本文介紹了如何在 OpticStudio 中對(duì)具有一定角度斜切端面的接收光纖進(jìn)行建模并仿真其耦合效率。斜切光纖面和光纖模態(tài)傾斜補(bǔ)償角可以使用坐標(biāo)間斷 (Coordinate Break) 表面和傾斜像面的組合來(lái)引入。正確設(shè)置傾斜角以表示斜切光纖端面對(duì)于獲得準(zhǔn)確的耦合效率結(jié)果至關(guān)重要。本文討論了設(shè)置系統(tǒng)的三種不同方法，用戶(hù)可以根據(jù)自己的偏好進(jìn)行選擇。
了解斜切光纖的幾何形狀
正確設(shè)置斜切光纖系統(tǒng)
無(wú)模態(tài)傾斜補(bǔ)償?shù)鸟詈嫌?jì)算
方法 1：使用 CB 進(jìn)行模式傾斜，使用 Tilted Image 表面進(jìn)行斜切角度設(shè)置
方法 2：直接定義傾斜像面和模態(tài)傾斜角，結(jié)合光纖耦合工具進(jìn)行分析
方法 3：使用CB進(jìn)行傾斜，并結(jié)合負(fù)模態(tài)傾斜角在光纖耦合工具中分析
關(guān)于從斜切端面光纖發(fā)射光束的注意事項(xiàng)
在設(shè)計(jì)激光器和光纖系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)需要使用具有斜切端面的光纖，以減少光纖端面引起的背向反射。例如，具有正常端面的典型光纖-空氣接口會(huì)引入 ~4% 的菲涅耳反射或 14 dB 的回波損耗，這意味著大約 14 dB 的入射光將被反射回來(lái)。如果我們將光纖面的角度調(diào)整為 8 度的斜切角，則可以顯著抑制背向反射量，低至 ~60 dB。在處理高功率激光系統(tǒng)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)榇蠊β时诚蚍瓷淇赡軙?huì)導(dǎo)致光源損壞。同時(shí)這在高度敏感的系統(tǒng)中也很重要，例如內(nèi)窺鏡檢查或使用干涉效應(yīng)的系統(tǒng)（例如光學(xué)相干斷層掃描等）。
考慮具有 8 度斜切角度端面的光纖，假設(shè)光纖的折射率為 1.47，可通過(guò)將 n = 1.47 的模型玻璃分配給圖像表面的材料單元完成建模。
接下來(lái)，我們可以考慮這種 8 度斜切光纖的幾何形狀，以了解如何設(shè)置它。
假設(shè)由綠色箭頭標(biāo)記的入射光束沿 Z 軸入射。通過(guò)引入適當(dāng)?shù)膬A斜角度，這里的目標(biāo)是對(duì)齊接收光纖，使其光纖光軸與折射后光束共線，從而最大限度地提高耦合效率。這意味著折射角（折射光束與刻面法線之間的角度）應(yīng)等于光纖光軸與端面法線之間的角度，即斜切角。換句話說(shuō)，要將光纖光軸與折射光束對(duì)齊，折射角需要與斜切角相同。
對(duì)于此模型，我們知道光纖折射率為 n = 1.47，同時(shí)假設(shè)光從空氣中入射（n = 1.0）。光纖斜切角度為 8 度，然后設(shè)置為折射角為 8 度。在空氣-光纖接口處應(yīng)用斯涅爾定律，我們得到：
通過(guò)代入光纖折射率和折射角，我們得到入射角為 11.8 度，這告訴我們對(duì)于給定的光纖折射率和斜切角，我們可以唯一地確定沿光纖光軸放置折射光束所需的入射角，從而最大限度地提高耦合效率。
首先，我們將設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，使用單透鏡將來(lái)自源光纖的光耦合到接收光纖中。源光纖和接收光纖相同，NA 均為 0.1。我們將從正常端面的單模接收光纖開(kāi)始模擬（其中端面垂直于光纖光軸）。起始文件可在此處找到：“\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Conic interconnect.zmx”。在本練習(xí)中，我們首先進(jìn)行以下更改：
將系統(tǒng)波長(zhǎng)設(shè)置為 0.55 um
使用 Object Space NA = 0.2 定義系統(tǒng)孔徑
并設(shè)置切趾因子 G = 4.0
源光纖和接收光纖以及本例中使用的透鏡系統(tǒng)都具有軸上的對(duì)稱(chēng)性，當(dāng)系統(tǒng)在物和像空間上對(duì)稱(chēng)時(shí)，可以獲得最佳耦合效率。為了在優(yōu)化過(guò)程中保持這種對(duì)稱(chēng)性，我們首先對(duì) Surface 2 的 Thickness 單元格應(yīng)用 Pickup 求解，以從 Object thickness（物距）中獲取其參數(shù)值。然后，我們可以使用 Quick Adjust 工具查找最小光斑尺寸位置的像面位置。
接下來(lái)，我們將設(shè)置單模光纖耦合分析。您可以打開(kāi)?Analyze...光纖耦合...單模耦合工具，在分析窗口設(shè)置內(nèi)，按照下圖進(jìn)行設(shè)置。
調(diào)整物體距離后，當(dāng)前耦合效率計(jì)算為 99.8%。在設(shè)置下，如果選中使用偏振選項(xiàng)來(lái)考慮兩個(gè)空氣-透鏡界面處的菲涅耳反射損耗，則耦合效率會(huì)下降到 91.5%。如果要考慮接收光纖面-空氣邊界的反射損失，可以將模型玻璃分配給像平面的材料欄內(nèi) (n = 1.47)。然后，OpticStudio 將考慮該接口端面處的 ~4% 損耗，耦合效率進(jìn)一步下降到 88.2%。您可以在本文的 Downloads 部分找到具有這些設(shè)置的示例文件“conic_interconnect_normal_angle_fiber_coupling.zar”。
無(wú)模態(tài)傾斜角補(bǔ)償?shù)鸟詈嫌?jì)算
現(xiàn)在，我們準(zhǔn)備在接收光纖端面上引入 8 度斜切角。我們首先看一下這樣一種情況：我們引入了一個(gè) 8 度的斜切面，但沒(méi)有重新對(duì)準(zhǔn)接收光纖，因此不會(huì)對(duì)增加的斜切進(jìn)行補(bǔ)償。
在這種情況下，設(shè)置非常簡(jiǎn)單。我們需要做的就是將像面傾斜 8 度。為此，我們將像面設(shè)置為 Tilted 表面類(lèi)型，其中 Tangent Y = 0.140541（即斜切 8 度）。您可以在布局圖中到當(dāng)前像面是傾斜的，類(lèi)似于斜切光纖端面。請(qǐng)注意，僅出于演示目的，在下面的所有截圖中，像面半直徑已暫時(shí)增加到 1 毫米，以清晰地顯示該表面。正如預(yù)期的那樣，在沒(méi)有補(bǔ)償?shù)那闆r下，斜切端面會(huì)導(dǎo)致耦合效率顯著下降，從 88.2% 下降到 56.4%（選中 Use Polarization 選項(xiàng)以包括菲涅耳反射損耗）。
您可以在下載部分找到此文件：“conic_interconnect_angle_cleaved_fiber_without_mode_tilt_compensation.zar”
使用斜切光纖時(shí)，必須調(diào)整光纖進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)準(zhǔn)，只有當(dāng)光纖軸沿折射光束路徑時(shí)才具有最佳耦合效率。根據(jù)斯涅爾定律，我們知道對(duì)于 n = 1.47 且斜切角為 8 度的光纖，接收光纖面上所需的入射角應(yīng)為 11.8 度。這將提供 8 度的折射角，使折射光束沿接收光纖光軸傳播。
通常，可以使用 Coordinate Breaks 或 Tilted surfaces 獲得傾斜。但是，這兩種方法之間存在差異。當(dāng)使用 CB 表面引入傾斜時(shí)，OpticStudio 通過(guò)傾斜局部坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，這不僅會(huì)傾斜像面，還會(huì)導(dǎo)致接收光纖模式的傾斜。默認(rèn)情況下，接收光纖與局部 Z 軸對(duì)齊。但是使用 Tilted Image 表面只會(huì)傾斜像面本身，而不會(huì)影響局部坐標(biāo)方向，這使得接收光纖模式不傾斜。
在以下部分中，我們將介紹三種在 OpticStudio 中正確設(shè)置的方法。
方法 1：使用 CB 進(jìn)行模式傾斜，使用 Tilted Image 表面進(jìn)行劈裂角度
這是推薦的方法，因?yàn)樗鼘⒍嗣嫘鼻薪呛湍B(tài)傾斜補(bǔ)償角分開(kāi)定義。此外，與在“光纖耦合”分析窗口中設(shè)置模態(tài)傾斜補(bǔ)償角的方法 2 相比，這種方法通過(guò)鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的 CB 表面可以直接定義模態(tài)傾斜角，使得訪問(wèn)傾斜角度參數(shù)變得容易，并且可以作為變量進(jìn)行優(yōu)化。
在這種方法中，我們將首先在像面前面輸入 CB 表面，分配 Tilt X = 3.8 度。這是為了引入局部 Z 軸的傾斜，隨后將像面和接收光纖模態(tài)傾斜 3.8 度。將像面設(shè)置為 Tilted surface 類(lèi)型，并設(shè)置其 Tangent Y = 0.140541，這相當(dāng)于從已經(jīng)傾斜的 3.8 度局部 Y 軸再傾斜 8 度。現(xiàn)在，入射光線與像面法線之間的角度為 11.8 度，即所需的入射角。您可以看到在選中 Use Polarization 時(shí)，耦合效率回升至 88.2%。該值非常接近以前在正常端面光纖情況下實(shí)現(xiàn)的耦合值。
您可以在“下載”部分找到此文件“conic_interconnect_angle_cleaved_method_1_cb_tilt_image.zar”。
方法 2：在光纖耦合工具中使用傾斜像面和模態(tài)傾斜角
在此方法中，像面再次設(shè)置為 Tilted surface 類(lèi)型，但是不設(shè)置 8 度的傾斜，而是分配 Tangent Y = 0.209005（大約偏離 Y 軸 11.8 度的傾斜）。這會(huì)將入射光束和斜面法線之間的角度設(shè)置為 11.8 度，即所需的入射角。
折射后，光束與斜切面法線形成 8 度角。需要記住的一點(diǎn)是，Tilted surface 類(lèi)型不會(huì)影響局部坐標(biāo)系，這意味著像面上的局部 Z 軸與入射光束保持平行，從而與折射光束形成 3.8 度角。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在光纖耦合工具中，我們需要將光纖模式傾斜 3.8 度，使其沿折射光束對(duì)齊?？梢酝ㄟ^(guò)?Analyze...光纖耦合...單模耦合的設(shè)置中，將 “Tilt About X” 輸入 3.8 度實(shí)現(xiàn)。這將使光纖模態(tài)繞局部 Z 軸順時(shí)針傾斜 3.8 度，然后將光纖模式與光纖內(nèi)部的折射光束對(duì)齊。在此模態(tài)傾斜調(diào)整后，您可以看到在選中 Use Polarization 時(shí)，耦合效率現(xiàn)在回升至 88.2%。這與我們使用方法 1 獲得的結(jié)果非常接近，也非常接近在正常斜切光纖情況下的計(jì)算結(jié)果。
您可以在“下載”部分找到此文件“conic_interconnect_angle_cleaved_method_2_tilt_image_pop_tilt.zar”。
方法 3：在光纖耦合工具中使用 CB 引入傾斜和負(fù)模態(tài)傾斜角
在這種方法中，我們不會(huì)將 Tilted surface 類(lèi)型用于像面。首先，我們將像面前插入一個(gè) Coordinate Break 表面，并將 Tilt About X 設(shè)置為 11.8 度，提供所需的 11.8 度入射角。此外，它還將繞局部 Z 軸順時(shí)針傾斜 11.8 度，并將接收光纖模態(tài)傾斜 11.8 度，使其沿著表面法線。從前面的計(jì)算中，我們知道折射角是 8 度，意味著我們需要將光纖模態(tài)逆時(shí)針傾斜 8 度，使其沿折射光束路徑放置。與方法 2 類(lèi)似，這個(gè)光纖模態(tài)傾斜角可以通過(guò)?Analyze...光纖耦合...單模耦合器設(shè)置進(jìn)行定義?，F(xiàn)在，我們將 “Tilt About X ” 設(shè)置為 -8 度，經(jīng)過(guò)此調(diào)整后在選中 Use Polarization 選項(xiàng)的情況下，光纖耦合效率再次恢復(fù)到 88.2%。
您可以在下載部分找到此文件 “conic_interconnect_angle_cleaved_method_3_cb_pop_negative_tilt.zar”。
