自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析
zemax自聚焦透镜设计
目录摘要 (I)Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1)1 自聚焦透镜简介 (2)1.1自聚焦透镜 (2)1.2 自聚焦透镜的特点 (2)1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3)2 自聚焦透镜的应用 (4)2.1 聚焦和准直 (4)2.2 光耦合 (5)2.3 单透镜成像 (6)2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6)3 球面自聚焦透镜设计仿真 (7)3.1 确定透镜模型 (7)3.2 设置波长 (7)3.3数值孔径设定 (8)3.4 自聚焦透镜光路 (8)4 优化参数 (9)4.1光线相差分析 (9)4.2聚焦光斑分析 (10)4.3 3D模型 (10)结束语 (11)致谢 (12)参考文献 (13)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。
自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。
关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直AbstractThis article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system.Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation绪论自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析光电报告
课程设计任务书学生姓名：助人为乐专业班级：不计得失指导教师：一定过工作单位：信息工程学院题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析初始条件：计算机、beamprop或Fullwave软件要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周技术要求：（1）学习beamprop软件。
（2）设计自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析（3）对自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合进行beamprop软件仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
第6-9天对自聚焦光纤的设计进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
第10天提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)1绪论 (1)2自聚焦光纤简介 (2)2.1自聚焦光纤的原理 (2)2.2自聚焦光纤的耦合 (3)2.3自聚焦光纤应用 (4)3自聚焦光纤设计及仿真 (4)3.1软件简介 (4)3.2自聚焦光纤设计 (5)3.3自聚焦光纤仿真 (7)3.4自聚焦光纤的耦合 (9)4总结 (11)参考文献 (12)摘要本文主要说明自聚焦是指某些材料受强光照射时，材料折射率发生与光强相关的变化。
当照射光束强度在横截面的分布是高斯形时，而且强度足够产生非线性效应的情况下，此时材料折射率的横向分布也是钟形的，因而材料好像会聚透镜一样能会聚光束。
自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小。
自聚焦光纤的折射率分布一般采用具有抛物线型的折射率梯度分布，在自聚焦光纤棒中,光线的轨迹是正弦型的。
光纤旋转连接器耦合误差分析
2
(4)
图2
光纤准直器径向偏差
3
不同误差的耦合损耗规律分析
通过二维高斯函数对于 2 个光纤准直器的径向 偏差 X0，透镜的光斑尺寸 ω1 进行变形，可得出 L X0 径向偏差耦合损耗的数学模型如式 (2)：
LX 0 = 4.343
上面讨论了 3 种装配误差引起的耦合损耗值的 数学模型，下面通过实验数据分析每种耦合损耗的 影响。 3.1 实验与验证平台
(3)
调节一对光纤准直器中的一根的光纤准直器的 y 轴，分别在不同的径向偏差点进行记录，结果如 表 1 所示。
第 10 期
表1
序号 1 2 3 4 径向偏差 / μm 1 5 10 25
千应庆，等：光纤旋转连接器耦合误差分析
径向偏差和耦合损耗
序号 5 6 7 8 径向偏差 / μm 50 100 150 200 耦合损耗 / dB 0.32 0.97 2.15 4.17
Coupling Error Analysis of Fiber Optic Rotary Connector
Qian Yingqing, Wang Xiaofeng, Jiang Lianghong, Xu Runhua, Chen Rui
( Academy of Mechanical Engineering , Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China ) Abstract: According to the problem that mechanical precision and assembly technology cannot meet the application demands when a couple of fibers non-contact dynamic connected each other, this article analyzes the coupling error of optical fiber rotate connector. Based on analyzing the trace of fiber collimator, it is established an insertion loss and coupling efficiency theory model that analyze the discipline in aspect of radial deviation, axial deviation and angular deviation. This research obtains the effect discipline of the three errors on transmission loss of optical path through experimental data. With the result that the sensitivity sequence from big to small of coupling error of fiber collimator is angular deviation, radial deviation and axial deviation. The researches accomplish the rotary connection of optic fiber and provide the theoretical basis of developing of single and multi channel fiber optic rotary connectors. Key words: optical transceiver; fiber connection; fiber collimator; graded refractive index lens; fiber optic rotary connector
zemax自聚焦透镜设计
目录摘要 (I)Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1)1 自聚焦透镜简介 (2)1.1自聚焦透镜 (2)1.2 自聚焦透镜的特点 (2)1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3)2 自聚焦透镜的应用 (4)2.1 聚焦和准直 (4)2.2 光耦合 (5)2.3 单透镜成像 (6)2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6)3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8)3.1 确定透镜模型 (8)3.2 设置波长 (8)3.3数值孔径设定 (9)3.4 自聚焦透镜光路 (9)4 优化参数 (10)4.1光线相差分析 (10)4.2聚焦光斑分析 (12)4.3 3D模型 (12)结束语 (13)致 (14)参考文献 (15)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。
自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。
关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直AbstractThis article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system.Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation绪论自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
光纤耦合器的理论_设计及进展
第30卷第1期 2010年3月物 理 学 进 展PROGRESS IN PH YSICS V ol.30No.1 M ar.2010文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44收稿日期:2009-11-18基金项目:国家自然科学基金(10674075,10974100,60577018)、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、国家863计划项目(2006A A01Z 217)、光电信息技术科学教育部重点实验室开放基金项目资助*Ema il:zhangw g@nanka 光纤耦合器的理论、设计及进展林锦海,张伟刚(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要: 系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X 型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。
作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。
关键词:光纤光学;光纤耦合器;光纤通信;光纤传感;超长周期光纤光栅中图分类号:T N253;T N929 文献标识码:A0 引言光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件,是光纤系统中使用最多的光无源器件之一,在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。
光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。
根据光的耦合原理,人们已经设计出了多种光纤耦合器器结构。
包括:X 型光纤耦合器、星型光纤耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等。
随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。
光纤准直器的耦合效率
４ 结论
本 文 通 过 对 高 斯 光 束 的 学 习和 对 光 纤 准直 器 的 理 论 分 析 ， 得 到 光 纤 准 直 器 的 变 换矩 阵 和 两 准 直 器 间存 在 径 向错 位 、 轴 向 夹 和 轴 向 间距 时 ， 两 准 直 器 间 的 耦 合 效率 ， 为 光 纤 准直 器的 使 用 奠 定 理
线传播方向与ｚ 轴的夹角， Ｉ ｒ ｎ Ｉ 一 Ｌ 为变换矩阵。
ｃ ｚ
ｚ ［ △ ， ＋ （ △ ）
＋
Ｉ （ Ｊ ｝ ｌ ） Ｉ （ ｝ ｝
其 中ｒ ０ 为 入 射 光 线离 开 Ｚ 轴 的 垂直 距 离 ； ０ ０ 为入 射 光 线 传播 方 向与 Ｚ 轴的夹角； ｒ ｍ为 出射 光 线 离 开ｚ 轴的垂直距离 ｝ ｅ ｉ ｎ 为 出射 光
为高 斯光束的共焦 参数 ， ‰ 为 基 模 ｒ ｒ八ｚ ］
唧
其 中： 为波 长 ； ｆ ＝
高． ｅ ｘ ｌ －
＿ ． ｃ ｘ ｐ ） ］ 一 ］
㈥ （ ６ ）
厂雨
高 斯 光 束 的 腰 斑 半 径； （ ） ｌ 【 专 Ｊ ｌ 为 在 ｚ 处 的曲 率 半 径；
当光 线从 参 考面 Ｒ Ｐ１ 入射 ， 通过 Ｔ１ ， Ｔ２ ， …… ， Ｔｍ多个 元件 的 光学系统后， 由参 考 面 ＲＰ ２ 出射 。 光学系统对光线的变换表示为…
ｚ ［ 她 ）
其中， ：ｑ ， ， ２ ＝ｑ ＋ 。
２
［ ］ ＝ ［ 。 Ｇ １ ｒ ￣ ｏ １ ＝ 一 。 Ｌ ［ ］
＝（ ｇ ｌ ， ｃ ｏ １ 、 ∞２ 分别为准直镜 １ 、 ２ 出射 光 束 的光 斑 半 径 。 将（ ５ ） 、 （ ７ ） 式 和（ ６ ） 、 （ ７ ） 式 分 别 代入 （ ４ ） 式， 可得 两 准直 镜 间存 在 ｅ ｘ 、 ｅ Ｙ 时， 光纤 滑 环 的 耦 合 效 率 、 ， ７ ： 分 别 为
光纤与光源耦合方法实验
光纤与光源耦合方法实验一.实验目的初步掌握光纤切割技术，光纤与光源耦合技术，体会透镜数值孔径对耦合效率的影响。
二.实验原理光纤作为无源器件，是光纤传感器中基本组成部分。
其端面处质量的好坏直接影响与光源耦合的效率及光信号的采集。
光纤端面的处理可分为两种形式，即平面纤头和透镜牵头，本次实验主要是平面光纤头的制作。
光耦合是将光源发出的光，注入到光纤中的一个过程。
光耦合效率与光纤端面质量和耦合透镜的是指孔径有关，当光纤端面处理的质量较好，其数值孔径与耦合透镜数值孔径相匹配时可得到最佳耦合效率。
耦合方法光纤与光源的耦合有直接耦合和经聚光器件耦合两种。
聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜之分。
自聚焦透镜的外形为“棒”形（圆柱体），所以也称之为自聚焦棒。
实际上，它是折射率分布指数为2（即抛物线型）的渐变型光纤棒的一小段。
自聚焦透镜自聚焦透镜又称梯度折射率透镜，是指其内部的折射率分布沿径向逐渐减小的柱状透镜。
由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，可以在多种不同的微型光学系统中使用更加方便。
并在集成光学领域如微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备有着广泛的应用。
梯度折射率透镜是光通讯无源器件中必不可少的基础元器件。
应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，被分别使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激光器等方面。
直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的“对接”耦合。
这种方法的操作过程是：将用专用设备使切制好并经清洁处理的光纤端面靠近光源的发光面，并将其调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大），然后固定其相对位置。
这种方法简单，可靠，但必须有专用设备。
如果光源输出光束的横截面面积大于纤芯的横截面面积，将引起较大的耦合损耗。
经聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大）。
这种耦合方法能提高耦合效率。
自聚焦透镜在光纤准直器中的应用分析
&
光纤准直器
根据自聚焦透镜的传光原理，对于 A N % 节距的自聚焦透镜，当 汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平 行光线 * 自聚焦透镜的这一准直功能如图 A 所示 * 光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学器 图 A 自聚焦透镜准直原理示意图 件，它由 A N % 节距的自聚焦透镜和单模光纤组成 （图 !） ，其用途是 对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤与光纤间的耦合效 I9JDA K46 8())9:036@ L.9/>9M)6 I9J-.6 (1 0 FGH+ 率 * 这种光纤准直器的特点是两光纤准直器间有较长的间距，可以插入光学元件 *
光纤准直器插入损耗和回波损耗 的测试方框图如图 ’ 所示 - 测试插入 损耗和回波损耗时要注意的是：光源 的波长必须在工作波长范围内，并使 任何可能注入的高次模得到足够的衰 减，光纤在熔接和插入探头前必须用 切割刀切好端面 现以图 （ 两两对调法为例说明 ’ /） 其测量方法及步骤 第一 步：先 启 动 光 功 率 计 电 源， 在无光输入的情况下，按下 LMKN 键 （自动清零） 功率计显示 %0%% 1O- 将 耦合器 & 端与光源熔接，* 端插入光 功率 计 探 头 中，按 下 功 率 计 P:NKM7 键存储，设定基准，然后再按下 QRJ: 键把功率单位转换为 34第二步：任意取两个准直器固定 在微调架上，将其中一准直器光纤线
第 !" 卷 第 # 期 西 南 师 范 大 学 学 报（自然科学版） !$$% 年 & 月 ’() * !" +( * # ,(-./0) (1 2(-345673 849/0 +(.:0) ;/9<6.793=（+03-.0) 2>96/>6 ?@939(/） ,-/ * !$$% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
光输出耦合效率
光输出耦合效率光输出耦合效率是指在光纤通信系统中，光源能够有效地将光能传输到光纤中的比例。
光输出耦合效率的高低直接影响着光纤通信系统的性能和传输质量。
本文将从光源特性、光纤特性和耦合装置等方面来探讨光输出耦合效率的影响因素和提高方法。
光源的特性对光输出耦合效率有着重要影响。
光源的发光强度、光束质量和光谱特性等都会影响光的耦合效率。
发光强度越高，光输出耦合效率就越高。
而光束质量则决定了光的传输性能，好的光束质量能够减小光在传输过程中的损耗，提高光输出耦合效率。
光源的光谱特性也会影响光的耦合效率，要保证光源的光谱与光纤的工作波长相匹配，才能实现高效的耦合。
光纤的特性也是影响光输出耦合效率的重要因素。
光纤的纤芯直径、折射率和损耗等参数都会对光的耦合效率产生影响。
光纤的纤芯直径越小，光输出耦合效率就越高，因为光在小直径纤芯中的传输损耗较小。
而纤芯的折射率也会影响光的耦合效率，要保证光纤和耦合装置之间的折射率匹配，才能实现高效的耦合。
此外，光纤的损耗也会导致光输出耦合效率的下降，因此需要选择低损耗的光纤材料和合适的接口处理方式来提高耦合效率。
耦合装置的设计和调整也是提高光输出耦合效率的关键。
耦合装置的设计应考虑光源和光纤之间的匹配问题，合理选择焦距和位置，使得光能够尽可能地聚焦到光纤的纤芯上。
调整耦合装置时，需要通过调节位置、角度和焦距等参数来优化耦合效率。
此外，还可以使用透镜、偏振器和耦合透镜等辅助器件来提高耦合效率。
光输出耦合效率是光纤通信系统中一个重要的性能指标。
光源特性、光纤特性和耦合装置等因素都会对光输出耦合效率产生影响。
为了提高光输出耦合效率，可以从优化光源特性、选择合适的光纤和设计调整耦合装置等方面入手。
通过科学合理的设计和调整，可以实现光输出耦合效率的最大化，提高光纤通信系统的性能和传输质量。
准直器型光纤旋转连接器的耦合分析与研究
准直器型光纤旋转连接器的耦合分析与研究作者：赵晖王忠强马乙文戴阳来源：《今日自动化》2020年第05期[摘要]本文以准直器型光纤旋转连接器作为研究对象，简要介绍了单通道/多通道两种光纤旋转连接器的结构特征与工作原理，针对角度偏差、离轴偏差和轴向偏差三种耦合损耗情况进行详细分析，并结合耦合损耗对插损的影响设计了三类偏差值的具体优化分配方案。
研究结果表明，需将准直器型光纤旋转连接器的角度偏差控制在0.07°范围内、离轴偏差限制在0.01 mm以内、工作距离不超过10 mm，基于上述指标生产出的样品插损率低于2 dB、插损变化量不超过1 dB，能够为光纤旋转连接器性能优化与产能提升提供参考价值。
[关键词]准直器;光纤连接;耦合误差[中图分类号]TN253;TJ03 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）05–00–03Coupling Analysis and Research of Collimator Type Optical Fiber Rotary ConnectorZhao Hui， Wang Zhong-qiang， Ma Yi-wen， Dai Yang[Abstract]This paper takes collimator type optical fiber rotary connector as the research object，briefly introduces the structural characteristics and working principle of single channel / multi-channel optical fiber rotary connector， analyzes the coupling loss of angle deviation， off-axis deviation and axial deviation in detail， and designs the specific optimal allocation scheme of three kinds of deviation values according to the influence of coupling loss on insertion loss 。
空间光至单模光纤耦合效率的最大值
空间光至单模光纤耦合效率的最大值空间光至单模光纤耦合效率的最大值是一个非常重要的指标，它直接影响着光通信、光传感和光控制等领域的应用效果。
在这篇文章中，我们将详细介绍空间光至单模光纤耦合效率的最大值，并探讨如何提高耦合效率。
首先，让我们来了解一下什么是空间光和单模光纤。
空间光是指在自由空间中传播的光波，其中包含多个传输模式，即多模光。
而单模光纤是一种只能传输单个模式的光纤，其核心直径非常小，通常只有几个微米（μm）。
在实际应用中，通过将空间光与单模光纤相耦合，可以实现无线通信、微波信号传输、光传感和激光束聚焦等功能。
空间光至单模光纤的耦合效率主要受到两方面因素的影响：第一是模态匹配，第二是耦合损耗。
模态匹配是指空间光中的各种模式与单模光纤中的单个模式之间的匹配程度。
当空间光的模式与单模光纤的模式完全匹配时，模态匹配度最高，耦合效率也会达到最大值。
而耦合损耗则是指在空间光至单模光纤耦合过程中发生的能量损失。
耦合损耗包括不完全反射、散射和吸收等因素，这些因素会降低耦合效率。
那么，如何提高空间光至单模光纤的耦合效率呢？有以下几种方法：第一，准确定位。
在进行耦合之前，需要准确确定光源和单模光纤之间的距离，以确保光线经过空间光和单模光纤的焦点位置。
同时，需要精确调整入射角度和偏振状态，使其匹配。
第二，采用透镜。
透镜可以用来聚焦光线，将散乱的光线聚焦到单模光纤的输入端。
通过选择合适的透镜参数，可以实现更好的耦合效果。
第三，使用光纤耦合器。
光纤耦合器是一种专门设计用于实现空间光与单模光纤耦合的器件。
通过合理设计光纤耦合器的结构和参数，能够增加耦合效率和减小耦合损耗。
第四，表面处理。
在空间光和单模光纤接触面上进行表面处理，可以减少反射和散射，从而提高耦合效率。
常见的表面处理方法包括镀膜和改善光纤端面质量等。
通过采用以上方法，可以显著提高空间光至单模光纤的耦合效率，使其接近于最大值。
更高的耦合效率意味着更高的光功率传输、更低的信号损耗，进一步推动了光通信和光传感技术的发展。
实验3.6 光纤光学基础实验
实验人：刘颖，合作人：彭梦然（中山医学院，临床八年2012级物理班，学号12980082）2014年4月13日摘要：本实验主要通过测量、对比直接耦合与加上聚焦透镜后光纤耦合两者不同的光纤耦合效率η来了解光纤端面耦合方法的区别，并尝试了解光纤端面制备方法；同时，通过测量并计算多模光纤的数值孔径进一步了解光纤性质。
最后，通过对光纤压力、温度传感器的工作性质进行定量分析，了解光纤传感器的工作原理以及光纤在实际生活中的应用。
关键词：光纤耦合效率 数值孔径 光纤传感器一. 引言光纤（即光导纤维，optical fiber ）是20世纪70年代发展起来的一种新型光电子材料，最初用于通信，70年代末用于传感技术。
普通光纤由高纯度石英玻璃在高温下拉制而成，有传输损耗低、频带宽、纤径小、重量轻、抗干扰性好、耐腐蚀、耐高温等优点。
本实验通过光纤端面处理、光纤耦合系数、数值孔径的测量、光纤传感器等实验，了解光纤传播的基本特性，学习光纤光学的基础知识。
二．实验方法和装置【实验原理】 1. 光纤的传播模式光波在光纤中的传播，主要是交变的电场和磁场在光纤中向前传播。
电磁场的各种不同分布形式，称为“模式”（mode ）。
任何在光纤中传输的光波必须满足在纤芯和包层界面上应用 M axwell 波动方程的边界条件，其结果是，光纤中的光波只能形成独特的一个或多个模式。
单模光纤是只能传输一种模式的光纤，在光纤的横截面上只存在一种电磁场分布模式；而多模光纤能传输多个模式，在光纤横截面上允许多个电磁场分布模式同时存在。
2. 光纤的数值孔径在均匀折射率光纤中，光是依靠在纤芯和包层两种介质分界面上的全反射向前传播的。
射入光纤的光线有两种，一种是穿过光纤纤芯轴线的光线，叫子午光线，如图 3.6. 3（a ）所示，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线前进。
另一种是弧矢光线，不穿过纤芯的轴线，如图 3.6. 3（b ）所示，从光纤的横剖面上看，弧矢光线的传播轨迹呈多边形折线状。
空间光多模光纤的单模耦合效率分析
期空间光-多模光纤的单模耦合效率分析Analysis of space optical-multimodefiber-single mode fiber coupling efficiencyWU Shiqi1,LIN Yixiang1,MU Ran2,CHEN Jing2(1.The10th Research Institute of CETC,Chengdu610036,China;2.School of electronic information,Wuhan University,Wuhan430072,China)Abstract:Single-mode fiber coupling is one of the key technologies in space optical communication for preamplifier and hetero-dyne detection.Multimode fiber can realize approximately single-mode transmission in a short distance.Under certain conditions, multi-mode fiber is used as coupling fiber,which can take into account both single-mode and multi-mode applications,improves the efficiency of optical coupling.The transmission characteristics of multimode fiber are studied by using multi-phase screen and beam propagation method.The mode coupling method is used to calculate the coupling efficiency between the coupled light field and the mode field of the multimode fiber.The mode matching method is used to calculate the matching efficiency between the multimode fiber coupled light field and the fundamental mode field.The simulation results show that the varies periodical-ly with the length of the multimode fiber when the atmospheric turbulence intensityparameter=1,5,10,and its peak valuecan reach2~3.5times the peak value of direct single-mode fiber coupling efficiency.When controlling the transmission distance of multimode fiber,the maximum value can be obtained,so that multimode fiber can be applied to single mode applications such as coherent optical communication.Key words:space optical-multimode fiber coupling;atmosphere turbulence;coupling efficiency;beam propagation method吴世奇1，林贻翔1，牟冉2，陈晶2(1.中国电子科技集团公司第十研究所,成都610036;2.武汉大学电子信息学院,武汉430072)摘要:在空间光前置放大和外差探测应用中，单模光纤耦合是空间光通信的关键技术之一。
光纤耦合效率
光纤耦合是一种重要的光学传输方式，其效率对光学系统的性能有着重要影响。
本文将介绍光纤耦合效率的影响因素、提高方式以及其在应用中的重要性。
第一段：光纤耦合效率的影响因素光纤耦合效率受到多种因素影响，主要包括光源、光纤头和基底板的几何形状、光纤之间的距离和波长等。
其中，光源的发光强度和发光的角度决定了入射光的强度和角度，从而影响光纤传输的能力。
光纤头和基底板的几何形状对耦合效率有很大影响，合适的结构能够使耦合效率更高。
光纤之间的距离和波长也会对耦合效率产生影响。
第二段：提高光纤耦合效率的方式提高光纤耦合效率的方式有多种，最常用的方法是采用微调光纤头和基底板来实现，调整光纤之间的距离和角度，从而达到更好的耦合效率。
另外，也可以通过改变波长和入射角度，调整光纤头和基底板的形状等方法，来达到提高耦合效率的效果。
第三段：光纤耦合效率在光通信中的重要性光纤耦合效率对于光通信来说是尤为重要的，因为它决定了信号的强度和传输的距离。
提高光纤耦合效率对于提高光通信的带宽和传输速度也有很大的影响。
因此，目前光通信系统中常采用贴片式光纤耦合器来提高系统的性能。
第四段：光纤耦合效率在光传感器中的应用光纤耦合效率在光传感器中也有很重要的应用。
在一些需要高精度传感的应用中，如光纤陀螺仪、光纤加速度计等，提高光纤耦合效率可以使得传感器信号更加灵敏和准确。
因此，光纤耦合效率在光传感器中也是非常重要的。
第五段：总结总体来说，光纤耦合效率在光学应用中起着非常重要的作用。
通过对影响因素的了解，合适的提高方式可以有效提高光纤耦合效率。
在光通信和光传感器中，提高光纤耦合效率可以有效提高系统的性能和传感器的灵敏度。
因此，在光学设计中应该越来越加注意这个问题。
光纤耦合器的几种制作方法
光纤耦合器的几种制作方法光纤由于其独特的优势广泛应用于各种传输系统中。
而在光纤传输系统的高传输效率包括光纤的传输效率和激光与光纤耦合的效率。
随着光纤加工技术的逐渐成熟，光纤传输损耗已经大大降低了。
因此光源与光纤的耦合问题越来越突出。
本文为您简单介绍一下光纤耦合的3种分类方式。
光纤介绍在了解光纤耦合之前，我们先来简单介绍一下光纤。
光纤是一种将信号从一端传送到另一端的媒介。
一般由纤芯、包层和涂覆层组成。
光纤种类很多，根据材料、传输模式、折射率分布和工作波长大致可分为以下几种。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景选择适合的光纤进行连接。
光纤耦合方式分类光纤耦合是采用光学系统对一端的光束进行准直、整形、变换，进一步耦合到另一端光纤中的一个过程。
一方面可以改善光束质量，另一方面由于光纤柔软可弯曲，可以将光能量导向任意方向，极大提高应用范围。
直接耦合直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的“对接”耦合。
通常情况下，主要包括光纤直接耦合和光纤微透镜直接耦合两种。
这种耦合方式具有灵活方便、加工制作简单的优点。
光纤直接耦合所谓的光纤直接耦合就是将激光器直接与光纤对准连接。
通常情况下，光纤芯径的匹配以及光纤数值孔径NA的匹配是影响光纤直接耦合效率的主要原因。
NA是光纤的主要参数，它代表光纤端面接收光能力的大小。
NA越大，光纤接收能光的能力越强。
光纤微透镜直接耦合减小透镜焦距可以提高耦合效率，要得到最小的透镜，就是直接将光纤端面制成一定大小和形状的微透镜，然后直接对准激光器进行耦合。
光纤端面使用一定的加工工艺制作成这种锥形得光纤耦合效率较高，制作工艺较简单，且体积小，价格低。
把光纤端面加工成半球形得微透镜，则相当于增加了系统中的数值孔径，可以提高耦合效率。
示意图如下图所示。
光学透镜耦合光学透镜耦合法是目前光源和光纤耦合时常用的方法之一。
一般可分为单透镜、自聚焦透镜和组合透镜系统等。
单透镜这种耦合方式通常是由单个透镜构成。
光纤耦合原理
光纤耦合原理光纤耦合是指将光源的光能耦合到光纤中传输的过程。
光纤耦合技术是光通信领域中的重要技术之一，它直接影响到光通信系统的性能和可靠性。
光纤耦合原理是指光源与光纤之间的能量传输和匹配的原理，下面将从光纤耦合的基本原理、耦合效率、影响因素和优化方法等方面进行介绍。
首先，光纤耦合的基本原理是利用光学元件（如透镜、光栅等）将光源的光能耦合到光纤中，并通过光纤将光信号传输到目标位置。
在光纤耦合过程中，光源发出的光束经过光学元件聚焦后，尽可能多地耦合到光纤的入口端，然后通过光纤的传输，最终到达光纤的出口端。
在这个过程中，需要考虑光源的光束发散角、光学元件的聚焦能力以及光纤的损耗等因素，以提高光纤耦合的效率。
其次，光纤耦合效率是衡量光纤耦合性能的重要指标之一。
光纤耦合效率的高低直接影响到光通信系统的性能和成本。
提高光纤耦合效率需要从光源、光学元件和光纤等方面进行优化。
例如，选择高亮度、低发散角的光源，设计高精度的光学元件，采用低损耗的光纤等措施，都可以有效提高光纤耦合效率。
影响光纤耦合效率的因素有很多，主要包括光源的发散角、光学元件的质量、光纤的损耗以及环境因素等。
光源的发散角越小，光束聚焦到光纤入口端的能量就越多；光学元件的质量越高，聚焦能力就越强；光纤的损耗越小，传输损耗就越小；环境因素如温度、湿度等也会对光纤耦合效率产生影响。
最后，为了提高光纤耦合效率，可以采取一些优化方法。
例如，可以通过优化光源的发散角、改进光学元件的设计、选择低损耗的光纤材料、控制环境因素等方式来提高光纤耦合效率。
此外，还可以采用自动对准、实时监测等技术手段来提高光纤耦合的精度和稳定性。
综上所述，光纤耦合原理是光通信系统中的重要环节，光纤耦合效率的高低直接关系到系统的性能和可靠性。
通过深入理解光纤耦合的基本原理、耦合效率、影响因素和优化方法，可以更好地应用光纤耦合技术，提高光通信系统的性能和可靠性。
lumerical 单模光纤耦合效率
lumerical 单模光纤耦合效率（原创实用版）目录1.引言2.Lumerical 软件概述3.单模光纤耦合效率的计算方法4.影响单模光纤耦合效率的因素5.提高单模光纤耦合效率的措施6.结论正文1.引言光纤通信技术在我国得到了广泛的应用，其中单模光纤由于其传输速度快、传输距离远等特点，在长距离通信中占据主导地位。
在单模光纤通信系统中，光纤之间的耦合效率直接影响到系统的性能。
因此，研究单模光纤耦合效率具有重要的理论和实际意义。
2.Lumerical 软件概述Lumerical 是一款专业的光纤仿真软件，可以模拟光纤的传输特性、光纤之间的耦合效率等。
该软件采用有限元分析方法，可以精确地计算光纤的各种参数，为研究光纤通信系统提供有力的理论支持。
3.单模光纤耦合效率的计算方法在 Lumerical 软件中，单模光纤耦合效率的计算采用光线追踪法。
首先，需要建立光纤的模型，包括光纤的纤芯、包层以及连接两个光纤的耦合器。
然后，通过计算光线在光纤中的传播路径以及光线在耦合器处的传播方向，可以得到耦合效率。
4.影响单模光纤耦合效率的因素单模光纤耦合效率受到多种因素的影响，包括光纤的纤芯直径、数值孔径、耦合器的结构等。
为了提高耦合效率，需要对这些因素进行优化。
5.提高单模光纤耦合效率的措施在 Lumerical 软件中，可以通过调整光纤的参数、优化耦合器的结构等方式来提高单模光纤耦合效率。
此外，还可以采用自聚焦透镜、球透镜等方法来提高耦合效率。
6.结论综上所述，Lumerical 软件在计算单模光纤耦合效率方面具有较高的精度和可靠性。
光纤准直器的耦合效率
69科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 工 业 技 术由于光纤准直器质量轻、体积小、输出近平行光优点[1],被作为耦合器件广泛应用于光纤通信中。
本文对光纤准直器的原理进行分析,得到光纤准直器的变换矩阵和存在径向错位、轴向夹和轴向间距时的耦合效率,为以后光纤准直器的使用提供理论参考。
1 高斯光束及其传播法在均匀介质中沿z轴传播的基模高斯光束的可以表示为[2]2222000022x exp exp arctan ()()2()C x y x y z i z z z R z f（,y,z)=(1)其中:λ为波长；2f为高斯光束的共焦参数；0 为基模高斯光束的腰斑半径；2()1f R z z z为在z 处的曲率半径；()z 2 光纤准直器的变换矩阵2.1高斯光束的变换矩阵图1为多个元器件的光学系统,图中z表示,RP1为入射面,RP2为出射面,T1,T2,…,Tm分别为光学元器件。
当光线从参考面RP1入射,通过T1,T2, ……,Tm多个元件的光学系统后,由参考面RP2出射。
光学系统对光线的变换表示为[1]001100m m m m r r r A B T T T C Dg L (2)其中r0为入射光线离开z轴的垂直距离;θ0为入射光线传播方向与z轴的夹角;rm为出射光线离开z轴的垂直距离;θm为出射光线传播方向与z轴的夹角, 11m m AB T T T CDL 为变换矩阵。
2.2光纤准直器的变换矩阵(1)如图2所示,准直镜由单模光纤(SMF)和自聚焦透镜(GRIN)组成。
GRIN的折射率分布为 2012A n n r,其中n0为轴心上的折为折射率分布常数。
R P1-R P3组成的变换矩阵为45342312AB M M M MC D(3)其中:1210100M n n,23sincos cos M,3401100M n n,45101z M,所sin cos cosA B C D n,其中1n 为空气折射率。
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课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子0902 指导教师：工作单位：信息工程学院题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析初始条件：（1）掌握光纤技术与应用基本原理（2）Beamprop软件（3）计算机要求完成的主要任务:设计一个自聚焦光纤，观察其仿真结果，并对耦合效率进行仿真，得到相应的结果。
时间安排：2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
2012.6.25-6.28学习beamprop软件(或Fullwave软件)，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
2012.6.29-7.5对自聚焦光纤进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
2012.7.6 提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abstract (II)绪论 (1)1 自聚焦光纤简介 (2)1.1自聚焦光纤 (2)1.2 自聚焦光纤的特点 (2)1.3 自聚焦光纤的主要参数 (3)2 自聚焦光纤的应用 (4)2.1 聚焦和准直 (4)2.2 光耦合 (5)2.3 单透镜成像 (6)3自聚焦光纤设计仿真 (7)3.1 Beamprop简介 (7)3.2 波导绘制及参数设置 (8)3.3 自聚焦光纤功能仿真 (10)3.4 自聚焦光纤的耦合效率对比 (11)4 心得体会 (13)参考文献 (14)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦光纤（GRIN lens），自聚焦光纤主要应用于光纤传输系统中。
自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。
关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直AbstractThis article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system.Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation绪论自聚焦光纤体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。
由于这种GRIN光纤内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量,在某些场合可以代替非球面光学元件。
此外这种光学元件的几何形状简单,容易进行光学加工,且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。
因此GRIN光纤透镜已经被越来越多地应用于光学系统，尤其是在光纤通信领域中。
其中自聚焦光纤用于光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用、解复用器件以及光开关等显示出独特的优势。
Beamprop是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。
此软件由美国RSOFT公司出品，1994年投入市场，被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。
此软件使用先进的有限差分光束传播法(finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。
用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。
其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。
另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。
1 自聚焦光纤简介1.1自聚焦光纤渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦光纤是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜。
具有准直、聚焦和成像功能[1]。
随着人们对于信息需求量的日益增加，光纤通信系统正以日新月异的速度迅速发展，有两类光纤通信系统备受人们青睐，一类是长途干线光纤通信系统；另一类是局域网和用户回路光纤通信系统。
在光纤局域网和用户回路通信系统中，需要用到大量的光无源及有源器件，例如：光耦合器、波分复用器、光开关和光收发器件等等。
这些器件无一例外使用了自聚焦光纤。
1.2 自聚焦光纤的特点光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。
传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。
自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点[2]。
它们的光路如图1.1所示。
图1.1 普通透镜和自聚焦光纤光路自聚焦光纤利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征[3]，其折射率变化由公式1表述。
其折射率分布曲线见图1.2。
)21()(2r A N r N O -= （1） 公式（1）中：O N ——表示自聚焦光纤的中心折射率D ——表示自聚焦光纤的直径A ——表示自聚焦光纤的折射率分布常数图1.2 自聚焦光纤折射率分布曲线1.3 自聚焦光纤的主要参数截距P ——在自聚焦光纤中光束是沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为一个截距P 。
长度Z ——自聚焦光纤的长度为透镜两端面轴心间的距离。
折射率分布常数——自聚焦光纤的折射率沿径向分布常数。
在此可以是A 或A 。
数值孔径——孔径NA 有两种表示方式，如公式（2）所示。
22N N nSin NA O m m -==αα （2） 公式（2）中：O N ——表示自聚焦光纤的中心折射率N ——表示入射光所在介质的折射率m α ——表示入射光线的最大孔径角2 自聚焦光纤的应用由于自聚焦光纤具有端面聚焦及成像特性，以及圆柱状的外形特点，因而可以应用在多种不同的微型光学系统中，自聚焦棒的主要功能有聚焦、准直和成像。
2.1 聚焦和准直穿透透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点（如图1.2.1所示），但自聚焦光纤在聚焦时克服了这些缺点。
根据自聚焦光纤的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦光纤，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦棒后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦光纤聚焦点光斑的尺寸公式为：)(1220NA f N R π= （3）公式（3）中：R ——为焦点处光斑的半径NA ——为数值孔径f ——为焦距0N ——为轴上的折射率准直是聚焦功能的逆向运用。
根据自聚焦光纤的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦光纤，当汇聚光从自聚焦光纤一端面输入时，经过自聚焦光纤后会转变成平行光线，自聚焦光纤的这一准直功能如图2.1所示。
图2.1 自聚焦光纤准直应用2.2 光耦合由于自聚焦光纤可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦光纤的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，例如：光纤和光源（如图2.2所示）、光纤和光电探测器一级光纤和光纤之间的耦合等等。
图2.2 平面自聚焦光纤耦合为了达到更好的聚焦效果，会在平端面自聚焦光纤一端面加工一个1mm~3mm的曲面，此曲面与平端面自聚焦光纤弥散斑小如图2.3所示。
因此球面自聚焦棒可减小聚焦光斑尺寸[4]。
图2.3球面自聚焦光纤聚焦光斑图2.4中表示L1为光源或光纤到自聚焦光纤端面的距离，Z为自聚焦光纤的长度，L2为自聚焦光纤端面到光纤的距离。
为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦光纤聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1 和L2的距离来达到最佳耦合效率。
但是，在实际耦合过程中，耦合效率要小于其理论值，其原因是耦合效率与器件的结构和使用方法有直接的关系。
图2.4 光纤传输耦合聚焦光轨迹图2.3 单透镜成像自聚焦光纤除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。
对于P/2及1P截距的自聚焦光纤其端面成像机理如图2.5所示。
P/2截距的自聚焦光纤其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦光纤其端面成等大正像。
对于P/4截距的自聚焦光纤物在无穷远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远）。
图2.5自聚焦光纤端面成像示意图3自聚焦光纤设计仿真3.1 Beamprop简介本次光学仿真用的软件是Beamprop。
是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。
此软件使用先进的有限差分光束传播法(finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。