| 绵阳超光通信 |
2013-11-12 13:34 |
运用ZEMAX设计多模光纤准直器
本文利用ZEMAX软件进行多模光纤准直器的设计。在ZEMAX开发环境下建立多模光纤准直器光路系统的理论模型，通过人工优化的方法，设计并制作了可调焦的多模光纤准直器，仿真结果与实际结果相一致，证实了利用ZEMAX进行多模光纤准直器设计的可行性和准确性。利用所建立的模型，分析了各种因素对光纤准直器耦合效率和准直度的影响。 Gy=B&bo Z
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ZEMAX是美国FocusSoftwareInc公司开发的光学设计和仿真分析软件，具有强大的激光束传输仿真功能，并提供了序列和非序列两种光线追迹模式。其中序列模式下可以使用物理光学传播来定义高斯光束；非序列模式下有多种光源模型，包括高斯光束、半导体高斯光束、椭圆高斯光束等。光纤准直器是一种光无源器件，其作用是将光纤中出射的发散光束准直成平行光束，或者将平行光束汇聚进入光纤中去，以提高光纤系统的耦合效率。光纤准直器通常主要由准直系统和光纤两部分组成。光纤准直器根据光纤的不同可以分为单模光纤准直器和多模光纤准直器。其中，多模光纤准直器由于其耦合效率高而被广泛应用在传能方面。 nUkaz*4qU
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本文从实用的角度出发阐述ZEMAX在光无源器件2多模光纤准直器设计中的应用，通过建模来验证ZEMAX在多模光纤准直器设计中的可行性。 M q';S^
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2.建模 H'Yh2a`!o
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在ZEMAX软件中，混合式非序列常常被用来仿真不易建立于序列性模式下的光学组件。从序列模式出发，在混合式非序列下对光纤准直器进行仿真建模。在建模仿真之前，首先设计准直系统，采用偶次非球面单透镜作为准直系统。在ZEMAX中，偶次非球面可以表示为 ^>"z@$|\:
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式中c为顶点处的基本曲率，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲面常数，ai为非球面系数。其中k<-1为双曲面，k=-1为抛物面，-1<k<0为椭圆，k=0为球面，k>1为扁圆。 +V&{* f)
在非球面透镜的应用中，平面(或凸面)2双曲面透镜可以将无限远目标聚焦成无像差的光斑。利用这个特性，可以运用平面(或凸面)2双曲面透镜对半导体激光器的快轴进行准直，如图1所示。 )BRK ZQN
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由于单件非球面透镜的加工成本非常昂贵，直接采用了Thorlabs公司的C230TME2B型非球面准直透镜(数值孔径为0.55，焦距为4.51)进行建模仿真。在序列模式下，输入透镜参数，中心波长选择980nm，优化函数选择RMS+Wavefront，对透镜工作距离进行优化，优化后的参数如表1所示。由图2可以得出准直度为0.158mrad。 g-Pwp[!qkf
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在准直系统确定之后，在表1中“STO”面前插入非序列组件(NSC)，并在出口端口位置(ExitLocZ)处设置端口位置大于光纤长度(否则ZEMAX程序将会出现错误信息)。在非序列组件编辑器(NSCE)中对芯径为100μm，数值孔径为0.37的多模石英光纤进行仿真建模，结构参数如表2所示。 :;t
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为了优化方便，在光纤与准直透镜之间加入一个标准面。在点列图的监控下，改变该标准面的厚度对光纤准直器的工作距离进行人工优化。达到最佳准直时，准直度为6.256mrad，点列图如图3所示。由于多模光纤的芯径较粗(d>50μm)，因此可以用几何光学计算模型来做近似分析。虽然这种分析没有波动理论那么严密，但却能够非常准确地提供描述连接损耗及各种影响因素的有用信息。在ZEMAX软件中，几何像分析(GIA)工具可以计算光学系统和多模光纤的耦合效率。计算出考虑菲涅尔衍射时的系统耦合效率，如图4所示，光纤准直器系统的耦合效率为83.818%。 eb*#'\~'
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根据ZEMAX的仿真结果，制作了光纤芯径为100μm的可调焦的多模光纤准直器，当准直器调到最佳位置时，准直度为7mrad，耦合效率为75%，与ZEMAX的仿真结果非常接近。 >I=2!C1w
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3光纤准直器光束质量的影响因素 #A]-ax?Qc}
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3.1光纤芯径大小对光纤准直器光束质量的影响 %#$ EP7"J
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表3为用ZEMAX软件模拟的不同光纤时准直器的准直度及耦合效率，从表中可以看到系统的耦合效率随着光纤芯径的增大而增大，但当芯径增大到一定程度时，耦合效率不再随芯径的增大而显著变化。而准直器的准直度则随着光纤芯径的增大显著变差，从50μm开始，芯径每增加1倍，准直器的准直度就变差1倍。单色相干光在经过多模光纤传输时，激发出大量的不同模式相互耦合，受模式选择性损耗等因素的影响，各导模之间存在着时延差，时延差小于单色光相干时间的那些模式间矢量相加，彼此干涉，其结果在光纤出射端面的辐射光场分布形成近似散斑光场。这种不均匀的光场分布严重影响了光纤准直器的准直度，并且光纤芯径越大，散斑越厉害，从而导致准直器的准直度越差。 Q
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3.2光纤与准直系统的对准误差对光纤准直器光束质量的影响 F{ELSKcp.
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光纤与透镜耦合时，对准误差对系统的传输效率有着不容忽视的影响。对准误差中除了轴向偏离对准直器的耦合效率不太敏感外，径向偏离和角度倾斜都对准直器的耦合效率比较敏感。本文主要讨论对准误差对光束质量的影响。在ZEMAX的LDE中，定义一个坐标变换面，通过此面对系统对准误差进行模拟分析。 I* VCp aA
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从图5可以看到，准直器的准直度随着轴、径向偏离距离的增大而显著恶化或趋向恶化。这样，不同距离处的光斑将发生不同程度的变形。图6为光斑变形后的点列图，可见系统像差比较严重。图7中可以看到角度倾斜不会对准直度产生影响，但从图8以看到，角度倾斜时光斑发生了倾斜变形。 Z}-Vf$O~
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从以上分析可知，对准误差不仅对准直器的耦合效率比较敏感，而且对光束质量的影响也比较大。因此，在光纤准直器的设计与制造过程中，一定要严格把握控制其对准精度，可以通过ZEMAX辅助设计作为参考。 Y"KE7>Jf
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4结论 '?({;/L
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提出了基于ZEMAX设计多模光纤准直器的思想，对正在制作中的光纤准直器做了仿真分析，并把仿真结果与实验结果做了对比，发现仿真结果与实验结果非常接近，说明在混合非序列下仿真设计多模光纤准直器的可行性。利用光学仿真软件ZEMAX不仅可以对光纤准直器的工作距离进行优化，而且还可以直接读出光纤准直器的准直度及耦合效率。同时，结合非序列建模，还可以观察不同距离的光斑大小及能量分布。该方法对实际中多模光纤准直器的选择和制作都有重要的意义。
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