如何在zemax下模拟单模光纤的光束耦合

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1、如何在Zemax下模拟单模光纤的光束耦合设计前的准备Zemax公司感谢SussMicroOpticsSA公司的ReinhardVoelkel博士提供本文使用到的实验数据。我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSSMicroOpticsFC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径0.14纤芯直径8.3μm模场直径@1.31μm9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSSMicroOptic

2、sSMO39920基片材料熔融石英基片厚度0.9mm内部透过率>0.99透镜直径240μm透镜节距250μm曲率半径330μm圆锥常数（Conicconstant）0数值孔径0.17附件中的文件singlemodecoupler.zmx是整个系统的Zemax文件。请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-upsolve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造

3、公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（eitherwayround）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（floatbystopsize），而光阑设定在第一个透镜的后表面。这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。当心“数值孔径”的多种不同定义。它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能

4、是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。这些非常重要！孔径上定义了高斯切趾（Gaussianapodization），用来产生光束的高斯分布。当前这只是一种近似，后面将会做进一步的精确的计算。透镜孔径的大部分区域是衍射受限的光学质量的，并且被光纤模式照射到的区域是衍射受限的。使用旁轴高斯光束计算旁轴高斯光束算法是最简单可以用来分析光纤耦合的分析方法。不过，这种方法只能获得对系统性能初步的了解。根据康

5、宁的产品参数表，光纤在1.31μm波长下的模场直径为9.2±0.4μm。因此，我们按照下图所示的情形设置旁轴高斯光束计算（Analysis>PhysicalOptics>ParaxialGaussianBeam）：图中光束的束腰直径Waist总是相对于表面1来计算的，在本例中它和物面出于同一个位置。因此，高斯光束的束腰直径4.6μm就位于源光纤的位置。光束然后传输经过光学系统。从上图我们可以看出表面3上的1/e2光束直径是65μm，而表面4是70μm。这些表面的实际的物理半口径为120μm。也就是说大约两个光束直径以外的光将会

6、被阻隔掉。另外需要注意的是像面并非位于光束最佳聚焦聚焦点处：像面处光斑的大小为5.3μm，而其实根据系统的对称性的假定，高斯束腰直径应该是4.6μm。我们将会优化表面1的厚度（同时也会通过Pick-upsolve来控制表面5的厚度）来改进这些。请注意表面5的厚度是通过Pick-upsolve来控制的，因为我们希望系统倒过来使用时也能得到同样的耦合效果：我们使用了完全相同的两组光纤和透镜（在制造公差范围内），因而我们期望最好的系统是输入输出互易的。Zemax中有一项优化操作数（operand）GBPS，指的是旁轴高斯光束尺寸，可

7、以用来优化光纤和耦合镜头之间的距离。根据系统的上述对称性，我们知道，高斯光束束腰的最佳尺寸是4.6μm，因此，优化函数就只有简单的一行，如下图：优化后给出的光纤到透镜之间的距离为0.117mm，下面是相应的旁轴高斯光束的数据：上述便是旁轴高斯光束计算所能给我们提供的信息。相关的Zemax文件为optimization.zmx。返回目录使用单模光纤耦合计算单模光纤耦合计算方法（位于Analysis>Calculations>FiberCouplingEfficiency）提供了更加有力的用来分析具有高斯分布的光纤模式的能力。它会

8、执行两种计算：能量传输计算（energytransportcalculation）和模式匹配计算（modematchingcalculation）。系统效率（systemefficiency：S）是用通过入瞳（entrancepupil）的所有光能量，并且考虑了渐晕（vign