用zemax模拟单模光纤

设计前的准备

Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel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SUSS MicroOptics FC-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@1.31μm 9.2±0.4μm

微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920

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

Coupling 0.994

1 System

Efficiency 0.998

2 Receiver

Efficiency 0.996

10 Pilot Beam

Waist 4.57μm

23 Effective Beam

Width 4.84μm

26 M2

1.082

位相是你需要关注的最有用的信息，因为Irradiance Profile几乎是理想的高斯形（M2为1.082）。接收端的模式实际上在每个地方都几乎为零，因此位相也直接告诉我们模式失配的程度。要显示位相信息，打开POP设置窗口的显示（Display）那一栏，按照下图所示的方式设置：

注意位相图的抛物线和四次曲线的形状，这等价于聚焦和球差。另外也要注意透镜边缘对位相曲线产生的影响。根据系统的效率（System efficiency），我们知道由于透镜外相尺寸的限制，系统约有小于1%的能量损耗。

这和用光线计算出来的结果是不一样的。将2D外形图的Y方向放大，便可以得到如下图所示的光线分布

类似地，当光束在两个光纤之间传输的过程中，改变透镜的间隔也会改变光束的M2 因子。

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有了这层薄膜，我们可以发现耦合效率的增加：

总结和参考资料

Zemax拥有全面的光纤耦合模拟能力：

最简单的方法：旁轴高斯光束计算方法，用来获得系统的性能的初步了解，得到系统的初级参数（First-order）；

基于光线光学的光纤耦合计算方法可以用来处理高斯形的光线模式，并且衍射效应可以忽略的情形；

物理光学传输的计算方法提供了光纤耦合建模的一个全面的解决方法，它允许具有任何复杂的模式的源光纤和接收光纤，同时也完全考虑到了衍射效应；

光学薄膜的特性和材料体吸收的效应也能够考虑进去；

简单易用的优化操作数FICL和POPD可以用来优化相关系统；

同样，用这些优化操作数也可以实现公差分析。

更多的参考资料

Corning Datasheep PI1446，April 2005

SUSS Micro-Optics FC-Q-250 Microlens array