课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目：Bragg光纤光栅的光谱仿真初始条件：具有光电子技术的基本理论知识及较强的实践能力；计算机；beamprop软件或Fullwave软件。
要求完成的主要任务：1.学习beamprop或Fullwave软件；2.掌握Bragg光纤光栅的光谱特性；3.设计并用beamprop或Fullwave软件对Bragg光纤光栅的光谱进行仿真；4.查阅篇参考文献，按要求完成课程设计报告，正文10-15页，用A4纸打印。
时间安排：1．2014年12月15日布置课程设计任务，完成选题；2．2014年12月16日至2014年12月19日学习beamprop软件，完成资料查阅，复习与选题内容相关的基本理论知识；3.2014年12月20日至2014年12月25日对Bragg光纤光栅的光谱特性进行设计仿真工作，完成课程设计报告撰写；4. 2014年12月26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：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abract (Ⅱ)1绪论 (1)2 RSOFT软件 (2)3.1光纤Bragg光栅的发现与发展 (4)3.2 光纤Bragg光栅的特点 (4)3.3 光纤Bragg光栅的工作原理 (4)3.4 Bragg光纤光栅的光谱图 (5)4 Bragg光纤光栅的光谱仿真 (6)4.1 定义波导和光栅 (6)4.2光纤Bragg光栅的折射率分布 (7)4.3 光纤Bragg光栅的光谱仿真 (9)4.4 光栅光谱的分析 (10)5 心得体会 (16)参考文献 (16)摘要光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
本文根据光栅光纤的工作理论，画出了Bragg光纤光栅的光谱仿真图，还讨论了当调制度不同时，光谱仿真图的区别和半高度带宽的大小，为Bragg光纤光栅的光谱特性的应用提供了理论依据。
关键词：Bragg光栅光纤、光谱仿真分析、Beamprop软件AbstractFiber Bragg grating is a kind of through a certain method makes light axial periodic modulation of refractive index of fiber core and formation of phase grating diffraction grating to form a permanent space, its effect is essentially in the fiber core forming a narrow-band filter or reflector.When a bunch of wide spectrum light through the optical fiber grating, the wavelength of the fiber Bragg grating condition will produce reflection and the wavelength of the rest continue to transmit through the optical fiber grating.Based on the theory of optical fiber grating work, draw of the fiber Bragg grating spectrum simulation diagram, also discusses the modulation is not at the same time, the difference between spectrum simulation diagram and half the size of the high bandwidth for the application of spectral characteristics of fiber Bragg grating provides a theoretical basis.Keywords: optical fiber Bragg grating, the spectral simulation analysis, the Beamprop software1绪论光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。
全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。
虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。
因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。
光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。
对光纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从光纤激光器、波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色散补偿，到全光网络上下路、波长路由、光交换等，光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。
2 RSOFT软件美国RSOFT设计集团公司是一家世界著名的光通信模拟设计和仿真软件开发商,也是世界上唯一一家提供一系列涵盖器件、系统到网络层模拟设计软件服务的公司，产品广泛应用于光器件、光通信系统、宽带网中的城域网、长距离传输设备以及接入设备的设计与开发上。
如图1是RSOFT软件的界面：图1 RSOFT软件的界面BeamPROP光束传播法是目前光波导器件研究与设计领域最流行的方法之一，其基本思想是在给定初始场的前提下，一步一步地计算出各个传播截面上的场。
光束传播法最早是由M.D.Feit等人于1978年研究光场及大气激光束传播时提出的。
最早的BPM是以快速傅里叶变换(Fast-Fourier Transform，称FFT)为数学手段实现的，称为FFT-BPM。
D.Yevick等人于1989年提出了一种新方法—有限差分光束传播法FD-BPM，用差分的方法将横截面上的场离散化。
FD-BPM还被广泛用于分析光在各种无源波导器件、具有二阶非线性效应的波导以及有源器件的传输。
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。
本设计中用到的模块是：BeamPROP：基于光束传播法的光波导设计软件和GratingMOD：光栅分析设计软件。
3光纤光栅定义和发展3.1光纤Bragg光栅的发现与发展光纤布拉格光栅（简称FBG）是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件，它的结构如图2所示：图2 Bragge光栅的结构3.2 光纤Bragg光栅的特点光纤Bragg光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。
其反射波长即布拉格波长为λ=2nΛ，其中，Λ为光栅周期，n为纤芯等效折射率。
3.3 光纤Bragg光栅的工作原理光纤Bragg光栅轴向折射率周期性变化将引起不同光波模式之间的耦合，可以将特定波长的正向传输模的功率部分或者全部转移到反向传输模，从而改变入射光的光谱。
如图3所示，其基本光学特性表现为一个反射式的光学滤波器，只有Bragg波长附近的光能够被反射。
从而利用FBG的波长选择性可用作光纤激光器的腔镜，实现模式选择和窄带反馈的单频激光器。
图3 光纤布拉格光栅的工作原理3.4 Bragg光纤光栅的光谱图布拉格光纤光栅对光纤中传输的光具有反射作用，它的一个重要特性是将某一频段内的光反射回去。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
如图4所示，是光栅的光谱图。
图4 Bragg光纤光栅的光谱图4 Bragg光纤光栅的光谱仿真4.1 定义波导和光栅Rsoft CAD Layout软件提供了专门的光纤光栅的画图工具，如图5所示，在实用程序（utility）中，提供了光栅布局（Grating Layout）选项,选定该选项即可完成新建Bragg光纤光栅的工作，定义波导和光栅。
图5 光栅布局此时默认光纤的包层折射率为1.45，纤芯折射率为1.46，折射率之差（Index Difference）设为0.01，此时恰好满足纤芯折射率（Core Index）=包层折射率(Cladding Index)+折射率之差（Index Differenc），如图6所示：图6 光纤参数设置然后点击OK，就可以得到自动排布生成的光纤Bragg光栅，如图7所示：图7 光纤Bragg光栅4.2光纤Bragg光栅的折射率分布查看光纤Bragg光栅的折射率分时，在软件界面的左侧框中点击Display Index Profile快捷键，然后合适选择X、Y、Z的定义区间，本设计取X（-8，8），取Y（-8，8），取Z（0，1000）如图8所示：图 8 坐标定义域的选取然后在Display Mode中选择ConturMap(XY)，输入Output File Prefix,点击ok，就可以光纤横截面的折射率分布图。
如图9所示：右侧色带中不同颜色对应不同的折射率，在第一步新建光纤光栅中已设置了背景折射率是1.4629, 折射率之差为0.01,该光纤光栅中的折射率应在1.4629-1.4729范围内变化。