ansys光纖光柵仿真
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-07
ansys光纖光柵仿真的實例教程
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因為光纖折射率會隨溫度而變化，導致其布拉格波長發生偏移，所以可以被用作溫度的測量。（聯系我們獲取文章附件）
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出:
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續處，都會發生微弱的菲涅耳反射。當來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
運行和結果
步驟1:FDE-計算光柵所需的周期和溫度相關有效折射率neff
我們首先使用FDE求解器獲得目標波長下光柵的有效折射率，并計算光柵的所需周期(Λ)。我們計算高折射率區域和低折射率區域的 neff，并將其的平均值作為設計的起點。
此案例中光纖由n=1.4725/1.4728（L/H）和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器，并在室溫下為光柵中的兩個不同位置（高折射率區域和低折射率區域）運行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率，并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預期的那樣，該模式被很好地限制在光纖的核心區域。
展開 光纖光柵無論在光纖傳感領域還是光纖激光器方面被大量研究，那么如何在沒有進行實體實驗的情況下來進行光纖光柵的模擬呢，本案例主要利用光波導Rsoft仿真軟件對光纖光柵進行模擬分析研究。相信這種方法很實用哦。
仿真優點：操作簡便，相比與傳統的理論模擬分析更直觀且更容易調試結果。那么，該如何進行模擬分析呢，請跟隨我的腳步一起動手操作吧！
第一步：在這里我們使用的軟件為2018版Rsoft軟件建立光纖光柵模型，如圖所示，具體操作為：打開主界面 選擇beamprop模塊，在菜單欄里選擇 Ulity grating mode
圖1中各物理參量含義：Grating Length:光柵長度;Structure Type:波導類型; Background Index：背景折射率Index difference:波導折射率與包層折射率之差
Waveguide Width:波導寬度（微米）；Modulation Type:調制類型，包括折射率調
制和波導形狀調制；Modulation Depth:調制深度，即光柵的折射率最大變化值，用Δn表示。Grating Period：光柵周期Λ。Output Prefix：輸出文件名前綴，可以將此對話框生成的光柵結構存到所命名的文件中。
上圖為光纖光柵結構的具體形貌樣式，操作如下：
第二步：詳細的參數配置：具體操作為：選擇紅色波導面 選擇tapers對光柵形貌進行配置。
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展開 這是因為光柵僅支持該波長范圍內的單個傳輸階數，如下圖所示。T_Total和T(0,0)之間的差異可歸因于透射到更高的衍射級，因為使用的材料沒有吸收。
對于反射，到(0,0)階的透射在整個波長范圍內可以忽略不計，這意味著大部分反射功率被轉換為更高階。
在 0.9μm附近似乎有一些不連續性，這些與Wood’s anomaly 有關，并且在光柵階數發生變化的波長處會很明顯。
特定衍射級與波長的衍射角
光柵的衍射角也取決于工作波長，并且對于不同的階數表現出不同的值。唯一的例外是(0,0)階，它由入射光束的角度固定（在本例中為theta=0和 phi=0）。下圖根據波長顯示了透射(0,1)級的衍射角。這個特定的階數開始出現在 0.9μm并且傳播幾乎平行于基板。隨著波長變短，其傳播方向移向極軸（本例中為z軸）。
特定波長的衍射效率和角度
了解特定波長的整個光柵階數的行為可以通過將每個支持的階數表示為遠場半球中的一個點來可視化。下圖顯示了0.85μm的透射和反射階數,結果與上述結果一致。
例如：
透射和反射分別有 3個和11個衍射級。
透射(0,1)級的衍射角約為70度。
翻譯：慧和聚成 - 徐麗敏
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來源：Original Ansys Lumerical Ansys 光電大本營
展開 01 說明
FDE求解器可用于精確計算任意復雜結構的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶體布拉格光纖的模式。
02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個參數化組對象，可以進行結構建模。最初，在x-min和y-min處使用反對稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設置模擬。反對稱邊界條件允許我們僅模擬1/4的結構，從而節省時間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對稱條件或對稱和反對稱條件的組合的重要模式。
03 運行和結果
首先，我們運行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標系中的Hr圖。
要研究此類結構的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設置為PML，如下所示。我們最初沒有這樣做，因為它會增加計算時間，并且會更難找到導模的有效折射率。當我們重新計算模式時，我們可以查看折射率0.998附近并發現不同的模式。
軟件會計算出將近20種模式。
模式7是
模式8是
上圖顯示了磁場的徑向和角分量，可以與Uranus等人的結果進行比較，我們將有效折射率和損耗與Uranus等人的結果進行比較。
MODE有效折射率結果與Uranus等人的結果非常接近。對于這種對數值網格的微小變化（以及實際制造缺陷）非常敏感的結構，計算損耗則更加困難，并且需要進行一些收斂測試才能找到更準確的結果。
收斂測試
我們首先將感興趣的兩種模式復制到全局DECK中，并將它們重命名為TE和HE，如下所示。
現在可以通過運行優化和掃描來測試收斂性。掃描通過增加網格數目來多次計算模態。
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說明
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綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合
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02 綜述
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02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個參數化組對象，可以進行結構建模。最初，在x-min和y-min處使用反對稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設置模擬。反對稱邊界條件允許我們僅模擬
光纖光柵無論在光纖傳感領域還是光纖激光器方面被大量研究，那么如何在沒有進行實體實驗的情況下來進行光纖光柵的模擬呢，本案例主要利用光波導Rsoft仿真軟件對光纖光柵進行模擬分析研究。相信這種方法很實用哦。
仿真優點：操作簡便，相比與傳統的理論模擬分析更直觀且更容易調試結果。那么，該如何進行模擬分析呢，請跟隨我的腳步一起動手操作吧！
第一步：在這里我們使用的軟件為2018版Rsoft軟件建立光纖光柵模型
