Ansys Zemax | 如何在 OpticStudio 内对斜切端面光线进行建模

概要本文介绍了如何在 OpticStudio 中对具有一定角度斜切端面的接收光纤进行建模并仿真其耦合效率。斜切光纤面和光纤模态倾斜补偿角可以使用坐标间断 (Coordinate Break) 表面和倾斜像面的组合来引入。正确设置倾斜角以表示斜切光纤端面对于获得准确的耦合效率结果至关重要。本文讨论了设置系统的三种不同方法用户可以根据自己的偏好进行选择。主要内容了解斜切光纤的几何形状正确设置斜切光纤系统无模态倾斜补偿的耦合计算方法 1使用 CB 进行模式倾斜使用 Tilted Image 表面进行斜切角度设置方法 2直接定义倾斜像面和模态倾斜角结合光纤耦合工具进行分析方法 3使用CB进行倾斜并结合负模态倾斜角在光纤耦合工具中分析关于从斜切端面光纤发射光束的注意事项介绍在设计激光器和光纤系统时有时需要使用具有斜切端面的光纤以减少光纤端面引起的背向反射。例如具有正常端面的典型光纤-空气接口会引入 ~4% 的菲涅耳反射或 14 dB 的回波损耗这意味着大约 14 dB 的入射光将被反射回来。如果我们将光纤面的角度调整为 8 度的斜切角则可以显著抑制背向反射量低至 ~60 dB。在处理高功率激光系统时这一点尤其重要因为大功率背向反射可能会导致光源损坏。同时这在高度敏感的系统中也很重要例如内窥镜检查或使用干涉效应的系统例如光学相干断层扫描等。了解斜切光纤的几何形状考虑具有 8 度斜切角度端面的光纤假设光纤的折射率为 1.47可通过将 n 1.47 的模型玻璃分配给图像表面的材料单元完成建模。接下来我们可以考虑这种 8 度斜切光纤的几何形状以了解如何设置它。假设由绿色箭头标记的入射光束沿 Z 轴入射。通过引入适当的倾斜角度这里的目标是对齐接收光纤使其光纤光轴与折射后光束共线从而最大限度地提高耦合效率。这意味着折射角折射光束与刻面法线之间的角度应等于光纤光轴与端面法线之间的角度即斜切角。换句话说要将光纤光轴与折射光束对齐折射角需要与斜切角相同。对于此模型我们知道光纤折射率为 n 1.47同时假设光从空气中入射n 1.0。光纤斜切角度为 8 度然后设置为折射角为 8 度。在空气-光纤接口处应用斯涅尔定律我们得到通过代入光纤折射率和折射角我们得到入射角为 11.8 度这告诉我们对于给定的光纤折射率和斜切角我们可以唯一地确定沿光纤光轴放置折射光束所需的入射角从而最大限度地提高耦合效率。正确设置斜切光纤系统首先我们将设置一个简单的系统使用单透镜将来自源光纤的光耦合到接收光纤中。源光纤和接收光纤相同NA 均为 0.1。我们将从正常端面的单模接收光纤开始模拟其中端面垂直于光纤光轴。起始文件可在此处找到“\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Conic interconnect.zmx”。在本练习中我们首先进行以下更改将系统波长设置为 0.55 um使用 Object Space NA 0.2 定义系统孔径并设置切趾因子 G 4.0源光纤和接收光纤以及本例中使用的透镜系统都具有轴上的对称性当系统在物和像空间上对称时可以获得最佳耦合效率。为了在优化过程中保持这种对称性我们首先对 Surface 2 的 Thickness 单元格应用 Pickup 求解以从 Object thickness物距中获取其参数值。然后我们可以使用 Quick Adjust 工具查找最小光斑尺寸位置的像面位置。接下来我们将设置单模光纤耦合分析。您可以打开Analyze...光纤耦合...单模耦合工具在分析窗口设置内按照下图进行设置。调整物体距离后当前耦合效率计算为 99.8%。在设置下如果选中使用偏振选项来考虑两个空气-透镜界面处的菲涅耳反射损耗则耦合效率会下降到 91.5%。如果要考虑接收光纤面-空气边界的反射损失可以将模型玻璃分配给像平面的材料栏内 (n 1.47)。然后OpticStudio 将考虑该接口端面处的 ~4% 损耗耦合效率进一步下降到 88.2%。您可以在本文的 Downloads 部分找到具有这些设置的示例文件 “conic_interconnect_normal_angle_fiber_coupling.zar”。无模态倾斜角补偿的耦合计算现在我们准备在接收光纤端面上引入 8 度斜切角。我们首先看一下这样一种情况我们引入了一个 8 度的斜切面但没有重新对准接收光纤因此不会对增加的斜切进行补偿。在这种情况下设置非常简单。我们需要做的就是将像面倾斜 8 度。为此我们将像面设置为 Tilted 表面类型其中 Tangent Y 0.140541即斜切 8 度。您可以在布局图中到当前像面是倾斜的类似于斜切光纤端面。请注意仅出于演示目的在下面的所有截图中像面半直径已暂时增加到 1 毫米以清晰地显示该表面。正如预期的那样在没有补偿的情况下斜切端面会导致耦合效率显着下降从 88.2% 下降到 56.4%选中 Use Polarization 选项以包括菲涅耳反射损耗。您可以在下载部分找到此文件“conic_interconnect_angle_cleaved_fiber_without_mode_tilt_compensation.zar”使用斜切光纤时必须调整光纤进行补偿对准只有当光纤轴沿折射光束路径时才具有最佳耦合效率。根据斯涅尔定律我们知道对于 n 1.47 且斜切角为 8 度的光纤接收光纤面上所需的入射角应为 11.8 度。这将提供 8 度的折射角使折射光束沿接收光纤光轴传播。通常可以使用 Coordinate Breaks 或 Tilted surfaces 获得倾斜。但是这两种方法之间存在差异。当使用 CB 表面引入倾斜时OpticStudio 通过倾斜局部坐标系来实现这不仅会倾斜像面还会导致接收光纤模式的倾斜。默认情况下接收光纤与局部 Z 轴对齐。但是使用 Tilted Image 表面只会倾斜像面本身而不会影响局部坐标方向这使得接收光纤模式不倾斜。在以下部分中我们将介绍三种在 OpticStudio 中正确设置的方法。方法 1使用 CB 进行模式倾斜使用 Tilted Image 表面进行劈裂角度这是推荐的方法因为它将端面斜切角和模态倾斜补偿角分开定义。此外与在“光纤耦合”分析窗口中设置模态倾斜补偿角的方法 2 相比这种方法通过镜头数据编辑器中的 CB 表面可以直接定义模态倾斜角使得访问倾斜角度参数变得容易并且可以作为变量进行优化。在这种方法中我们将首先在像面前面输入 CB 表面分配 Tilt X 3.8 度。这是为了引入局部 Z 轴的倾斜随后将像面和接收光纤模态倾斜 3.8 度。将像面设置为 Tilted surface 类型并设置其 Tangent Y 0.140541这相当于从已经倾斜的 3.8 度局部 Y 轴再倾斜 8 度。现在入射光线与像面法线之间的角度为 11.8 度即所需的入射角。您可以看到在选中 Use Polarization 时耦合效率回升至 88.2%。该值非常接近以前在正常端面光纤情况下实现的耦合值。您可以在“下载”部分找到此文件 “conic_interconnect_angle_cleaved_method_1_cb_tilt_image.zar”。方法 2在光纤耦合工具中使用倾斜像面和模态倾斜角在此方法中像面再次设置为 Tilted surface 类型但是不设置 8 度的倾斜而是分配 Tangent Y 0.209005大约偏离 Y 轴 11.8 度的倾斜。这会将入射光束和斜面法线之间的角度设置为 11.8 度即所需的入射角。折射后光束与斜切面法线形成 8 度角。需要记住的一点是Tilted surface 类型不会影响局部坐标系这意味着像面上的局部 Z 轴与入射光束保持平行从而与折射光束形成 3.8 度角。为了解决这个问题在光纤耦合工具中我们需要将光纤模式倾斜 3.8 度使其沿折射光束对齐。可以通过Analyze...光纤耦合...单模耦合的设置中将 “Tilt About X” 输入 3.8 度实现。这将使光纤模态绕局部 Z 轴顺时针倾斜 3.8 度然后将光纤模式与光纤内部的折射光束对齐。在此模态倾斜调整后您可以看到在选中 Use Polarization 时耦合效率现在回升至 88.2%。这与我们使用方法 1 获得的结果非常接近也非常接近在正常斜切光纤情况下的计算结果。您可以在“下载”部分找到此文件 “conic_interconnect_angle_cleaved_method_2_tilt_image_pop_tilt.zar”。方法 3在光纤耦合工具中使用 CB 引入倾斜和负模态倾斜角在这种方法中我们不会将 Tilted surface 类型用于像面。首先我们将像面前插入一个 Coordinate Break 表面并将 Tilt About X 设置为 11.8 度提供所需的 11.8 度入射角。此外它还将绕局部 Z 轴顺时针倾斜 11.8 度并将接收光纤模态倾斜 11.8 度使其沿着表面法线。从前面的计算中我们知道折射角是 8 度意味着我们需要将光纤模态逆时针倾斜 8 度使其沿折射光束路径放置。与方法 2 类似这个光纤模态倾斜角可以通过Analyze...光纤耦合...单模耦合器设置进行定义。现在我们将 “Tilt About X ” 设置为 -8 度经过此调整后在选中 Use Polarization 选项的情况下光纤耦合效率再次恢复到 88.2%。您可以在下载部分找到此文件 “conic_interconnect_angle_cleaved_method_3_cb_pop_negative_tilt.zar”。结论本文介绍了建立斜切端面光纤耦合系统的三种不同方法。我们还介绍了一种从斜切光纤发射光束的方法。它讨论了在像面上使用 Coordinate Break 表面和 Tilted 表面类型之间的区别。它演示了如何对斜切光纤端面进行建模以及如何引入模态倾斜角来补偿斜切。我们可以看到通过适当的光纤对准补偿斜切光纤的耦合效率与使用正常端面光纤的耦合效率非常匹配。这三种方法都可以在 OpticStudio 中直接实现选择的方法将取决于用户的应用和偏好。