光纖彎曲的案例
基于mode模塊的光纖彎曲損耗模擬
大家好，今天我所分享的案例是基于Lumercical軟件的光纖彎曲損耗模擬分析的介紹。文中主要介紹的是光纖波導(dǎo)在彎曲過(guò)程中能量損失的情況。基于Lumercial mode模塊展開(kāi)細(xì)致化研究分析模擬。
所選用的計(jì)算是基于FDE算法而展開(kāi)的。
首先建立光纖幾何波導(dǎo)，以及配置好彎曲的結(jié)構(gòu)模型：
圖1 彎曲光纖波導(dǎo)三視圖
如圖1所示為彎曲光纖波導(dǎo)的三視圖，細(xì)節(jié)光纖纖芯及包層配置如下圖2所示：
圖2 纖芯配置
圖3 包層配置
圖4 模擬區(qū)域設(shè)置
在完成基本光纖波導(dǎo)幾何配置后，設(shè)定模擬區(qū)域參數(shù)設(shè)置如上所示，模擬在300k環(huán)境介質(zhì)為空氣環(huán)境下進(jìn)行。邊界條件為金屬邊界條件。在進(jìn)程check材料檢驗(yàn)后，選擇運(yùn)行按鈕進(jìn)行運(yùn)算。
如下圖5所示，為彎曲波導(dǎo)模式計(jì)算細(xì)節(jié)處理：
模擬的中心波長(zhǎng)為1.55微米
計(jì)算的為前15個(gè)偏振模式
勾選上彎曲波導(dǎo)計(jì)算，設(shè)定彎曲波導(dǎo)的曲率半徑為9.1e6微米
隨后進(jìn)行運(yùn)算。
圖5 彎曲波導(dǎo)模式計(jì)算參數(shù)配置
圖6 彎曲波導(dǎo)模式計(jì)算結(jié)果
如圖6所示為光纖波導(dǎo)在彎曲后計(jì)算的模式部分結(jié)果，可以計(jì)算得到1.55微米中心波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)各階光纖模式的有效折射率數(shù)值。以及偏振分配比例（TE/TM），如下圖7所示為光纖模式彎曲后的模場(chǎng)分布圖（部分?jǐn)?shù)值結(jié)果），可以發(fā)現(xiàn)傳輸光線模式由于彎曲導(dǎo)致部分模式場(chǎng)的分布發(fā)生畸變。
圖7 彎曲波導(dǎo)模式電場(chǎng)分布圖
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展開(kāi) RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—大模場(chǎng)面積彎曲光纖
研究了大模場(chǎng)面積光纖的彎曲對(duì)光波傳輸?shù)挠绊憽Ｔ撛O(shè)計(jì)采用階躍折射率光纖，也可研究其它類(lèi)型的折射率分布光纖。
圖1表明，隨著光纖彎曲形變的加強(qiáng)，光線傳輸產(chǎn)生變化，最終將導(dǎo)致光線完全入射到包層內(nèi)而產(chǎn)生大量損耗。
圖2為不同模式下，傳輸損耗與光纖曲率半徑之間的關(guān)系曲線。該仿真雖然需用時(shí)幾分鐘，但也為用戶提供了大量的有效信息。
基于Rsoft的單模光纖彎曲結(jié)構(gòu)及研究分析
今天向大家介紹一下光纖彎曲的模型，僅僅需要兩個(gè)操作步驟即可完成哦，來(lái)咱們直接上干貨：
Step1:配置環(huán)境變量，具體如圖1所示
圖1 基本環(huán)境變量配置
圖2 纖芯配置
圖3 包層配置
選用研究模塊：beamprop
入射光中心波長(zhǎng)：1.55微米
環(huán)境介質(zhì)：1.0（空氣）
光纖直徑：125微米（包） 8.3微米（纖芯）
光纖長(zhǎng)度：本例中3.5厘米
結(jié)構(gòu)：fiber
折射率：1.45205（芯）1.44681（包）
Step2:光纖彎曲配置
圖4 彎曲配置
操作方式：選擇more選項(xiàng)，在bend選項(xiàng)下輸入曲率半徑值即可進(jìn)行后續(xù)分析
Step3:模擬結(jié)果分析
圖5 光場(chǎng)及單一波長(zhǎng)傳輸譜
如圖所示，我們可以很明顯的看到當(dāng)入射光在光纖中傳輸時(shí)，由于彎曲的作用部分纖芯中傳輸?shù)墓饽芰繉?huì)以倏逝波的形式泄露到包層區(qū)域中，但同時(shí)會(huì)與纖芯中的能量進(jìn)行耦合，因此會(huì)發(fā)生一定程度的模式能量耦合現(xiàn)象，即產(chǎn)生諧振波。
進(jìn)一步地通過(guò)掃描全波長(zhǎng)地形式，我們可以得到相對(duì)應(yīng)的透射光譜:
圖6 傳輸光譜對(duì)比
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展開(kāi) 利用Rsoft開(kāi)展彎曲光纖仿真分析
Rsoft是一款優(yōu)秀的光學(xué)仿真軟件，里面集成了多個(gè)模塊，其中BPM模塊利用光束傳播法（Beam Propagation Method），能夠進(jìn)行多種類(lèi)型光器件的仿真，比如分束器、光纖等。這次，利用該模塊展示如何開(kāi)展光纖彎曲情況下的仿真分析。
初始設(shè)置如下：仿真工具為BeamPROP模塊，維度為3D，自由空間波長(zhǎng)為1.55μm，3D結(jié)構(gòu)為光纖，因?yàn)榭紤]的是空氣情況，所以背景折射率設(shè)置為1。
圖1 初始化參數(shù)設(shè)置
初始化設(shè)置后，建立光纖結(jié)構(gòu)，對(duì)光纖的包層和纖芯特性進(jìn)行設(shè)置。由于Rsoft可以進(jìn)行符號(hào)化運(yùn)行，因此我們涉及到的參數(shù)設(shè)定都盡量用符號(hào)來(lái)表示，設(shè)置的符號(hào)變量如下：光纖纖芯直徑為10μm，折射率1.46，光纖包層直徑為125μm，折射率1.449，長(zhǎng)度10cm，彎曲半徑為5mm。利用符號(hào)對(duì)光纖纖芯和包層的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其中光纖的彎曲是通過(guò)等效彎曲實(shí)現(xiàn)的，具體參數(shù)設(shè)置如圖3所示。
圖2 符號(hào)變量列表
圖3 等效彎曲設(shè)置
設(shè)置完參數(shù)后，觀察其折射率分布，確認(rèn)折射率分布的合理性。由于此處采用了等效彎曲的方法，因此折射率分布不再是均勻的，如圖4所示。
圖4 折射率分布
然后，將纖芯設(shè)置為路徑，并對(duì)入射場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置，入射位置為纖芯端面。需要注意的是，入射場(chǎng)的模式計(jì)算，默認(rèn)是按照背景折射率進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際上需要將其設(shè)置為包層的折射率。
圖5 （左）以背景折射率為基礎(chǔ)計(jì)算的模場(chǎng)分布；（右）以包層折射率為基礎(chǔ)計(jì)算的模場(chǎng)分布
設(shè)置光纖纖芯為監(jiān)測(cè)路徑，同樣注意折射率需要設(shè)置為包層折射率。
現(xiàn)在就可以用以分析光束在彎曲光纖中的傳輸情況。
展開(kāi) 
大模場(chǎng)面積彎曲光纖 RP Fiber Power
文件：Bent Large mode area fiber .fpw
研究了大模場(chǎng)面積光纖的彎曲對(duì)光波傳輸?shù)挠绊憽Ｔ撛O(shè)計(jì)采用階躍折射率光纖，也可研究其它類(lèi)型的折射率分布光纖。
圖1表明，隨著光纖彎曲形變的加強(qiáng)，光線傳輸產(chǎn)生變化，最終將導(dǎo)致光線完全入射到包層內(nèi)而產(chǎn)生大量損耗。
圖2為不同模式下，傳輸損耗與光纖曲率半徑之間的關(guān)系曲線。該仿真雖然需用時(shí)幾分鐘，但也為用戶提供了大量的有效信息。
來(lái)自武漢墨光微信公眾號(hào)。
基于comsol軟件彎曲單模光纖模擬仿真
在本節(jié)中，主要基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)際光纖單模圓柱光纖進(jìn)行模擬，與comsol案例庫(kù)文件在分析過(guò)程和建模有些差異：
模擬主要通過(guò)以下三個(gè)步驟進(jìn)行：模型的幾何構(gòu)建、物理場(chǎng)的添加研究、結(jié)構(gòu)處理分析來(lái)進(jìn)行。
下面是第一步驟：幾何模型的構(gòu)建
首先建立相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置：
圖1 結(jié)構(gòu)配置及參量設(shè)置
圖2 圓柱形單模光纖橫截面圖及幾何配置
按照上述要求配置好幾何結(jié)構(gòu)后，對(duì)每個(gè)區(qū)域的幾何賦予相應(yīng)的材料屬性。并在最后購(gòu)置好聯(lián)合體。
隨后在去定義光纖的類(lèi)型為彎曲光纖。
圖3 彎曲光纖模型設(shè)置及坐標(biāo)建立
第二部分：物理場(chǎng)及研究的添加：
由于單模光纖在進(jìn)行宏彎后，纖芯中的光纖能量大部分以泄漏模的方式擴(kuò)散到光纖包層區(qū)域中，但當(dāng)?shù)竭_(dá)光纖包層壁時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，即回音壁模式。下面我們著重分析一下這些回音壁模式。因此在物理場(chǎng)的選擇上選用電磁波頻域進(jìn)行分析。
具體如圖所示，光纖結(jié)構(gòu)呈軸對(duì)稱分布，我們忽略外環(huán)境的影響因此將外層設(shè)置成為完美磁導(dǎo)體（吸收所有電磁波）其余按照電磁波頻域的初始設(shè)定即可。網(wǎng)格剖分
圖4 端面網(wǎng)格化分
在光纖端面處采用自由三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在PML層共分解成為四塊設(shè)置成為映射網(wǎng)格（可參考映射網(wǎng)格的劃分方法）
圖5 模式分析
在研究部分中分成兩步驟進(jìn)行分析 分別是模式分析以及確定好相應(yīng)的頻率數(shù)值。
第三部分：后處理結(jié)果分析
圖6。泄漏模式分析
在后處理結(jié)果中（電磁波模型）選擇電場(chǎng)并選擇表面。油煎以等值線形式表示，得到回音壁各個(gè)電磁模式的能量值分布。如果對(duì)端面進(jìn)行一維截線處理則可以得到相應(yīng)的數(shù)值電場(chǎng)幅度數(shù)值。
圖7 結(jié)果后處理
展開(kāi) RP 系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 多模光纖（ 第七部分）
對(duì)于彎曲損耗的計(jì)算，有一些基于簡(jiǎn)化模型的分析公式，這些公式可能準(zhǔn)確反應(yīng)現(xiàn)實(shí)，也可能不準(zhǔn)確。數(shù)值光束傳播通常是首選方法；它不需要更強(qiáng)的簡(jiǎn)化，并詳細(xì)告訴我們光發(fā)生了什么。
例如，考慮光纖半徑為 20 μm 且數(shù)值孔徑為 0.05 的少模光纖。作為測(cè)試，我們排列光纖，使彎曲沿光纖長(zhǎng)度變得越來(lái)越緊：反曲率半徑隨傳播距離線性增加。發(fā)射的光完全都處于基本模式。
圖 2： 沿光纖增加彎曲的幅度分布。使用 RP Fiber Power 軟件 對(duì)光束傳播進(jìn)行數(shù)值模擬。
圖 2 顯示了 yz 平面中的模擬幅度分布。可以看到模式變得更多并轉(zhuǎn)移到一側(cè)（彎曲曲線的外側(cè)），變得非常小，最后損失更多和光到包層。在中間（z = 100 mm），彎曲半徑已達(dá)到 50 mm；這大約是臨界彎曲半徑。
對(duì)于 LP 11模式，彎曲損耗引起的衰減變得更加嚴(yán)重，如圖 3 所示。這里，彎曲損耗設(shè)置得較早，基本上所有功率在 120 mm 之后都已經(jīng)損失。
圖 3： 與圖 2 相同，但針對(duì) LP 11模式。
通常，對(duì)于高階模式，臨界彎曲半徑要大得多。（這有時(shí)被用來(lái)濾除高階模式。）圖 4 顯示了所有模式的數(shù)值模擬彎曲損耗如何取決于彎曲半徑：
圖 4： 彎曲損耗與光纖不同導(dǎo)模的彎曲半徑的函數(shù)關(guān)系。
下一期將介紹第七部分：傳播損耗
敬請(qǐng)關(guān)注！
展開(kāi) Comsol空芯反諧振光纖仿真
空芯反諧振光纖采用反諧振式反射波導(dǎo)的導(dǎo)光機(jī)理，利用玻璃壁在包層構(gòu)成類(lèi)似法布里-珀羅諧振 腔的結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制入射波長(zhǎng)和玻璃壁厚度控制諧振條件和反諧振條件。當(dāng)滿足諧振條件時(shí)，玻璃壁形成的諧振腔透射最大而反射最小，纖芯內(nèi)的光大量地通過(guò)透射泄漏至包層；而當(dāng)滿足反諧振條件時(shí)，該諧振腔透射最小而反射最大，光通過(guò)反射被限制在纖芯，從而形成光波導(dǎo)。
首在物理場(chǎng)中選擇波動(dòng)光學(xué)，添加頻域并選擇模式分析
其次，在全局定義中對(duì)反諧振光纖進(jìn)行參數(shù)定義，具體參數(shù)如下：
按照上述參數(shù)對(duì)空芯光纖進(jìn)行幾何建模后，對(duì)相應(yīng)區(qū)域賦予相應(yīng)的材料屬性。幾何模型最外側(cè)添加完美匹配層和散射邊界條件加以限制，并選用自由三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分小于波長(zhǎng)的四分之一；
在模式分析計(jì)算中有效折射率按靠近纖芯值去計(jì)算，通過(guò)對(duì)包層管壁厚度進(jìn)行掃面可以得到產(chǎn)生反諧振時(shí)包層厚度：
以下為直光纖中基模和最小高階模電場(chǎng)分布：
將光纖類(lèi)型定義成彎曲光纖，可觀察到彎曲光纖中基模和最小高階模電場(chǎng)分布：
最后，有需要?dú)g迎通過(guò)公眾號(hào)“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
展開(kāi) 光纖激光器設(shè)計(jì)軟件 | RP Fiber Power 的應(yīng)用場(chǎng)景
光纖激光器設(shè)計(jì)軟件——
RP Fiber Power 的應(yīng)用場(chǎng)景
RP Fiber Power——一款用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化光纖設(shè)備的功能強(qiáng)大的建模軟件，針對(duì)光纖放大器和激光器以及其他類(lèi)型的波導(dǎo)激光器進(jìn)行仿真，還包括光纖耦合器、多芯光纖、螺旋芯光纖以及錐形光纖。該軟件不僅可以提供有效的功率傳播和全數(shù)值光束傳播模擬，還可以研究超短脈沖的傳播行為，例如在光纖放大器、鎖模光纖激光器、電信電纜和自動(dòng)優(yōu)化脈沖壓縮器中的脈沖仿真。
對(duì)于任何想要仿真光纖設(shè)備的人來(lái)說(shuō)，無(wú)論是在工業(yè)發(fā)展、科學(xué)研究還是教育中，RP Fiber Power 都能滿足您的需求。考慮到了用戶的體驗(yàn)感和操作性，該軟件的交互界面結(jié)合了最大的靈活性和簡(jiǎn)便性，因此，它同樣適用于高效的例行檢查和最復(fù)雜的模擬工作。
下面將介紹 RP Fiber Power 可用于分析和優(yōu)化的設(shè)備:
（a）單模或多模光纖
基于該軟件自帶的模式求解器，根據(jù)給定的折射率分布可以計(jì)算所有模態(tài)的特性，如振幅分布、有效模場(chǎng)面積、有效折射率以及色散等；還可以計(jì)算光纖耦合效率；模擬彎曲、非線性自聚焦或增益導(dǎo)引對(duì)光束傳播、高階孤子傳播的影響。
（b）光纖耦合器，雙包層光纖，多芯光纖，平面光波導(dǎo)
可以模擬雙包層光纖中的泵浦吸收，研究光束在光纖耦合器中的傳播，光在錐形光纖中的傳播，分析光纖彎曲的影響，放大器中的交叉飽和效應(yīng)，泄漏模式等。
（c）光放大器
研究單級(jí)或多級(jí)放大系統(tǒng)中光纖的增益飽和特性(連續(xù)波或脈沖放大)、能量傳輸、猝滅效應(yīng)、放大自發(fā)輻射等，比如：鉺鐿共摻光纖放大器。
展開(kāi) 天津大學(xué)黃顯教授團(tuán)隊(duì)《Small》：用于神經(jīng)系統(tǒng)刺激與監(jiān)測(cè)的植入式柔性多通道光電纖維器件
光纖作為一種常見(jiàn)的光導(dǎo)器件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信、物理化學(xué)傳感等領(lǐng)域，高效地利用它的表面積或許就能實(shí)現(xiàn)更多功能的集成，然而它彎曲的表面使得與其他電子元件的集成極具挑戰(zhàn)性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，相比于分離式的光纖與電極系統(tǒng)，利用光纖自身與光纖表面進(jìn)行刺激與感測(cè)，就能夠?qū)崿F(xiàn)植入物尺寸最小、 對(duì)組織的損傷最小。
鑒于此，天津大學(xué)生物醫(yī)學(xué)柔性電子實(shí)驗(yàn)室黃顯教授結(jié)合柔性電子技術(shù)的研究背景，提出了一種新型的用于多腦區(qū)光刺激與生理監(jiān)測(cè)的多通道植入式柔性光遺傳器件。該器件以柔性光纖作為載體，將不同波長(zhǎng)的光傳輸?shù)教囟ǖ哪X區(qū)，用于對(duì)特定神經(jīng)元進(jìn)行光調(diào)控，與此同時(shí)，該設(shè)計(jì)充分利用了光纖彎曲的表面，在光纖側(cè)壁集成了柔性電極陣列，用于探測(cè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位監(jiān)測(cè)神經(jīng)元的活動(dòng)（圖1a）。柔性電極陣列與柔性光纖的緊密結(jié)合經(jīng)過(guò)了三次轉(zhuǎn)印（圖1b），這種利用柔性基底進(jìn)行轉(zhuǎn)印的技術(shù)也可以用于其他柔性電子器件與曲面結(jié)構(gòu)的完美貼合，文章中以柔性三電極電化學(xué)傳感器與光纖的集成作為例子進(jìn)行了展示。該器件的功能和時(shí)序由無(wú)線電路控制，并由鋰電池供電，可以固定在自由活動(dòng)的大鼠頭上同時(shí)不會(huì)影響大鼠的正常活動(dòng)，器件柔性的特點(diǎn)也使得植入深度可以自由調(diào)節(jié)（圖1c-e）。
圖1. 多通道植入式柔性光遺傳器件的工作示意圖及器件結(jié)構(gòu)圖
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該器件的光學(xué)、電學(xué)等方面性能進(jìn)行了體外的表征測(cè)試，并將該器件植入麻醉大鼠的四個(gè)腦區(qū)中（圖2a）。
展開(kāi) JCMsuite案例展示：光纖單模光纖的仿真分析
在案例中，計(jì)算了帶有摻雜二氧化硅芯的圓柱形光纖的基本傳播模式。
磁芯具有相對(duì)介電常數(shù)和直徑。包層具有相對(duì)介電常數(shù)和直徑。我們假定磁場(chǎng)的切向分量在外邊界上消失。我們想在1.5附近找到兩個(gè)本征模，這是我們對(duì)有效折射率的最初猜測(cè)。基本示例propagation Mode中給出了輸入文件所需參數(shù)的詳細(xì)描述。
下圖顯示了兩個(gè)計(jì)算本征模的電場(chǎng)的z分量(對(duì)數(shù)尺度下)。兩者都屬于相同的有效折射率，屬于雙重簡(jiǎn)并。特征值存儲(chǔ)在文件eigenvalues.jcm中。
之后彎曲單模光纖教程會(huì)說(shuō)明如何計(jì)算彎曲單模光纖的基本傳播模式。
展開(kāi) 
光纖光纜的60條必備知識(shí)，收藏隨身查！
當(dāng)彎曲半徑大于5～10cm時(shí)，由彎曲造成的損耗可以忽略。
JCMsuite—單模光纖傳播模式
在本教程項(xiàng)目中，我們計(jì)算了帶有摻雜二氧化硅芯的圓柱形光纖的基本傳播模式。
磁芯具有相對(duì)介電常數(shù)?core=2.113和直徑dcore=8.2μm。包層具有相對(duì)介電常數(shù)?cladding=2.1025和直徑dcladding=80μm。我們假定磁場(chǎng)的切向分量在外邊界上消失。我們想在1.5附近找到兩個(gè)本征模，這是我們對(duì)有效折射率的最初猜測(cè)。基本示例propagation Mode中給出了輸入文件所需參數(shù)的詳細(xì)描述。
下圖顯示了兩個(gè)計(jì)算本征模的電場(chǎng)的z分量(對(duì)數(shù)尺度下)。兩者都屬于相同的有效折射率，屬于雙重簡(jiǎn)并。特征值存儲(chǔ)在文件eigenvalues.jcm中。
之后彎曲單模光纖教程會(huì)說(shuō)明如何計(jì)算彎曲單模光纖的基本傳播模式。
展開(kāi) 電工綜合布線常見(jiàn)名詞大全，挺有用
36、彎曲半徑：光纖彎曲而不斷裂或不引起過(guò)多附加損耗的彎曲半徑。
37、電纜夫：一種在電纜末端滑動(dòng)的裝置，它與絞盤(pán)或手柄相接，安裝時(shí)有助于牽引電纜。
38、連接塊、布線塊：連接雙絞電纜的硬件，可用跳接線或接插線來(lái)實(shí)現(xiàn)鏈路的連接。
39、折射率漸變光纖：折射率沿軸向降低的光纖。光子在芯內(nèi)反射，光線不斷再聚焦，使得光纜向內(nèi)彎曲，并能比在低射系數(shù)區(qū)域里傳輸理更快。這種光纖可提高帶寬。
40、接線張力：安裝線纜時(shí)，作用在其上的接力的大小，用N(牛頓)來(lái)計(jì)量。
41、支持硬件：支架、夾子、柜子、托架、三角架、工具以及其他固定傳輸介質(zhì)，將連接硬件與墻壁或吊頂相接的實(shí)用工具。
42、端接塊：在各類(lèi)電纜傳輸通道配置中，為端接電纜線對(duì)并且在110型配線架連接線對(duì)的模壓塑料板。
43、線路：傳輸介質(zhì)，一般指鏈路。在SNA環(huán)境中指網(wǎng)絡(luò)的一條鏈接。
44、電路、線路：通電導(dǎo)體構(gòu)成的通電路徑;應(yīng)用系統(tǒng)中任何兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間的通信鏈路。
展開(kāi) JCMsuite—單模光纖傳播模式
在本教程項(xiàng)目中，我們計(jì)算了帶有摻雜二氧化硅芯的圓柱形光纖的基本傳播模式。
磁芯具有相對(duì)介電常數(shù)?core=2.113和直徑dcore=8.2μm。包層具有相對(duì)介電常數(shù)?cladding=2.1025和直徑dcladding=80μm。我們假定磁場(chǎng)的切向分量在外邊界上消失。我們想在1.5附近找到兩個(gè)本征模，這是我們對(duì)有效折射率的最初猜測(cè)。基本示例propagation Mode中給出了輸入文件所需參數(shù)的詳細(xì)描述。
下圖顯示了兩個(gè)計(jì)算本征模的電場(chǎng)的z分量(對(duì)數(shù)尺度下)。兩者都屬于相同的有效折射率，屬于雙重簡(jiǎn)并。特征值存儲(chǔ)在文件eigenvalues.jcm中。
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