1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名:專(zhuān)業(yè)班級(jí):電子0902指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院題目：自聚焦光纖的設(shè)計(jì)及其與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合效率分析初始條件：(1)掌握光纖技術(shù)與應(yīng)用基本原理(2) Beampro琳件(3)計(jì)算機(jī)要求完成的主要任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)自聚焦光纖，觀察其仿真結(jié)果，并對(duì)耦合效率進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的結(jié)果。時(shí)間安排：2.6.25做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說(shuō)明。2.6.25-6.28學(xué)習(xí)beamprop軟件(或Fullwave軟件)，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)。2.6.29-7.5對(duì)自聚焦光纖進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫(xiě)。2.7.6提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)

2、教師簽名：年月日系主任(或責(zé)任教師)簽名:目錄摘要IAbstractI.I.緒論1.1自聚焦光纖簡(jiǎn)介2.自聚焦光纖2.自聚焦光纖的特點(diǎn)2自聚焦光纖的主要參數(shù)32自聚焦光纖的應(yīng)用4.聚焦和準(zhǔn)直4.光耦合5.透鏡成像63自聚焦光纖設(shè)計(jì)仿真.7.Beamprop簡(jiǎn)介7.波導(dǎo)繪制及參數(shù)設(shè)置8自聚焦光纖功能仿真1.0自聚焦光纖的耦合效率對(duì)比114心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)14摘要本文主要說(shuō)明應(yīng)用梯度折射率對(duì)光傳播的影響分析設(shè)計(jì)自聚焦光纖(GRINlens),自聚焦光纖主要應(yīng)用于光纖傳輸系統(tǒng)中。自聚焦光纖同普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦光纖材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)出

3、射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。利用此特性，G-lens在光纖傳輸系統(tǒng)中是構(gòu)成準(zhǔn)直、耦合、成像系統(tǒng)的主要部分。而它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)更適用于小型光學(xué)器材中，例如窺鏡系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：梯度折射率，自聚焦，光耦合，準(zhǔn)直AbstractThisarticlemainshowingtheimpactanalysisdesignstheself-focusinglensusingthegradientrefractiveindextothelightemission(GRINlens),theself-focusinglensmainlyapplyintheopticalfibertransmissio

4、nsystem.Theself-focusinglenslieinwiththeordinarylens'difference,theself-focusinglensmaterialcancausealongtheaxialtransmissionlighttohavetherefraction,andcausestherefractiveindexthedistributiontoreducegraduallyalongtheradialdirection,thusrealizestheexitraybysmoothandthecontinualgatheringtoaspot.U

5、singthischaracteristic,G-lensintheopticalfibertransmissionsystemistheconstitutioncollimation,thecoupling,imagingsystem'smainpart.Butitsstructureissimple,thevolumesmallcharacteristicissuitableinthesmallopticsequipment,forexamplelookingglasssystem.KeywordsGradientindex,GRINlens,Lightcoupling,Colli

6、mation緒論自聚焦光纖體積小，重量輕，具有準(zhǔn)直和聚焦作用，且耦合效率高。由雙透鏡組成的準(zhǔn)直聚焦耦合系統(tǒng)中可以有較大間隙以插入濾波片、衰減片等來(lái)構(gòu)成多種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的無(wú)源器件，所以在光纖通信系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于這種GRIN光纖內(nèi)部的折射率變化可以調(diào)節(jié)，當(dāng)它用于復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，可以減少系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)量，在某些場(chǎng)合可以代替非球面光學(xué)元件。此外這種光學(xué)元件的幾何形狀簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行光學(xué)加工，且使用這種光學(xué)元件的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此GRIN光纖透鏡已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)，尤其是在光纖通信領(lǐng)域中。其中自聚焦光纖用于光纖之間的連接、隔離、定向耦合，波

7、分復(fù)用、解復(fù)用器件以及光開(kāi)關(guān)等顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Beamprop是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專(zhuān)業(yè)軟件，專(zhuān)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-differencebeampropagationmethod冰模擬分析光學(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

8、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。1自聚焦光纖簡(jiǎn)介自聚焦光纖漸變折射率材料有徑向漸變和軸向漸變折射率材料，自聚焦光纖是使用徑向漸變折射率材料制成的透鏡，其折射率分布式沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有準(zhǔn)直、聚焦和成像功能10隨著人們對(duì)于信息需求量的日益增加，光纖通信系統(tǒng)正以日新月異的速度迅速發(fā)展，有兩類(lèi)光纖通信系統(tǒng)備受人們青睞，一類(lèi)是長(zhǎng)途干線光纖通信系統(tǒng)；另一類(lèi)是局域網(wǎng)和用戶回路光纖通信系統(tǒng)。在光纖局域網(wǎng)和用戶回路通信系統(tǒng)中，需要用到大量的光無(wú)源及有源器件，例如：光耦合器、波分復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)和光收發(fā)器件等等。這些器件無(wú)一例外使用了自聚焦光纖。自聚焦光纖的特點(diǎn)光線在空氣中傳

9、播當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的折射率不同會(huì)改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過(guò)控制透鏡表面的曲率，從而完成聚焦和成像功能的。自聚焦光纖同普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦光纖材料不僅能夠使沿徑向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，而且其沿徑向逐漸減小的折射率分布，能夠?qū)崿F(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)2。它們的光路如圖1.1所示。圖1.1普通透鏡和自聚焦光纖光路自聚焦光纖利用了梯度變折射率分布沿徑向逐漸減小的變化特征3,其折射率變化由公式1表述。其折射率分布曲線見(jiàn)圖1.2。A2N(r)=No(1-r)(1)2公式(1)中：No表示自聚焦光纖的中心折射率D表示自聚焦光纖的直徑A表示自聚焦光纖的折射率分布常數(shù)自聚焦光纖的

10、主要參數(shù)截距P在自聚焦光纖中光束是沿正弦軌跡傳播，完成一個(gè)正弦波周期的長(zhǎng)度即成為一個(gè)截距Po長(zhǎng)度Z自聚焦光纖的長(zhǎng)度為透鏡兩端面軸心間的距離。折射率分布常數(shù)一一自聚焦光纖的折射率沿徑向分布常數(shù)。在此可以是A或A。數(shù)值孔徑一一孔徑NA有兩種表示方式，如公式(2)所示。NA=nSinam二叫小。2-N2(2)公式(2)中：No表示自聚焦光纖的中心折射率N表示入射光所在介質(zhì)的折射率?m表小入射光線的最大孔徑角2自聚焦光纖的應(yīng)用由于自聚焦光纖具有端面聚焦及成像特性，以及圓柱狀的外形特點(diǎn)，因而可以應(yīng)用在多種不同的微型光學(xué)系統(tǒng)中，自聚焦棒的主要功能有聚焦、準(zhǔn)直和成像。2.1聚焦和準(zhǔn)直穿透透鏡在聚焦時(shí)存在著結(jié)

11、構(gòu)尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺點(diǎn)(如圖1.2.1所示)，但自聚焦光纖在聚焦時(shí)克服了這些缺點(diǎn)。根據(jù)自聚焦光纖的傳光原理，對(duì)于Z=1/4P截距的自聚焦光纖，當(dāng)從一端面輸入是一束平行光時(shí)，經(jīng)過(guò)自聚焦棒后光線匯聚在另一端面上，由球差理論可得自聚焦光纖聚焦點(diǎn)光斑的尺寸公式為：二1一R=-f(NA)(3)2N0公式(3)中：R為焦點(diǎn)處光斑的半徑NA為數(shù)值孔徑f為焦距No為軸上的折射率準(zhǔn)直是聚焦功能的逆向運(yùn)用。根據(jù)自聚焦光纖的傳光原理，對(duì)于Z=1/4P截距的自聚焦光纖，當(dāng)匯聚光從自聚焦光纖一端面輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)自聚焦光纖后會(huì)轉(zhuǎn)變成平行光線，自聚焦光纖的這一準(zhǔn)直功能如圖2.1所示。平行光、.二

12、，-.光奸尸"內(nèi)津麓電鎮(zhèn)圖2.1自聚焦光纖準(zhǔn)直應(yīng)用2.2光耦合由于自聚焦光纖可以通過(guò)水平端面完成聚焦功能，加之其簡(jiǎn)單圓柱外形，使得其在進(jìn)行光能量鏈接及轉(zhuǎn)換中有著很廣泛的用途，自聚焦光纖的這種聚焦功能使其能夠應(yīng)用于多種光耦合場(chǎng)所，例如：光纖和光源（如圖2.2所示）、光纖和光電探測(cè)器一級(jí)光纖和光纖之間的耦合等等。圖2.2平面自聚焦光纖耦合為了達(dá)到更好的聚焦效果，會(huì)在平端面自聚焦光纖一端面加工一個(gè)1mm3mm的曲面，此曲面與平端面自聚焦光纖彌散斑小如圖2.3所示。因此球面自聚焦棒可減小聚焦光斑尺寸4。圖2.3球面自聚焦光纖聚焦光斑圖2.4中表示L1為光源或光纖到自聚焦光纖端面的距離，Z為自

13、聚焦光纖的長(zhǎng)度，L2為自聚焦光纖端面到光纖的距離。為了使光源或光纖發(fā)出的光經(jīng)過(guò)自聚焦光纖聚焦后能夠有效地耦合進(jìn)光纖，需要調(diào)節(jié)L1和L2的距離來(lái)達(dá)到最佳耦合效率。但是，在實(shí)際耦合過(guò)程中，耦合效率要小于其理論值，其原因是耦合效率與器件的結(jié)構(gòu)和使用方法有直接的關(guān)系。U；'L2IMM圖2.5自聚焦光纖端面成像示意圖圖2.4光纖傳輸耦合聚焦光軌跡圖2.3單透鏡成像自聚焦光纖除了具備一般曲面透鏡的成像功能還具備端面成像的特性。對(duì)于P/2及1P截距的自聚焦光纖具端面成像機(jī)理如圖2.5所示。P/2截距的自聚焦光纖其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦光纖其端面成等大正像。對(duì)于P/4截距的自聚焦光纖物在無(wú)

14、窮遠(yuǎn)處時(shí)象在其后端面（只要物距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透鏡長(zhǎng)度時(shí)可理解為無(wú)窮遠(yuǎn)）。3自聚焦光纖設(shè)計(jì)仿真Beamprop簡(jiǎn)介本次光學(xué)仿真用的軟件是Beamprop是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專(zhuān)業(yè)軟件，專(zhuān)用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法(finite-differencebeampropagationmethod)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CADS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

15、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。圖3.1Beamprop操作主界面從Beamprop的主界面(圖3.1)來(lái)看，操作還是相當(dāng)方便的。其中多數(shù)的主要功能都以快捷鍵的方式至于主界面的工具欄上。不用費(fèi)心思從繁瑣的英文菜單中尋找自己需要的東西。本次模擬自聚焦棒用的繪制工具即為SEGMENMODE用它可以在界面上畫(huà)出想要的波導(dǎo)。繼而可以設(shè)置其詳細(xì)參數(shù)和進(jìn)行功能仿真。波導(dǎo)繪制及參數(shù)設(shè)置首先是新創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)文件。在本次仿真中做了如下設(shè)置。如圖3.2所示圖3.2創(chuàng)建新設(shè)計(jì)在這一步中，設(shè)置光波長(zhǎng)為1.55um,外界折射率為1.6。波導(dǎo)寬度為100接著繪制波導(dǎo)模擬自聚焦光纖圖3.3自聚焦光纖模擬圖

16、界面中的紅色部分即是在軟件中模擬的自聚焦光纖，即繪制一段波導(dǎo)來(lái)模擬。對(duì)于自聚焦光纖而言，折射率滿足類(lèi)拋物線的規(guī)律，即從兩邊向中間逐漸增大。在Beamprop中可以設(shè)置其折射率模式ProfileType為Gaussian。滿足自聚焦光纖的折射率變化規(guī)律。設(shè)置方法如下所示圖3.4波導(dǎo)折射率設(shè)置右鍵點(diǎn)擊界面中的波導(dǎo)即可出現(xiàn)如圖3.3的屬性界面。將左起第二項(xiàng)ProfileType在下拉菜單中改為Gaussian。接下來(lái)的步驟是設(shè)置監(jiān)控電源，在EDITPATHWAY設(shè)置，如圖3.5所示圖3.5監(jiān)控電源設(shè)置自聚焦光纖功能仿真接下來(lái)就可以進(jìn)行自聚焦光纖的仿真，運(yùn)行PerformSimulation,選擇不同

17、的演示模式(DisplayMode)可以觀測(cè)到自聚焦棒在光信息傳播中的狀態(tài)。4BeamPROP-ComputationCcmpleted-X:144¥:268圖3.6波導(dǎo)折射率狀態(tài)圖3.7光在波導(dǎo)中傳播路徑仿真圖3.6仿真是的波導(dǎo)中折射率的分布圖，為高斯函數(shù)的3D模擬圖形。圖3.7顯示的是自聚焦光纖中的光線傳播路徑，可以看到光線由平行入射到最后聚于一點(diǎn)，符合自聚焦光纖的特性。自聚焦光纖的耦合效率對(duì)比在介質(zhì)中另模擬一段折射率均勻的波導(dǎo)，用于跟自聚焦光纖進(jìn)行耦合。波導(dǎo)位置圖形如圖3.8所示。圖3.8波導(dǎo)間耦合圖中1為接收波導(dǎo)，2為發(fā)射波導(dǎo)。第一種情況中設(shè)置2為自聚焦透鏡。當(dāng)透鏡棒長(zhǎng)度為L(zhǎng)

18、/4時(shí)，那么入射光為平行光時(shí)，出射光會(huì)聚，此時(shí)入射到下一級(jí)的光能量損失最小，達(dá)到耦合最佳狀態(tài)。如圖3.9所示，通過(guò)幾次試驗(yàn),找到自聚焦棒L/4長(zhǎng)度，此時(shí)實(shí)現(xiàn)出射光聚焦，而后直接連接光纖。1.000XQim)MonilorValue(a.u.)圖3.9光耦合2D仿真示意圖Height圖3-7光耦合3D仿真4心得體會(huì)此次，我的光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)課題是：自聚焦棒的設(shè)計(jì)與仿真。利用Beamprop軟件，完成一個(gè)完整的功能實(shí)現(xiàn)了的單透鏡反射式照相物鏡光學(xué)系統(tǒng)。假設(shè)如果沒(méi)有軟件的仿真，那整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的龐大的調(diào)試過(guò)程其復(fù)雜程度是難以想象的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，不僅使我對(duì)Beamprop軟件有了初步的了解，更鞏固和提高了我的光學(xué)知識(shí)，并深深地體會(huì)