光纖彎曲損耗仿真
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光纖彎曲損耗仿真的視頻教程
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光纖彎曲損耗仿真的實(shí)例教程
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)在彎曲過程中能量損失的情況?；贚umercial mode模塊展開細(xì)致化研究分析模擬。
所選用的計算是基于FDE算法而展開的。
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)模式計算細(xì)節(jié)處理：
模擬的中心波長為1.55微米
計算的為前15個偏振模式
勾選上彎曲波導(dǎo)計算，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)模式計算參數(shù)配置
圖6 彎曲波導(dǎo)模式計算結(jié)果
如圖6所示為光纖波導(dǎo)在彎曲后計算的模式部分結(jié)果，可以計算得到1.55微米中心波長下對應(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)致部分模式場的分布發(fā)生畸變。
圖7 彎曲波導(dǎo)模式電場分布圖
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展開 在光纖安裝中，對光纖鏈路進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和計算是驗證網(wǎng)絡(luò)完整性和確保網(wǎng)絡(luò)性能非常重要的步驟。光纖內(nèi)會因光吸收和散射等造成明顯的信號損失（即光纖損耗），從而影響光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性。那么如何才能知道光纖鏈路上的損耗值呢？本文將教您如何計算光纖鏈路中的損耗以及如何判斷光纖鏈路的性能。
終將渡過成長的海
01
正文
光纖損耗的類型
光纖損耗也被成為光的衰減，是指光纖發(fā)射端和接收端之間的光損耗量。造成光纖損耗的原因有多種，如光纖材料對光能的吸收/散射、彎曲損耗、連接器損耗等。
總而言之，造成光纖損耗主要有兩大原因：內(nèi)部因素（即光纖固有的特性）和外部因素（即光纖操作不當(dāng)引起的），由此光纖損耗可分為本征光纖損耗和非本征光纖損耗。本征光纖損耗是光纖材料固有的一種損耗，主要包含了因結(jié)構(gòu)缺陷引起的吸收損耗、色散損耗和散射損耗；而非本征光纖損耗主要包含了熔接損耗、連接器損耗和彎曲損耗。
光纖損耗的標(biāo)準(zhǔn)
電信工業(yè)聯(lián)盟（TIA）和電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）攜手制定了EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了光纜、連接器的性能和傳輸要求，如今在光纖行業(yè)中被廣泛接受和使用。EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn)明確了最大衰減是光纖損耗測量時最重要的參數(shù)之一。實(shí)際上，最大衰減是光纜的衰減系數(shù)，以dB/km為單位。下圖顯示了在EIA/TIA-568規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中不同類型光纜的最大衰減。
展開 Rsoft是一款優(yōu)秀的光學(xué)仿真軟件，里面集成了多個模塊，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，自由空間波長為1.55μm，3D結(jié)構(gòu)為光纖，因為考慮的是空氣情況，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)行符號化運(yùn)行，因此我們涉及到的參數(shù)設(shè)定都盡量用符號來表示，設(shè)置的符號變量如下：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，長度10cm，彎曲半徑為5mm。利用符號對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，并對入射場進(jìn)行設(shè)置，入射位置為纖芯端面。需要注意的是，入射場的模式計算，默認(rèn)是按照背景折射率進(jìn)行計算，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)計算的模場分布；（右）以包層折射率為基礎(chǔ)計算的模場分布
設(shè)置光纖纖芯為監(jiān)測路徑，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 在本節(jié)中，主要基于實(shí)驗室實(shí)際光纖單模圓柱光纖進(jìn)行模擬，與comsol案例庫文件在分析過程和建模有些差異：
模擬主要通過以下三個步驟進(jìn)行：模型的幾何構(gòu)建、物理場的添加研究、結(jié)構(gòu)處理分析來進(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，對每個區(qū)域的幾何賦予相應(yīng)的材料屬性。并在最后購置好聯(lián)合體。
隨后在去定義光纖的類型為彎曲光纖。
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)光纖包層壁時會產(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）選擇電場并選擇表面。油煎以等值線形式表示，得到回音壁各個電磁模式的能量值分布。如果對端面進(jìn)行一維截線處理則可以得到相應(yīng)的數(shù)值電場幅度數(shù)值。
圖7 結(jié)果后處理
展開 目前,光纖通信系統(tǒng)主要工作在1310nm波段和1550nm波段上,尤其是1550nm波段,長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)多工作在這一波段。
圖 3?1 光纖的損耗譜曲線
光纖的損耗譜形象地描繪了衰減系數(shù)與波長的關(guān)系。從光纖損耗譜可以看出,衰減系數(shù)隨波長的增大呈降低趨勢;損耗的峰值主要與OH-離子有關(guān)。另外,波長大于1600nm時損耗增大的原因是由于石英玻璃的吸收損耗和微(或宏)觀彎曲損耗引起的。目前,光纖的制造工藝可以消除光纖在1385 nm附近的0H-離子的吸收峰,使光纖在整個(1300~1600)nm波段都有很低的損耗。
損耗受限系統(tǒng)的中繼距離
實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中，往往要綜合考慮光纖衰減的影響，從而找出光纖的最佳中繼距離，以實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的傳輸效果。
實(shí)驗內(nèi)容
模型構(gòu)建
在OptiSystem中建立如圖3-2所示的損耗受限光纖傳輸系統(tǒng)仿真模型。激光器作為信號輸入端，通過插入損耗為0.5dB的連接器接入光纖。光纖衰減為1.2dB/km,通過連接器接入光學(xué)帶通濾波器，濾除因激光器頻率特性不好而輸出的非信號波長成分，然后通過，光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過低通濾波器過濾出傳輸?shù)男盘枴?圖 3?2 損耗受限光纖傳輸系統(tǒng)仿真模型
中繼距離的理論計算
根據(jù)公式3-1可以知道光纖通信系統(tǒng)中各個部分應(yīng)滿足的指標(biāo)。
?????????=??????+????+????+?? （式3-1）
其中Pt=發(fā)射機(jī)功率，ALf=光纖損耗，La=額外損耗，Sr=接收器靈敏度，Lc=耦合器損耗，M=功率差。
仿真驗證
在OptiSystem中進(jìn)行仿真驗證式3-1的計算結(jié)果.
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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
“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應(yīng)用大賽優(yōu)秀作品展示
本屆仿真應(yīng)用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優(yōu)秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業(yè)最佳實(shí)踐獎。近 200 位來自汽車、半導(dǎo)體、高科技、能源等行業(yè)的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創(chuàng)新實(shí)踐，充分展現(xiàn)了仿真技術(shù)的無限潛能。從本期起，我們將陸續(xù)為大家分享獲獎佳作，帶您一同領(lǐng)略仿真賦能創(chuàng)新的非凡力量
基于大變形的魚竿彎曲變形仿真對比6個月前
該模型展示了釣魚竿的彎曲情況。對于大撓度的細(xì)長結(jié)構(gòu)，更新其剛度非常重要，否則結(jié)果可能不準(zhǔn)確。這一效應(yīng)通過本次模擬得以捕捉
觀察魚竿的彎曲情況，并將更新結(jié)構(gòu)剛度前后的結(jié)果進(jìn)行比較
這個例子說明了釣魚竿的彎曲情況，重要的是要考慮到結(jié)構(gòu)的大撓度
釣竿是典型的大撓度示例?；仡櫼幌逻@個釣竿的模擬，并嘗試解釋為什么避免使用大撓度會對結(jié)果產(chǎn)生影響
您是否在我們最近的網(wǎng)絡(luò)研討會上了解了VirtualLab Fusion中光纖技術(shù)令人興奮的前景？ 即將推出的許多新功能——一個新的光纖模式計算器，光纖組件和新的光纖耦合效率探測器-改善了工作流程，并使用戶界面更加友好。 但是，當(dāng)我們等待新功能在即將發(fā)布的版本中發(fā)布時，當(dāng)前版本中其實(shí)已經(jīng)有很多您可以享受到的功能！ 查看下面的用例，獲取一些啟發(fā)吧。
用于光纖耦合的不同透鏡的比較
使用VIRTUALLAB FUSION仿真光纖光學(xué)
時間:2021-07-05 09:52來源:未知作者: infotek點(diǎn)擊:290次打印
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在案例中，計算了帶有摻雜二氧化硅芯的圓柱形光纖的基本傳播模式。
磁芯具有相對介電常數(shù)和直徑。包層具有相對介電常數(shù)和直徑。我們假定磁場的切向分量在外邊界上消失。我們想在1.5附近找到兩個本征模，這是我們對有效折射率的最初猜測。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。
下圖顯示了兩個計算本征模的電場的z分量(對數(shù)尺度下)。兩者都屬于相同的有效折射率，屬于雙重簡并
張寶武１,３，饒鵬輝２，Ｆｒａｎｃｅｓｃｏ Ｆｕｓｏ３，霍劍鋒１，余桂英１，王道檔１
（１.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州３１００１８；２.訊技光電科技（上海）有限公司。上海２０００９２；３.比薩大學(xué) 物理系，比薩 意大利５６１２７）
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張寶武1,3，饒鵬輝2，霍劍鋒1，余桂英1
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Abaqus纖維復(fù)合材料層合板三點(diǎn)彎曲仿真模型!
模擬過程采用連續(xù)殼
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