Ansys Zemax | 多模光纖耦合

本文展示了利用幾何圖像分析特性來計(jì)算多模光纖耦合效率的方法。

還有使用IMAE操作數(shù)優(yōu)化多模光纖耦合效率的方法。該方法只適用于包含大量模式的多模光纖。

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簡介
我們可以使用OpticStudio中的幾何圖像分析（Geometric Image Analysis）來計(jì)算多模光纖的耦合效率。

如果想使用幾何光線來模擬多模光纖耦合，那么光纖的纖芯直徑至少要比波長大10倍以上，這樣纖芯可以支持很多很多的橫模。如果光纖是可以傳播二階或三階模的少模光纖，那我們必須使用物理光學(xué)來進(jìn)行光纖耦合分析。在這篇文章中，“多模”定義為光纖支持太多種橫模了，以至于光纖可以被視為一個(gè)導(dǎo)光管。

當(dāng)在物面上定義了一個(gè)具有確定尺寸和形狀的擴(kuò)展光源后，幾何圖像分析可以生成任何表面的輻照度分布。此外，如果光線入射到待測面時(shí)的角度大于設(shè)定的閾值時(shí)，它可以過濾掉這部分光線。使用示例文件，我們將演示如何使用幾何圖像分析功能來計(jì)算多模光纖耦合效率。

使用幾何圖像分析計(jì)算多模光纖耦合效率
下載并打開本文示例文件。該系統(tǒng)模擬的是將光耦合到纖芯半徑為0.1 mm、數(shù)值孔徑為0.2的多模光纖中。現(xiàn)在，我們先暫時(shí)忽略空氣與玻璃分界面上(包括光纖上的分界面)產(chǎn)生的菲涅爾(反射)損耗。

纖芯的尺寸是通過在圖像表面上指定半徑為0.1 mm的圓型孔徑來模擬的。在此文件中，孔徑類型為“浮動(dòng)（Floating）”，圓型孔徑的大小是用像面的半徑來控制的。

在分析選項(xiàng)卡（Analysis）>擴(kuò)展場景分析（Extended Scene Analysis）>幾何圖像分析（Geometeric Image Analysis）下打開幾何圖像分析窗口：幾何圖像分析可以產(chǎn)生在任何表面的輻照度，從一個(gè)擴(kuò)展的源與特定的尺寸和形狀在物體表面。此外，它還可以濾除入射角大于評(píng)估表面上可確定閾值的光線。

在提供的示例文件中，應(yīng)該已經(jīng)預(yù)先打開了幾何圖像分析窗口。以下是分析的參數(shù)設(shè)置:

接收光纖的數(shù)值孔徑在NA欄中輸入。由于我們假定軸上的點(diǎn)光源位于物方無窮遠(yuǎn)處，所以視場大?。〝U(kuò)展光源的大?。榱?，因此由“文件”選項(xiàng)控制的光源的形狀并不重要?！皥D像大小”選項(xiàng)確定了像面上的你需要仿真的區(qū)域大小; 你也可以把它看作是探測器的大小。這里，我們將限制光線的數(shù)量為10000，以加快計(jì)算速度。

IMAE 操作數(shù)
耦合效率僅2%左右，這一結(jié)果顯示在幾何圖像分析窗口下方的文本中。

我們將優(yōu)化像面位置（接收光纖的位置）來提高耦合效率。在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中的操作數(shù)IMAE會(huì)顯示圖表上的耦合效率。由于幾何圖像分析中的參數(shù)設(shè)置種類要多于評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中可用列的數(shù)量，因此IMAE操作數(shù)使用分析窗口中最近一次保存的設(shè)置。即先在幾何圖像分析中保存設(shè)置，再使用操作數(shù)。這些設(shè)置保存在一個(gè)xxx .CFG配置文件，我們可以通過點(diǎn)擊幾何圖像分析設(shè)置中的“保存”按鈕來更新的參數(shù)設(shè)置：

操作數(shù)IMAE現(xiàn)在將采用保存的參數(shù)設(shè)置來顯示正確的耦合效率。由于每次仿真時(shí)，操作數(shù)IMAE使用隨機(jī)的光線組進(jìn)行分析，因此操作數(shù)結(jié)果與幾何圖像分析中的值會(huì)略有不同。

由于surface # 3的厚度已經(jīng)設(shè)置為變量，我們需要做的就是通過點(diǎn)擊優(yōu)化選項(xiàng)卡（Optimize tab）>優(yōu)化?。∣ptimize?。┻M(jìn)行優(yōu)化。

選擇阻尼最小二乘法（Damped Least Squares ）算法，并點(diǎn)擊開始按鈕:

評(píng)價(jià)函數(shù)（量化值）應(yīng)該會(huì)很快下降。當(dāng)優(yōu)化完成后，單擊退出按鈕。更新評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器，你會(huì)發(fā)現(xiàn)耦合效率已經(jīng)提高到54％左右。我們也可以在幾何圖像分析中查看這一結(jié)果：

菲涅爾損耗
假設(shè)纖芯的材料為N-BK7。如果我們要考慮所有空氣與玻璃的界面（包括光纖芯）處的菲涅耳損耗，我們需要在幾何圖像分析設(shè)置中開啟偏振選項(xiàng)。計(jì)算偏振的同時(shí)也將考慮雙凸透鏡的體吸收。

在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，將像面的材料設(shè)為N-BK7，作為光纖的材料，并在幾何圖像分析設(shè)置中選中“使用偏振（Use Polarization）”：

為了在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中查看正確的耦合效率，請確保你在優(yōu)化前保存了分析的設(shè)置參數(shù)。

新的耦合效率降至47％左右：