zemax计算耦合效率以及偏移

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。

设计前的准备Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。

我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。

如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径 0.14纤芯直径8.3μm 模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度 0.9mm内部透过率 >0.99透镜直径240μm 透镜节距250μm 曲率半径330μm 圆锥常数（Conic constant） 0数值孔径 0.17附件中的文件single mode coupler.zmx是整个系统的Zemax文件。

请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。

后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。

既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。

同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。

这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。

因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。

在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。

当心“数值孔径”的多种不同定义。

它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。

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。

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模型一：VCSEL—单微透镜—光纤耦合波长=850mm NA =0.2
效率：
结构简单，单效率不高，光路不稳定，不符合研究要求。

模型二：VCSEL—双微透镜—光纤耦合
波长=850mm NA =0.14
效率：
效率虽高，但不符合研究的背景要求，舍弃。

模型三：VCSEL—双透镜—光纤耦合（MMF=50/125）波长=850mm NA =0.2
效率：
根据参考文献：长春理工大学光电工程学院吉林长春130021;2中国科学院半导体研究所北京100083的研究
这个模型也就能达到30%左右的效率，舍弃。

模型四：VCSEL—双微透镜—MMF（62.5/125）
波长=850mm NA=0.2
效率：
根据参考文献，吧光纤和透镜接在一起，调整参数（往研究背景靠近），在第二个透镜出口处的光澜腰束小于光纤内径，光纤在光纤中光路无反射最好，直接照到光纤末端45°面上。

根据华中科技大学，物理电子学，对于光电互联板的耦合效率的研究，得知这样的效率能达到80%左右。

模型五：光纤末端45°角反射与光波导耦合
效率：。

光纤偏移对空间光-单模光纤耦合效率的影响陈海涛;杨华军;李拓辉;黄凯【摘要】The sticking point of coupling space light into single-mode fiber is how to find the optimal position of fiber precisely.Based on the field-matching theory, the influence of the fiber position error on coupling efficiency of light from free space to single-mode fiber is numerically evaluated.The results show that the fiber-coupling efficiency degrades rapidly with the increasing of the fiber position error.We designed a fiber adjusting mechanism to position the fiber precisely, which improve the fiber-coupling efficiency greatly.To ensure a certain degree of coupling efficiency,micro-lenses fiber is also introduced into the coupling system.These results are helpful for optimization designs of coupling space light into single-mode fiber.%空间光-单模光纤耦合的关键技术是怎样确保耦合系统中光纤的准确定位.基于电磁场模场匹配理论,讨论了光纤偏移对空间光-单模光纤耦合效率的影响,结果显示耦合效率随着光纤偏移的增大显著下降.采用光纤调整架以及微透镜光纤可以显著改善耦合效率,讨论结果有助于空间光-单模光纤耦合器件的优化设计.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)001【总页数】4页(P75-78)【关键词】空间光通信;耦合效率;单模光纤;光纤偏移【作者】陈海涛;杨华军;李拓辉;黄凯【作者单位】宜宾学院物理与电子工程学院,四川,宜宾,644000;电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054;电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054;电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054;电子科技大学物理电子学院,四川,成都,610054【正文语种】中文【中图分类】TN929.12空间激光通信以其发射光束窄、信息容量大、传输速率快、覆盖空间广、抗干扰能力强以及保密性好等特点越来越受到人们的重视。

设计前的准备Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。

我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。

如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径0.14纤芯直径8.3μm模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度0.9mm内部透过率>0.99透镜直径240μm透镜节距250μm曲率半径330μm圆锥常数（Conic constant）0数值孔径0.17附件中的文件single mode coupler.zmx是整个系统的Zemax文件。

请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。

后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。

既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。

同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。

这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。

因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。

在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。

当心“数值孔径”的多种不同定义。

它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到 1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。

LD耦合模拟演示 2019.6.12目录第一章绪论 (3)第二章半导体激光与光纤耦合的理论 (4)2.1 半导体激光器输出光束特性 (4)2.2 光纤的基本理论 (5)2.3 光纤耦合条件 (6)第三章 10WLD耦合模拟 (7)3.1 光路结构及器件参数 (7)3.2 耦合模拟 (7)3.3 光路优化 (9)第四章大功率LD耦合模拟 (10)4.1 光路结构 (10)4.2 耦合模拟 (11)第五章结论 (16)第一章绪论本文利用Zemax对10W与30W两种LD耦合方式进行了模拟，除对现有10WLD 耦合工作进行验证之外，也为30WLD的光纤耦合工作提供了设计指导。

第二章半导体激光与光纤耦合的理论2.1 半导体激光器输出光束特性温度对半导体输出功率的影响很大，温度越高，LD的输出功率越低。

这就使得LD的有源层非常薄，厚度大约只有1μm，宽度一般在几十到几百μm。

由于有源层非常狭窄，激光在传输的过程中就会发生衍射，光束会变得发散，如图1所示。

图表 1 半导体激光器出射光斑示意图半导体激光器的桶中功率（PIB）定义为：光强下降到最大光强的1/2处所对应的角度，即半亮全宽时的全角发散角。

垂直发散角用θ⊥表示，水平发散角用θ∥表示。

对于激光与光纤的耦合，发散角越小，调整的容忍度越大，越有利于高效率的耦合。

我们选择的LD芯片为Oclaro的SES12-915-02，其输出的中心波长为910nm，输出功率12W，θ⊥为58°，θ∥为10.5°。

2.2 光纤的基本理论图表 2 光纤的结构光纤的一般结构如图2所示，纤芯与包层为其结构主体。

最外的涂覆层用于保护光纤，纤芯的折射率为n1，包层折射率为n2，n1＞n2，因此光束在纤芯与包层的交界面可以发生全反射而实现低损传播。

为了满足全反射的实现条件，对照射到光纤端面的角度有要求，通过推算不难得到以下的公式：（1.1）其中NA为光纤的数值孔径，n0为空气折射率，简单计算可以取1,φ0为入射光束与水平方向的夹角，大于此数值的光束由于不能发生全反射而无法耦合入光纤。

基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计石科仁;朱长青【摘要】针对半导体激光器远场光强分布不对称的特点,利用ZEMAX软件的近轴平面XY实现对激光器快慢轴不同发散角的模拟.依据多模光纤的数值孔径和芯径的要求,结合几何光学进行光线追迹分析,并用ZEMAX进行了参数优化,得到了耦合系统的三维视图,系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求.最后,对耦合系统进行了测试实验.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2016(040)005【总页数】3页(P43-45)【关键词】半导体激光器;耦合系统;ZEMAX;几何光学;多模光纤【作者】石科仁;朱长青【作者单位】军械工程学院车辆与电气工程系,石家庄050003;军械工程学院车辆与电气工程系,石家庄050003【正文语种】中文【中图分类】TN36;O435.1半导体激光器体积小，重量较轻，光电转换效率高，在半导体激光光纤耦合技术领域应用广泛[1]。

但是，由于半导体激光器的有源层宽厚比相差太大，导致其远场光强分布不对称：光束在垂直于PN结方向（即快轴方向）发散角远大于平行于PN结方向（即慢轴方向）的发散角，这一特点为激光器的设计与仿真模拟增加了难度。

激光与多模光纤的耦合方式包括光纤端面制成微透镜的方式和分立的微光学元件的方式两种[2]。

大多数耦合装置采用球面微透镜进行耦合，但考虑到透镜个数较大导致的系统体积的增加，以及先准直后聚焦过程导致的光功率的损耗，本文拟采用圆柱形透镜将激光束耦合进多模光纤，简化了耦合过程，减少了能量损失。

我们课题组购置的半导体激光器的光源宽度为（1×100）μm，快轴的发散角约为30°，慢轴发散角接近6°，而且在近轴像面上存在像差。

基于此，本文采用ZEMAX软件的近轴XY面设计。

首先确定一个初始的发散角，让其与慢轴发散角6°相同，根据数值孔径计算公式NA=nsinα，物空间数值孔径为0.0523，光束类型选择高斯光束，波长选择1.03μm。

如何在Zemax下模拟单模光纤的光束耦合设计前的准备Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。

我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。

如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径0.14纤芯直径8.3μm模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度0.9mm内部透过率>0.99透镜直径240μm透镜节距250μm曲率半径330μm圆锥常数（Conic constant）0数值孔径0.17附件中的文件single mode coupler.zmx是整个系统的Zemax文件。

请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。

后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。

既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。

同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。

这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。

因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。

在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。

当心“数值孔径”的多种不同定义。

它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。

ZEMAX光学设计：模拟单模光纤耦合设计指标：单模光纤的规格为纤芯直径为8.3um，数值孔径0.14，模场直径9.2±************；透镜的规格为：熔融石英（Silica），厚度0.9mm，直径0.24mm，曲率半径0.33mm，数值孔径0.17。

出射单模光纤到第一个透镜的初始距离为0.1mm，第二个透镜到耦合光纤的初始距离也是0.1mm；两个透镜之间的初始距离为2mm。

（该设计来自ZEMAX自带实例）设计仿真：（1）单模光纤耦合在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Float By Stop Size”，Apodization Type选择“Gaussian”，Apodization Factor为3.0，这样设置可以产生高斯分布的光束。

在视场设定对话框中设置1个视场，Field Type为“angle”，如下图：在波长设定对话框中，选择1.310um一个波长，如下图：LDE初始结构，如下图：此时，2D Layout，如下图：查看点列图：光纤在波长1.31um的模场直径为9.2±0.4um，因此可以按照下图所示来设置近轴高斯光束。

将Waist Size设置为0.0046，Surf 1 to Waist设置为-0.1，这样，此时的束腰位置就位于在输入光纤的位置。

查看Paraxial Gaussian Beam Data：上图中，像面（IMA）上的Size约为5.56um，而物面（OBJ）上的Size为4.6um，考虑到希望该系统的输入和输出是互易的，那么，我们可以通过优化光纤与透镜之间的距离来优化像面上的Size 到4.6um。

打开MFE，添加GBPS操作数，设置如下：GBPS操作数，在Wave定义的波长上，指定面后的光学空间中近轴高斯光束的尺寸。

将LDE中物面的厚度设置为变量，此时，第5面的厚度也会相应变化。

同时，将第2面的曲率半径也设置为变量，那第4面的曲率半径也会相应变化。