Лабораторные работы по сапр веамprop
жүктеу/скачать 0,87 Mb.
|
labbeam11 (1)
- Бұл бет үшін навигация:
- Перед началом работы изучить описание САПР BeamPROP. Двойным щелчком открыть BeamDEMO. Загрузить модель Y-образного ответвителя С:\BEAMDEMO\EXAMPLES\Autoscan.ind
| Лабораторная работа №2.
Исследование Y- образного ответвителя. 1.Цель работы: Изучение программного пакета САПР BeamPROP (демоверсия). Изучение принципов распространения излучения в Y-образном ответвителе. Исследование характеристик Y-образного ответвителя. 2. Приборы и принадлежности: Автоматизированное рабочее место на базе компьютера с установленным программным обеспечением. 3. Теоретическая часть. Y-образные ответвители предназначены для деления оптической мощности между двумя каналами или объединения оптической мощности из двух каналов в один. Ответвители бывают волоконно-оптическими, микрооптическими (рис. 1) и планарными. Рис.1. Микрооптические ответвители: а) с зеркалом, установленным под углом 45 к падающему лучу; b) с зеркалом, перпендикулярным к падающему лучу. 1 - волоконные световоды, 2 - микролинзы, 3 – зеркало с заданным коэффициентом прозрачности. Действие микрооптических ответвителей основано на преобразовании оптического излучения в коллимированный луч, перераспределение энергии в котором, легко обеспечить с помощью зеркал с заданными коэффициентами пропускания и отражения. Ввод излучения в выходные волоконные световоды осуществляют с помощью фокусирующих элементов. В качестве коллимирующих элементов используются сферические, градиентные стержневые и трехмерные интегральные линзы. Различаются микрооптические ответвители, в которых зеркала устанавливаются перпендикулярно к лучу и под углом 45. Вносимые потери для многомодовых ответвителей составляют порядка 1 дБ, коэффициенты передачи определяются параметрами зеркал, как правило, изготовляемых непосредственно на плоской поверхности линз. Для одномодовых ответвителей с перпендикулярным положение зеркала и использованием сапфировых сферических линз вносимые потери составляют 1.5-2 дБ. Установка зеркал под углом 45 более удобна для реализации многомодовых ответвителей, заканчивающихся разъемными соединителями. Ответвители этого типа имеют вносимые потери порядка 2 дБ. Y-образный ответвитель может быть изготовлен из одномодовых или многомодовых волокон с различным профилем показателя преломления путем сварки двух волокон и приваривания к ним третьего или комбинированным методом: сплавляют и вытягивают два волокна, затем разрезают место сужения и приваривают (или приклеивают) третье волокно. При сплавлении волоконных световодов защитные оболочки удаляют механически или химически, иногда отражающую оболочку также частично стравливают. В месте сварки образуется конусный участок, в котором происходит преобразование мод. В таком световоде с изменяющимися по длине параметрами направляемые моды, рассматриваемые в цилиндрическом световоде распространяться не могут. Более того, в общем случае для таких структур не существует точных решений уравнений Максвелла. Однако если параметры световода меняются плавно, то моды невозмущенного световода аппроксимируются решением уравнений Максвелла внутри локальных областей. Такие приближенные моды называются локальными. Рис.1. а) Y-образный ответвитель с областью сужения. b) Аппроксимация области сужения цилиндрическими световодами. Чтобы сформировать поля локальных мод, аппроксимируем световод последовательностью цилиндров, как показано на рис.1б. Внутри каждого цилиндра профиль показателя преломления не зависит от z и определяется своим значением в точке zс, соответствующей центру цилиндра, и совпадает с профилем невозмущенного световода, т.е. n=n(x,y,zc). Другими словами, поле внутри конечного цилиндра аппроксимируется полем бесконечно длинного световода с профилем n(x,y,zc). Очевидно, что это приближение будет достаточно точным при условии, что высота цилиндра z много больше характерной длины, на которой происходит заметное изменение амплитуды поля. Поле j-й локальной моды внутри каждого цилиндра можно представить в виде (1) где x и y – оси координат поперечного сечения световода. Векторы ej и hj являются решениями векторного волнового уравнения, в котором n=n(x,y,zc), а постоянная распространения j(zc), входящая неявно в ej и hj, определяется из характеристического уравнения. Хотя амплитуда полей (1) изменяется с изменением профиля от цилиндра к цилиндру, мощность локальной моды должна оставаться неизменной вдоль неоднородного световода. Это требование выполняется автоматически, если в каждом цилиндре использовать ортонормальные моды (моды имеющие единичную нормировку), т.е. в выражении (1) заменить ej и hj на соответственно. , где Nj нормировка моды не поглощающего волновода. При распространении локальной моды по световоду ее фаза в каждом цилиндре возрастает на величину, равную произведению постоянной распространения j(zc) на высоту цилиндра z. Поэтому фаза в произвольном сечении неоднородного световода равна сумме таких произведений. Однако плавные изменения параметров световода означают и плавные изменения постоянной распространения, таким образом, с достаточной точностью суммарную фазу можно аппроксимировать интегралом , а в выражениях для заменить j(zc) на j(z). На основании этих соображений поле локальной моды в точке z имеет вид: (2) Подробный вывод всех формул смотри [1] гл.11, стр.176-181, гл.19, стр.347-358. Приведенный вывод выражений для полей локальных мод иногда называют адиабатическим приближением, поскольку в его основе лежит предположение о том, что все изменения профиля происходят на длинах, значительно больших характерных размеров поля, и поэтому изменением мощности локальной моды можно пренебречь. Метод локальных мод используют для расчета не только Y-образных разветвителей, но и для расчета волноводов сложной конфигурации. Y-образные ответвители характеризуются коэффициентом передачи между каналами (3) и вносимыми потерями (4) где i,j –номер канала, Рi,j-мощность излучения канала. i- номер входного канала, j- номер выходного канала. Вносимое затухание в сплавных Y-образных ответвителях мало 0,2-1,5 дБ. Заданные коэффициенты передачи обеспечиваются путем непосредственного контроля оптической мощности в процессе сплавления. Так как у волоконно-оптических ответвителей отсутствуют участки с открытым распространением света, параметры ответвителей стабильны при изменении температуры и других внешних воздействиях. Если при изготовлении используются клееные соединения, то стабильность параметров ухудшается при изменении температуры и других внешних воздействиях. 4. Практическая часть. Перед началом работы изучить описание САПР BeamPROP. Двойным щелчком открыть BeamDEMO. Загрузить модель Y-образного ответвителя С:\BEAMDEMO\EXAMPLES\Autoscan.ind используя меню File \ Open или соответствующую кнопку. Открыть Глобальные установки . Установить следующие параметры волновода: Длина волны (Free space wavelength) - 0.63 мкм. Показатель преломления оболочки (Background Index)- 1.4537. Разница показателей преломления оболочки и сердцевины (Index Difference) – Задается преподавателем. Ширина сердцевины (Waveguide Width) -2 мкм. Профиль показателя преломления (Profile Type) – ступенчатый (Step Index). Vector Mode – Full. Упражнение 1. Исследование проходящего излучения в зависимости от диаметра волокна и типа излучения. 1.Установить в Символьном столе следующие параметры разветвителя: Ширина (width) –2 мкм, Угол (angle) – 0.25. 2.Установить мониторы проверок: Нажать кнопку выбора пути , посмотреть путь, по которому распространяется излучение, затем нажать кнопку «Monitors…» - устанавливаем параметры, которые необходимо рассчитать. Затем кнопка «New» - будет указан номер монитора, номер пути и параметры, которые надо рассчитать. Рассчитываемые параметры будут показаны на графиках разными цветами. Следует установить: монитор номер 1. Monitor Type: Total Power (полная мощность). Снова нажать кнопку «New» - монитор номер 2. Monitor Type: Slab Mode Power (мощность волоконной моды). Monitor Mode: 0 (номер моды). Снова нажать кнопку «New» - монитор номер 3. Monitor Type: Slab Mode Power. Monitor Mode: 5 (или другой номер моды по требованию преподавателя). Снова нажать кнопку «New» - монитор номер 4. Monitor Type: Slab Mode Power. Monitor Mode: 10 (или другой номер моды по требованию преподавателя). Снова нажать кнопку «New» - монитор номер 5. Monitor Type: Slab Mode Power. Monitor Mode: WG Power (мощность в 1 волноводном пути). Monitor Polarization: TE (также рассмотреть варианты при ТМ поляризации по требованию преподавателя). 3. Установить параметры излучения. Кнопка «Launch…» . Launch Type: MultiMode (многомодовый режим излучения). Launch Mode: 0-10. 4. Запустить программу вычисления заданных параметров . Display Mode: Slices (или Contour Map (XZ)). 5. Запустить программу вычисления спектра мод . Display Mode: Slices (или Contour Map (XZ)). Зарисовать полученные графики. Записать значения мощности различных мод. 6. Повторить предыдущие пункты для следующих типов излучения Gaussian, Rectangle, MultiMode (установить внутри имитационной программы кнопка “Launch”) – в этом режиме надо указать номер моды, например, с 0-100 или 5-10, или 0, 0-2 по требованию преподавателя. Исследовать, как меняется модовый состав излучения в зависимости от типа излучения. 7. Повторить пункты 4-5 для следующих значений диаметра волновода - 4, 6, 10, 20, 50 мкм. Для различных диаметров волноводов подобрать значения угла angle между волноводами. Угол подбирать так, чтобы мощность в плечах ответвителя (WG Power) была 0.5. Длина волны задается преподавателем. Тип излучения MultiMode , моды 0-10. Исследовать, как распределяется мощность излучения по различным модам в зависимости от диаметра волновода. 8. Повторить пункты 1 и 2 для различных длин волн – 0.3, 0.5, 0.7, 0.85, 1.0, 1.2, 1.3, 1.5 мкм. Диаметр волновода задается преподавателем. Режим излучения многомодовый, число мод 0-10. Исследовать, как меняется мощность проходящего излучения в зависимости от длины волны. Построить график зависимости мощности P0 (основной моды) от длины волны излучения. Графики BeamPROP в этом пункте зарисовывать не надо. Отчет должен содержать: Название работы, цель работы, входные и изменяемые параметры волокна, рисунки, диаграммы, ответы на контрольные вопросы. Контрольные вопросы. 1. Что такое САПР BeamPROP и как она работает? 2. Какова структура Y – образного ответвителя? 3. Как распространяется излучение по Y – образному ответвителю? 4. Какие параметры ответвителя и как влияют на проходящее излучение? 5. Как рассчитывают потери излучения в ответвителе? 6. Как работают сферическая и стержневая градиентные линзы? 7. Что такое френелевское отражение? 8. Объяснить графики, полученные в ходе выполнения работы. Литература 1.А.Снайдер, Дж. Лав. Теория оптических волноводов. Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1987.- 656с., ил. 2. Волоконная оптика и приборостроение. Под ред. М.М.Бутусова.-Л.: Машиностроение, 1987.-328с., ил. 3. Дж.Гауэр. Оптические системы связи. Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1989.-502с., ил. 4. Дональд Дж. Стерлинг. Техническое руководство. Волоконная оптика. Пер. с англ.-М.: Лори, 1998.-288с., ил. жүктеу/скачать 0,87 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|