ZEMAX | 如何模拟斜切光纤

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发布于2024-09-19

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ZEMAX | 如何模拟斜切光纤

正文

在利用软件计算光纤耦合效率时，我们事实上无法准确模拟光在单模光纤内的传播，只能计算激光经过系统后，有多少能量可以顺利进入到单模光纤并在内部稳定前进而 (理想上) 不耗损能量。

无法计算光在单模光纤内部行为的原因是单模光纤的尺度接近耦合光的波长，属于波导而不是单纯的光导管，此时光线或自由空间的标量传播 (POP) 计算都不正确。也因此在计算耦合效率时，我们需要事先明确：符合什么条件的光才能顺利进入波导传播。

对于口径较大的多模光纤来说，这个条件是每一条光线的入射角度必须在指定NA之内。但对于单模光纤，这个条件则是整个光束 (beam) 在单模光纤端口的复振幅分布，也就是模态，必须符合一定分布。当入射光到达此光纤入口切平面时，复振幅分布中不符合该模态的部分会在光纤中传播时消逝，而无法到达另一端。以未斜切的单模光纤来说，这个可传播模态即是高斯分布。

但在实际应用中，我们常常会考虑让光纤端面斜切，这有许多好处，例如防止反射光回到系统中造成影响。当光纤斜切的时候，可接受的入射模态就会改变。严格意义上来说，必须使用专门的软件求解，例如OptiWave。当这类软件计算出一个特定复振幅分布后，即可以输入OpticStudio模拟并优化耦合透镜。

而当我们没有任何方式可以得到斜切光纤的模态时，则需要一些近似计算。光纤端面有斜切时，对入射的光线来说会有棱镜的效果，不再是正向进入光纤，也就是光束进入光纤时会被折射，造成耦合效率下降。理论上，只要我们能调整整个光纤的角度，让光束折射后，正好是正向进入光纤，就可以重新提高耦合效率。

下面我们将举例说明如何用一个倾斜面 (Tilted) 面以及像面的搭配来模拟斜切的棱镜效应，并且说明如何加入光纤的旋转来补偿效率的下降。

范例1：Ball coupling

让我们开启示例文件：\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Ball coupling.ZMX