光电课设：自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析

课程设计任务书

学生姓名：助人为乐专业班级：不计得失

指导教师：一定过工作单位：信息工程学院

题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析初始条件：

计算机、beamprop或Fullwave软件

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：2周

技术要求：

（1）学习beamprop软件。

（2）设计自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析

（3）对自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合进行beamprop软件仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

第6-9天对自聚焦光纤的设计进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

第10天提交课程设计报告，进行答辩。

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........................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................. II 1绪论. (1)

1 自聚焦光纤简介 (2)

1.1自聚焦光纤 (2)

1.2 自聚焦光纤的特点 (2)

1.3 自聚焦光纤的主要参数 (3)

2 自聚焦光纤的应用 (4)

2.1 聚焦和准直 (4)

2.2 光耦合 (5)

2.3 单透镜成像 (6)

3自聚焦光纤设计仿真 (7)

3.1 Beamprop简介 (7)

3.2 波导绘制及参数设置 (8)

3.3 自聚焦光纤功能仿真 (10)

3.4 自聚焦光纤的耦合效率对比 (11)

4 心得体会 (12)

参考文献 (13)

摘要

本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦光纤（GRIN lens），自聚焦光纤主要应用于光纤传输系统中。自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。

关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直

Abstract

This article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation

1绪论

自聚焦光纤体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。由于这种GRIN光纤内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量,在某些场合可以代替非球面光学元件。此外这种光学元件的几何形状简单,容易进行光学加工,且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。因此GRIN光纤透镜已经被越来越多地应用于光学系统，尤其是在光纤通信领域中。其中自聚焦光纤用于光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用、解复用器件以及光开关等显示出独特的优势。

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。

1 自聚焦光纤简介

1.1自聚焦光纤

渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦光纤是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜。具有准直、聚焦和成像功能[1]。

随着人们对于信息需求量的日益增加，光纤通信系统正以日新月异的速度迅速发展，有两类光纤通信系统备受人们青睐，一类是长途干线光纤通信系统；另一类是局域网和用户回路光纤通信系统。

在光纤局域网和用户回路通信系统中，需要用到大量的光无源及有源器件，例如：光耦合器、波分复用器、光开关和光收发器件等等。这些器件无一例外使用了自聚焦光纤。

1.2 自聚焦光纤的特点

光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。

自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点[2]。它们的光路如图1.1所示。

图1.1 普通透镜和自聚焦光纤光路

自聚焦光纤利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征[3]，其折射率变化由公式1表述。其折射率分布曲线见图1.2。

)2

1()(2r A N r N O -=（1） 公式（1）中：O N ——表示自聚焦光纤的中心折射率

D ——表示自聚焦光纤的直径

A ——表示自聚焦光纤的折射率分布常数

图1.2 自聚焦光纤折射率分布曲线

1.3 自聚焦光纤的主要参数

截距P ——在自聚焦光纤中光束是沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为一个截距P 。

长度Z ——自聚焦光纤的长度为透镜两端面轴心间的距离。

折射率分布常数——自聚焦光纤的折射率沿径向分布常数。在此可以是A 或A 。

数值孔径——孔径NA 有两种表示方式，如公式（2）所示。

22

N N nSin NA O m m -==αα（2） 公式（2）中：O N ——表示自聚焦光纤的中心折射率

N ——表示入射光所在介质的折射率

m α——表示入射光线的最大孔径角

2 自聚焦光纤的应用

由于自聚焦光纤具有端面聚焦及成像特性，以及圆柱状的外形特点，因而可以应用在多种不同的微型光学系统中，自聚焦棒的主要功能有聚焦、准直和成像。

2.1 聚焦和准直

穿透透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点（如图1.2.1所示），但自聚焦光纤在聚焦时克服了这些缺点。根据自聚焦光纤的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦光纤，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦棒后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦光纤聚焦点光斑的尺寸公式为：

)(1

220NA f N R π=（3）

公式（3）中：R ——为焦点处光斑的半径

NA ——为数值孔径

f ——为焦距

0N ——为轴上的折射率

准直是聚焦功能的逆向运用。根据自聚焦光纤的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦光纤，当汇聚光从自聚焦光纤一端面输入时，经过自聚焦光纤后会转变成平行光线，自聚焦光纤的这一准直功能如图2.1所示。

图2.1 自聚焦光纤准直应用

2.2 光耦合

由于自聚焦光纤可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦光纤的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，例如：光纤和光源（如图2.2所示）、光纤和光电探测器一级光纤和光纤之间的耦合等等。

图2.2 平面自聚焦光纤耦合

为了达到更好的聚焦效果，会在平端面自聚焦光纤一端面加工一个1mm~3mm的曲面，此曲面与平端面自聚焦光纤弥散斑小如图2.3所示。因此球面自聚焦棒可减小聚焦光斑尺寸[4]。

图2.3球面自聚焦光纤聚焦光斑

图2.4中表示L1为光源或光纤到自聚焦光纤端面的距离，Z为自聚焦光纤的长度，L2为自聚焦光纤端面到光纤的距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦光纤聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1 和L2的距离来达到最佳耦合效率。但是，在实际耦合过程中，耦合效率要小于其理论值，其原因是耦合效率与器件的结构和使用方法有直接的关系。

图2.4 光纤传输耦合聚焦光轨迹图

2.3 单透镜成像

自聚焦光纤除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。对于P/2及1P截距的自聚焦光纤其端面成像

机理如图2.5所示。P/2截距的自聚焦光

纤其端面成等大倒像，而1P截距的自

聚焦光纤其端面成等大正像。对于P/4

截距的自聚焦光纤物在无穷远处时象在

其后端面（只要物距远远大于透镜长度

时可理解为无穷远）。

图2.5自聚焦光纤端面成像示意图

3自聚焦光纤设计仿真

3.1 Beamprop简介

本次光学仿真用的软件是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。

图3.1 Beamprop操作主界面

从Beamprop的主界面（图3.1）来看，操作还是相当方便的。其中多数的主要功能都以快捷键的方式至于主界面的工具栏上。不用费心思从繁琐的英文菜单中寻找自己需要的东西。本次模拟自聚焦棒用的绘制工具即为SEGMENT MODE，用它可以在界面上画出想要的波导。继而可以设置其详细参数和进行功能仿真。

3.2 波导绘制及参数设置

首先是新创建一个设计文件。在本次仿真中做了如下设置。如图3.2所示。

图3.2 创建新设计

在这一步中，设置光波长为1.55um，外界折射率为1.6。波导宽度为100。接着绘制波导模拟自聚焦光纤。

图3.3 自聚焦光纤模拟图

界面中的红色部分即是在软件中模拟的自聚焦光纤，即绘制一段波导来模拟。对于自聚焦光纤而言，折射率满足类抛物线的规律，即从两边向中间逐渐增大。

在Beamprop中可以设置其折射率模式Profile Type为Gaussian。满足自聚焦光纤的折射率变化规律。设置方法如下所示。

图3.4 波导折射率设置

右键点击界面中的波导即可出现如图 3.3的属性界面。将左起第二项Profile Type在下拉菜单中改为Gaussian。接下来的步骤是设置监控电源，在EDIT PATHWAY中设置，如图3.5所示。

图3.5 监控电源设置

3.3 自聚焦光纤功能仿真

接下来就可以进行自聚焦光纤的仿真，运行Perform Simulation，选择不

同的演示模式（Display Mode）可以观测到自聚焦棒在光信息传播中的状态。图3.6 波导折射率状态

图3.7 光在波导中传播路径仿真

图3.6仿真是的波导中折射率的分布图，为高斯函数的3D模拟图形。图3.7显示的是自聚焦光纤中的光线传播路径，可以看到光线由平行入射到最后聚于一点，符合自聚焦光纤的特性。

3.4 自聚焦光纤的耦合效率对比

在介质中另模拟一段折射率均匀的波导，用于跟自聚焦光纤进行耦合。波导位置图形如图3.8所示。

图3.8 波导间耦合

图中1为接收波导，2为发射波导。第一种情况中设置2为自聚焦透镜。

当透镜棒长度为L/4时，那么入射光为平行光时，出射光会聚，此时入射到下一级的光能量损失最小，达到耦合最佳状态。如图3.9所示，通过几次试验，找到自聚焦棒L/4长度，此时实现出射光聚焦，而后直接连接光纤。

图3.9 光耦合2D仿真示意图

4 心得体会

此次，我的光电子应用课程设计课题是：自聚焦棒的设计与仿真。利用Beamprop软件，完成一个完整的功能实现了的单透镜反射式照相物镜光学系统。假设如果没有软件的仿真，那整个设计过程的庞大的调试过程其复杂程度是难以想象的。

通过这次课程设计，不仅使我对Beamprop软件有了初步的了解，更巩固和提高了我的光学知识，并深深地体会到了Beamprop软件对于光学设计的巨大帮助。同时让我熟悉和巩固了利用Beamprop软件进行光路设计的方法和技巧。这次课程设计我最大的收获就是掌握了一种使用光学设计软件Beamprop设计光路的方法。有了光学Beamprop设计仿真软件的帮助和掌握了现代光学的设计方法就可以大大减少设计周期，并提高设计成果的稳定性。

感谢学校给我们这次光电子应用课程设计的机会，不仅让我们了解了Beamprop软件的特点和使用方法，而且掌握了使用Beamprop设计光学系统的原理和方法。通过这次课设让我明白了理论联系实践的重要性，书本上的理论知识学了不少，我们必须得应用到实践当中，做到学以致用，这样我们才能有不断的创新。这次课程设计也感谢指导老师在设计过程中的辅导以及同学们的帮助。

参考文献

[1] 邓大鹏，光纤通信原理．人民邮电出版社，2009

[2] 薛春荣，侯海虹．锥形光纤的结构与特性[J]．激光与红外；2007.9（37)：882-886

[3] 李玉权，崔敏．光波导理论与技术．北京:人民邮电出版社，2002.12

[4] 梁铨廷．物理光学．电子工业出版社，2008

[5]洪建勋，李成军，吴友宇，周建新．电光聚合物波导中的锥形结构[J];光学学报;2009.10(29):2686-2691

本科生课程设计成绩评定表

指导教师签字：

年月日