使用Rsoft对FBG光纤光栅的光谱仿真

课程设计任务书学生姓名：陈湘宝专业班级：电子科学与技术0901班指导教师：葛华工作单位：信息工程学院题目:Bragg光纤光栅的光谱仿真初始条件：计算机、beamprop软件要求完成的主要任务:1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习beamprop软件。（2）设计Bragg光纤光栅的光谱仿真（3）对Bragg光纤光栅进行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：2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2012.6.25-6.28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。2012.6.29-7.5对Bragg光纤光栅进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2012.7.6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............................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................................II1光纤光栅简介..............................................................................................................................12BeamPROP软件介绍..................................................................................................................23光纤光栅的绘制与设置..............................................................................................................33.1光纤光栅波导的全局设置...................................................................................................33.2光纤光栅的绘制...................................................................................................................43.3光路的设置...........................................................................................................................74光纤光栅的仿真..........................................................................................................................84.1光栅XZ切面图....................................................................................................................84.2波形仿真...............................................................................................................................94.3参数扫描.............................................................................................................................105心得体会....................................................................................................................................136参考文献....................................................................................................................................14武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书I摘要光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。本文介绍的是通过BeamPROP软件进行光纤光栅的光谱仿真，以及讨论了不同参量对光谱图的影响。本文包含了光纤光栅的基本原理、BeamPROP软件介绍、以及进行光谱仿真的具体步骤。关键词：光纤光栅；BeamPROP；光谱仿真武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书IIAbstractOpticalfiberBragggratingisusingfibrematerialphotosensitivesex,throughthemethodofuvexposurewillincidentlighttoacoherentpatternfibercore,infibercorealongthefiberaxiswithinthecoretotherefractiveindexcyclicalchange,soastoformthepermanentspacephasegrating,anditsfunctionisessentiallyinfibercoreisformedinanarrowbandfilterormirrors.ThispaperintroduceisthroughtheBeamPROPsoftwareinthespectrumoffibergratingsimulation,anddiscussedthedifferentparameteroftheinfluenceofthespectra.Thisarticlecontainsfibergrating,thebasicprincipleofsoftwareisintroduced,andBeamPROPspectralsimulationofthespecificsteps.Keywords:fibergrating;BeamPROP;spectrumsimulation武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书11光纤光栅简介布拉格光纤光栅（FiberBraggGrating）简称为FBG。在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。由于光纤本身的低损耗、抗电磁干扰，它在远距离通信中的到了广泛应用，并随之在通信、传感等领域得到重视和应用。经过近二三十年的研究与实践，光纤光栅迅速了很大发展，种类也迅速增加，出现了各种非均匀光纤光栅，1996年又出现了长周期光纤光栅。在实际需要的推动下，光纤光栅家族不断得到完善和丰富，也在通信和传感领域起到了无法替代的作用。其光谱图如图1.1所示。图1.1光纤光栅光谱武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书22BeamPROP软件介绍RSoft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，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。RSoft是一款非常实用的光波导仿真软件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多种算法，使得它能够适用于各种不同要求场合。BPM计算方法也有多种形式，其中有限差分波束传播法（FD-BPM）得到了最广泛的应用，FD-BPM可以实现很准确的设计计算，同时可以允许较大的计算步进。我们使用的软件主要基于这种方法。其操作页面如图2.1所示。图2.1RSoft的操作界面武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书33光纤光栅的绘制与设置3.1光纤光栅波导的全局设置首先，打开BeamPROPCAD-Layout程序，开始这次的波导的总体设置。在菜单中选择“NewCircuit”，在BPMOptions一项选择3D的波导，其中波导类型选择Fiber，然后依次修改其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”等参数，参数设置如图3.1所示。图3.1光纤光栅的全局设置武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书4定义完全局后，开始定义变量。点击“EditSymbols”按钮进行变量定义。其中我定义了Period、Lin、Lout、M、delta_grating等4个变量。如图3.2所示.图3.2变量定义表3.2光纤光栅的绘制光纤光栅一共分3层。第一层的参数设置如图3.3所示。图3.3第1层的参数设置武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书5图3.4第2层的参数设置图3.5第3层的参数设置武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书6光栅的第2、3层的参数设置如图3.4、图3.5所示。光栅的绘制过程中，我通过鼠标的点击与拖动画出三层光栅，通过对每个光栅的位置的设定可以实现第二层的首端与第一层的末端连接，第三层的首端与第二层的末端连接。第二层的User1的设定如图3.6所示。图3.6User1的定义为了以示区别，我把中间的一层光栅的颜色设置为yellow。然后通过右键点击光栅层对每层分别进行设置，最后生成的光栅图形如图3.7所示。图3.7光纤光栅的波导武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书73.3光路的设置把光纤光栅绘制好后，就需要定义光路了。点击左侧工具栏中的“EditPathways”按钮，然后点击“New”将三层光波导涂成绿色。如图3.8所示。图3.8定义光的路径然后点击“Monitors”打开监测器对话框，连续点击两次“New”，让第一个保持默认状态，第二个监测器，将“MonitorComponent”设为“Major—Backward”。如图3.9所示。图3.9监视器1和监视器2的定义武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书84光纤光栅的仿真4.1光栅XZ切面图点击“ComputeIndexProfile”按钮，将“DisplayMode”选择为“ContourMap（XZ）”，将“ZComputeStep”和“SliceStep”设置为0.25，如图4.1所示。观察的切面图如图4.2所示。图4.1ComputeIndexProfile的设定图4.2光栅XZ切面图武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书