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光电子自聚焦透镜设计

课程设计任务书
学生姓名: 学生姓名: 南博文 指导教师: 指导教师: 题 目: 初始条件: 初始条件:
(1)掌握光纤技术与应用基本原理 (2)Beamprop 软件 (3)计算机

专业班级: 专业班级: 工作单位: 工作单位:

电子 0802 信息工程学院

洪建勋

要求完成的主要任务: 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) 设计一个自聚焦棒,观察其仿真结果,并对耦合效率进行仿真,得到相应的 结果。按毕业设计要求撰写说明书。

时间安排: 时间安排:
1、2011 年 6 月 27 日分班集中,布置课程设计任务、选题;讲解课设 具体实施计划与课程设计报告格式的要求;课设答疑事项。 2、2011 年 6 月 28 日 至 2011 年 7 月 6 日完成资料查阅、设计、制作 与调试;完成课程设计报告撰写。 3、2011 年 7 月 8 日提交课程设计报告,进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名: 指导教师签名:







系主任(或责任教师)签名:







目录 摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 绪论........................................................................................................................ 1 1 自聚焦棒简介.................................................................................................... 2 1.1 自聚焦棒.......................................................................................................... 2 1.2 自聚焦棒的特点............................................................................................. 2 1.3 自聚焦棒的主要参数..................................................................................... 3 2 自聚焦棒的应用................................................................................................ 4 2.1 聚焦和准直..................................................................................................... 4 2.2 光耦合............................................................................................................. 5 2.3 单透镜成像..................................................................................................... 6 2.4 自聚焦棒阵列成像......................................................................................... 6 3 自聚焦棒设计仿真............................................................................................. 8 3.1 Beamprop 简介 ................................................................................................ 8 3.2 波导绘制及参数设置..................................................................................... 9 3.3 自聚焦棒功能仿真....................................................................................... 11 3.4 自聚焦棒的耦合效率对比........................................................................... 12 4 心得体会........................................................................................................... 14 致 谢.................................................................................. 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

参考文献.............................................................................................................. 15

武汉理工大学《光电子应用》课程设计说明书

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棒(GRIN lens) ,自聚焦棒主要应用于光纤传输系统中。自聚焦棒同普通透镜的区别在于, 自聚焦棒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: 关键词:梯度折射率,自聚焦,光耦合,准直

I

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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

II

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绪论
自聚焦棒体积小,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 棒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 棒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。 其中自聚焦棒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

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1 自聚焦棒简介
1.1 自聚焦棒
渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料, 自聚焦棒是使用径向渐 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 用了自聚焦棒。

1.2 自聚焦棒的特点
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。 自聚焦棒同普通透镜的区别在于, 自聚焦棒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 普通透镜和自聚焦棒光路

2

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自聚焦棒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。 A N (r ) = N O (1 ? r 2 ) 2 公式(1)中: N O ——表示自聚焦棒的中心折射率
D ——表示自聚焦棒的直径 A ——表示自聚焦棒的折射率分布常数

(1 )

图 1.2 自聚焦棒折射率分布曲线

1.3 自聚焦棒的主要参数
截距 P——在自聚焦棒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——自聚焦棒的长度为透镜两端面轴心间的距离。 折射率分布常数——自聚焦棒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。
NA = nSinα m = α m N O ? N 2
2

(2 )

公式(2)中: N O ——表示自聚焦棒的中心折射率
N ——表示入射光所在介质的折射率

α m ——表示入射光线的最大孔径角

3

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2 自聚焦棒的应用
由于自聚焦棒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) ,但自聚焦棒在聚焦时克服了这些缺点。根据自聚 焦棒的传光原理,对于 Z=1/4P 截距的自聚焦棒,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棒聚焦点光 斑的尺寸公式为:
R=

π 1
2 N02

f ( NA)

(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

N 0 ——为轴上的折射率 准直是聚焦功能的逆向运用。根据自聚焦棒的传光原理,对于 Z=1/4P 截距 的自聚焦棒,当汇聚光从自聚焦棒一端面输入时,经过自聚焦棒后会转变成平行 光线,自聚焦棒的这一准直功能如图 2.1 所示。

图 2.1 自聚焦棒准直应用

4

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2.2 光耦合
由于自聚焦棒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, 自聚焦棒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 平面自聚焦棒耦合

为了达到更好的聚焦效果, 会在平端面自聚焦棒一端面加工一个 1mm~3mm 的曲面,此曲面与平端面自聚焦棒弥散斑小如图 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 球面自聚焦棒聚焦光斑

图 2.4 中表示 L1 为光源或光纤到自聚焦棒端面的距离,Z 为自聚焦棒的长 度,L2 为自聚焦棒端面到光纤的距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦 棒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。

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图 2.4 光纤传输耦合聚焦光轨迹图

2.3 单透镜成像
自聚焦棒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 截距的自聚焦棒其端面成像机 P/2 理如图 2.5 所示。 截距的自聚焦棒其 端面成等大倒像,而 1P 截距的自聚焦 棒其端面成等大正像。对于 P/4 截距的 自聚焦棒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 自聚焦棒端面成像示意图

2.4 自聚焦棒阵列成像
自聚焦棒阵列 (如图 2.6 所示) 成像: 当采用球面透镜组合传送大幅图象时, 目的是为了得到的 1∶1 的像,但是其共轭距一般是焦距的 4 倍。通过使用自聚 焦棒阵列,可大大缩短共轭距,使整个器件尺寸小型化;另一方面成直线排列的 自聚焦棒阵列在整条直线上的成像分辨率相同, 而整个视场的传递函数值比较均 匀,大大提高成像质量,同时克服了普通球面透镜在透镜外围成像的分辨率和清 晰度比中心低, 以及组合装配工作复杂的缺点[5]。 因此自聚焦棒阵列成为复印机、 传真机、扫描仪等仪器设备的重要器件。

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图 2.6 自聚焦棒阵列成像示意图

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3 自聚焦棒设计仿真
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。

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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棒。

图 3.3 自聚焦棒模拟图

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界面中的红色部分即是在软件中模拟的自聚焦棒,即绘制一段波导来模拟。 对于自聚焦棒而言,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。满足自聚焦棒的 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

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3.3 自聚焦棒功能仿真
接下来就可以进行自聚焦棒的仿真,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

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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 显示的是自聚焦棒中的光线传播路径,可以看到光线由平行入射到最后聚于一 点,符合自聚焦棒的特性。

3.4 自聚焦棒的耦合效率对比
在介质中另模拟一段折射率均匀的波导,用于跟自聚焦棒进行耦合。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。
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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

图 3-7 光耦合 3D 仿真

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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。

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参考文献
[1]袁旭沧. 现代光学设计方法.北京:北京理工大学出版社,1995 [2]乔亚天,梯度折射率光学,科学出版社,北京 1991 [3]刘德森,变折射率光学理论与实践 重庆:西南师范大学出版社,2004 [4]王风,刘德森,自聚焦棒的光斑尺寸与相差特性分析,光子学报,2007 [5]王之江,伍树东编. 成像光学.北京:科学出版社,1991

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