在利用軟件計算光纖耦合效率時，我們事實(shí)上無法準(zhǔn)確模擬光在單模光纖內(nèi)的傳播，只能計算激光經(jīng)過系統(tǒng)后，有多少能量可以順利進(jìn)入到單模光纖并在內(nèi)部穩(wěn)定前進(jìn)而 (理想上) 不耗損能量。

無法計算光在單模光纖內(nèi)部行為的原因是單模光纖的尺度接近耦合光的波長，屬于波導(dǎo)而不是單純的光導(dǎo)管，此時光線或自由空間的標(biāo)量傳播 (POP) 計算都不正確。也因此在計算耦合效率時，我們需要事先明確：符合什么條件的光才能順利進(jìn)入波導(dǎo)傳播。

對于口徑較大的多模光纖來說，這個條件是每一條光線的入射角度必須在指定NA之內(nèi)。但對于單模光纖，這個條件則是整個光束 (beam) 在單模光纖端口的復(fù)振幅分布，也就是模態(tài)，必須符合一定分布。當(dāng)入射光到達(dá)此光纖入口切平面時，復(fù)振幅分布中不符合該模態(tài)的部分會在光纖中傳播時消逝，而無法到達(dá)另一端。以未斜切的單模光纖來說，這個可傳播模態(tài)即是高斯分布。

但在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常會考慮讓光纖端面斜切，這有許多好處，例如防止反射光回到系統(tǒng)中造成影響。當(dāng)光纖斜切的時候，可接受的入射模態(tài)就會改變。嚴(yán)格意義上來說，必須使用專門的軟件求解，例如OptiWave。當(dāng)這類軟件計算出一個特定復(fù)振幅分布后，即可以輸入OpticStudio模擬并優(yōu)化耦合透鏡。

而當(dāng)我們沒有任何方式可以得到斜切光纖的模態(tài)時，則需要一些近似計算。光纖端面有斜切時，對入射的光線來說會有棱鏡的效果，不再是正向進(jìn)入光纖，也就是光束進(jìn)入光纖時會被折射，造成耦合效率下降。理論上，只要我們能調(diào)整整個光纖的角度，讓光束折射后，正好是正向進(jìn)入光纖，就可以重新提高耦合效率。

下面我們將舉例說明如何用一個傾斜面 (Tilted) 面以及像面的搭配來模擬斜切的棱鏡效應(yīng)，并且說明如何加入光纖的旋轉(zhuǎn)來補(bǔ)償效率的下降。

讓我們開啟示例文件：\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Ball coupling.ZMX

這是一個光纖耦合設(shè)定的范例，可以看到文件開啟時已經(jīng)有一個光纖耦合 (Fiber Coupling)的分析窗口了。

為了模擬光纖斜切以及光纖傾斜，這邊我們把像面的部分修改如下，以反映棱鏡的效果：

1.在IMAGE像面之前加入兩個面：坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 以及傾斜面 (Tilted)。

2.給傾斜面 (Tilted) 以及IMAGE面加上材料SILICA，代表光纖的纖芯的材料。

此外因?yàn)樯院笪覀円褂肞OP來驗(yàn)證，而POP的光束必須從面1開始傳播，因此我們修改物面如下：

3.在OBJECT物面之后新增一個面。

4.把OBJECT面的厚度設(shè)為0，而新增的第1面的厚度設(shè)為2。

結(jié)果如下：

之后我們把光纖耦合 (Fiber Coupling) 的設(shè)定修改如下：

光纖斜切對于FFT計算的耦合過于復(fù)雜，因此我們使用較精確但計算比較慢的惠更斯(Huygens) 耦合，并且提高取樣數(shù)到128x128，取樣數(shù)越高越準(zhǔn)確，但是計算時間越久。

最后勾選使用偏振 (Use Polarization)，這樣可以計算光線通過鏡片或是光纖端面時，因?yàn)榉瓷涠斐傻哪芰繐p失。

可以看到目前的耦合效率是0.667901。

接下來我們打開POP來驗(yàn)證，設(shè)定如下：

注意：為了與光纖耦合 (Fiber Coupling)比較，這里勾選了使用偏振 (Use Polarization)。

NA 0.1用sine反推就是5.74度，這里我們使用高斯角 (Gaussian Angle) 來設(shè)定光源 (上圖) 以及光纖 (下圖)。

注意光纖位置 (Fiber Position) 必須采用面頂點(diǎn) (Surface Vertex)，并且我們不勾選忽略偏振 (Ignore Polarization)，讓條件跟光纖耦合 (Fiber Coupling) 一致。

可以看到在POP中，耦合效率約是0.668039。

接下來假設(shè)我們要讓光纖斜切8度，并傾斜光纖本身4.6度以補(bǔ)償，如下圖。

方法是在傾斜面 (Tilted) 中輸入Y正切(Y Tangent) = tan(8 degrees) = 0.140541，以及在坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 的傾斜X (Tilt About X)中輸入4.6度，如下：

可以看到在光纖耦合 (Fiber Coupling)中，耦合效率現(xiàn)在是0.644109。

而在POP中，耦合效率是0.655508。

我們使用另一個示例文件：\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Conic interconnect.ZMX

在這個范例中，我們同樣做以下修改：

1. 在IMAGE像面之前加入兩個面：坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 以及傾斜面 (Tilted)。

2. 給傾斜面 (Tilted) 以及IMAGE面加上材料SILICA，代表光纖的纖芯的材料。

3. 在OBJECT物面之后新增一個面。

4. 把OBJECT面的厚度設(shè)為0，而新增的第1面的厚度設(shè)為2。

打開光纖耦合 (Fiber Coupling)并設(shè)定如下：

效率是0.887634：

打開POP并設(shè)定如下：

計算結(jié)果如下，效率為0.888340：

設(shè)定光纖的斜切以及傾斜之后：

可以看到耦合效率如下：

POP (0.876836)：

光纖耦合Fiber Coupling (0.863821)：

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