ZEMAX | 如何模擬斜切光纖

正文

在利用軟件計(jì)算光纖耦合效率時(shí),我們事實(shí)上無(wú)法準(zhǔn)確模擬光在單模光纖內(nèi)的傳播,只能計(jì)算激光經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后,有多少能量可以順利進(jìn)入到單模光纖并在內(nèi)部穩(wěn)定前進(jìn)而 (理想上) 不耗損能量。


無(wú)法計(jì)算光在單模光纖內(nèi)部行為的原因是單模光纖的尺度接近耦合光的波長(zhǎng),屬于波導(dǎo)而不是單純的光導(dǎo)管,此時(shí)光線或自由空間的標(biāo)量傳播 (POP) 計(jì)算都不正確。也因此在計(jì)算耦合效率時(shí),我們需要事先明確:符合什么條件的光才能順利進(jìn)入波導(dǎo)傳播。


對(duì)于口徑較大的多模光纖來(lái)說(shuō),這個(gè)條件是每一條光線的入射角度必須在指定NA之內(nèi)。但對(duì)于單模光纖,這個(gè)條件則是整個(gè)光束 (beam) 在單模光纖端口的復(fù)振幅分布,也就是模態(tài),必須符合一定分布。當(dāng)入射光到達(dá)此光纖入口切平面時(shí),復(fù)振幅分布中不符合該模態(tài)的部分會(huì)在光纖中傳播時(shí)消逝,而無(wú)法到達(dá)另一端。以未斜切的單模光纖來(lái)說(shuō),這個(gè)可傳播模態(tài)即是高斯分布。


但在實(shí)際應(yīng)用中,我們常常會(huì)考慮讓光纖端面斜切,這有許多好處,例如防止反射光回到系統(tǒng)中造成影響。當(dāng)光纖斜切的時(shí)候,可接受的入射模態(tài)就會(huì)改變。嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō),必須使用專門(mén)的軟件求解,例如OptiWave。當(dāng)這類軟件計(jì)算出一個(gè)特定復(fù)振幅分布后,即可以輸入OpticStudio模擬并優(yōu)化耦合透鏡。


而當(dāng)我們沒(méi)有任何方式可以得到斜切光纖的模態(tài)時(shí),則需要一些近似計(jì)算。光纖端面有斜切時(shí),對(duì)入射的光線來(lái)說(shuō)會(huì)有棱鏡的效果,不再是正向進(jìn)入光纖,也就是光束進(jìn)入光纖時(shí)會(huì)被折射,造成耦合效率下降。理論上,只要我們能調(diào)整整個(gè)光纖的角度,讓光束折射后,正好是正向進(jìn)入光纖,就可以重新提高耦合效率。


下面我們將舉例說(shuō)明如何用一個(gè)傾斜面 (Tilted) 面以及像面的搭配來(lái)模擬斜切的棱鏡效應(yīng),并且說(shuō)明如何加入光纖的旋轉(zhuǎn)來(lái)補(bǔ)償效率的下降。


范例1:Ball coupling


讓我們開(kāi)啟示例文件:\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Ball coupling.ZMX


這是一個(gè)光纖耦合設(shè)定的范例,可以看到文件開(kāi)啟時(shí)已經(jīng)有一個(gè)光纖耦合 (Fiber Coupling) 的分析窗口了。


為了模擬光纖斜切以及光纖傾斜,這邊我們把像面的部分修改如下,以反映棱鏡的效果:


1.在IMAGE像面之前加入兩個(gè)面:坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 以及傾斜面 (Tilted)。


2.給傾斜面 (Tilted) 以及IMAGE面加上材料SILICA,代表光纖的纖芯的材料。


此外因?yàn)樯院笪覀円褂肞OP來(lái)驗(yàn)證,而POP的光束必須從面1開(kāi)始傳播,因此我們修改物面如下:


3.在OBJECT物面之后新增一個(gè)面。


4.把OBJECT面的厚度設(shè)為0,而新增的第1面的厚度設(shè)為2。


結(jié)果如下:


之后我們把光纖耦合 (Fiber Coupling) 的設(shè)定修改如下:


光纖斜切對(duì)于FFT計(jì)算的耦合過(guò)于復(fù)雜,因此我們使用較精確但計(jì)算比較慢的惠更斯(Huygens) 耦合,并且提高取樣數(shù)到128x128,取樣數(shù)越高越準(zhǔn)確,但是計(jì)算時(shí)間越久。


最后勾選使用偏振 (Use Polarization),這樣可以計(jì)算光線通過(guò)鏡片或是光纖端面時(shí),因?yàn)榉瓷涠斐傻哪芰繐p失。


可以看到目前的耦合效率是0.667901。


接下來(lái)我們打開(kāi)POP來(lái)驗(yàn)證,設(shè)定如下:


注意:為了與光纖耦合 (Fiber Coupling) 比較,這里勾選了使用偏振 (Use Polarization)。


NA 0.1用sine反推就是5.74度,這里我們使用高斯角 (Gaussian Angle) 來(lái)設(shè)定光源 (上圖) 以及光纖 (下圖)。


注意光纖位置 (Fiber Position) 必須采用面頂點(diǎn) (Surface Vertex),并且我們不勾選忽略偏振 (Ignore Polarization),讓條件跟光纖耦合 (Fiber Coupling) 一致。


可以看到在POP中,耦合效率約是0.668039。


接下來(lái)假設(shè)我們要讓光纖斜切8度,并傾斜光纖本身4.6度以補(bǔ)償,如下圖。


方法是在傾斜面 (Tilted) 中輸入Y正切(Y Tangent) = tan(8 degrees) = 0.140541,以及在坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 的傾斜X (Tilt About X)中輸入4.6度,如下:


可以看到在光纖耦合 (Fiber Coupling)中,耦合效率現(xiàn)在是0.644109。'


而在POP中,耦合效率是0.655508。


范例2:Conic interconnect


我們使用另一個(gè)示例文件:\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Conic interconnect.ZMX


在這個(gè)范例中,我們同樣做以下修改:


1. 在IMAGE像面之前加入兩個(gè)面:坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 以及傾斜面 (Tilted)。


2. 給傾斜面 (Tilted) 以及IMAGE面加上材料SILICA,代表光纖的纖芯的材料。


3. 在OBJECT物面之后新增一個(gè)面。


4. 把OBJECT面的厚度設(shè)為0,而新增的第1面的厚度設(shè)為2。


打開(kāi)光纖耦合 (Fiber Coupling)并設(shè)定如下:


效率是0.887634:


打開(kāi)POP并設(shè)定如下:




計(jì)算結(jié)果如下,效率為0.888340:


設(shè)定光纖的斜切以及傾斜之后:


可以看到耦合效率如下:


POP (0.876836):


光纖耦合Fiber Coupling (0.863821):