光纖耦合仿真的案例
光纖建模和效率仿真！ASAP激光光纖耦合功能介紹研討會即將召開
ASAP 高級光學系統分析軟件在光纖建模和光纖耦合分析方面有著廣泛的應用。
在使用 ASAP 高級光學系統分析軟件進行光纖建模時，可以通過定義光纖的幾何參數、折射率分布、光源類型等信息來進行精確建模。然后，通過模擬光線在光纖內的傳播路徑和行為，可以分析光纖的傳輸特性、損耗、耦合效率等關鍵指標。
在這個過程中，確保光信號的高效傳輸和最小損耗是至關重要的。ASAP 高級光學系統分析軟件能夠模擬和分析光纖耦合過程中的各種光學現象。
光纖耦合分析
ASAP 高級光學系統分析軟件提供了一系列的工具和功能，用于模擬和分析光纖耦合過程。這些工具可以幫助工程師優化光纖的設計，確保光信號的高效傳輸。
通過 ASAP 高級光學系統分析軟件的物理光學分析功能，用戶可以研究光纖耦合過程中的衍射效應、偏振等波動光學現象，從而更好地理解和控制光的傳播特性。
教育資源和研討會
通過介紹“ ASAP 高斯光源、ASAP 光纖建模以及激光光纖耦合效率仿真”三大議題，研討會成員可以獲得關于光纖耦合系統設計的重要見解，從而進行必要的優化和改進。
武漢墨光科技有限公司是 ASAP 高級光學系統分析軟件的官方代理商，提供了豐富的教育資源和研討會，幫助用戶更好地理解和使用 ASAP 高級光學系統分析軟件進行光纖建模和光纖耦合分析。
我公司對于 ASAP 高級光學系統分析軟件的教育資源包括線上研討會、視頻演示、入門資料合集等，旨在提高用戶對 ASAP 高級光學系統分析軟件的認識和操作技能。希望廣大工程師和研究人員通過使用 ASAP 高級光學系統分析軟件可以優化光纖耦合系統的設計，提高系統的性能和可靠性。
研討會詳情：
免費研討會 | 《ASAP 激光光纖耦合功能介紹》，速來領福利！
展開 感恩同行，再啟新程 | Ansys Zemax 激光光纖耦合專題課程圓滿收官
隨著科技的飛速發展，精準光學設計在激光技術、光纖通信等領域的應用愈發關鍵。為響應光學技術生態的快速演進，經課程組審慎研討決定：Ansys Zemax 激光光纖耦合專題課程將進入階段性調整期。此次調整并非終點，而是基于行業技術格局演進的戰略規劃——我們將整合優勢資源，聚焦智能駕駛激光雷達、超表面光學系統、AR/VR波導設計等前沿領域，重構更符合產業需求的仿真課程體系。
2025年3月27日晚，第40期 Ansys Zemax 激光光纖耦合專題課程圓滿收官，這項伴隨 Zemax 軟件發展進程的標桿培訓正式完成歷史使命。
培訓亮點
作為該專題的最后一期激光光纖耦合課程，內容聚焦該領域前沿技術與工程難點，采我們是“階梯式”教學體系，從基礎理論到復雜案例實操層層遞進：
● 理論精講：講師從激光與光纖耦合的基本原理切入，深入講解耦合效率優化、光束質量分析等技術要點，幫助參訓人員構建扎實的理論基礎。
● 實戰演練：通過 Zemax 軟件實操，參訓人員掌握了激光系統設計、光纖耦合仿真及公差分析的全流程。在培訓過程中，大家各自討論了在實際工作中遇到復雜的光學問題，并共同解決了。
● 案例剖析：結合行業典型應用案例，講師演示了如何利用 Zemax 解決設計難題，大家通過動手實踐鞏固了所學知識。
學習與互動
為期三天的培訓采用的是“講課+研討+實操”模式，參訓人員在宇熠光學工程師的幫助下，快速掌握了 Zemax 在光纖耦合設計中的高階技巧。大家圍繞實際案例展開深度交流，共享行業經驗，破解技術瓶頸。
錯過本次培訓的小伙伴不要遺憾，主辦方武漢宇熠科技有限公司將持續推出光學設計系列課程，包括成像設計、照明設計與雜散光分析、AR/VR、HUD光學等專題。關注官方渠道，獲取最新培訓資訊，把握提升技能的每一次機會。
展開 FRED應用：激光二極管光源耦合到光纖的仿真
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。
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10. 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。
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11. 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12. 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。
圖13. 在Z=1.86mm位置處：光纖耦合vs水平方向旋轉
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。
本例系統數據(單位是mm)
展開 OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
介紹
在高約束芯片上與亞微米波導上耦合光的兩種主要方法是光柵或錐形耦合器。[1]
耦合器由高折射率比材料組成，是基于具有納米尺寸尖端的短錐形。[2]
錐形耦合器實際上是光纖和亞微米波導之間的緊湊模式轉換器。[2]
錐形耦合器可以是線性[1]或拋物線性[2]過渡。
選擇Silicon-on-insulator（SOI）技術作為納米錐和波導的平臺，因為它提供高折射率比，包括二氧化硅層作為光學緩沖器，并允許與集成電子電路兼容。[2]
[1] Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)
[2] Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);
3D FDTD仿真
要模擬的關鍵部件是來自參考文獻[1]的線性錐形硅波導（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達到更快的模擬時間）
? 為了精確模擬線性錐形硅波導，錐形的網格尺寸應該要設置密度大一些，因此在這種情況下使用不均勻的網格。
展開 
OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
注意：模擬時間應足夠長，以確保穩態結果
仿真結果
頂視圖展示了錐形硅波導的有效耦合。
底部視圖顯示了不同位置的模式轉換（左：25 um，中間：65 um，右：103 um）
OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
注意：模擬時間應足夠長，以確保穩態結果
仿真結果
頂視圖展示了錐形硅波導的有效耦合。
底部視圖顯示了不同位置的模式轉換（左：25 um，中間：65 um，右：103 um）
OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
注意：模擬時間應足夠長，以確保穩態結果
仿真結果
頂視圖展示了錐形硅波導的有效耦合。
底部視圖顯示了不同位置的模式轉換（左：25 um，中間：65 um，右：103 um）
OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
介紹
在高約束芯片上與亞微米波導上耦合光的兩種主要方法是光柵或錐形耦合器。[1]
耦合器由高折射率比材料組成，是基于具有納米尺寸尖端的短錐形。[2]
錐形耦合器實際上是光纖和亞微米波導之間的緊湊模式轉換器。[2]
錐形耦合器可以是線性[1]或拋物線性[2]過渡。
選擇Silicon-on-insulator（SOI）技術作為納米錐和波導的平臺，因為它提供高折射率比，包括二氧化硅層作為光學緩沖器，并允許與集成電子電路兼容。[2]
[1] Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)
[2] Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);
3D FDTD仿真
要模擬的關鍵部件是來自參考文獻[1]的線性錐形硅波導（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達到更快的模擬時間）
? 為了精確模擬線性錐形硅波導，錐形的網格尺寸應該要設置密度大一些，因此在這種情況下使用不均勻的網格。
展開 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—光纖耦合器
原則上，可研究任意折射率分布光纖內多光束的傳輸特性。研究基于倏逝波的光纖定向耦合器。傳輸一段距離后，兩光纖纖芯相對較近，光線可由一根光纖遂穿到另外一根光纖纖芯內。光線由其中一個端口入射，可分析不同波導距離，耦合長度，波長下的傳輸特性。
圖1為折射率分布，用于說明是否為所設定的耦合結構。
圖2為yz平面內的場分布，可分析光功率如何耦合至相鄰波導的過程。
圖3為其中一個輸出端口下光束的分布。
圖4為耦合強度與耦合區兩纖芯距離的關系；
圖5為耦合強度與波長的關系。短波長表現弱耦合，隱逝場較弱。由于光耦合返回至初始波導中，彎曲損耗逐漸增加，在再次減弱前，長波長表現強耦合特性。
需指出，該程序分別定義了不同的波長通道，用戶可在后期詳細研究各通道光束的分布，以及耦合區光束的分布特性。
展開 Ansys Lumerical | 通過微透鏡和端面耦合器將光纖與光子芯片耦合
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在本案例中，我們演示了使用微透鏡和端面耦合器進行光纖到光子芯片的耦合。我們引入 Zemax OpticStudio以解決實際錯位情況下通過微光學元件的傳播問題。作為演示，我們在正常條件下通過各個步驟查看功率損耗，然后進行非理想情況、自定義選項和復雜的公差研究。我們將討論影響仿真精度的重要模型設置；然后提供有關如何分析不同對準場景或使用自定義光學元件的指南。
概述
在光子學中，將信號耦合到芯片是一項獨特的挑戰，需要精確對準和復雜的封裝。鑒于耦合性能對芯片的功能至關重要，因此這種設計因為產量損失、過度設計和額外的加工/封裝費用占技術成本的很大一部分也就不足為奇了。隨著行業趨勢朝著 3D 集成電路內共封裝光學器件的方向發展，開發工作流程以準確模擬可靠性并做出經濟可行的設計決策變得勢在必行。
雖然尚無行業標準，但耦合是通過光柵耦合器、衰減耦合器或端面耦合器等標準器件實現的。端面耦合器是制造在芯片邊緣的，將光纖靠近芯片邊緣，并采用大尺寸模斑轉換器（SSC）將較大的光纖模式絕熱轉換為波導模式。雖然這些器件在放置位置和尺寸方面存在限制，但它們可以提供寬帶、偏振不敏感性和低插入損耗（IL）。本征模展開法（EME）是一種沿傳播軸分析導模光學有效且準確的方法，非常適合高效仿真SSC器件，而這些器件通常對于FDTD來說太大了。
假設光纖和SSC之間完美接觸和對準，這在考慮IL時是合理的；但這沒法分析錯位的容差，也無助于設計在制造/封裝變化下穩健的系統。為此，我們拓展了結合Zemax的物理光學傳播（POP）工具的方法，以可靠地仿真錯位并分析更復雜的光學系統。
步驟1：Lumerical MODE 中的光纖分析（可選）
使用FDE求解器求解光纖的模式，并通過.ZBF格式將模場導出到OpticStudio。
展開 JCMsuite案例展示：光纖單模光纖的仿真分析
在案例中，計算了帶有摻雜二氧化硅芯的圓柱形光纖的基本傳播模式。
磁芯具有相對介電常數和直徑。包層具有相對介電常數和直徑。我們假定磁場的切向分量在外邊界上消失。我們想在1.5附近找到兩個本征模，這是我們對有效折射率的最初猜測。基本示例propagation Mode中給出了輸入文件所需參數的詳細描述。
下圖顯示了兩個計算本征模的電場的z分量(對數尺度下)。兩者都屬于相同的有效折射率，屬于雙重簡并。特征值存儲在文件eigenvalues.jcm中。
之后彎曲單模光纖教程會說明如何計算彎曲單模光纖的基本傳播模式。
光纖耦合透鏡的參數優化
摘要
光纖是現代光學中最通用的組件之一。它們最具價值的特性之一是能夠以極低的損耗在極遠的距離(甚至幾公里)傳輸光能。另一方面，以盡可能高效率地將光耦合到光纖中往往是一項非常微妙的工作:在其他方面，光纖耦合透鏡必須精心設計，以確保焦點與光纖的傳播模式盡可能緊密地匹配。通過快速物理光學模擬VirtualLab Fusion中的參數優化，我們設計了一個圓錐表面的平凸透鏡，用于將光耦合到單模光纖中。
設計任務
系統構建板塊-導入透鏡文件
透鏡系統,例如本應用程序中的耦合透鏡,既可以由用戶從頭配置，也可以由制造商提供的信息導入。
系統構建塊-光纖效率探測器
為了找到鏡頭的優化參數集，優化文檔允許為目標值定義參數約束和權重。
總結-組件...
初始透鏡評估
參數優化
VirtualLab Fusion技術
文件信息
展開 Ansys Zemax | 多模光纖耦合
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。
下載
聯系工作人員獲取附件
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。
展開 光纖耦合透鏡的參數優化
摘要
光纖是現代光學中最通用的組件之一。它們最具價值的特性之一是能夠以極低的損耗在極遠的距離(甚至幾公里)傳輸光能。另一方面，以盡可能高效率地將光耦合到光纖中往往是一項非常微妙的工作:在其他方面，光纖耦合透鏡必須精心設計，以確保焦點與光纖的傳播模式盡可能緊密地匹配。通過快速物理光學模擬VirtualLab Fusion中的參數優化，我們設計了一個圓錐表面的平凸透鏡，用于將光耦合到單模光纖中。
設計任務
系統構建板塊-導入透鏡文件
系統構建塊-光纖效率探測器
優化
Introduction to the Parametric Optimization Document
總結-組件...
展開 光纖耦合透鏡的參數優化
摘要
在現代光學中，光纖應用于各種光學系統中。為了高效使用光功率，光纖耦合透鏡一定要精心設計，保證聚焦點與光纖模式匹配。使用VirtualLab中的快速物理光學仿真和參數優化，針對將光耦合到單模光纖的問題，我們展示了具有圓錐表面的透鏡的設計。
設計任務
初始設置的評價
參數優化
優化結果的評價
文件信息
