專利名稱：實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電子學和仿真軟件技術領域，更確切地說是涉及一種用軟件實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，供快速并直觀地設計、分析光纖光柵。
背景技術：
光纖光柵是一種新型的光纖器件，以具有光敏性的光纖為原材料制作。光纖光柵的基本制作工藝是用紫外光源對光敏光纖進行曝光處理，使光敏光纖的折射率沿其軸向呈周期性變化。這種折射率周期性變化的光敏光纖就是光纖光柵。
根據(jù)光纖光柵的物理結構，可以將光纖光柵分為均勻光纖光柵、啁啾光纖光柵和抽樣光纖光柵，不同類型的光纖光柵，具有不同的光學性質。
由于光纖光柵對入射光有反射濾波的作用，利用該功能可在光纖通信系統(tǒng)中用光纖光柵對光信號進行濾波、色散補償、上/下路及復用/解復用等，因此光纖光柵有著非常重要的應用前景。
由于光纖光柵器件的性能受很多因素的影響，因此在具體設計某種性能的光纖光柵器件時，需要反復分析、計算、試驗，不僅耗時長，還要花費大量的人力與財力，且效果欠佳。
為了能有效地分析光纖光柵器件的性能、降低生產(chǎn)成本和縮短研發(fā)周期，可以采用編制光纖光柵模擬軟件的方法來解決，但目前關于光纖光柵的模擬軟件都是根據(jù)自身需求編制的數(shù)值計算軟件，應用范圍極窄，僅適用于某種特定類型的光纖光柵，因專用性強沒有普遍應用意義更增加了開發(fā)成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，能對不同類型光纖光柵器件的性能參數(shù)進行模擬，供設計者按所需要的性能參數(shù)來分析、設計不同類型的光纖光柵器件，包括均勻光纖光柵、啁啾光纖光柵和抽樣光纖光柵。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是這樣的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于包括以下步驟A.運用耦合模理論和傳輸矩陣法，求得光波在一段光纖光柵中的傳輸矩陣，并根據(jù)光纖光柵類型和相關的結構參數(shù)，計算傳輸矩陣；B.根據(jù)傳輸矩陣計算結果求得該段光纖光柵與每一光波波長λ對應的反射率和時延；C.用計算機界面顯示時延和反射率。
所述的步驟A中，對于均勻抽樣光纖光柵，在抽樣周期不變但抽樣占空比不等于1的條件下計算傳輸矩陣；對于啁啾抽樣光纖光柵，在抽樣周期啁啾變化但抽樣占空比不等于1的條件下計算傳輸矩陣；對于均勻光纖光柵在抽樣周期不變且抽樣占空比為1的條件下計算傳輸矩陣；對于啁啾光纖光柵，在抽樣周期啁啾變化但抽樣占空比為1的條件下計算傳輸矩陣。
本發(fā)明適用于不同類型光纖光柵的統(tǒng)一數(shù)學模型即傳輸矩陣是S(0)R(0)=Πk=1n(Mgrating·Mshift)S(L)R(L).]]>其中，Mgrating是對光纖光柵在一個抽樣長度區(qū)域內第X次抽樣的傳輸矩陣Mx的連乘，Mshift是一個抽樣周期中的空白區(qū)域對光波只產(chǎn)生相移的相移矩陣，R(0)是長度為L的光纖光柵頭端前向波橫向電場展開系數(shù)，S(0)是長度為L的光纖光柵頭端后向波橫向電場展開系數(shù)，R(L)是長度為L的光纖光柵尾端前向波橫向電場展開系數(shù)，S(L)是長度為L的光纖光柵尾端后向波橫向電場展開系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的方法所開發(fā)出的仿真軟件，能模擬不同類型光纖光柵器件的性能，包括均勻光纖光柵、啁啾光纖光柵和抽樣光纖光柵的反射率、時延、時延抖動、帶寬、帶寬間隔、信道數(shù)等隨輸入?yún)?shù)變化而變化的情況(仿真結果)，為設計、制作、加工不同用途光纖光柵提供有實用價值的指導。
本發(fā)明的方法是在光波導耦合模理論的基礎上，用分析光纖光柵中光波傳輸情況的方法-傳輸矩陣法，通過建立數(shù)學模型實現(xiàn)的，即利用光波導耦合模理論和傳輸矩陣方法，在一定的軟件(如Visual c++)開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)的。
本發(fā)明方法的有益效果是將軟件仿真技術應用于光纖光柵的理論研究中，將光纖光柵抽象、深奧的理論研究具體化與形象化，用本發(fā)明方法制作的軟件可成為分析、設計光纖光柵器件的有效工具，利用它能模擬出光纖通信系統(tǒng)中具有色散補償、濾波、上下路、復用/解復用等功能的光纖光柵器件的性能參數(shù)；通過本發(fā)明建立的適用于不同類型光纖光柵的統(tǒng)一數(shù)學模型，能實現(xiàn)對均勻光纖光柵、啁啾光纖光柵、均勻抽樣光纖光柵、啁啾抽樣光纖光柵等性能參數(shù)的仿真模擬。


圖1是抽樣光纖光柵的傳輸模型示意圖；圖2是實現(xiàn)對各種類型光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的流程框圖；圖3是實現(xiàn)本發(fā)明方法的仿真軟件界面圖；圖4是采用本發(fā)明方法的一種光波反射率和時延仿真結果圖；圖5是采用本發(fā)明方法的一種抽樣均勻光纖光柵對入射光波的反射率軟件仿真結果圖。
具體實施例方式
研制光纖光柵的過程也即根據(jù)實際需要改變光纖光柵折射率分布的過程。通過研究光纖光柵折射率分布情況對光波傳輸性質的影響，就可以對光纖光柵這種光學器件的性質進行分析判斷。采用耦合模理論和傳輸矩陣法，可以反映出光纖光柵介質對光波電磁場起作用的關鍵因素是這種傳輸光波的介質折射率分布情況。
本發(fā)明利用光纖光柵耦合模理論和傳輸矩陣法，建立起數(shù)學模型。再利用軟件模擬技術，從而使光纖光柵理論的研究形象化、具體化。只需利用仿真軟件界面改變光纖光柵的物理結構參數(shù)，就可得到直觀的模擬結果，從而對設計作出指導，即設計出符合實際需要的光纖光柵器件。
光波作為一種電磁波在光纖光柵中傳輸，遵循電磁場在介質中傳播的普遍規(guī)律-麥克斯韋方程組。這一普遍規(guī)律是光波導耦合模理論的根源。在光纖光柵這種特殊的介質中，研究、分析光波的傳輸問題，主要考慮的是光波橫向電場的變化情況。這種光波橫向電場的變化是由光波電磁場與光纖光柵介質間相互作用引起的。其基本的耦合模方程組可表示為公式(1)dRdz=-iσ^R-ikS---(1)]]>dSdz=iσ^S+ik*R]]>方程組中，R、S分別是與前向波、后向波相關的橫向電場展開系數(shù)。 是失諧量，σ^=δ+σ-12dφdz--σ=2πλvδ^neff,]]>且δ=β-πΛ=2πneff(1λ-1λD),]]>κ為光纖光柵對光波的耦合系數(shù)，抽樣前，κ=πλvδ_neff,]]>即κ由光波波長λ、折射率調制深度δneff決定；ν是光柵中前、后向波傳輸能量的轉換百分比；式中λD，β，Λ分別為光柵周期的諧振波長、光波在光纖光柵中的傳播常數(shù)、光柵周期。
由于可以將均勻光纖光柵和啁啾光纖光柵，看成是抽樣光纖光柵的特例，因此以下僅就抽樣光纖光柵進行實施例說明。
結合圖1說明用傳輸矩陣法分析光波在抽樣光纖光柵中的傳輸情況，通過推導過程，使公式(1)能計算。圖1中，示意了前向傳輸?shù)墓獠≧i-1、后向傳輸?shù)墓獠⊿i-1在一個抽樣周期長度Ls中的情況(經(jīng)過一個抽樣長度Lg區(qū)域的前向傳輸光波為R′i-1，后向傳輸光波為S′i-1)在抽樣光纖光柵的一個抽樣周期長度Ls中，包括抽樣長度Lg區(qū)域和空白區(qū)域11。抽樣長度Lg區(qū)域可按照耦合模理論進行微擾分析(光纖折射率發(fā)生微擾)，對沿光柵軸向z的微小位移Δz，在抽樣長度Lg區(qū)域內第x次抽樣的傳輸矩陣為Mx=cosh(γΔz)-jσ^γsinh(γΔz)-jkγsinh(γΔz)jkγsinh(γΔz)cosh(γΔz)+jσ^γsinh(γΔz)---(2)]]>其中γ是傳播常數(shù)偏移量，γ=k2-σ^2,]]>它反映的是不同波長頻率對光柵周期諧振波長頻率的偏移量(或稱失諧量)。在軟件仿真中，通過輸入諧振波長λD、有效折射率neff、折射率調制深度等初始參量可計算出傳輸矩陣的各參量值，為仿真模擬提供數(shù)據(jù)結果。
根據(jù)傳輸矩陣的理論，一個抽樣長度區(qū)域Ls的傳輸矩陣為Mgrating=ΠxMx---(3)]]>這里∏表示連乘，共x次。
圖1中的空白區(qū)域11對光波只產(chǎn)生相移，所對應的是一個相移的傳輸矩陣，即Mshift=exp(iφ)00exp(iφ)---(4)]]>上式中，相移量φ=2πneffλ(Ls-Lg),]]>式中nfee為光纖的有效折射率，(Ls-Lg)是空白區(qū)域11的長度。
由上面一個抽樣長度區(qū)域Lg的傳輸模型，有傳輸矩陣Si-1Ri-1=Mgrating·Si-1′Ri-1′---(5)]]>由上面空白區(qū)域11的傳輸模型，有傳輸矩陣
Si-1′Ri-1′=Mshift·SiRi---(6)]]>將(6)式代入式(5)中，得到光波在抽樣光纖光柵的一個抽樣周期長度Ls內的傳輸，可以表示為式(7)Si-1Ri-1=Mgrating·Mshift·SiRi---(7)]]>對于整個抽樣光纖光柵，在光纖光柵的總長為L時，其頭端(入射端)前向波橫向電場展開系數(shù)為S(0)，頭端(入射端)反向波橫向電場展開系數(shù)為R(0)，其尾端(反射端)前向波橫向電場展開系數(shù)為S(L)，尾端(反射端)反向波橫向電場展開系數(shù)為R(L)。
設長度為L的抽樣光纖光柵有n個抽樣周期，由以上分析可以得到光波在抽樣光纖光柵(L)中的傳輸矩陣為S(0)R(0)=Πk=1n(Mgrating·Mshift)S(L)R(L)---(8)]]>抽樣光纖光柵的邊界條件為S(0)＝1，R(L)＝0?！鞘沁B乘，共n次。
通過上述過程，就可以求得光波經(jīng)光纖光柵反射后的振幅和相位變化情況，而振幅和相位情況是能充分反映光波在光纖光柵中的傳播情況的。
振幅變化情況用反射率表示，即反射率r=|R(0)|2|S(0)|2,]]>表示光波經(jīng)光纖光柵反射后的振幅與光波進入光纖光柵前的振幅的比值。
相位變化情況由時延表示，即時延τ=dφdω=-λ2πcdφdλ,]]>式中φ=arctan[R(0)S(0)],]]>是進入光纖光柵前與從光纖光柵反射后的光波相位差；λ是光波波長；c是光波在真空中的傳播速度。
上述對抽樣光纖光柵的傳輸矩陣法分析同樣適用于均勻光纖光柵和啁啾光纖光柵這兩類光柵。
利用上述以耦合模理論為基礎的傳輸矩陣法，所求出的針對不同類型光纖光柵的統(tǒng)一的傳輸矩陣(數(shù)學模型)，就可以分析出光波在任一種類型光纖光柵中的傳輸情況，并為用計算機模擬仿真分析光纖光柵的結構參數(shù)及其對光譜特性的影響提供了切實可行的理論依據(jù)與實踐手段。
參見圖2，圖中示出使用軟件仿真技術實現(xiàn)模擬光纖光柵性能參數(shù)的實施過程。
步驟201，參數(shù)初始化，包括抽樣周期啁啾度、抽樣占空比、光柵周期啁啾度、光纖光柵長度、中心波長、信道數(shù)、信道帶寬間隔和抽樣函數(shù)；步驟202，通過判斷抽樣占空比是否等于1來確定是抽樣光纖光柵還是均勻或啁啾光纖光柵，當抽樣占空比等于1時可確定為均勻或啁啾光纖光柵，當抽樣占空比不等于1時，可確定為抽樣光纖光柵；步驟203，當確定為抽樣光纖光柵后，通過判斷抽樣周期啁啾度進一步確定是均勻抽樣光纖光柵還是啁啾抽樣光纖光柵；步驟204，當抽樣周期啁啾度等于零時可確定為均勻抽樣光纖光柵，此時的抽樣周期長度不變；步驟205，當抽樣周期啁啾度不等于零時可確定為啁啾抽樣光纖光柵，此時的抽樣周期長度是啁啾變化的；步驟206，對于由204步驟確定好的均勻抽樣光纖光柵，在抽樣周期長度不變的情況下，根據(jù)初始化時的參數(shù)確定光纖光柵的結構參數(shù)，對于由205步驟確定好的啁啾抽樣光纖光柵，在抽樣周期長度啁啾變化的情況下，根據(jù)初始化時的參數(shù)確定光纖光柵的結構參數(shù)，光纖光柵的結構參數(shù)包括耦合系數(shù)、失諧量和傳播常數(shù)偏移量；步驟207，根據(jù)結構參數(shù)和具體的占空比求抽樣長度區(qū)域的傳輸矩陣(公式3)和空白區(qū)域傳輸矩陣(公式4)，并通過傳輸矩陣(公式8)求出光波在抽樣光纖光柵中的傳輸矩陣結果。
步驟208，通過執(zhí)行步驟202后，當抽樣占空比等于1，確定為均勻或啁啾光纖光柵后，進一步通過判斷光纖光柵周期啁啾度是否等于零來確定是均勻光纖光柵還是啁啾光纖光柵；
步驟209，當光纖光柵周期啁啾度等于零時，可確定為均勻光纖光柵，此時的光柵周期不變(作為均勻抽樣光纖光柵、抽樣周期長度不變且為1的情況處理)；步驟210，當光纖光柵周期啁啾度不等于零時，可確定為啁啾光纖光柵，此時的光纖光柵周期是啁啾的(作為啁啾抽樣光纖光柵，抽樣周期長度啁啾變化但抽樣周期啁啾度為1的情況處理)；步驟211，對于由209步驟確定好的均勻光纖光柵，在抽樣周期長度不變但抽樣周期長度為1的情況下，根據(jù)初始化時的參數(shù)確定光纖光柵的結構參數(shù)；對于由210步驟確定好的啁啾光纖光柵，在抽樣周期長度啁啾變化但抽樣周期啁啾度為1的情況下，根據(jù)初始化時的參數(shù)確定光纖光柵的結構參數(shù)，光纖光柵的結構參數(shù)包括耦合系數(shù)、失諧量和傳播常數(shù)偏移量；步驟212，根據(jù)結構參數(shù)求傳輸矩陣(公式3)。
步驟213，根據(jù)步驟207與212傳輸矩陣的計算結果計算與每一光波波長λ對應的反射率和時延；步驟214，利用目前成熟的計算機軟件仿真技術實現(xiàn)上述步驟并通過簡單界面顯示出計算結果，根據(jù)該顯示就可直觀地反映出在當前結構參數(shù)下所模擬出的光纖光柵性能參數(shù)。
參見圖3，是實現(xiàn)本發(fā)明方法的一種軟件界面，提供選擇、調整的光纖光柵參數(shù)包括中心波長、信道數(shù)、折射率調制深度、有效折射率、多信道總帶寬、信道帶寬間隔、光纖光柵長度、抽樣占空比、切趾函數(shù)和抽樣函數(shù)；提供選擇、調整的啁啾取樣參數(shù)包括線性啁啾度、二次啁啾度和抽樣周期啁啾度。利用該軟件界面，通過不斷地仿真計算和根據(jù)顯示結果修正參數(shù)的過程，最終獲得所要的仿真結果，從而確定此時的光纖光柵設計參數(shù)。
參見圖4，圖中示出在光纖光柵長度為10cm，折射率調制深度為0.00006，光纖光柵啁啾參數(shù)為0.052nm/cm時的光波反射率和時延仿真結果。
參見圖5，圖中示出在折射率調制深度δneff＝0.0003及光纖光柵長度L＝10cm時，抽樣均勻光纖光柵對入射光波的反射率的軟件仿真結果。抽樣周期長度為1.011mm，帶寬間隔為0.8nm。這時光纖光柵對反射波具有濾波特性。
利用本發(fā)明的方法所設計的應用軟件，可用于模擬、設計和分析光纖光柵性能。應用軟件可在多種軟件環(huán)境下開發(fā)，如Visual C++。
權利要求
1.一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于包括以下步驟A.運用耦合模理論和傳輸矩陣法，求得光波在一段光纖光柵中傳播的傳輸矩陣，并根據(jù)光纖光柵類型和相關的結構參數(shù)，計算傳輸矩陣；B.根據(jù)傳輸矩陣計算結果求得該段光纖光柵與每一光波波長λ對應的反射率和時延；C.用計算機界面顯示時延和反射率。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于所述的步驟A進一步包括對于均勻抽樣光纖光柵，在抽樣周期不變但抽樣占空比不等于1的條件下計算傳輸矩陣；對于啁啾抽樣光纖光柵，在抽樣周期啁啾變化但抽樣占空比不等于1的條件下計算傳輸矩陣；對于均勻光纖光柵在抽樣周期不變且抽樣占空比為1的條件下計算傳輸矩陣；對于啁啾光纖光柵，在抽樣周期啁啾變化但抽樣占空比為1的條件下計算傳輸矩陣。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于進一步包括確定光纖光柵類型的步驟，為a.判斷參數(shù)初始化時光纖光柵的抽樣占空比；b.當抽樣占空比不為1時，進一步判斷參數(shù)初始化時的抽樣周期啁啾度；c.當抽樣周期啁啾度等于零時，判斷為均勻抽樣光纖光柵，當抽樣周期啁啾度不等于零時，判斷為啁啾抽樣光纖光柵；d.當抽樣占空比為1時，進一步判斷參數(shù)初始化時的光纖光柵周期啁啾度；e.當光纖光柵周期啁啾度等于零時，判斷為均勻光纖光柵，當光柵周期啁啾度不等于零時，判斷為啁啾光纖光柵。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于所述步驟A中，在n個抽樣周期條件下，所述的傳輸矩陣是S(0)R(0)=Πk=1n(Mgrating·Mshift)S(L)R(L)]]>其中，R(0)是長度為L的光纖光柵頭端前向波橫向電場展開系數(shù)，S(0)是長度為L的光纖光柵頭端后向波橫向電場展開系數(shù)，R(L)是長度為L的光纖光柵尾端前向波橫向電場展開系數(shù)，S(L)是長度為L的光纖光柵尾端后向波橫向電場展開系數(shù)，Mgrating是對光纖光柵在一個抽樣周期中一個抽樣長度區(qū)域內第X次抽樣的傳輸矩陣Mx的連乘Mgrating=ΠxMx,]]>Mshift是對光纖光柵在一個抽樣周期中一個空白區(qū)域的傳輸矩陣Mshift=exp(iφ)00exp(iφ),]]>式中φ是相移量，光纖光柵的邊界條件為S(0)＝1，R(L)＝0。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于所述的Mx,Mx=cosh(γΔz)-jσ^γsinh(γΔz)-jkγsinh(γΔz)jkγsinh(γΔz)cosh(γΔz)+jσ^γsinh(γΔz),]]>式中γ是傳播常數(shù)偏移量，γ=k2-σ^2,]]> 是失諧量，σ^=δ+σ-12dφdz--σ=2πλvδ^neff,]]>且δ=β-πΛ=2πneff(1λ-1λD),]]>λD是與光柵周期相對應的諧振波長，κ為光纖光柵對光波的耦合系數(shù)，κ=πλvδ_neff,]]> 為折射率調制深度，ν是光纖光柵中前、后向波傳輸能量的轉換百分比。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于所述Mshift是一個抽樣周期中的空白區(qū)域對光波只產(chǎn)生相移的相移矩陣，相移量 式中neff為有效折射率。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于所述步驟A中，與光纖光柵類型相關的結構參數(shù)是包括耦合系數(shù)、失諧量和傳播常數(shù)偏移量的光纖光柵的結構參數(shù)。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于所述步驟B中，根據(jù)傳輸矩陣計算結果求時延和反射率，其中的反射率是光波經(jīng)光纖光柵反射后的振幅與光波進入光纖光柵時的振幅之比，表示為r=|R(0)|2|S(0)|2;]]>其中的時延是是光波經(jīng)光纖光柵反射后的相位與光波進入光纖光柵時的相位之差，表示為τ=dφdω=-λ2πcdφdλ,]]>c是光波在真空中的傳播速度，φ=arctan[R(0)S(0)],]]>R(0)是光纖光柵頭端前向波橫向電場展開系數(shù)，S(0)是光纖光柵頭端后向波橫向電場展開系數(shù)。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，其特征在于所述步驟C中，進一步包括根據(jù)顯示的時延和反射率，在所述的計算機界面上，輸入調整其時延和反射率的光纖光柵參數(shù)，包括中心波長、信道數(shù)、折射率調制深度、有效折射率、多信道總帶寬、信道帶寬間隔、光纖光柵長度、抽樣占空比、切趾函數(shù)和抽樣函數(shù)；輸入包括線性啁啾度和二次啁啾度的啁啾取樣參數(shù)；和輸入抽樣周期啁啾度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)光纖光柵性能參數(shù)仿真模擬的方法，在光波導耦合模理論基礎上，通過分析光在光纖光柵中的傳輸情況，利用傳輸矩陣法建立起傳輸矩陣并根據(jù)光纖光柵的結構參數(shù)計算出結果。該方法能模擬包括均勻光纖光柵、啁啾光纖光柵和抽樣光纖光柵的性能參數(shù)，供設計者按所需要的性能參數(shù)來分析、設計不同類型的光纖光柵器件。具體包括以下步驟運用傳輸矩陣法，求得光波在一段光纖光柵中的傳輸矩陣，并根據(jù)光纖光柵類型和相關的結構參數(shù)，計算傳輸矩陣；根據(jù)傳輸矩陣計算結果求得該段光纖光柵與每一光波波長λ對應的反射率和時延；用計算機界面顯示時延和反射率。所設計的傳輸矩陣為
文檔編號G02B6/00GK1515888SQ0310020
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月6日 優(yōu)先權日2003年1月6日
發(fā)明者王葵如, 胡樂輝, 林明, 余重秀 申請人:北京郵電大學