厚的兴趣,更加体会到理论与实践结合的重要性。在摸索该如何设计系统使之实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。

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参考文献

[1] 张伟刚.光纤光学.南开大学出版社.2008

[2] 明海.张国平.光电子技术.中国科学技术大学出版社.1998 [3] 石顺祥,孙艳玲.光纤技术及应用.华中科技大学出版社.2009 [4] Gerd Keiser 李玉权.光纤通信.电子工业出版社.2012 [5] 顾畹仪 李国瑞.光纤通信系统.北京邮电大学出版社.2006. [6] BeamPROP5.1.1 User Guide [7] http://www.rsoftdesign.com

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本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 性 别 课程设计题目：光纤耦合器的耦合比与耦合区间隔的关系仿真 课程设计答辩或质疑记录： 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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