Ansys Zemax多模光纤耦合

引言：

多模光纤（MMF）因其广泛的带宽和较高的传输容量，在通讯、光学成像等领域得到了广泛应用。然而，实现高效率、稳定的耦合是多模光纤实际应用中的一项挑战。本章节将重点介绍如何通过几何图像分析（Geometric Image Analysis, GIA）与使用 IMAE操作数（IMAE Operator）优化多模光纤耦合效率的方法，旨在提升性能及提高系统整体效率。

多模光纤类型与分析背景：

1. 多模光纤定义：多模光纤指的是可以传输多种频率光（横向模）的光纤。光的多个频率或模式在其中耦合，使得信息可以高速传输。当光纤纤芯尺寸足够大，能够支持大量模式时，可被视作一个有效的导光管。




2. 系统需求：在进行多模光纤耦合分析时，若纤芯直径至少比波长大10倍或更多，这样的尺寸可以使纤芯支持更多不同的横向模。对于太少的模式的光纤，利用多模光纤特性进行优化则不再适用。

使用 GIA 计算法来计算耦合效率：

1. 示例文件选择：下载示例文件，该文件模拟了将光线耦合到纤芯半径为0.1 mm、数值孔径为0.2的多模光纤中，具体操作包含忽略与分界面的菲涅尔损耗部分。

2. GIA 参数设置：


输入接收光纤的数值孔径于 NA 栏，表明了光纤接收光的能力。


保持轴上点光源位于无穷远，视场大小 （扩展光源大小）设定为零。


’图像大小’选项用于定义在像面上需要仿真的区域，其大小可视为探测器的有效尺寸。


3. 执行耦合分析：全选的同时并执行，初始结果示出耦合效率低至2%左右。


IMAE 操作数优化耦合效率：

1. 参数保存和优化研究：开启 GIA 设置的保存功能，优化像面位置以增加耦合效率。运用 IMAE 操作数在操作函数编辑器中提供的耦合效率图表反馈进行调整。

2. 优化算法选择：采用 Damped Least Squares（阻尼最小二乘）优化算法进行像面位置优化。

3. 结果评估：经优化后，计算得出的耦合效率从2% 提高至约54%。使用几何图像分析技术确认优化结果。

考虑菲涅尔损耗影响：

1. 仿真参数调整：如果材料结构设定为 NBK7 纤芯时，为了综合考虑所有空气与玻璃界面的菲涅尔反射损耗及其可能的双凸透镜体吸收，需要在 GIA 设置中启用偏振选项。

2. 效率评估：随偏振选项的启用和体吸收考虑，耦合效率再次显著下探至约为47%。

总结：

结合几何图像分析技术和 IMAE 操作数功能，本章节详细探讨了在多模光纤耦合效率优化过程中的各个关键步骤与挑战。通过仿真分析及参数调整，实现从低效耦合状态提升至高效状态的目标，展示了在多模光纤系统中如何通过精确的光束管理，实现稳定高效的光信号传输，对于提升系统性能具有重要的理论与实际指导意义。