光纤与非对称波导耦合效率数值仿真研究.docx

光纤与非对称波导耦合效率的数值模拟研究 基于光波的折射和衍射定律和衍射理论，采用蒙特卡罗方法[1]建立单模光纤与非对称波导耦合的数值模型，并使用MATLAB软件编写相关程序模拟和研究微透镜[2] [3]波导的结构参数与波导的结构参数对耦合效率的影响有关。仿真结果表明，当光纤与非对称波导耦合时，在对准的情况下，耦合效率通过微透镜，波导选择光子。利用全反射理论，通过仿真和MATLAB进行数值模拟，可以确定一个最优的。球半径微透镜耦合到波导以最大化它们的耦合效率。 关键词折射定律 光线追踪 耦合效率 MATLAB 软件 目录 TOC \o 1-3 \h \z \u 1简介 1 1.1研究背景 1 1.2国外光纤通信技术研究与趋势 1 1.3国外研究现状及发展趋势 1 1.4毕业设计的目的和意义 2 1.5本课题主要研究内容 2 2基本理论与方法介绍 3 2.1折射定律 3 2.2反射定律 3 2.3 MATLAB软件 4 2.4波导中的光传输理论 5 3模型构建 7 3.1光纤与非对称波导耦合的物理模型 7 3.2影响耦合效率的因素 8 3.3光线追踪 8 3.4计算有效光子和计算耦合效率 10 4仿真结果分析 12 4.1波导端面位于几何焦平面 12 4.2波导端面位于束腰 14处 4.3总结 16 5结论 17 1 简介 1.1 研究背景 在光纤通信网络中，设备间光功率的耦合效率一直是人们必须面对和解决的问题。在光纤和非对称波导的光耦合系统中，光纤端接微透镜具有独特的优势。采用光纤微透镜可使结构紧凑、耦合效率高、成本低；缺点是它们的偏移容差非常高。小，工作距离（光纤-波导端面间距）短，不利于大批量生产。此外，会聚光束通过光圈并发生焦点偏移现象。在光纤-波导耦合系统中，经过微透镜聚焦后，聚焦光束的束腰位置不再位于设计焦平面上。如果端接微透镜是球面的，则球面像差对耦合效率的影响不可低估。因此，对这些问题的分析研究对光纤与波导的耦合系统具有重要的指导意义。 1.2 国外光纤通信技术研究与趋势 回顾光纤通信的发展历程， 1970年代，光纤通信从诞生之初就逐渐走向成熟。到1970年代末，第一代（几十Mb/s的速率， 0.85μm波段，多模光纤通信系统）开始商业化。 1980年代，光纤通信有了突飞猛进的发展。这一时期，光纤通信迅速从0.85μm波段向1.3μm波段，从多模光纤向单模光纤转变。第二代光纤通信系统（ 1.3μm波段单模光纤系统）在全球如雨后春笋般涌现，展现出光纤通信低损耗、大容量、强竞争力的优势，很快将取代有线通信并成为电信网络中的主要传输手段。 1.3 国外研究现状及发展趋势 目前计算这种对接耦合[4][5]系统耦合效率的方法主要采用重叠积分法：将聚焦光束的平方分布视为光纤的模场分布，耦合效率定义为光纤模场分布和波导模场。分布的重叠积分值。由于光纤绕光轴旋转对称，而波导在光纤-波导对接耦合系统中不是旋转对称的，这种定义耦合效率的方法是没有用的。由蒙特卡罗方法获得的问题的解决方案实际上更接近物理实验的结果，而不是经典数值计算的结果。因此，蒙特卡罗方法对光纤与非对称波导耦合的仿真研究结果对实际应用具有重要的指导意义。 1.4 毕业设计的目的和意义 目的： 选择本课题是为了学习光纤与非对称波导对接耦合的基础知识，了解光纤与波导的耦合理论，学习MATLAB软件，学习MATLAB建模方法，丰富知识理论，应用所学理论以实践相结合，提高动手能力和实验能力，培养创新能力。 意义： 随着技术的发展，各种类型的集成光器件被用于光纤通信系统中。大多数集成光学器件基于光波导。但是，光纤中的模场与光波导的模场分布存在尺寸和形状的不匹配，因此如果直接耦合，耦合效率非常低。目前，光纤端面球面微透镜广泛应用于耦合系统中，以减少光纤与波导模式之间的失配，从而提高耦合效率。由于光纤端面微透镜结构尺寸小，衍射效应和非近轴效应显着。这些因素对聚焦光束的束腰位置、强度分布和光斑尺寸的影响不容小觑。因此，对这些问题的分析和研究在光纤与波导的耦合系统中具有重要意义。 1.5 本课题主要研究内容 学习光纤与波导耦合理论，学习MATLAB软件。 采用蒙特卡罗方法，建立了光纤通过光纤端面微透镜与非对称波导耦合的数值模型。 利用该模型，对光纤与非对称波导的耦合效率进行了仿真研究。 对仿真结果进行了分析，给出了研究结论。 2 基本理论与方法介绍 2.1折射定律 折射定律或斯涅尔定律，由荷兰数学家斯内尔发现，是在光的折射现象中确定折射光线方向的定律。当光线从第一介质(折射率n1)进入第二介质(折射率n2)时，在光滑的界面上，一部分光线从第一介质进入第二介质后发生折射。 （如图2-1所示） 实验指出： 折