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zemax单模光纤耦合设计Zemax是一种常用的光学设计软件，可以用于设计和优化光学系统。
在光纤通信中，光纤耦合是一个重要的问题，因为光纤耦合的效率直接影响到光信号传输的质量和距离。
本文将介绍如何使用Zemax 进行单模光纤耦合的设计。
单模光纤是一种能够传输单个模式光信号的光纤，具有较小的传输损耗和较高的带宽。
光纤耦合是将光信号从光源传输到光纤的过程，其目标是尽可能地将光信号聚焦在光纤的入口面上，使光信号能够有效地进入光纤。
在Zemax中进行光纤耦合设计，首先需要建立光学系统模型。
光学系统模型包括光源、透镜、光纤等元件。
其中，光源可以是LED、激光器等发光源，透镜用于调节光束的形状和聚焦效果，光纤是光信号传输的通道。
在建立光学系统模型后，需要定义光纤的入口面和出口面。
光纤的入口面是光纤与外界的接口，光信号需要从这里进入光纤。
出口面是光纤与接收器的接口，光信号需要从光纤传输到接收器上。
接下来，需要选择合适的透镜和光纤参数。
透镜的选择主要考虑透镜的焦距和孔径，以及透镜与光纤的距离。
光纤的参数包括芯径、包层折射率和长度等。
这些参数的选择将直接影响到光纤耦合的效率和质量。
在Zemax中，可以使用光线追迹和优化算法来模拟和优化光纤耦合。
光线追迹可以模拟光线在系统中的传播路径和光强分布，从而评估光纤耦合的效果。
优化算法可以根据设定的目标函数来优化系统的参数，以最大化光纤耦合的效率。
在进行光纤耦合设计时，需要注意以下几点。
首先，光纤的入口面和出口面应当对准光源和接收器。
其次，透镜和光纤的位置和参数应当合理选择，以使光线能够有效地聚焦在光纤的入口面上。
此外，还应当考虑光纤的对准误差和传输损耗等因素。
Zemax是一种强大的光学设计软件，可以用于单模光纤耦合的设计和优化。
通过合理选择透镜和光纤的参数，并使用光线追迹和优化算法，可以实现高效的光纤耦合。
光纤耦合的设计是光纤通信中的重要环节，对于提高光信号传输的质量和距离具有重要意义。
lumerical 单模光纤耦合效率（原创实用版）目录1.引言2.Lumerical 软件概述3.单模光纤耦合效率的计算方法4.影响单模光纤耦合效率的因素5.提高单模光纤耦合效率的措施6.结论正文1.引言光纤通信技术在我国得到了广泛的应用，其中单模光纤由于其传输速度快、传输距离远等特点，在长距离通信中占据主导地位。
在单模光纤通信系统中，光纤之间的耦合效率直接影响到系统的性能。
因此，研究单模光纤耦合效率具有重要的理论和实际意义。
2.Lumerical 软件概述Lumerical 是一款专业的光纤仿真软件，可以模拟光纤的传输特性、光纤之间的耦合效率等。
该软件采用有限元分析方法，可以精确地计算光纤的各种参数，为研究光纤通信系统提供有力的理论支持。
3.单模光纤耦合效率的计算方法在 Lumerical 软件中，单模光纤耦合效率的计算采用光线追踪法。
首先，需要建立光纤的模型，包括光纤的纤芯、包层以及连接两个光纤的耦合器。
然后，通过计算光线在光纤中的传播路径以及光线在耦合器处的传播方向，可以得到耦合效率。
4.影响单模光纤耦合效率的因素单模光纤耦合效率受到多种因素的影响，包括光纤的纤芯直径、数值孔径、耦合器的结构等。
为了提高耦合效率，需要对这些因素进行优化。
5.提高单模光纤耦合效率的措施在 Lumerical 软件中，可以通过调整光纤的参数、优化耦合器的结构等方式来提高单模光纤耦合效率。
此外，还可以采用自聚焦透镜、球透镜等方法来提高耦合效率。
6.结论综上所述，Lumerical 软件在计算单模光纤耦合效率方面具有较高的精度和可靠性。
zemax光纤耦合效率摘要：1.Zemax 光纤耦合效率简介2.Zemax 光纤耦合效率的计算方法3.Zemax 光纤耦合效率的影响因素4.Zemax 光纤耦合效率的提高方法5.总结正文：【1.Zemax 光纤耦合效率简介】Zemax 光纤耦合效率是指在光学系统中，光纤与光源之间的能量传递效率。
在光纤通信、光纤传感和光纤激光等领域中，光纤耦合效率对于系统的性能具有重要意义。
Zemax 作为一款光学设计软件，可以方便地计算和优化光纤耦合效率，从而提高整个光学系统的性能。
【2.Zemax 光纤耦合效率的计算方法】Zemax 中，光纤耦合效率的计算采用耦合系数法。
具体步骤如下：1) 在Zemax 中创建一个光学系统，将光源、光纤和接收器等元件添加到系统中；2) 在光源和光纤之间设置一个耦合器，并设置适当的耦合系数；3) 运行光学仿真，得到光源输出光强的分布；4) 计算光纤中的光强分布；5) 根据光纤中的光强分布，计算光纤耦合效率。
【3.Zemax 光纤耦合效率的影响因素】Zemax 光纤耦合效率受多种因素影响，主要包括：1) 光源的类型和特性；2) 光纤的类型和特性；3) 耦合器的类型和特性；4) 光源与光纤之间的距离；5) 耦合系数的大小。
【4.Zemax 光纤耦合效率的提高方法】为了提高Zemax 光纤耦合效率，可以采取以下措施：1) 选择合适的光源和光纤类型，以提高它们的匹配度；2) 选择合适的耦合器类型，并设置适当的耦合系数；3) 优化光源与光纤之间的距离，以提高能量传递效率；4) 对光学系统进行优化，以降低系统中的损耗。
【5.总结】Zemax 光纤耦合效率是光学系统性能的关键指标之一。
通过合理的设计、优化和计算，可以有效提高光纤耦合效率，从而提升整个光学系统的性能。
光纤通信中直接耦合效率的计算公式光纤通信作为一种高速、高带宽的通信方式，已经被广泛应用于电信、互联网和其他领域。
在光纤通信中，直接耦合效率是一个重要的参数，它影响着光信号的传输效率和稳定性。
准确计算直接耦合效率对于光纤通信系统的设计和优化至关重要。
1. 直接耦合效率的定义直接耦合效率是指光信号从一个光源传送到接收端的光耦合效率。
在理想情况下，光信号经过光纤传输，不会有任何损失，光能完全传输到接收端，这时的直接耦合效率为100。
然而，在实际应用中，由于光纤的材料、制造工艺、连接器等因素的影响，光信号会有一定程度的损耗，导致直接耦合效率降低。
2. 直接耦合效率的计算方法直接耦合效率的计算方法主要涉及光源功率、光纤损耗、接口连接等因素。
一般来说，直接耦合效率可以通过以下公式计算：直接耦合效率 = (Pout / Pin) * 100其中，Pout为输出光功率，Pin为输入光功率。
在实际应用中，直接耦合效率的计算需要考虑到光源的功率稳定性、光纤的损耗系数、连接器的质量等因素，以获得准确的结果。
3. 直接耦合效率的影响因素直接耦合效率受多种因素的影响，包括光源功率、光纤损耗、连接器质量、光纤长度、光源和接收端的匹配度等。
在光纤通信系统设计中，需综合考虑这些因素，选择合适的光源、光纤和连接器，以达到最佳的直接耦合效率。
4. 提高直接耦合效率的方法为了提高直接耦合效率，可以采取以下措施：- 选择高品质的光源和光纤，减小光信号的损耗；- 注意光源和接收端的匹配度，避免因不匹配导致的光能损失；- 定期清洁和保养光纤连接器，确保连接质量良好；- 控制光源的功率，并保证其稳定性，以提高直接耦合效率。
5. 结语直接耦合效率是光纤通信系统中的重要参数，它直接影响着光信号传输的效率和稳定性。
正确计算直接耦合效率，了解影响因素并采取相应的措施，可以有效提高光纤通信系统的性能和可靠性。
在实际应用中，我们需要不断研究和优化直接耦合效率的计算方法，以满足不断发展的光纤通信需求。
第30卷第1期 2010年3月物 理 学 进 展PROGRESS IN PH YSICS V ol.30No.1 M ar.2010文章编号:1000-0542(2010)01-0037-44收稿日期:2009-11-18基金项目:国家自然科学基金(10674075,10974100,60577018)、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、国家863计划项目(2006A A01Z 217)、光电信息技术科学教育部重点实验室开放基金项目资助*Ema il:zhangw g@nanka 光纤耦合器的理论、设计及进展林锦海,张伟刚(南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要: 系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X 型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。
作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。
关键词:光纤光学;光纤耦合器;光纤通信;光纤传感;超长周期光纤光栅中图分类号:T N253;T N929 文献标识码:A0 引言光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件,是光纤系统中使用最多的光无源器件之一,在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。
光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成,属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。
根据光的耦合原理,人们已经设计出了多种光纤耦合器器结构。
包括:X 型光纤耦合器、星型光纤耦合器、双包层光纤耦合器、光纤光栅耦合器、长周期光纤光栅耦合器、布拉格光纤耦合器、光子晶体光纤耦合器等。
随着各种光纤通信和光纤传感器件的广泛使用,光纤耦合器的地位和作用愈来愈重要,并已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。
lumerical 单模光纤耦合效率Lumerical是一种用于光学仿真的软件工具，它提供了众多功能和工具，用于解决光学和电磁问题。
其中之一的主题就是单模光纤耦合效率。
本文将逐步介绍单模光纤耦合效率的概念、计算方法和如何使用Lumerical 进行仿真。
第一部分：单模光纤耦合效率的概念在光学通信和传感领域，单模光纤耦合效率是一个重要的指标。
它衡量了光纤与设备之间相互耦合光的效率，也可以理解为光信号从光纤中传输到器件的能力。
单模光纤是一种核心直径较小，只能传输单个模式的光纤。
在耦合过程中，存在光能由光纤透过耦合器件传输，也存在光能会在耦合过程中被散射、折射或吸收的情况。
因此，耦合效率将直接影响到器件的性能。
第二部分：计算单模光纤耦合效率的方法计算单模光纤耦合效率通常包括以下步骤：1. 耦合器件建模：使用Lumerical软件进行耦合器件的建模和仿真。
可以使用Lumerical内置的模型库，也可以根据需要自定义模型。
2. 光源建模：确定耦合光源的属性，包括波长、功率和入射角等。
这些参数通常需要根据实际情况进行设定。
3. 仿真设置：选择适当的光场和电磁仿真方法，配置仿真设置，例如网格大小、计算域大小等。
4. 设置边界条件：根据实际情况设置适当的边界条件，例如吸收边界、周期性边界或边界层等。
5. 运行仿真：运行仿真，并记录相应的结果。
6. 分析结果：根据仿真得到的数据，计算光纤耦合效率。
通常，可以通过比较耦合光和输入光的功率或亮度来评估耦合效率。
第三部分：使用Lumerical进行仿真Lumerical软件提供了丰富的工具和模型库，方便用户进行单模光纤耦合效率的仿真。
首先，在Lumerical中建立耦合器件的模型。
可以选择合适的模型库或导入自行设计的模型。
在模型中设置合适的材料参数、结构尺寸和几何形状。
其次，设置耦合光源的属性。
确定光源的波长、功率和入射角。
可以通过调整光源的参数来模拟不同的耦合情况。
接下来，进行仿真设置。
69科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 工 业 技 术由于光纤准直器质量轻、体积小、输出近平行光优点[1],被作为耦合器件广泛应用于光纤通信中。
本文对光纤准直器的原理进行分析,得到光纤准直器的变换矩阵和存在径向错位、轴向夹和轴向间距时的耦合效率,为以后光纤准直器的使用提供理论参考。
1 高斯光束及其传播法在均匀介质中沿z轴传播的基模高斯光束的可以表示为[2]2222000022x exp exp arctan ()()2()C x y x y z i z z z R z f（,y,z)=(1)其中:λ为波长；2f为高斯光束的共焦参数；0 为基模高斯光束的腰斑半径；2()1f R z z z为在z 处的曲率半径；()z 2 光纤准直器的变换矩阵2.1高斯光束的变换矩阵图1为多个元器件的光学系统,图中z表示,RP1为入射面,RP2为出射面,T1,T2,…,Tm分别为光学元器件。
当光线从参考面RP1入射,通过T1,T2, ……,Tm多个元件的光学系统后,由参考面RP2出射。
光学系统对光线的变换表示为[1]001100m m m m r r r A B T T T C Dg L (2)其中r0为入射光线离开z轴的垂直距离;θ0为入射光线传播方向与z轴的夹角;rm为出射光线离开z轴的垂直距离;θm为出射光线传播方向与z轴的夹角, 11m m AB T T T CDL 为变换矩阵。
2.2光纤准直器的变换矩阵(1)如图2所示,准直镜由单模光纤(SMF)和自聚焦透镜(GRIN)组成。
GRIN的折射率分布为 2012A n n r,其中n0为轴心上的折为折射率分布常数。
R P1-R P3组成的变换矩阵为45342312AB M M M MC D(3)其中:1210100M n n,23sincos cos M,3401100M n n,45101z M,所sin cos cosA B C D n,其中1n 为空气折射率。
光纤与光源耦合方法实验一.实验目的初步掌握光纤切割技术，光纤与光源耦合技术，体会透镜数值孔径对耦合效率的影响。
二.实验原理光纤作为无源器件，是光纤传感器中基本组成部分。
其端面处质量的好坏直接影响与光源耦合的效率及光信号的采集。
光纤端面的处理可分为两种形式，即平面纤头和透镜牵头，本次实验主要是平面光纤头的制作。
光耦合是将光源发出的光，注入到光纤中的一个过程。
光耦合效率与光纤端面质量和耦合透镜的是指孔径有关，当光纤端面处理的质量较好，其数值孔径与耦合透镜数值孔径相匹配时可得到最佳耦合效率。
耦合方法光纤与光源的耦合有直接耦合和经聚光器件耦合两种。
聚光器件有传统的透镜和自聚焦透镜之分。
自聚焦透镜的外形为“棒”形（圆柱体），所以也称之为自聚焦棒。
实际上，它是折射率分布指数为2（即抛物线型）的渐变型光纤棒的一小段。
自聚焦透镜自聚焦透镜又称梯度折射率透镜，是指其内部的折射率分布沿径向逐渐减小的柱状透镜。
由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，可以在多种不同的微型光学系统中使用更加方便。
并在集成光学领域如微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备有着广泛的应用。
梯度折射率透镜是光通讯无源器件中必不可少的基础元器件。
应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，被分别使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激光器等方面。
直接耦合是使光纤直接对准光源输出的光进行的“对接”耦合。
这种方法的操作过程是：将用专用设备使切制好并经清洁处理的光纤端面靠近光源的发光面，并将其调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大），然后固定其相对位置。
这种方法简单，可靠，但必须有专用设备。
如果光源输出光束的横截面面积大于纤芯的横截面面积，将引起较大的耦合损耗。
经聚光器件耦合是将光源发出的光通过聚光器件将其聚焦到光纤端面上，并调整到最佳位置（光纤输出端的输出光强最大）。
这种耦合方法能提高耦合效率。
目录【实验目的】..................................................................................................... - 2 -【实验原理】..................................................................................................... - 2 -【实验设计】..................................................................................................... - 4 -【思考题】......................................................................................................... - 8 -- 1 -【实验目的】1．了解常用的光源与光纤的耦合方法。
2．熟悉光路调整的基本过程，学习不可见光调整光路的办法。
3．通过耦合过程熟悉Glens 的特性。
4．了解1dB 容差的基本含义。
5．通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。
【实验原理】在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问题：即如何从各种类型的发光光源将光功率发射到一根特定的光纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一根光纤耦合到另外一根光纤中去（相对于目前绝大多数光纤器件而言）。
对于任一光纤系统而言，主要的目的是为了在最低损耗下，引入更多能量进入系统。
这样可以使用较低功率的光源，减少成本和增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。
光学耦合系统的1dB 失调容差定义为当耦合系统与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使得耦合效率从最大值下降了1dB 时的位置偏移量。
光输出耦合效率光输出耦合效率是指在光纤通信系统中，光源能够有效地将光能传输到光纤中的比例。
光输出耦合效率的高低直接影响着光纤通信系统的性能和传输质量。
本文将从光源特性、光纤特性和耦合装置等方面来探讨光输出耦合效率的影响因素和提高方法。
光源的特性对光输出耦合效率有着重要影响。
光源的发光强度、光束质量和光谱特性等都会影响光的耦合效率。
发光强度越高，光输出耦合效率就越高。
而光束质量则决定了光的传输性能，好的光束质量能够减小光在传输过程中的损耗，提高光输出耦合效率。
光源的光谱特性也会影响光的耦合效率，要保证光源的光谱与光纤的工作波长相匹配，才能实现高效的耦合。
光纤的特性也是影响光输出耦合效率的重要因素。
光纤的纤芯直径、折射率和损耗等参数都会对光的耦合效率产生影响。
光纤的纤芯直径越小，光输出耦合效率就越高，因为光在小直径纤芯中的传输损耗较小。
而纤芯的折射率也会影响光的耦合效率，要保证光纤和耦合装置之间的折射率匹配，才能实现高效的耦合。
此外，光纤的损耗也会导致光输出耦合效率的下降，因此需要选择低损耗的光纤材料和合适的接口处理方式来提高耦合效率。
耦合装置的设计和调整也是提高光输出耦合效率的关键。
耦合装置的设计应考虑光源和光纤之间的匹配问题，合理选择焦距和位置，使得光能够尽可能地聚焦到光纤的纤芯上。
调整耦合装置时，需要通过调节位置、角度和焦距等参数来优化耦合效率。
此外，还可以使用透镜、偏振器和耦合透镜等辅助器件来提高耦合效率。
光输出耦合效率是光纤通信系统中一个重要的性能指标。
光源特性、光纤特性和耦合装置等因素都会对光输出耦合效率产生影响。
为了提高光输出耦合效率，可以从优化光源特性、选择合适的光纤和设计调整耦合装置等方面入手。
通过科学合理的设计和调整，可以实现光输出耦合效率的最大化，提高光纤通信系统的性能和传输质量。
课程设计任务书学生姓名：助人为乐专业班级：不计得失指导教师：一定过工作单位：信息工程学院题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析初始条件：计算机、beamprop或Fullwave软件要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周技术要求：（1）学习beamprop软件。
（2）设计自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析（3）对自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合进行beamprop软件仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
第6-9天对自聚焦光纤的设计进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
第10天提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论 (1)1 自聚焦光纤简介 (2)1.1自聚焦光纤 (2)1.2 自聚焦光纤的特点 (2)1.3 自聚焦光纤的主要参数 (3)2 自聚焦光纤的应用 (4)2.1 聚焦和准直 (4)2.2 光耦合 (5)2.3 单透镜成像 (6)3自聚焦光纤设计仿真 (7)3.1 Beamprop简介 (7)3.2 波导绘制及参数设置 (8)3.3 自聚焦光纤功能仿真 (10)3.4 自聚焦光纤的耦合效率对比 (11)4 心得体会 (12)参考文献 (13)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦光纤（GRIN lens），自聚焦光纤主要应用于光纤传输系统中。
自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。
关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直AbstractThis article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system. Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation1绪论自聚焦光纤体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。
由于这种GRIN光纤内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量,在某些场合可以代替非球面光学元件。
此外这种光学元件的几何形状简单,容易进行光学加工,且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。
因此GRIN光纤透镜已经被越来越多地应用于光学系统，尤其是在光纤通信领域中。
其中自聚焦光纤用于光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用、解复用器件以及光开关等显示出独特的优势。
Beamprop是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。
此软件由美国RSOFT公司出品，1994年投入市场，被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。
此软件使用先进的有限差分光束传播法(finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。
用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。
其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。
另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。
1 自聚焦光纤简介1.1自聚焦光纤渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦光纤是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜。
具有准直、聚焦和成像功能[1]。
随着人们对于信息需求量的日益增加，光纤通信系统正以日新月异的速度迅速发展，有两类光纤通信系统备受人们青睐，一类是长途干线光纤通信系统；另一类是局域网和用户回路光纤通信系统。
在光纤局域网和用户回路通信系统中，需要用到大量的光无源及有源器件，例如：光耦合器、波分复用器、光开关和光收发器件等等。
这些器件无一例外使用了自聚焦光纤。
1.2 自聚焦光纤的特点光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。
传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，从而完成聚焦和成像功能的。
自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点[2]。
它们的光路如图1.1所示。
图1.1 普通透镜和自聚焦光纤光路自聚焦光纤利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征[3]，其折射率变化由公式1表述。
其折射率分布曲线见图1.2。
)21()(2r A N r N O -=（1） 公式（1）中：O N ——表示自聚焦光纤的中心折射率D ——表示自聚焦光纤的直径A ——表示自聚焦光纤的折射率分布常数图1.2 自聚焦光纤折射率分布曲线1.3 自聚焦光纤的主要参数截距P ——在自聚焦光纤中光束是沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即成为一个截距P 。
长度Z ——自聚焦光纤的长度为透镜两端面轴心间的距离。
折射率分布常数——自聚焦光纤的折射率沿径向分布常数。
在此可以是A 或A 。
数值孔径——孔径NA 有两种表示方式，如公式（2）所示。
22N N nSin NA O m m -==αα（2） 公式（2）中：O N ——表示自聚焦光纤的中心折射率N ——表示入射光所在介质的折射率m α——表示入射光线的最大孔径角2 自聚焦光纤的应用由于自聚焦光纤具有端面聚焦及成像特性，以及圆柱状的外形特点，因而可以应用在多种不同的微型光学系统中，自聚焦棒的主要功能有聚焦、准直和成像。
2.1 聚焦和准直穿透透镜在聚焦时存在着结构尺寸大，结构复杂，聚焦光斑大，不能再端面聚焦的缺点（如图1.2.1所示），但自聚焦光纤在聚焦时克服了这些缺点。
根据自聚焦光纤的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦光纤，当从一端面输入是一束平行光时，经过自聚焦棒后光线汇聚在另一端面上，由球差理论可得自聚焦光纤聚焦点光斑的尺寸公式为：)(1220NA f N R π=（3）公式（3）中：R ——为焦点处光斑的半径NA ——为数值孔径f ——为焦距0N ——为轴上的折射率准直是聚焦功能的逆向运用。
根据自聚焦光纤的传光原理，对于Z=1/4P 截距的自聚焦光纤，当汇聚光从自聚焦光纤一端面输入时，经过自聚焦光纤后会转变成平行光线，自聚焦光纤的这一准直功能如图2.1所示。
图2.1 自聚焦光纤准直应用2.2 光耦合由于自聚焦光纤可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外形，使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途，自聚焦光纤的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所，例如：光纤和光源（如图2.2所示）、光纤和光电探测器一级光纤和光纤之间的耦合等等。
图2.2 平面自聚焦光纤耦合为了达到更好的聚焦效果，会在平端面自聚焦光纤一端面加工一个1mm~3mm的曲面，此曲面与平端面自聚焦光纤弥散斑小如图2.3所示。
因此球面自聚焦棒可减小聚焦光斑尺寸[4]。
图2.3球面自聚焦光纤聚焦光斑图2.4中表示L1为光源或光纤到自聚焦光纤端面的距离，Z为自聚焦光纤的长度，L2为自聚焦光纤端面到光纤的距离。
为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦光纤聚焦后能够有效地耦合进光纤，需要调节L1 和L2的距离来达到最佳耦合效率。
但是，在实际耦合过程中，耦合效率要小于其理论值，其原因是耦合效率与器件的结构和使用方法有直接的关系。
图2.4 光纤传输耦合聚焦光轨迹图2.3 单透镜成像自聚焦光纤除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。
对于P/2及1P截距的自聚焦光纤其端面成像机理如图2.5所示。
P/2截距的自聚焦光纤其端面成等大倒像，而1P截距的自聚焦光纤其端面成等大正像。
对于P/4截距的自聚焦光纤物在无穷远处时象在其后端面（只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远）。
图2.5自聚焦光纤端面成像示意图3自聚焦光纤设计仿真3.1 Beamprop简介本次光学仿真用的软件是Beamprop。
