光纖耦合
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
光纖耦合的實(shí)例教程
ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件在光纖建模和光纖耦合分析方面有著廣泛的應(yīng)用。
在使用 ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行光纖建模時(shí)，可以通過(guò)定義光纖的幾何參數(shù)、折射率分布、光源類(lèi)型等信息來(lái)進(jìn)行精確建模。然后，通過(guò)模擬光線(xiàn)在光纖內(nèi)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(guān)鍵指標(biāo)。
在這個(gè)過(guò)程中，確保光信號(hào)的高效傳輸和最小損耗是至關(guān)重要的。ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件能夠模擬和分析光纖耦合過(guò)程中的各種光學(xué)現(xiàn)象。
光纖耦合分析
ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)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(guò)程。這些工具可以幫助工程師優(yōu)化光纖的設(shè)計(jì)，確保光信號(hào)的高效傳輸。
通過(guò) ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件的物理光學(xué)分析功能，用戶(hù)可以研究光纖耦合過(guò)程中的衍射效應(yīng)、偏振等波動(dòng)光學(xué)現(xiàn)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(huì)
通過(guò)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(huì)成員可以獲得關(guān)于光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要見(jiàn)解，從而進(jìn)行必要的優(yōu)化和改進(jìn)。
武漢墨光科技有限公司是 ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件的官方代理商，提供了豐富的教育資源和研討會(huì)，幫助用戶(hù)更好地理解和使用 ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行光纖建模和光纖耦合分析。
我公司對(duì)于 ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件的教育資源包括線(xiàn)上研討會(huì)、視頻演示、入門(mén)資料合集等，旨在提高用戶(hù)對(duì) ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件的認(rèn)識(shí)和操作技能。希望廣大工程師和研究人員通過(guò)使用 ASAP 高級(jí)光學(xué)系統(tǒng)分析軟件可以?xún)?yōu)化光纖耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。
研討會(huì)詳情：
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展開(kāi) 光源用128*128采樣點(diǎn)光線(xiàn)追跡與渲染
由FRED光纖耦合效率計(jì)算得出的返回值是兩個(gè)場(chǎng)分布之間的重疊部分，且沒(méi)有考慮入射場(chǎng)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(guò)輻射照度的計(jì)算確定分析面處的功率值(P)
2.通過(guò)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(jiǎn)單的表示為P * CEpower。
追跡完從具有2048×2048個(gè)樣本點(diǎn)的光源發(fā)出的光線(xiàn)后，當(dāng)我們計(jì)算輻射照度時(shí)，輸出窗口里就會(huì)顯示出到達(dá)光纖接口后面的分析面處的光源功率值。
圖7. 分析面處的積分功率值
可以看出，26.55%的光功率到達(dá)了分析面。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(zhǔn)確的輸入。
圖.8 光纖耦合效率分析對(duì)話(huà)框
點(diǎn)擊完OK后，結(jié)果會(huì)顯示在輸出窗口中。
圖9. 光纖耦合效率顯示在輸出窗口
可以看出，耦合效率為71.44%。因此，在這個(gè)系統(tǒng)總的耦合功率百分比為71.44%*26.55% = 19.0%。
ML725C8F激光二極管工作光源是在5mW，因此在該配置中，光纖傳輸?shù)男盘?hào)差點(diǎn)不到1mW。
對(duì)齊靈敏度
對(duì)于測(cè)定設(shè)計(jì)公差以及激光二極管/光纖包的可行性，理解光纖對(duì)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。
展開(kāi) 就在這定義了光纖的參數(shù)，這只是用于光纖耦合效率的計(jì)算。
頭部打印出來(lái)后，腳本的主循環(huán)就開(kāi)始了。這是一個(gè)“for”循環(huán)，它會(huì)一步一步的改變光纖的位置-[1]，追跡光線(xiàn)-[2]，計(jì)算照度并確定總功率-[3]，計(jì)算光纖耦合效率-[4]，最后計(jì)算模式功率-[5]。
圖10. 位置掃描腳本的主循環(huán)
注意到函數(shù)FiberCoupleStepIndex返回了兩個(gè)值-“coupleReal” 和“coupleImag”，這些變量是耦合系數(shù)的實(shí)部和虛部。
下圖表示的是，對(duì)于球透鏡到光纖的距離從1.5mm到2.5mm變化的結(jié)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)，F(xiàn)RED在耦合中計(jì)算出了稍微偏大的值。這種差異可以解釋為：耦合對(duì)光纖模式尺寸和折射率分布極為敏感。很遺憾的是，Mitsubishi沒(méi)有給出使用光纖的具體細(xì)節(jié)。
橫向準(zhǔn)直靈敏度
“橫向偏移掃描”腳本與之前十分相似，除了用戶(hù)為掃描定義了如下的參數(shù)：
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(hù)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(gè)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(zhuǎn)
結(jié)束語(yǔ)
在本文中，F(xiàn)RED展現(xiàn)出了從激光二極管到光纖耦合準(zhǔn)確計(jì)算的能力。其計(jì)算結(jié)果與激光二極管生產(chǎn)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(duì)于這種類(lèi)型問(wèn)題的仿真是很關(guān)鍵的。
本例系統(tǒng)數(shù)據(jù)(單位是mm)
展開(kāi) 簡(jiǎn)介
本文討論了如何使用FRED對(duì)球透鏡封裝的半導(dǎo)體激光二極管耦合到單模光纖進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，這是在光纖通信領(lǐng)域很常見(jiàn)的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。該模型演示了FRED傳播相干光場(chǎng)的能力、它的精確激光二極管束(Laser Diode Beam)光源模型以及準(zhǔn)確的計(jì)算光纖耦合效率。
①模型
在FRED模型中使用的半導(dǎo)體激光二極管是Mitsubishi(三菱) ML725C8F，這是一個(gè)InGaAsP / InP多量子阱(MQW)激光器，工作波長(zhǎng)是1310nm。Mitsubishi光源說(shuō)明書(shū)定義了輸出光束的在x和y方向的發(fā)散角分別是25和30度（遠(yuǎn)場(chǎng)功率分布的全1/e寬度)。沒(méi)有提及在x和y焦點(diǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)
光纖耦合器系統(tǒng)由三部分組成：
①：基于Mitsubishi(三菱) ML725C8F系列的高發(fā)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(jì)算入射到光線(xiàn)模型的總功率與光纖基模的耦合效率。
基本參數(shù)如下圖2所示。
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準(zhǔn)確分析耦合效率在光纖耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。本文演示了如何在OpticStudio中使用多種光纖耦合效率分析。
介紹
OpticStudio序列模式可以很好地模擬單模光纖耦合效率。本文演示了如何設(shè)置耦合系統(tǒng)，并研究了序列模式下可用于光束和光纖耦合分析的多種工具，包括近軸高斯光束傳播、單模光纖耦合和物理光學(xué)傳播。還討論了部分反射和材料吸收造成的損耗。
設(shè)置初始設(shè)計(jì)
本文介紹了一種商用光纖耦合器，它使用 SUSS MicroOptics FC-Q-250 微透鏡陣列耦合兩根康寧 SMF-28e 光纖。
制造商的數(shù)據(jù)如下。
·文章附件中的“單模耦合器.zmx”文件顯示了如何實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)。請(qǐng)注意以下事項(xiàng)：
·物體/鏡頭和鏡頭/圖像距離已手動(dòng)設(shè)置為 0.1 mm，因?yàn)檫@大約是正確的值。此數(shù)字稍后將由優(yōu)化程序計(jì)算
·拾取求解用于使最終的鏡頭圖像厚度與初始物鏡圖像相同。由于透鏡和光纖是相同的（在制造公差范圍內(nèi)），光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該以任何一種方式工作，因此應(yīng)該是對(duì)稱(chēng)的
·兩個(gè)透鏡的間隔設(shè)置為 2 mm，因?yàn)檫@是使用的實(shí)驗(yàn)距離。同樣，這個(gè)距離將在后面通過(guò)嚴(yán)格的優(yōu)化來(lái)計(jì)算
·系統(tǒng)光圈是使用第一個(gè)鏡頭背面的“按光圈大小浮動(dòng)”設(shè)置的。這意味著系統(tǒng)光圈是由鏡頭的物理光圈設(shè)置的。我們通過(guò)該系統(tǒng)傳播的光纖模式可以被這個(gè)物理孔徑削波。在這種情況下，光纖模式明顯小于物理孔徑
·警惕術(shù)語(yǔ)“數(shù)值孔徑”的多種定義。它可以使用邊緣光線(xiàn)角的正弦，即強(qiáng)度下降到 1/e 的角度的正弦2（正如我們將看到的，這兩個(gè)定義在OpticStudio中的不同計(jì)算中使用）或強(qiáng)度下降到峰值1%的角度的正弦，如康寧所使用的那樣。定義很重要！
展開(kāi) 
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光纖耦合的最新內(nèi)容
</p><p><strong>內(nèi)容簡(jiǎn)介：</strong>介紹Zemax中用于分析光纖耦合效率的功能模塊，包括FICL和POP，并根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品形態(tài)，介紹微透鏡陣列以及光纖陣列的建模方法，以及常用的公差分析方法及多物理場(chǎng)分析功能。</p><p><strong>本次活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)還特別準(zhǔn)備了互動(dòng)有禮環(huán)節(jié)：Ansys 定制小熊、盲盒、杜邦紙袋等驚喜禮品等你解鎖！
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(xiàng)非常微妙的工作:在其他方面，光纖耦合透鏡必須精心設(shè)計(jì)，以確保焦點(diǎn)與光纖的傳播模式盡可能緊密地匹配。通過(guò)快速物理光學(xué)模擬VirtualLab Fusion中的參數(shù)優(yōu)化，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)圓錐表面的平凸透鏡，用于將光耦合到單模光纖中。
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(xiàng)非常微妙的工作:在其他方面，光纖耦合透鏡必須精心設(shè)計(jì)，以確保焦點(diǎn)與光纖的傳播模式盡可能緊密地匹配。通過(guò)快速物理光學(xué)模擬VirtualLab Fusion中的參數(shù)優(yōu)化，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)圓錐表面的平凸透鏡，用于將光耦合到單模光纖中。
系統(tǒng)構(gòu)建模塊-光纖效率探測(cè)器
單模光纖耦合效率檢測(cè)器將效率計(jì)算為輸入場(chǎng)和光纖的（單）特征模的歸一化重疊積分。請(qǐng)注意，顧名思義，這種檢測(cè)器只適用于單模光纖。
總結(jié)——元器件
幾何光學(xué)焦距下的場(chǎng)追跡分析
首先利用VirtualLabFusion中的場(chǎng)追跡找到球形透鏡的焦距。
作為一個(gè)例子，我們分析了設(shè)計(jì)良好的光纖耦合透鏡在不同公差因素下的耦合效率，例如光纖末端位置的橫向偏移和耦合透鏡的傾斜。此外，下面提供了對(duì)參數(shù)運(yùn)行的掃描模式的深入研究，其中研究了參數(shù)空間的二維區(qū)域（具有結(jié)果可視化的其他可能性）。
光纖耦合裝置的公差分析
在光纖耦合光學(xué)裝置中，耦合效率是根據(jù)光纖末端位置偏移和透鏡傾斜等公差因素進(jìn)行分析的。
該用例通過(guò)公差分析示例演示了此功能，該示例與光纖耦合設(shè)置的效率有關(guān)，其中光纖在軸向和橫向上略微未對(duì)準(zhǔn)。參數(shù)運(yùn)行文檔還提供了用于說(shuō)明性顯示相應(yīng)結(jié)果的特定選項(xiàng)。
光纖耦合裝置的容差分析16天前
然而，光纖的耦合效率通常對(duì)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)極為敏感，尤其是對(duì)于纖芯直徑相對(duì)較小的單模光纖。這個(gè)例子選擇了一個(gè)設(shè)計(jì)良好的光纖耦合透鏡，并根據(jù)不同的容差因素來(lái)評(píng)估耦合效率，例如光纖末端位置的偏移和耦合透鏡的傾斜。
（2）光纖通信領(lǐng)域
針對(duì)光纖耦合效率低的痛點(diǎn)，仿真優(yōu)化的雙折射透鏡組與DOE元件，可將光束耦合效率提升至95%以上，減少信號(hào)傳輸損耗。在5G基站的光模塊中，優(yōu)化設(shè)計(jì)的光束整形系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)復(fù)用與空間復(fù)用，使通信帶寬提升2倍。
（3）醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域
在激光手術(shù)器械中，可控制光束能量密度分布，避免損傷健康組織。
結(jié)論
本文介紹了建立斜切端面光纖耦合系統(tǒng)的三種不同方法。我們還介紹了一種從斜切光纖發(fā)射光束的方法。它討論了在像面上使用 Coordinate Break 表面和 Tilted 表面類(lèi)型之間的區(qū)別。它演示了如何對(duì)斜切光纖端面進(jìn)行建模，以及如何引入模態(tài)傾斜角來(lái)補(bǔ)償斜切。我們可以看到，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓饫w對(duì)準(zhǔn)補(bǔ)償，斜切光纖的耦合效率與使用正常端面光纖的耦合效率非常匹配。
[VirtualLab] 高數(shù)值孔徑物鏡焦斑分析1個(gè)月前
例如，在激光微納加工中，希望獲得盡可能小且能量集中的焦斑，以提升加工精度；在共聚焦顯微中，則需要在分辨率和景深之間取得平衡；在光纖耦合或熒光激發(fā)場(chǎng)景中，還要考慮焦斑與目標(biāo)結(jié)構(gòu)的模式匹配。VirtualLab Fusion提供的場(chǎng)分布、截面分析和參數(shù)掃描能力，能夠幫助工程師在設(shè)計(jì)早期就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少樣機(jī)試錯(cuò)成本。
