簡介

本文討論了如何使用FRED對球透鏡封裝的半導體激光二極管耦合到單模光纖進行準確的建模，這是在光纖通信領域很常見的一個光學系統。該模型演示了FRED傳播相干光場的能力、它的精確激光二極管束(Laser Diode Beam)光源模型以及準確的計算光纖耦合效率。

①模型

在FRED模型中使用的半導體激光二極管是Mitsubishi(三菱) ML725C8F，這是一個InGaAsP / InP多量子阱(MQW)激光器，工作波長是1310nm。Mitsubishi光源說明書定義了輸出光束的在x和y方向的發散角分別是25和30度（遠場功率分布的全1/e寬度)。沒有提及在x和y焦點位置的任何偏移，所以我們假定它們和光源處的分布是一致的。

圖1.光纖耦合系統結構

光纖耦合器系統由三部分組成：

①：基于Mitsubishi(三菱) ML725C8F系列的高發散的像散激光二極管光源；

②：直徑1.5mm的BK7球透鏡，是ML725C8F二極管封裝的一部分；

③：模擬單模光纖的纖芯、包層和光纖涂層。

分析表面位于光纖接口的正后方，可用于計算入射到光線模型的總功率與光纖基模的耦合效率。

基本參數如下圖2所示。

本案例中系統數據單位是：mm

類型	半徑	厚度	材料	長度	半孔徑	全局位置
球透鏡	0.75		N-BK7			-0.75mm
纖芯	infinity		n=1.47	2mm	0.0005	1.9mm
包層	infinity	0.0575mm	n=1.465	2mm	0.0625	1.9mm
涂層	infinity	0.06mm	n=1.5	2mm	0.1225	1.9mm
分析面			air		0.025	1.901mm

圖2.建模參數

②光學系統建模

我們在FRED中使用激光二極管束光源類型對激光二極管光源建模，以及設置光源產生相干輸出。

圖3.激光二極管光源編輯

注意到在激光二極管光束光源的設置里面，發散角由功率的1/e²標準定義。這就要求制造商提供的發散角要乘以一個系數。

圖4.球透鏡封裝的激光二極管耦合到光纖系統原理圖（側視圖）

直徑為1.5mm的球透鏡是Mitsubishi激光二極管集成的一部分，它的位置在距離激光二極管發射表面1.88mm處。

在FRED中使用球形元件基元，就可以創建該透鏡。為方便起見，全局坐標原點選在球透鏡的輸出表面與光軸的交點處。

圖5.球透鏡參數設置

圖6.求透鏡3D視圖模型

值得注意的是，我們使用了FRED的N-BK7模型來定義球透鏡的材料，在1310nm波長處折射率大小是1.5036。

模型中使用的單模光纖(SMF)位于距離全局坐標原點1.9mm處，它的結構(由下圖定義)基于單模光纖的典型值。光纖纖芯的半徑是5μm，且由直徑為125μm包層包裹著。纖芯和包層的折射率大小分別是1.465和1.47，它們之間的折射率差為0.36%。

圖7.單模光纖示意圖

模型中還包含了一個吸收涂敷層，或者是夾層，覆蓋在光纖表面。

在FRED中定義的光纖是一個組件，它包含了多個元件基元：一個圓柱體用于纖芯、光管用于包層和涂敷層。

圖8.光纖建模組件

注意到“Fiber Cladding”管道的內壁恰好與“Fiber Core”圓柱體的外壁是重合的。為了正確的建模，用戶需要手動的設置包層管道的內壁為不可追跡(Never Traceable)。不這樣做的話將會導致光線追跡錯誤，因為兩個表面放置在空間里完全一樣的位置，而且它們具有兩個不同的材料設置。對于“Fiber Coating”的內壁需要同樣的設置。

圖9.光纖包層和涂層的內壁設置

在這一模型中光纖涂層認為是吸收的，且擁有停止所有(Halt All)光線追跡控制。所有其它的表面是不加涂層的。

③仿真

FRED使用如下的方程來計算光纖耦合效率(CE)：

其中E_inc是入射場分布，E_fiber是光纖基模的場分布(由FRED根據光纖規格參數自動計算)。

一般來說，CE是一個復數，所以耦合功率實際上是：CE_power = Re[CE]² + Im[CE]²

因此，我們要想精確的計算光纖耦合，需要在光纖入口的后面放置一個分析面來保證該表面的反射系數能夠準確的納入考慮之中。

非常重要的是，分析面是大于我們所期望的基模的模場直徑(MFD)，以便進行精確的重疊積分。同樣重要的是，我們應該意識到數值積分的精確性依賴于分析面中劃分網格的數目。在本例中，50μm寬的分析面上251×251的網格，可認為是足夠的。

圖10.分析面放置在光纖界面的后面

圖11.系統光線追跡和渲染圖

由FRED光纖耦合效率計算得出的返回值是兩個場分布之間的重疊部分，且沒有考慮入射場的功率。因此要想知道多少功率耦合到該模式中一定要做到以下兩步：

1.通過輻射照度的計算確定分析面處的功率值(P)

2.通過光纖耦合效率分析確定CE的值

耦合到光纖模式中的功率大小可以簡單的表示為P × CE_power。

追跡完從具有2048×2048個樣本點的光源發出的光線后，當我們計算輻射照度時，輸出窗口里就會顯示出到達光纖接口后面的分析面處的光源功率值。

圖12.計算輻照度的對話框

圖13.輻照度分析和分析面處的積分功率值

可以看出，5.256%的光功率到達了分析面（光源總功率為1 Watts）。為了確定到光纖模式中的耦合，這里使用了FRED光纖耦合效率分析。注意到0.005mm的光纖纖芯半徑在這里需要準確的輸入。

圖14.光線耦合效率分析

圖15.光纖耦合效率分析對話框

點擊完“OK”后，結果會顯示在輸出窗口中。

圖16.光纖耦合效率顯示在輸出窗口

可以看出，耦合效率為23.39215%。因此，在這個系統總的耦合功率百分比為5.256%×23.39215% = 1.22949%。

ML725C8F激光二極管工作光源如果是100mW，因此在該配置中，光纖傳輸的信號大概在1.2mW左右。

④容差分析

對齊靈敏度

對于測定設計公差以及激光二極管/光纖包的可行性，理解光纖對齊靈敏度是非常有必要的。使用FRED腳本功能可以很容易的完成這件事。

與該FRED文件相關聯的共有三個內置腳本：

• 縱向距離掃描
• 橫向偏移掃描
• 傾斜掃描

這三個腳本之間是相似的：通過用戶控制的步長，每個腳本調整了光纖的位置、計算了耦合系數并打印到輸出窗口或者到Microsoft Excel電子表格中(如果有需要)。

縱向對齊靈敏度

在距離掃描腳本文本的頂端，用戶輸入光纖的開始和結束位置，以及希望運行的掃描分辨率（步長）。

如果用戶希望FRED將數據打印到Microsoft Excel電子表格中并繪圖，就要設置exportToExcel標簽值為True。

圖17.數據打印到表格

就在這定義了光纖的參數，這只是用于光纖耦合效率的計算。

圖18.光纖參數設計

頭部打印出來后，腳本的主循環就開始了。這是一個“for”循環，它會一步一步的改變光纖的位置-①，追跡光線-②，計算照度并確定總功率-③，計算光纖耦合效率-④，最后計算模式功率-⑤。

圖19.位置掃描腳本的主循環

注意到函數FiberCoupleStepIndex返回了兩個值-“coupleReal” 和“coupleImag”，這些變量是耦合系數的實部和虛部。耦合功率的公式：

CE= coupleReal²+ coupleImag²

下圖表示的是，對于球透鏡到光纖的距離從1.5mm到2.5mm變化的結果。

圖20.光纖耦合vs距離

激光二極管的制造商Mitsubishi指定了在距球透鏡1.9mm位置處，光纖耦合功率的最大值為0.8mW(16%的效率)，FRED在耦合中計算出了稍微偏大的值。這種差異可以解釋為：耦合對光纖模式尺寸和折射率分布極為敏感。很遺憾的是，Mitsubishi沒有給出使用光纖的具體細節。

橫向準直靈敏度

“橫向偏移掃描”腳本與之前十分相似，除了用戶為掃描定義了如下的參數：

圖21.光纖參數設置

下圖表示的是，Xoffset從-0.01μm到0.01μm的范圍變化結果。

圖22.在Z=1.86mm位置處：光纖耦合vs橫向偏移

方向靈敏度

該腳本同樣與先前的腳本十分相似，這里用戶定義了取向的角度范圍。注意到該腳本只是在水平方向傾斜了光纖，并不是一個任意的角度。

下圖表示的是，X Tilt從-10°到10°的范圍變化結果。

圖23.在Z=1.86mm位置處：光纖耦合vs水平方向旋轉

⑤結束語

在本文中，FRED展現出了從激光二極管到光纖耦合準確計算的能力。其計算結果與激光二極管生產商提供的耦合信息一致。FRED的相干傳輸能力以及高散射相干的精確定義對于這種類型問題的仿真是很關鍵的，最后是嵌入式腳本的編程和運行，可以直接輸出EXCEL表格的耦合功率數據及圖表。