Ansys Zemax | 多模光纤耦合

本文展示了利用几何图像分析特性来计算多模光纤耦合效率的方法。

还有使用IMAE操作数优化多模光纤耦合效率的方法。该方法只适用于包含大量模式的多模光纤。

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简介
我们可以使用OpticStudio中的几何图像分析（Geometric Image Analysis）来计算多模光纤的耦合效率。

如果想使用几何光线来模拟多模光纤耦合，那么光纤的纤芯直径至少要比波长大10倍以上，这样纤芯可以支持很多很多的横模。如果光纤是可以传播二阶或三阶模的少模光纤，那我们必须使用物理光学来进行光纤耦合分析。在这篇文章中，“多模”定义为光纤支持太多种横模了，以至于光纤可以被视为一个导光管。

当在物面上定义了一个具有确定尺寸和形状的扩展光源后，几何图像分析可以生成任何表面的辐照度分布。此外，如果光线入射到待测面时的角度大于设定的阈值时，它可以过滤掉这部分光线。使用示例文件，我们将演示如何使用几何图像分析功能来计算多模光纤耦合效率。

使用几何图像分析计算多模光纤耦合效率
下载并打开本文示例文件。该系统模拟的是将光耦合到纤芯半径为0.1 mm、数值孔径为0.2的多模光纤中。现在，我们先暂时忽略空气与玻璃分界面上(包括光纤上的分界面)产生的菲涅尔(反射)损耗。

纤芯的尺寸是通过在图像表面上指定半径为0.1 mm的圆型孔径来模拟的。在此文件中，孔径类型为“浮动（Floating）”，圆型孔径的大小是用像面的半径来控制的。

在分析选项卡（Analysis）>扩展场景分析（Extended Scene Analysis）>几何图像分析（Geometeric Image Analysis）下打开几何图像分析窗口：几何图像分析可以产生在任何表面的辐照度，从一个扩展的源与特定的尺寸和形状在物体表面。此外，它还可以滤除入射角大于评估表面上可确定阈值的光线。

在提供的示例文件中，应该已经预先打开了几何图像分析窗口。以下是分析的参数设置:

接收光纤的数值孔径在NA栏中输入。由于我们假定轴上的点光源位于物方无穷远处，所以视场大小（扩展光源的大小）为零，因此由“文件”选项控制的光源的形状并不重要。“图像大小”选项确定了像面上的你需要仿真的区域大小; 你也可以把它看作是探测器的大小。这里，我们将限制光线的数量为10000，以加快计算速度。

IMAE 操作数
耦合效率仅2%左右，这一结果显示在几何图像分析窗口下方的文本中。

我们将优化像面位置（接收光纤的位置）来提高耦合效率。在评价函数编辑器中的操作数IMAE会显示图表上的耦合效率。由于几何图像分析中的参数设置种类要多于评价函数编辑器中可用列的数量，因此IMAE操作数使用分析窗口中最近一次保存的设置。即先在几何图像分析中保存设置，再使用操作数。这些设置保存在一个xxx .CFG配置文件，我们可以通过点击几何图像分析设置中的“保存”按钮来更新的参数设置：

操作数IMAE现在将采用保存的参数设置来显示正确的耦合效率。由于每次仿真时，操作数IMAE使用随机的光线组进行分析，因此操作数结果与几何图像分析中的值会略有不同。

由于surface # 3的厚度已经设置为变量，我们需要做的就是通过点击优化选项卡（Optimize tab）>优化！（Optimize！）进行优化。

选择阻尼最小二乘法（Damped Least Squares ）算法，并点击开始按钮:

评价函数（量化值）应该会很快下降。当优化完成后，单击退出按钮。更新评价函数编辑器，你会发现耦合效率已经提高到54％左右。我们也可以在几何图像分析中查看这一结果：

菲涅尔损耗
假设纤芯的材料为N-BK7。如果我们要考虑所有空气与玻璃的界面（包括光纤芯）处的菲涅耳损耗，我们需要在几何图像分析设置中开启偏振选项。计算偏振的同时也将考虑双凸透镜的体吸收。

在镜头数据编辑器中，将像面的材料设为N-BK7，作为光纤的材料，并在几何图像分析设置中选中“使用偏振（Use Polarization）”：

为了在评价函数编辑器中查看正确的耦合效率，请确保你在优化前保存了分析的设置参数。

新的耦合效率降至47％左右：