簡介：本文討論了如何使用FRED對球透鏡封裝的半導(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)域很常見的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。該模型演示了FRED傳播相干光場的能力、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。 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，工作波長是1310nm。Mitsubishi光源說明書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)場功率分布的全1/e寬度)。沒有提及在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。 我們在FRED中使用激光二極管束光源類型對激光二極管光源建模，以及設(shè)置光源產(chǎn)生相干輸出。 圖1. 激光二極管光源編輯 注意到在激光二極管光束光源的設(shè)置里面，發(fā)散角由功率的1/e2標(biāo)準(zhǔn)定義。這就要求制造商提供的發(fā)散角要乘以一個(gè)開方因子。 圖2. 球透鏡封裝的激光二極管耦合到光纖系統(tǒng)原理圖（側(cè)視圖） 直徑為1.5mm的球透鏡是Mitsubishi激光二極管集成的一部分，它的位置在距離激光二極管發(fā)射表面1.88mm處。 在FRED中使用球形元件基元，就可以創(chuàng)建該透鏡。為方便起見，全局坐標(biāo)原點(diǎn)選在球透鏡的輸出表面與光軸的交點(diǎn)處。 圖3. 全局坐標(biāo)原點(diǎn)的定義 值得注意的是，我們使用了FRED的N-BK7模型來定義球透鏡的材料，在1310nm波長處折射率大小是1.5036。 模型中使用的單模光纖(SMF)位于距離全局坐標(biāo)原點(diǎn)1.9mm處，它的結(jié)構(gòu)(由下圖定義)基于單模光纖的典型值。光纖纖心的半徑是5μm，且由直徑為125μm包層包裹著。纖心和包層的折射率大小分別是1.465和1.47，它們之間的折射率差為0.36%。 圖4. 單模光纖示意圖 模型中還包含了一個(gè)吸收涂敷層，或者是夾層，覆蓋在光纖表面。 在FRED中定義的光纖是一個(gè)組件，它包含了多個(gè)元件基元：一個(gè)圓柱體用于纖芯、光管用于包層和涂敷層。 
注意到“Fiber Cladding”管道的內(nèi)壁恰好與“Fiber Core”圓柱體的外壁是重合的。為了正確的建模，用戶需要手動(dòng)的設(shè)置包層管道的內(nèi)壁為不可追跡(Never Traceable)。不這樣做的話將會(huì)導(dǎo)致光線追跡錯(cuò)誤，因?yàn)閮蓚�(gè)表面放置在空間里完全一樣的位置，而且它們具有兩個(gè)不同的材料設(shè)置。對于“Fiber Coating”的內(nèi)壁需要同樣的設(shè)置。 
在這一模型中光纖涂層認(rèn)為是吸收的，且擁有停止所有(Halt All)光線追跡控制。所有其它的表面是不加涂層的。 仿真 FRED使用如下的方程來計(jì)算光纖耦合效率(CE)： 
其中Einc是入射場分布，Efiber是光纖基模的場分布(由FRED根據(jù)光纖規(guī)格參數(shù)自動(dòng)計(jì)算)。 一般來說，CE是一個(gè)復(fù)數(shù)，所以耦合功率實(shí)際上是：CEpower = Re[CE]2 + Im[CE]2 因此，我們要想精確的計(jì)算光纖耦合，需要在光纖入口的后面放置一個(gè)分析面來保證該表面的反射系數(shù)能夠準(zhǔn)確的納入考慮之中。 非常重要的是，分析面是大于我們所期望的基模的模場直徑(MFD)，以便進(jìn)行精確的重疊積分。同樣重要的是，我們應(yīng)該意識(shí)到數(shù)值積分的精確性依賴于分析面中劃分網(wǎng)格的數(shù)目。在本例中，50μm寬的分析面上251×251的網(wǎng)格，可認(rèn)為是足夠的。 圖5. 分析面放置在光纖界面的后面 圖6. 光源用128*128采樣點(diǎn)光線追跡與渲染 由FRED光纖耦合效率計(jì)算得出的返回值是兩個(gè)場分布之間的重疊部分，且沒有考慮入射場的功率。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.通過輻射照度的計(jì)算確定分析面處的功率值(P) 2.通過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話框 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。 對齊靈敏度 對于測定設(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。 與該FRED文件相關(guān)聯(lián)的共有三個(gè)內(nèi)置腳本： 縱向距離掃描 橫向偏移掃描 傾斜掃描 這三個(gè)腳本之間是相似的：通過用戶控制的步長，每個(gè)腳本調(diào)整了光纖的位置、計(jì)算了耦合系數(shù)并打印到輸出窗口或者到Microsoft Excel電子表格中(如果有需要)。 縱向?qū)R靈敏度 在距離掃描腳本文本的頂端，用戶輸入光纖的開始和結(jié)束位置，以及希望運(yùn)行的掃描分辨率（步長）。 如果用戶希望FRED將數(shù)據(jù)打印到Microsoft Excel電子表格中并繪圖，就要設(shè)置exportToExcel標(biāo)簽值為True。 
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。 
頭部打印出來后，腳本的主循環(huán)就開始了。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-[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(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 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于這種類型問題的仿真是很關(guān)鍵的。 本例系統(tǒng)數(shù)據(jù)(單位是mm) | 
