這對于一部分是體光學系統(tǒng),另一部分是波導的多級情況系統(tǒng)模擬是十分有幫助的。在本例中,我們將研究從聚焦透鏡到小尺寸硅光纖的耦合。我們將我們的偏振光束作為Zemax光束文件( .zbf)輸出到Lumerical本征模求解算法中,并計算在Lumerical本征模求解算法中創(chuàng)建的模與輸出的Zemax光束之間的重疊性和功率耦合情況。上述光束之間的重疊分析將為我們提供模態(tài)分析中更好的模態(tài)結(jié)果,該模態(tài)將作為Zemax光束文件從Lumerical導出到OpticStudio中。
01 簡介
我們將通過本文主要介紹如何將OpticStudio內(nèi)信息轉(zhuǎn)換至Lumerical FDE本征模求解程序中。這對于一部分是體光學系統(tǒng),另一部分是波導或光子晶體(需要電磁傳播工具進行傳播模擬)的多級情況系統(tǒng)模擬是十分有幫助的。Lumerical的有限差分本征模(FDE)求解程序可以可以用來確定任意光波導的幾何結(jié)構(gòu)所支持光模式的物理性質(zhì)。
在本示例中,我們將通過Lumerical FDE求解程序來研究從聚焦透鏡到細小二氧化硅光纖的耦合場景。教程內(nèi)容將假設(shè)您對于Lumerical軟件有一定熟悉程度。
02 從 OpticStudio 中獲取數(shù)據(jù)
在本章節(jié)中,我們首先打開OpticStudio,載入附件中下載的對應(yīng)文件。您可以選擇任何分析功能,包括2D布局圖,用以查看光線如何聚焦在一個像點上。作為光纖接收輸入端的像面已設(shè)置具有折射率為1.43的材料和1%的反射率、99%透射率的AR涂層COAT I.99。
選擇分析...物理光學傳播查看6微米輸入束腰的高斯光束將如何通過光學系統(tǒng)之后聚焦在系統(tǒng)像面上:
最終在像面上計算得到光束束腰尺寸為5.8787微米,瑞利距離為0.1mm。并且,在最終接收端對于束腰模式為6微米的接收端光纖具有95%的耦合接收效率:
從這里我們可以設(shè)置OpticStudio輸出光束文件,稍后用作我們需要在Lumerical中導入的文件。點擊物理光學傳播窗口頂部的設(shè)置選項,然后選擇“顯示”選項卡,點擊“保存輸出光束至:”選項,接下來將文件的名稱設(shè)置為Fiber_output.zbf,點擊OK。請同時在“常規(guī)”選項卡中選擇“使用偏振”復(fù)選框來定義矢量光束。如果沒有設(shè)置偏振,光束是標量的,那么需要使用腳本命令在Lumerical中加載.zbf文件。
這些文件通常將保存在{Zemax}POPBEAMFILES文件夾目錄下,您可以進行查找。
03創(chuàng)建光纖結(jié)構(gòu)用于模式計算
在本章節(jié)中,我們將在Lumerical中創(chuàng)建步進折射率光纖結(jié)構(gòu)。打開Lumerical啟動器,并選擇有限差分本征模(FDE)求解算法。您還可以在文末閱讀原文下載step_index_fiber.lms文件。
使用布局編輯器(Layout Editors)中的STRUCTURES選項卡來創(chuàng)建階躍折射率光纖的物理結(jié)構(gòu)。按下STRUCTURES按鈕上的箭頭,從下拉菜單中選擇CIRCLE。
然后,修改物體的屬性設(shè)置。
根據(jù)以下表格中的內(nèi)容,設(shè)置這些圓形包層和纖芯的屬性。
纖芯
通過結(jié)構(gòu)(Structures)部分的設(shè)計選項卡(Design tab),選擇一個CIRCLE添加到物體樹(Object Tree)中。選擇物體樹中的圓形物體,點擊“編輯屬性(Edit Properties)”按鈕,按照下表內(nèi)容編輯圓形物體的屬性。
選項 | 屬性 | 數(shù)值 |
名稱 | 纖芯 | |
x (μm) | 0 | |
y (μm) | 0 | |
z (μm) / z 跨度(μm) |
1 | |
半徑(μm) | 9 | |
材料 | 物體定義的介質(zhì) | |
折射率 | 1.44 | |
網(wǎng)格設(shè)置 | 2 |
包層
從設(shè)計選項卡(Design tab)的結(jié)構(gòu)(Structures)部分,選擇另一個要添加到物體樹(Objects Tree)的CIRCLE。選擇物體樹中的圓形物體,點擊“編輯屬性(Edit Properties)”按鈕,按照下表內(nèi)容編輯圓形物體的屬性。注意網(wǎng)格標識設(shè)置為5 (高于默認的2),這樣“包層”結(jié)構(gòu)就不會填充與“纖芯”結(jié)構(gòu)重疊的區(qū)域。“包層”的z跨度被設(shè)置為略小于“纖芯”的z跨度,以便后者不會被前者隱藏在視窗中?;蛘?,您可以在“包層”屬性的圖形渲染選項卡(Graphic Rendering tab)中使用小于1的alpha值,使物體成為半透明的。
選項 | 屬性 | 數(shù)值 |
名稱 | 包層 | |
x (μm) | 0 | |
y (μm) | 0 | |
z (um) / z 跨度(um) | 0 / 1 | |
半徑(μm) | 26.389 | |
材料 | 物體定義的介質(zhì) | |
折射率 | 1.4 | |
覆蓋網(wǎng)格設(shè)置 | 5 |
模擬范圍
點擊物體樹(Objects Tree)當中的按鈕??并且點擊該按鈕????(位于物體樹的左側(cè)),按照下表內(nèi)容編輯其屬性。請注意,模擬范圍的大小需要將包層圓柱體完全設(shè)置在內(nèi)部,并且模擬區(qū)域邊界都設(shè)置為打開,目的是將模擬邊界條件分配到包層圓形物體的外表面(參見邊界條件Boundary Conditions?的定義)。
選項 | 屬性 | 數(shù)值 |
幾何參數(shù) | X | 0 |
X跨度 | 35 | |
Y | 0 | |
Y跨度 | 35 | |
Z | 0 |
04階躍折射率光纖的折射率分布
現(xiàn)在我們可以通過以下方式查看其設(shè)置的折射率分布。點擊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(Mesh Structure),查看折射率分布設(shè)置情況。
05導入 Zemax 光束文件
一旦確定了物理結(jié)構(gòu)和模擬范圍,本節(jié)將后續(xù)描述如何通過MODE中的有限差分本征模求解器(FDE)分析組件?,F(xiàn)在我們已經(jīng)創(chuàng)建了結(jié)構(gòu),我們可以繼續(xù)設(shè)置啟動場分析。我們已經(jīng)將Zemax光束文件導出為single mode couple.zbf文件,現(xiàn)在我們將導入該光束。
在本征求解分析窗口界面中對于光束文件進行導入,需導入的文件位置為:Zemax LLCDocumentsemaxSamplesPOPBEAMFILES。
06模式計算
為了在Lumerical中查看對應(yīng)光場,您需要通過Zemax光束文件計算對應(yīng)模式。我們需要將波長設(shè)置為OpticStudio中的1.55微米。點擊模式計算(Calculate Modes),然后我們會有一個模式顯示區(qū)域,如下圖所示。
07高斯光束的能量耦合以及重疊分析
重疊被定義為兩個電磁場分布重疊的比例,可以通過下方公式進行計算,其中E1、H1是模式1的場,E2、H2為模式2的場。功率耦合則表示能量從一種模式耦合到另一種模式的比例。如果我們考慮輸入模式(能量Pin)和i階模式(能量Pi),能量耦合將由下方公式給出。能量耦合是考慮模態(tài)重疊和模態(tài)間等效指數(shù)不匹配的總輸入耦合。
輸入: E_input以及H_input
i階模式: E_i以H_i
我們現(xiàn)在將計算與理想高斯光束的重疊,以確定我們應(yīng)該用于與OpticStudio生成的Zemax光束文件中的基模耦合使用的ZUI佳光斑尺寸。選擇“重疊”選項卡的結(jié)果如下圖所示。點擊計算按鈕后,計算當前選擇的模式與當前選擇的D-CARD的重疊和能量耦合結(jié)果。
正如我們之前看到的,模式2與Zemax光束文件有ZUI大的能量耦合和重疊結(jié)果。在“光束”選項卡中,我們想要檢查高斯參數(shù),這樣我們可以對等效區(qū)域進行匹配。由Zemax光束文件導出的高斯光束有效面積πw02中w0 =√(122.557/π) um = 6.3 um,模式2的有效面積為w0 =√(122.557/π) um = 6.7 um。為了匹配144.713 um2的模態(tài)面積,其對應(yīng)的束腰半徑為w0 =√(1.2/π) um = 6.7 um。我們將模式2作為Zemax光束文件導出到OpticStudio,并檢查光纖耦合效率。
08導出 Zemax 光束文件至 OpticStudio
導出面板中D-Card的模式數(shù)據(jù)。Lumerical的D-Card可以保存為Zemax光束文件,并且效率更高?,F(xiàn)在我們將這個光束導入OpticStudio來檢查耦合效率。
09在 OpticStudio 導入新的 Zemax 光束文件
請將在Lumerical面板中創(chuàng)建的新Zemax光束文件導入到OpticStudio光束文件查看器中。我們可以看到從Lumerical模式2導入到Zemax光束文件查看器中的光束具有6.544 um的建議束腰尺寸結(jié)果。改變POP光束定義和光纖數(shù)據(jù)的束腰參數(shù)后,光纖耦合效率提高到96.02%。如果使用以前一樣的束腰6 um,光纖耦合效率為95.47%。
審核編輯:劉清
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原文標題:如何在 Lumerical 與 OpticStudio 間模擬光纖及耦合分析
文章出處:【微信號:光電資訊,微信公眾號:光電資訊】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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