ZEMAX在多模光纤准直器设计中的应用
激光与光电子学进展
48,010605(2011)Las er&Op t oelectronics ProgressΖ2011《中国激光》杂志社
ZEMA X在多模光纤准直器设计中的应用
雷平顺1,2 薛力芳2 何 军2 曾华林2 付跃刚1 周 燕23
(1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)
摘要 利用ZEMAX软件进行多模光纤准直器的设计。在ZEMAX开发环境下建立多模光纤准直器光路系统的理论模型,通过人工优化的方法,设计并制作了可调焦的多模光纤准直器,仿真结果与实际结果相一致,证实了利用ZEMAX进行多模光纤准直器设计的可行性和准确性。利用所建立的模型,分析了各种因素对光纤准直器耦合效率和准直度的影响。
关键词 光纤光学;多模光纤;ZEMAX软件;耦合效率;准直度
中图分类号 O437.4 文献标识码 A doi:10.3788/LOP48.010605
Des i g n of M ul t i2Mode Fi be r Colli m a t o r wi t h ZEMA X
L ei Pings hun1,2 Xue Lifang2 He J un2 Zeng Hualin2 Fu Yuegang1 Zhou Y an2
1College of Op toelect ronic Engi neeri ng,Cha ngchu n University of Science a nd T echnology,Cha ngchu n,J ili n130021,Chi na 2Instit ute of Semiconductors,Chi nese Academy of Sciences,Beiji ng100083,Chi na
Abs t r act A method to design muti2mode fiber collimator by using ZEMAX software is int roduced.Wit h the ZEMAX,the theoretical model of the optical system for the muti2mode fiber collimator was built.The zoomy muti2 mode fiber collimator was designed and made with artificial optimization.Moreover the simulation results were consistent with the actual results,and confirmed that designing multi2mode fiber collimator is feasible and accurate by ZEMAX.With this model,all kinds of factors on the coupling efficiency and collimation degree of the muti2mode fiber collimator were analyzed.
Key w or ds fiber optics;multi2mode fiber;ZEMAX software;coupling efficiency;collimation degree
OCIS codes 060.2320;060.2330
1 引 言
ZEMA X是美国Focus Software Inc公司开发的光学设计和仿真分析软件,具有强大的激光束传输仿真功能,并提供了序列和非序列两种光线追迹模式[1]。其中序列模式下可以使用物理光学传播来定义高斯光束;非序列模式下有多种光源模型,包括高斯光束、半导体高斯光束、椭圆高斯光束等。光纤准直器是一种光无源器件,其作用是将光纤中出射的发散光束准直成平行光束,或者将平行光束汇聚进入光纤中去,以提高光纤系统的耦合效率[2,3]。光纤准直器通常主要由准直系统和光纤两部分组成。光纤准直器根据光纤的不同可以分为单模光纤准直器和多模光纤准直器。其中,多模光纤准直器由于其耦合效率高而被广泛应用在传能方面。
本文从实用的角度出发阐述ZEMA X在光无源器件2多模光纤准直器设计中的应用,通过建模来验证ZEMAX在多模光纤准直器设计中的可行性。
2 建 模
在ZEMA X软件中,混合式非序列常常被用来仿真不易建立于序列性模式下的光学组件。从序列模式
收稿日期:2010206222;收到修改稿日期:2010210218
基金项目:第二批中国博士后科学基金特别资助金(200902129)资助课题。
作者简介:雷平顺(1980-),男,硕士研究生,主要从事外腔半导体激光器及光学设计方面的研究。
E2mail:leipingshun@https://www.sodocs.net/doc/0513281918.html,
导师简介:周 燕(1972-),女,副研究员,主要从事光电成像和光电信号检测等方面的研究。
E2mail:zhouyan@https://www.sodocs.net/doc/0513281918.html,(通信联系人)
出发,在混合式非序列下对光纤准直器进行仿真建模。在建模仿真之前,首先设计准直系统,采用偶次非球面单透镜作为准直系统。在ZEMAX中,偶次非球面可以表示为[4]
z=
cr2
1+1-(k+1)c2r2
+∑a i r2i,(1)
式中c为顶点处的基本曲率,r为垂直光轴方向的径向坐标,k为二次曲面常数,a i为非球面系数。其中k< -1为双曲面,k=-1为抛物面,-1
在非球面透镜的应用中,平面(或凸面)2双曲面透镜可以将无限远目标聚焦成无像差的光斑[5]。利用这个特性,可以运用平面(或凸面)2双曲面透镜对半导体激光器的快轴进行准直,如图1所示。
图1平面2双曲面准直器
Fig.1A plano hyperbolic collimator
图2准直透镜的点列图
Fig.2Spot diagrams of the collimating lens 由于单件非球面透镜的加工成本非常昂贵,直接采用了Thorlabs公司的C230TM E2B型非球面准直透镜(数值孔径为0.55,焦距为4.51)进行建模仿真。在序列模式下,输入透镜参数,中心波长选择980nm,优化函数选择RMS+Wavefront,对透镜工作距离进行优化,优化后的参数如表1所示。由图2可以得出准直度为0.158mrad。
在准直系统确定之后,在表1中“STO”面前插入非序列组件(NSC),并在出口端口位置(Exit Loc Z)处设置端口位置大于光纤长度(否则ZEMAX程序将会出现错误信息)。在非序列组件编辑器(NSCE)中对芯径为100μm,数值孔径为0.37的多模石英光纤进行仿真建模,结构参数如表2所示。
表1非球面准直透镜的结构参数
Table1Structure parameters of aspheric collimating lens
Surf:type
Radius
/mm
Thickness
/mm
Glass
Semi2
diameter/mm
Conic
4th order
term/10-3
6th order
term/10-4
8th order
term/10-6
10th order
term/10-6 OBJ Standard Infinity 2.8493430
STO3Standard18.73 2.94 1.61,50.3 3.165000
2Even aspheric-2.96100 2.475000-0.355236 1.328511 1.397455 3.768602 1.012969 IMA Standard Infinity 1.863224
表2多模光纤结构参数
Table2Structure parameters of the muti2fiber
Object type Material Front R/mm Z Length/mm Bank R/mm 1Cylinder voloum BA F20.25000100.000000.25000 2Cylinder voloum F_SIL TCA0.05000100.000000.05000
为了优化方便,在光纤与准直透镜之间加入一个标准面。在点列图的监控下,改变该标准面的厚度对光纤准直器的工作距离进行人工优化。达到最佳准直时,准直度为6.256mrad,点列图如图3所示。由于多模光纤的芯径较粗(d>50μm),因此可以用几何光学计算模型来做近似分析[6]。虽然这种分析没有波动理论那么严密,但却能够非常准确地提供描述连接损耗及各种影响因素的有用信息。在ZEMAX软件中,几何像分析(GIA)工具可以计算光学系统和多模光纤的耦合效率[7,8]。计算出考虑菲涅尔衍射时的系统耦合效率,如图4所示,光纤准直器系统的耦合效率为83.818%。
根据ZEMA X的仿真结果,制作了光纤芯径为100μm的可调焦的多模光纤准直器,当准直器调到最佳位置时,准直度为7mrad,耦合效率为75%,与ZEMAX的仿真结果非常接近。
图3多模光纤准直器的点列图
Fig.3Spot diagrams of the muti 2fiber
collimator 图4多模光纤准直器的耦合效率Fig.4Coupling efficiency of the muti 2fiber collimator 3 光纤准直器光束质量的影响因素
3.1 光纤芯径大小对光纤准直器光束质量的影响
表3为用ZEMAX 软件模拟的不同光纤时准直器的准直度及耦合效率,从表中可以看到系统的耦合效率随着光纤芯径的增大而增大,但当芯径增大到一定程度时,耦合效率不再随芯径的增大而显著变化。而准直器的准直度则随着光纤芯径的增大显著变差,从50μm 开始,芯径每增加1倍,准直器的准直度就变差1倍。单色相干光在经过多模光纤传输时,激发出大量的不同模式相互耦合,受模式选择性损耗等因素的影
响,各导模之间存在着时延差,时延差小于单色光相干时间的那些模式间矢量相加,彼此干涉,其结果在光纤出射端面的辐射光场分布形成近似散斑光场[9]。这种不均匀的光场分布严重影响了光纤准直器的准直度,并且光纤芯径越大,散斑越厉害,从而导致准直器的准直度越差。
表3不同光纤芯径时准直器的准直度及耦合效率
Table 3Collimation degree and coupling efficiency at different fiber core diameters
Fiber core diameter /μm
5065100200300400500600Collimation degree /mrad
3.315
4.161 6.25612.9219.77626.17633.31339.54Coupling efficiency /%28.1148.5683.81883.81783.81783.81683.81583.814图5轴、径向偏离不同时准直器的准直度Fig.5Collimation degree of the collimator at different axis and radius decenters
图6光斑恶化后准直器的点列图
Fig.6Spot diagrams of the muti 2mode fiber
collimator after delerioration
3.2 光纤与准直系统的对准误差对光纤准直器光束质量的影
响
光纤与透镜耦合时,对准误差对系统的传输效率有着不容
忽视的影响[6,10]。对准误差中除了轴向偏离对准直器的耦合效
率不太敏感外,径向偏离和角度倾斜都对准直器的耦合效率比
较敏感。本文主要讨论对准误差对光束质量的影响。在
ZEMAX 的LD E 中,定义一个坐标变换面,通过此面对系统对
准误差进行模拟分析。
从图5可以看到,准直器的准直度随着轴、径向偏离距离的
增大而显著恶化或趋向恶化。这样,不同距离处的光斑将发生
不同程度的变形。图6为光斑变形后的点列图,可见系统像差
比较严重。图7中可以看到角度倾斜不会对准直度产生影响,
但从图8以看到,角度倾斜时光斑发生了倾斜变形。
从以上分析可知,对准误差不仅对准直器的耦合效率比较
敏感,而且对光束质量的影响也比较大。因此,在光纤准直器的
设计与制造过程中,一定要严格把握控制其对准精度,可以通过
ZEMAX 辅助设计作为参考。
图7不同角度倾斜时准直器的准直度Fig.7Collimation degree of the collimator at
different tilt
angles
图8光斑3D图形
Fig.8Three2dimensional layout of the spot
4 结 论
提出了基于ZEMAX设计多模光纤准直器的思想,对正在制作中的光纤准直器做了仿真分析,并把仿真结果与实验结果做了对比,发现仿真结果与实验结果非常接近,说明在混合非序列下仿真设计多模光纤准直器的可行性。利用光学仿真软件ZEMAX不仅可以对光纤准直器的工作距离进行优化,而且还可以直接读出光纤准直器的准直度及耦合效率。同时,结合非序列建模,还可以观察不同距离的光斑大小及能量分布。该方法对实际中多模光纤准直器的选择和制作都有重要的意义。
参考文献
1ZEMAX Development Corporation.ZEMAX Optical Design Program User′s G uide.[2009206209].http:∥https://www.sodocs.net/doc/0513281918.html,
2Tan J un,Jia Dagong,Bai Feng.Design of a new fiber collimating system[J].Jiang x i Science,2009,27(1):102107
谭 军,贾大功,白 锋.一种新型光纤准直器的设计[J].江西科学,2009,27(1):102107
3Yang Qun,Y i Y oumin,Yu Qiang et al..Studies on a new type of fiber collimator[J].J.Anhui Universit y(N atural S cience Edition),2006,30(2):5963
杨 群,易佑民,俞 强等.一种新型光纤准直器的研究[J].安徽大学学报(自然科学版),2006,30(2):5963
4Pan J unhua.The Design,Manufacture and Test of the Aspherical Optical Surfaces[M].Suzhou:Suzhou University Press, 2004.14
潘君骅.光学非球面设计、加工与检验[M].苏州:苏州大学出版社,2004.14
5Robert E.Fischer.Optical System Design[M].2nd ed.,New Y ork:Mc Graw2Hill Companies,2008.123
6Liao Yanbiao.Fiber Optics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2000.101110
廖延彪.光纤光学[M].北京:清华大学出版社,2000.101110
7Infotek.ZEMAX Learning Tip s[M].Shanghai:Infotek,2005.85107
讯技光电科技.ZEMAX学习秘笈[M].上海:讯技光电科技,2005.85107
8Wavelab Scientific.The Classic Example of ZEMAX[M].Nanjing:Wavelab Scientific,2009.40
光研科学.ZEMAX经典实例[M].南京:光研科学,2009.40
9Hua Jialin.Speckel2fields emitted f rom multimode fiber2optic boundle and their applications[J].Chinese J.L asers,1994, A21(6):469472
华家宁.多模光纤束斑纹场及其应用[J].中国激光,1994,A21(6):469472
10Zhao Xinghai,G ao Yang.Effect of injection misalignment on multimode fiber power delivery characteristics[J].Acta Photinica S inica,2008,37(9):18421846
赵兴海,高 杨.激光注入误差对多模光纤传能特性影响分析[J].光子学报,2008,37(9):18421846