培訓(xùn)活動

本次培訓(xùn)主題為『Ansys Zemax 成像設(shè)計』，由宇熠高級光學(xué)工程師主講，針對序列成像設(shè)計，幫助學(xué)員們掌握 優(yōu)化技巧、公差分析技巧、熱分析、像質(zhì)評價、坐標(biāo)變換 等知識點。線下培訓(xùn)學(xué)習(xí)效率更高、更豐富、更精準(zhǔn)，可直接與老師面對面交流提問，當(dāng)場解決記憶深刻。

點擊圖片查看培訓(xùn)詳情

附件下載

聯(lián)系工作人員獲取附件

本教程演示了如何將 OpticStudio 中的信息轉(zhuǎn)換為 Lumerical 的有限差分本征模 (FDE) 求解。這對于一部分是體光學(xué)系統(tǒng)，另一部分是波導(dǎo)的多級情況系統(tǒng)模擬是十分有幫助的。在本例中，我們將研究從聚焦透鏡到小尺寸硅光纖的耦合。我們將我們的偏振光束作為 Zemax 光束文件 ( .zbf) 輸出到 Lumerical 本征模求解算法中，并計算在 Lumerical 本征模求解算法中創(chuàng)建的模與輸出的 Zemax 光束之間的重疊性和功率耦合情況。上述光束之間的重疊分析將為我們提供模態(tài)分析中更好的模態(tài)結(jié)果，該模態(tài)將作為 Zemax 光束文件從 Lumerical 導(dǎo)出到 OpticStudio 中。  

簡介

我們將通過本文主要介紹如何將 OpticStudio 內(nèi)信息轉(zhuǎn)換至 Lumerical FDE 本征模求解程序中。這對于一部分是體光學(xué)系統(tǒng)，另一部分是波導(dǎo)或光子晶體（需要電磁傳播工具進(jìn)行傳播模擬）的多級情況系統(tǒng)模擬是十分有幫助的。Lumerical 的有限差分本征模 (FDE) 求解程序可以可以用來確定任意光波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)所支持光模式的物理性質(zhì)。

在本示例中，我們將通過 Lumerical FDE 求解程序來研究從聚焦透鏡到細(xì)小二氧化硅光纖的耦合場景。教程內(nèi)容將假設(shè)您對于 Lumerical 軟件有一定熟悉程度。

從 OpticStudio 中獲取數(shù)據(jù)

在本章節(jié)中，我們首先打開 OpticStudio，載入附件中下載的對應(yīng)文件。您可以選擇任何分析功能，包括 2D 布局圖，用以查看光線如何聚焦在一個像點上。作為光纖接收輸入端的像面已設(shè)置具有折射率為 1.43 的材料和 1% 的反射率、99% 透射率的AR涂層 COAT I.99。

選擇 分析...物理光學(xué)傳播 查看 6 微米輸入束腰的高斯光束將如何通過光學(xué)系統(tǒng)之后聚焦在系統(tǒng)像面上：

最終在像面上計算得到光束束腰尺寸為 5.8787 微米，瑞利距離為 0.1mm。并且，在最終接收端對于束腰模式為 6 微米的接收端光纖具有 95% 的耦合接收效率：

從這里我們可以設(shè)置 OpticStudio 輸出光束文件，稍后用作我們需要在 Lumerical 中導(dǎo)入的文件。點擊物理光學(xué)傳播窗口頂部的設(shè)置選項，然后選擇 “顯示” 選項卡，點擊 “保存輸出光束至：” 選項，接下來將文件的名稱設(shè)置為 Fiber_output.zbf，點擊 OK。請同時在 “常規(guī)” 選項卡中選擇 “使用偏振” 復(fù)選框來定義矢量光束。如果沒有設(shè)置偏振，光束是標(biāo)量的，那么需要使用腳本命令在 Lumerical 中加載 .zbf 文件。

這些文件通常將保存在 {Zemax}\POP\BEAMFILES 文件夾目錄下，您可以進(jìn)行查找。

創(chuàng)建光纖結(jié)構(gòu)用于模式計算

在本章節(jié)中，我們將在 Lumerical 中創(chuàng)建步進(jìn)折射率光纖結(jié)構(gòu)。打開 Lumerical 啟動器，并選擇有限差分本征模 (FDE) 求解算法。您還可以下載當(dāng)前文章中的 附件部分 下載 step_index_fiber.lms 文件。

使用布局編輯器 (Layout Editors) 中的 STRUCTURES 選項卡來創(chuàng)建階躍折射率光纖的物理結(jié)構(gòu)。按下 STRUCTURES 按鈕上的箭頭，從下拉菜單中選擇CIRCLE。

然后，修改物體的屬性設(shè)置。

根據(jù)以下表格中的內(nèi)容，設(shè)置這些圓形包層和纖芯的屬性。

纖芯

通過結(jié)構(gòu) (Structures) 部分的設(shè)計選項卡 (Design tab)，選擇一個 CIRCLE 添加到物體樹 (Object Tree) 中。選擇物體樹中的圓形物體，點擊 “編輯屬性 (Edit Properties)” 按鈕 ，按照下表內(nèi)容編輯圓形物體的屬性。

包層

從設(shè)計選項卡 (Design tab) 的 結(jié)構(gòu) (Structures) 部分，選擇另一個要添加到物體樹 (Objects Tree) 的 CIRCLE。選擇物體樹中的圓形物體，點擊 “編輯屬性 (Edit Properties)” 按鈕 ，按照下表內(nèi)容編輯圓形物體的屬性。注意網(wǎng)格標(biāo)識設(shè)置為 5 (高于默認(rèn)的 2)，這樣 “包層” 結(jié)構(gòu)就不會填充與 “纖芯” 結(jié)構(gòu)重疊的區(qū)域。“包層” 的 z 跨度 被設(shè)置為略小于“纖芯”的 z 跨度，以便后者不會被前者隱藏在視窗中。或者，您可以在 “包層” 屬性的圖形渲染選項卡 (Graphic Rendering tab) 中使用小于 1 的 alpha 值，使物體成為半透明的。

模擬范圍

點擊物體樹 (Objects Tree) 當(dāng)中的按鈕  并且點擊該按鈕   （位于物體樹的左側(cè)），

按照下表內(nèi)容編輯其屬性。請注意，模擬范圍的大小需要將包層圓柱體完全設(shè)置在內(nèi)部，并且模擬區(qū)域邊界都設(shè)置為打開，目的是將模擬邊界條件分配到包層圓形物體的外表面（參見邊界條件 Boundary Conditions 的定義）。

階躍折射率光纖的折射率分布

現(xiàn)在我們可以通過以下方式查看其設(shè)置的折射率分布。點擊網(wǎng)格結(jié)構(gòu) (Mesh Structure)，查看折射率分布設(shè)置情況。

導(dǎo)入 Zemax 光束文件

一旦確定了物理結(jié)構(gòu)和模擬范圍，本節(jié)將后續(xù)描述如何通過 MODE 中的有限差分本征模求解器 (FDE) 分析組件。現(xiàn)在我們已經(jīng)創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)，我們可以繼續(xù)設(shè)置啟動場分析。我們已經(jīng)將 Zemax 光束文件導(dǎo)出為 single mode couple.zbf 文件，現(xiàn)在我們將導(dǎo)入該光束。

在本征求解分析窗口界面中對于光束文件進(jìn)行導(dǎo)入，需導(dǎo)入的文件位置為：Zemax LLC\Documents\Zemax\Samples\POP\BEAMFILES。

模式計算

為了在 Lumerical 中查看對應(yīng)光場，您需要通過 Zemax 光束文件計算對應(yīng)模式。我們需要將波長設(shè)置為 OpticStudio 中的 1.55 微米。點擊模式計算 (Calculate Modes)，然后我們會有一個模式顯示區(qū)域，如下圖所示。

高斯光束的能量耦合以及重疊分析

重疊被定義為兩個電磁場分布重疊的比例，可以通過下方公式進(jìn)行計算，其中 E1、H1 是模式 1 的場，E2、H2 為模式 2 的場。功率耦合則表示能量從一種模式耦合到另一種模式的比例。如果我們考慮輸入模式（能量 Pin）和 i 階模式（能量 Pi），能量耦合將由下方公式給出。能量耦合是考慮模態(tài)重疊和模態(tài)間等效指數(shù)不匹配的總輸入耦合。

輸入: E_input 以及 H_input

i階 模式: E_i 以及H_i

    

我們現(xiàn)在將計算與理想高斯光束的重疊，以確定我們應(yīng)該用于與 OpticStudio 生成的 Zemax 光束文件中的基模耦合使用的最佳光斑尺寸。選擇 “重疊” 選項卡的結(jié)果如下圖所示。點擊計算按鈕后，計算當(dāng)前選擇的模式與當(dāng)前選擇的 D-CARD 的重疊和能量耦合結(jié)果。 

正如我們之前看到的，模式 2 與 Zemax 光束文件有最大的能量耦合和重疊結(jié)果。在 “光束” 選項卡中，我們想要檢查高斯參數(shù)，這樣我們可以對等效區(qū)域進(jìn)行匹配。由 Zemax 光束文件導(dǎo)出的高斯光束有效面積 πw02 中 w0 =√(122.557/π) um = 6.3 um，模式 2 的有效面積為 w0 =√(122.557/π) um = 6.7 um。為了匹配 144.713 um2 的模態(tài)面積，其對應(yīng)的束腰半徑為 w0 =√(1.2/π) um = 6.7 um。我們將模式 2 作為 Zemax 光束文件導(dǎo)出到 OpticStudio，并檢查光纖耦合效率。

導(dǎo)出 Zemax 光束文件至 OpticStudio

導(dǎo)出面板中 D-Card 的模式數(shù)據(jù)。Lumerical 的 D-Card 可以保存為 Zemax 光束文件，并且效率更高。現(xiàn)在我們將這個光束導(dǎo)入 OpticStudio 來檢查耦合效率。

在 OpticStudio 導(dǎo)入新的 Zemax 光束文件

請將在 Lumerical 面板中創(chuàng)建的新 Zemax 光束文件導(dǎo)入到 OpticStudio 光束文件查看器中。我們可以看到從 Lumerical 模式 2 導(dǎo)入到 Zemax 光束文件查看器中的光束具有 6.544 um 的建議束腰尺寸結(jié)果。改變 POP 光束定義和光纖數(shù)據(jù)的束腰參數(shù)后，光纖耦合效率提高到 96.02%。如果使用以前一樣的束腰 6 um，光纖耦合效率為 95.47%。 

  

歡迎掃碼添加宇熠工作人員微信

申請進(jìn)入 Ansys 光學(xué)交流群

添加工作人員

點擊圖片查看培訓(xùn)詳情

點擊圖片查看培訓(xùn)詳情

相關(guān)閱讀

Ansys Zemax | 手機(jī)鏡頭設(shè)計 - 第 1 部分?：光學(xué)設(shè)計

Ansys Zemax | 手機(jī)鏡頭設(shè)計 - 第 2 部分?：使用 OpticsBuilder 實現(xiàn)光機(jī)械封裝

Ansys Zemax | 手機(jī)鏡頭設(shè)計 - 第 3 部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進(jìn)行 STOP 分析

Ansys Lumerical | 米氏散射 FDTD

Ansys Lumerical | 針對多模干涉耦合器的仿真設(shè)計與優(yōu)化

Ansys Zemax | 設(shè)計衍射光學(xué)元件（DOE）和超透鏡（metalens）

Ansys Zemax | 如何設(shè)計單透鏡 第一部分：設(shè)置

Ansys Zemax | HUD 設(shè)計實例

Ansys Speos | 進(jìn)行智能手機(jī)鏡頭雜散光分析

Ansys Zemax | 如何設(shè)計光譜儀——理論依據(jù)