使用Zemax模拟康宁SMF-28e单模光纤耦合

"本文详细介绍了如何使用Zemax软件模拟单模光纤耦合器的设计，该设计基于SUSS MicroOptics的FC-Q-250微透镜阵列，耦合两根康宁SMF-28e单模光纤。文章提供了元件的具体参数，并分享了一个完整的Zemax模型文件供参考。在设计过程中，注意了物面与透镜、透镜与像面之间的距离设置，以及系统的空间反演对称性和轴对称性。此外，还讨论了数值孔径的不同定义及其重要性，以及在光纤模式传输中可能受到的限制。" 在光纤通信领域，单模光纤由于其低损耗、高带宽的特性，广泛应用于长距离传输。在本设计中，使用的是康宁SMF-28e光纤，其模场直径为9.2±0.4μm，数值孔径为0.14，纤芯直径为8.3μm。SUSS MicroOptics的FC-Q-250微透镜阵列用于实现两根光纤之间的高效耦合，其透镜直径为240μm，节距为250μm，曲率半径330μm，数值孔径为0.17。 Zemax作为光学设计软件，被用于模拟这一耦合过程。在设置模型时，物面到透镜的距离和透镜到像面的距离最初设定为0.1mm，但这个距离在后续优化过程中会调整。透镜之间的距离设为2mm，这个值也会在优化中变化。系统采用空间反演对称和轴对称设计，以确保两个方向上的耦合效果一致。 在Zemax中，孔径光阑被设置为浮动，由第一个透镜的后表面确定，这意味着光纤模式可能会受到透镜实际孔径的限制。数值孔径的定义在不同的应用中有所不同，理解这些定义对于精确模拟至关重要。文中提到了三种定义方式：边缘光束倾角的正弦值、光强下降到1/e2强度时的光束倾角的正弦值（Zemax常用）、以及康宁公司使用的1%峰值强度定义。 为了模拟光束的高斯分布，采用了高斯切趾函数，但这仅是一种近似方法，更精确的计算将在后续进行。透镜孔径的大部分区域都考虑在内，以确保对整个系统的全面分析。 通过这样的设计和模拟，可以预测和优化光纤耦合器的性能，包括耦合效率、模式匹配和损耗等因素。这种耦合技术在光纤通信、激光系统和其他光学设备中有广泛应用，因此理解和掌握Zemax的模拟方法对于相关领域的工程师和技术人员来说至关重要。