本文介紹了如何在 OpticStudio 中對具有一定角度斜切端面的接收光纖進行建模并仿真其耦合效率。斜切光纖面和光纖模態(tài)傾斜補償角可以使用坐標間斷 (Coordinate Break) 表面和傾斜像面的組合來引入。正確設置傾斜角以表示斜切光纖端面對于獲得準確的耦合效率結果至關重要。本文討論了設置系統(tǒng)的三種不同方法，用戶可以根據自己的偏好進行選擇。
了解斜切光纖的幾何形狀
正確設置斜切光纖系統(tǒng)
無模態(tài)傾斜補償的耦合計算
方法 1：使用 CB 進行模式傾斜，使用 Tilted Image 表面進行斜切角度設置
方法 2：直接定義傾斜像面和模態(tài)傾斜角，結合光纖耦合工具進行分析
方法 3：使用CB進行傾斜，并結合負模態(tài)傾斜角在光纖耦合工具中分析
關于從斜切端面光纖發(fā)射光束的注意事項
在設計激光器和光纖系統(tǒng)時，有時需要使用具有斜切端面的光纖，以減少光纖端面引起的背向反射。例如，具有正常端面的典型光纖-空氣接口會引入 ~4% 的菲涅耳反射或 14 dB 的回波損耗，這意味著大約 14 dB 的入射光將被反射回來。如果我們將光纖面的角度調整為 8 度的斜切角，則可以顯著抑制背向反射量，低至 ~60 dB。在處理高功率激光系統(tǒng)時，這一點尤其重要，因為大功率背向反射可能會導致光源損壞。同時這在高度敏感的系統(tǒng)中也很重要，例如內窺鏡檢查或使用干涉效應的系統(tǒng)（例如光學相干斷層掃描等）。
考慮具有 8 度斜切角度端面的光纖，假設光纖的折射率為 1.47，可通過將 n = 1.47 的模型玻璃分配給圖像表面的材料單元完成建模。
接下來，我們可以考慮這種 8 度斜切光纖的幾何形狀，以了解如何設置它。
假設由綠色箭頭標記的入射光束沿 Z 軸入射。通過引入適當的傾斜角度，這里的目標是對齊接收光纖，使其光纖光軸與折射后光束共線，從而最大限度地提高耦合效率。這意味著折射角（折射光束與刻面法線之間的角度）應等于光纖光軸與端面法線之間的角度，即斜切角。換句話說，要將光纖光軸與折射光束對齊，折射角需要與斜切角相同。
對于此模型，我們知道光纖折射率為 n = 1.47，同時假設光從空氣中入射（n = 1.0）。光纖斜切角度為 8 度，然后設置為折射角為 8 度。在空氣-光纖接口處應用斯涅爾定律，我們得到：
通過代入光纖折射率和折射角，我們得到入射角為 11.8 度，這告訴我們對于給定的光纖折射率和斜切角，我們可以唯一地確定沿光纖光軸放置折射光束所需的入射角，從而最大限度地提高耦合效率。
首先，我們將設置一個簡單的系統(tǒng)，使用單透鏡將來自源光纖的光耦合到接收光纖中。源光纖和接收光纖相同，NA 均為 0.1。我們將從正常端面的單模接收光纖開始模擬（其中端面垂直于光纖光軸）。起始文件可在此處找到：“\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Conic interconnect.zmx”。在本練習中，我們首先進行以下更改：
將系統(tǒng)波長設置為 0.55 um
使用 Object Space NA = 0.2 定義系統(tǒng)孔徑
并設置切趾因子 G = 4.0
源光纖和接收光纖以及本例中使用的透鏡系統(tǒng)都具有軸上的對稱性，當系統(tǒng)在物和像空間上對稱時，可以獲得最佳耦合效率。為了在優(yōu)化過程中保持這種對稱性，我們首先對 Surface 2 的 Thickness 單元格應用 Pickup 求解，以從 Object thickness（物距）中獲取其參數值。然后，我們可以使用 Quick Adjust 工具查找最小光斑尺寸位置的像面位置。
接下來，我們將設置單模光纖耦合分析。您可以打開?Analyze...光纖耦合...單模耦合工具，在分析窗口設置內，按照下圖進行設置。
調整物體距離后，當前耦合效率計算為 99.8%。在設置下，如果選中使用偏振選項來考慮兩個空氣-透鏡界面處的菲涅耳反射損耗，則耦合效率會下降到 91.5%。如果要考慮接收光纖面-空氣邊界的反射損失，可以將模型玻璃分配給像平面的材料欄內 (n = 1.47)。然后，OpticStudio 將考慮該接口端面處的 ~4% 損耗，耦合效率進一步下降到 88.2%。您可以在本文的 Downloads 部分找到具有這些設置的示例文件“conic_interconnect_normal_angle_fiber_coupling.zar”。
現在，我們準備在接收光纖端面上引入 8 度斜切角。我們首先看一下這樣一種情況：我們引入了一個 8 度的斜切面，但沒有重新對準接收光纖，因此不會對增加的斜切進行補償。
在這種情況下，設置非常簡單。我們需要做的就是將像面傾斜 8 度。為此，我們將像面設置為 Tilted 表面類型，其中 Tangent Y = 0.140541（即斜切 8 度）。您可以在布局圖中到當前像面是傾斜的，類似于斜切光纖端面。請注意，僅出于演示目的，在下面的所有截圖中，像面半直徑已暫時增加到 1 毫米，以清晰地顯示該表面。正如預期的那樣，在沒有補償的情況下，斜切端面會導致耦合效率顯著下降，從 88.2% 下降到 56.4%（選中 Use Polarization 選項以包括菲涅耳反射損耗）。
您可以在下載部分找到此文件：“conic_interconnect_angle_cleaved_fiber_without_mode_tilt_compensation.zar”
使用斜切光纖時，必須調整光纖進行補償對準，只有當光纖軸沿折射光束路徑時才具有最佳耦合效率。根據斯涅爾定律，我們知道對于 n = 1.47 且斜切角為 8 度的光纖，接收光纖面上所需的入射角應為 11.8 度。這將提供 8 度的折射角，使折射光束沿接收光纖光軸傳播。
通常，可以使用 Coordinate Breaks 或 Tilted surfaces 獲得傾斜。但是，這兩種方法之間存在差異。當使用 CB 表面引入傾斜時，OpticStudio 通過傾斜局部坐標系來實現，這不僅會傾斜像面，還會導致接收光纖模式的傾斜。默認情況下，接收光纖與局部 Z 軸對齊。但是使用 Tilted Image 表面只會傾斜像面本身，而不會影響局部坐標方向，這使得接收光纖模式不傾斜。
在以下部分中，我們將介紹三種在 OpticStudio 中正確設置的方法。
方法 1：使用 CB 進行模式傾斜，使用 Tilted Image 表面進行劈裂角度
這是推薦的方法，因為它將端面斜切角和模態(tài)傾斜補償角分開定義。此外，與在“光纖耦合”分析窗口中設置模態(tài)傾斜補償角的方法 2 相比，這種方法通過鏡頭數據編輯器中的 CB 表面可以直接定義模態(tài)傾斜角，使得訪問傾斜角度參數變得容易，并且可以作為變量進行優(yōu)化。
在這種方法中，我們將首先在像面前面輸入 CB 表面，分配 Tilt X = 3.8 度。這是為了引入局部 Z 軸的傾斜，隨后將像面和接收光纖模態(tài)傾斜 3.8 度。將像面設置為 Tilted surface 類型，并設置其 Tangent Y = 0.140541，這相當于從已經傾斜的 3.8 度局部 Y 軸再傾斜 8 度?，F在，入射光線與像面法線之間的角度為 11.8 度，即所需的入射角。您可以看到在選中 Use Polarization 時，耦合效率回升至 88.2%。該值非常接近以前在正常端面光纖情況下實現的耦合值。
您可以在“下載”部分找到此文件“conic_interconnect_angle_cleaved_method_1_cb_tilt_image.zar”。
方法 2：在光纖耦合工具中使用傾斜像面和模態(tài)傾斜角
在此方法中，像面再次設置為 Tilted surface 類型，但是不設置 8 度的傾斜，而是分配 Tangent Y = 0.209005（大約偏離 Y 軸 11.8 度的傾斜）。這會將入射光束和斜面法線之間的角度設置為 11.8 度，即所需的入射角。
折射后，光束與斜切面法線形成 8 度角。需要記住的一點是，Tilted surface 類型不會影響局部坐標系，這意味著像面上的局部 Z 軸與入射光束保持平行，從而與折射光束形成 3.8 度角。為了解決這個問題，在光纖耦合工具中，我們需要將光纖模式傾斜 3.8 度，使其沿折射光束對齊。可以通過?Analyze...光纖耦合...單模耦合的設置中，將 “Tilt About X” 輸入 3.8 度實現。這將使光纖模態(tài)繞局部 Z 軸順時針傾斜 3.8 度，然后將光纖模式與光纖內部的折射光束對齊。在此模態(tài)傾斜調整后，您可以看到在選中 Use Polarization 時，耦合效率現在回升至 88.2%。這與我們使用方法 1 獲得的結果非常接近，也非常接近在正常斜切光纖情況下的計算結果。
您可以在“下載”部分找到此文件“conic_interconnect_angle_cleaved_method_2_tilt_image_pop_tilt.zar”。
方法 3：在光纖耦合工具中使用 CB 引入傾斜和負模態(tài)傾斜角
在這種方法中，我們不會將 Tilted surface 類型用于像面。首先，我們將像面前插入一個 Coordinate Break 表面，并將 Tilt About X 設置為 11.8 度，提供所需的 11.8 度入射角。此外，它還將繞局部 Z 軸順時針傾斜 11.8 度，并將接收光纖模態(tài)傾斜 11.8 度，使其沿著表面法線。從前面的計算中，我們知道折射角是 8 度，意味著我們需要將光纖模態(tài)逆時針傾斜 8 度，使其沿折射光束路徑放置。與方法 2 類似，這個光纖模態(tài)傾斜角可以通過?Analyze...光纖耦合...單模耦合器設置進行定義?，F在，我們將 “Tilt About X ” 設置為 -8 度，經過此調整后在選中 Use Polarization 選項的情況下，光纖耦合效率再次恢復到 88.2%。
您可以在下載部分找到此文件 “conic_interconnect_angle_cleaved_method_3_cb_pop_negative_tilt.zar”。
