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

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：

1. 将系统波长设置为 0.55 um

2. 使用 Object Space NA = 0.2 定义系统孔径

3. 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。