本文展示了利用幾何圖像分析特性來計算多模光纖耦合效率的方法。

還有使用IMAE操作數優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來進行光纖耦合分析。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導光管。

當在物面上定義了一個具有確定尺寸和形狀的擴展光源后，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的角度大于設定的閾值時，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算多模光纖耦合效率。

使用幾何圖像分析計算多模光纖耦合效率

下載并打開本文示例文件。該系統模擬的是將光耦合到纖芯半徑為0.1 mm、數值孔徑為0.2的多模光纖中。現在，我們先暫時忽略空氣與玻璃分界面上(包括光纖上的分界面)產生的菲涅爾(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（Floating）”，圓型孔徑的大小是用像面的半徑來控制的。

在分析選項卡（Analysis）>擴展場景分析（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生在任何表面的輻照度，從一個擴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估表面上可確定閾值的光線。

在提供的示例文件中，應該已經預先打開了幾何圖像分析窗口。以下是分析的參數設置:

接收光纖的數值孔徑在NA欄中輸入。由于我們假定軸上的點光源位于物方無窮遠處，所以視場大小（擴展光源的大小）為零，因此由“文件”選項控制的光源的形狀并不重要。“圖像大小”選項確定了像面上的你需要仿真的區域大小; 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量為10000，以加快計算速度。

IMAE 操作數

耦合效率僅2%左右，這一結果顯示在幾何圖像分析窗口下方的文本中。

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

操作數IMAE現在將采用保存的參數設置來顯示正確的耦合效率。由于每次仿真時，操作數IMAE使用隨機的光線組進行分析，因此操作數結果與幾何圖像分析中的值會略有不同。

由于surface # 3的厚度已經設置為變量，我們需要做的就是通過點擊優化選項卡（Optimize tab）>優化！（Optimize！）進行優化。

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

評價函數（量化值）應該會很快下降。當優化完成后，單擊退出按鈕。更新評價函數編輯器，你會發現耦合效率已經提高到54％左右。我們也可以在幾何圖像分析中查看這一結果：

菲涅爾損耗

假設纖芯的材料為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置中開啟偏振選項。計算偏振的同時也將考慮雙凸透鏡的體吸收。

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

為了在評價函數編輯器中查看正確的耦合效率，請確保你在優化前保存了分析的設置參數。

新的耦合效率降至47％左右：