Лабораторные работы по сапр веамprop



жүктеу/скачать 0,87 Mb.
бет4/6
Дата20.12.2023
өлшемі0,87 Mb.
#198153
түріЛабораторная работа
1   2   3   4   5   6
Байланысты:
labbeam11 (1)

Лабораторная работа №4.
Исследование массива направляющих ответвителей.


Цель работы: Изучение программного пакета САПР BeamPROP (демо-версия). Изучение принципов распространения излучения в массиве направляющих волоконно-оптических ответвителей. Исследование характеристик массива направляющих ответвителей.
Приборы и принадлежности: Автоматизированное рабочее место на базе компьютера с установленным программным обеспечением.
3. Теоретическая часть.
Массив направляющих ответвителей может быть изготовлен как из оптического волокна, так и иметь интегральное исполнение.
Теория направленных ответвителей на основе оптических волокон описана в лабораторной работе № 3. Необходимо прочитать это описание.
Рассмотрим направленный ответвитель в интегральном исполнении (Рис.1).


Рис.1. а) схема направленного ответвителя в интегральном исполнении; b) направленный ответвитель гребенчатого типа с перемычкой связи между каналами (вид в разрезе); с) направленный ответвитель внедренного (погружного) типа (вид в разрезе); d) полосковый направленный ответвитель (с наложенной полоской), (вид в разрезе), сверху изображены перекрывающиеся профили интенсивности света в волноводах.


В интегрально оптических схемах волноводные каналы получают различными способами. Каналы выполняют либо гребенчатыми (лежащими на поверхности подложки), либо внедренными в подложку, либо в виде планарных волноводов с наложенными полосками. Поперечный профиль волноводной моды зависит от типа канала, как это показано на рис.1. Волновод гребенчатого типа (рис.1b) с обеих боковых сторон граничит с воздухом, что приводит к многомодовому распространению света из-за большого скачка диэлектрической постоянной в поперечном направлении. Профиль волноводных мод обычно заполняет канал, и поле не проникает в воздух. Волновод с наложенной полоской (рис.1d), наоборот, обычно бывает только одномодовым и распределение света вне волновода может быть больше или меньше в зависимости от параметров покрытия. Такие волноводы называются ребристыми, если они имеют покрывающую полоску из того же материала, что и волновод, полосковыми, если полоска из другого материала. Распространение света в них происходит внутри волновода вдоль полоски. Внедренный волновод (рис.1c) имеет свойства промежуточного характера, и число распространяющихся мод зависит от скачка диэлектрической постоянной между канальным волноводом и окружающей его средой. Одномодовые волноводы с полосковым покрытием или внедренные волноводы с широким профилем распределения света используются, когда необходима связь между каналами, в то время как многомодовые волноводы гребенчатого типа или внедренные волноводы могут обеспечить отсутствие связи между волноводами.


Ответвитель представляет собой два соседних параллельных волновода, полученные имплантацией протонов в GaAs или в кристалле LiNbO3 при легировании Ti . Реальные размеры волноводов: поперечные сечения 33 мкм, увеличение показателя преломления n~0,005, расстояние между волноводами 3 мкм.
Между двумя параллельными волноводами имеет место взаимный обмен световой энергией, если между ними существует слабая связь. Эта связь возникает тогда, когда профили волноводных мод в соседних каналах перекрываются. Для полного обмена энергией требуется, чтобы свет в каждом канале распространялся с примерно одинаковой скоростью. Если волновые векторы в двух каналах отличаются на малую величину k и весь свет первоначально введен в один канал, то поток мощности вдоль двух каналов изменяется согласно следующим уравнениям:

Где s – период осцилляции энергии между каналами,
К – константа связи, z – координата по оси Z.
Константа связи К определяет перекачку энергии, ее величина зависит от перекрытия профилей мод, т.е. от расстояния между каналами, ширины волновода и скачка диэлектрической постоянной. Для мод, достаточно хорошо локализованных внутри волновода:

где b – ширина канала, c – расстояние между каналами, kx и kz - постоянные распространения вдоль x- и z- осей соответственно и qx – показатель экспоненциального спада поля в x- направлении вне волновода. Если фазовая скорость в двух параллельных каналах одинакова, то k=0 и вся мощность переходит из канала “0” в канал “1” на расстоянии KL=(m+1/2), m=0,1,2… . Таким образом, получается оптический направленный ответвитель между схемами, и длина его зависит от коэффициента связи.
Когда скорости распространения неодинаковы, k 0. В этом случае фазовый синхронизм полей отсутствует, и эффективность перекачки уменьшается. Некоторая часть полной энергии в двухканальном направленном ответвителе осциллирует между каналами с постоянным периодом s. Несмотря на то, что вся мощность никогда не переходит в соседний канал, весь свет возвращается в первоначальный канал, когда sL=. Это означает, что можно осуществить переключение света, если можно изменить k. Величина k, необходимая для полного нарушения перекачки при условии синхронизма (KL=/2), определяется выражением sL= или kL= .
Если не два, а большое число каналов связаны между собой, то свет не перекачивается из одного канала в другой и обратно, а растекается по всем имеющимся каналам. При неограниченном числе связанных каналов распределение амплитуды светового поля имеет вид функции Бесселя. Если весь свет введен в нулевой (центральный) канал, то амплитуда поля в n- ом канале определяется выражением:

Где  - коэффициент потерь, Jn – функции Бесселя первого рода.


4. Практическая часть.
Перед началом работы изучить описание САПР BeamPROP.

Двойным щелчком открыть BeamDEMO. Загрузить модель массива направленных ответвителей С:\BEAMDEMO\EXAMPLES\ Switches1.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 волновода (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 вычисляемые параметры.

Нажать кнопку выбора пути , посмотреть все пути, по которым распространяется излучение, затем нажать кнопку «Monitors…» - устанавливаем параметры, которые необходимо рассчитать.
Зарисовать модель в тетрадь. Отметить все пути распространения излучения.

Затем нажать кнопку «New» - будет указан номер монитора, номер пути и параметры, которые надо рассчитать. Рассчитываемые параметры будут показаны на графиках разными цветами.


Следует установить:
Для пути №1.
монитор номер 1.
Monitor Type: Total Power
Снова нажать кнопку «New» - монитор номер 2.
Monitor Type: WG Power.
ОК.
Для пути №2
Снова нажать кнопку «New» - монитор номер 3.
Monitor Type: WG Power.
ОК.
Повторить эту процедуру для всех восьми путей прохождения излучения.

  1. Установить параметры излучения. Кнопка «Launch…» .

Одномодовый режим излучения. 0 – мода. Ширина излучения устанавливается равной диаметру волокна.
Launch Type: Slab Mode.
Launch Width: 2.



  1. Запустить имитационную программу , для большей наглядности можно установить Display Mode в позицию Contour Map (XZ). Получить график, зарисовать в тетрадь.

4. Запустить программу вычисления спектра мод. Записать значения мощности моды. Зарисовать график.
5. Установить параметры излучения. Кнопка «Launch…» .
Многомодовый режим излучения. С 0 по 10 моды. Ширина излучения устанавливается равной диаметру волокна.
Launch Type: MultiMode.
Launch Mode: 0-10.
Launch Width: 2.

Повторить пункты 3 и 4 для этот типа излучения.


6. Проанализировать изменения распространения излучения в зависимости от модового состава излучения.

  1. Исследовать мощность распространения излучения в различных волноводах системы ключей (т.е. по различным путям) в зависимости от длины волны. Длину волны изменять от 0.63 до 2 мкм. Построить графики Pi(), где i – номер пути, зарисовать в тетрадь.

  2. Исследовать мощность распространения излучения в различных волноводах системы ключей (т.е. по различным путям) в зависимости от длины изогнутых участков. Sbendlength изменять от 300 до 2000 мкм с шагом 200мкм. Построить графики Рi(Sbendlength), где i – номер пути, зарисовать в тетрадь.

  3. Исследовать мощность распространения излучения в различных волноводах системы ключей (т.е. по различным путям) в зависимости от диаметра волновода. Диаметр волновода изменять от 2 до 5 мкм. Построить графики Pi(Width), где i – номер пути, зарисовать в тетрадь.

Изменять параметры можно внутри имитационной программы в символьном столе (стр. 23 описания BeamPROP).




Отчет должен содержать:
Название работы, цель работы, входные и изменяемые параметры волокна, рисунки, диаграммы, ответы на контрольные вопросы.


Контрольные вопросы.
1. Какова структура массива направляющих ответвителей ответвителя?
2. Как распространяется излучение по массиву направляющих ответвителей?
3. Какие параметры ответвителя и массива ответвителей и как влияют на проходящее излучение?
4. Как рассчитывают мощность излучения в ответвителе, в массиве ответвителей?
5. 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.
5. Интегральная оптика. Под ред. Т.Тамира. Пер. с англ.- М.:Мир, 1978.-344с., ил.

жүктеу/скачать 0,87 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6



©www.engime.org 2024
әкімшілігінің қараңыз
    Басты бет