用zemax模拟单模光纤(2)

2018-11-21 15:02

(energytransport calculation)和模式匹配计算(modematching calculation)。系统效率(system efficiency:S)是用通过入瞳(entrance pupil)的所有光能量,并且考虑了渐晕(vignetting)和偏振光传输情况下,经过系统之后的能量的总和除以从光纤辐射的所有能量得到的:

这里Fs(x,y)指的是源光纤的振幅函数,分子是仅在光学系统的入瞳处的积分,而t(x,y)是光学系统的振幅传输函数。传输过程受到体吸收和光学镀膜(打开偏振传输的情况下)的影响。

光学系统中的像差所引起的位相差也会影响光纤的耦合效率。当向接收光纤传输的汇聚波前的各个点上的模式完全和光纤的模式(包括振幅和位相)想匹配的时候,耦合效率达到最大。它的数学描述是通过光纤和波前振幅之间的重叠积分(overlap integral)来定义的:

这里Fr(x,y)用来描述接收光纤复振幅函数,W(x,y)是光学系统出瞳处的波前的复振幅函数,而符号 ' 代表了复数共轭操作。注意这些函数都是复数形式的,因而这个表达式是相干重叠积分。

T的最大值为1.0,并且随着光纤的振幅和位相和波前振幅位相之间的失配的增加而降低。

Zemax会计算上述的S和T的值。总的功率耦合效率也是从这些数据得来的。Zemax也会计算理论上的最大耦合效率,这个计算是在胡略了像差但是考虑模式的渐晕、传输和其他振幅失配因素之后得来的。

在计算中,源光纤模式和接收光纤模式是通过高斯光束的数值孔径NA(定义为物方或者像方的介质折射率和光束上功率降到1/e2处的半张角的正弦的乘积)这个角度可以通过下面两种方法计算获得:

通过高斯光束计算得来的发散角,使用模场直径来定义光束束腰直径(参见本文前面的计算);

根据康宁产品参数表中提供的1%功率处的NA计算得到1/e2处的数值孔径。 通常,NA大约为0.09,因此耦合效率的计算设置如下图所示:

得到的计算结果如下:

我们也可以一行优化函数来优化系统的耦合效率,该操作数为FICL:

经过几个优化循环之后,光纤到透镜的距离变成了0.11mm(而在旁轴高斯光束计算中为0.117),详细的结果如下:

注意一下几点:

系统耦合效率(system efficiency)并未显著改变,因为这主要是由表面的孔径和模式尺寸决定的,而轻微的离焦对其的影响并不大;

接收端耦合效率(Receiver efficiency)得到了提升,因为重新聚焦使得源光纤模式在经过系统传输之后更好地和接收光纤的模式匹配;

最大耦合效率(maximum efficiency)可以通过下述方法得到提升:增加非球面,增加额外的表面等等。本例中,这个耦合效率基本达到了极限。 本节使用的zemax源文件为after FICL optimization.zmx 返回目录

使用物理光学计算(Using the phsical optics calculation)

在单模光纤耦合计算的基础上运用物理光学传输算法可以极大的扩展这个方法的应用。类似地,我们需要计算基于物理光学传输的重叠积分,这样做有一下几点好处:

可以定义任何复杂模式,而不仅限于高斯模式;

当接收光纤位置的时候,光纤耦合重叠积分可以在任何一个表面上计算,这包括当不仅限于代表光纤的表面;

外部程序,比如光束传输(Beam Propagation和时域有限差分方法(Finite-Difference-Time Domain)代码,可以使用成.zbf文件格式或者生成DLL接口,用来计算光纤(或者任何集成光学元件)的模式结构,并且可以将其表达成和室的复杂振幅分布函数的形式。关于这一点,可以参看这篇文章 ;

由于传输受光阑限制或者远距离传输产生的衍射效应也可以得到准确的模拟。 POP计算可以通过以下窗口设置,点击Analysis>Physical Optics>Phusical Optics Propagation打开设置窗口:


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