如何模擬多模光纖的耦合


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摘要:這篇文章示範了使用Geometrical Image Analysis功能來計算多模光纖耦合效率。本文章提供範例檔以供參考。
原文連結:How to Model Coupling Into a Multi-Mode Fiber
原文作者:Nam-Hyong Kim, Kristen Norton更新
原文發布時間:March 11, 2016
範例檔案:附件下載

使用Geometrical Image Analysis來計算多模光纖耦合效率
耦合進多模光纖的效率可以用Geometric Image Analysis計算。
為了使用幾何光現來模擬多模光纖耦合,光纖的纖芯半徑必須至少是波長的10倍大,使夠多的橫模可以被支持。如果光纖是多模的 (意思是其支持二或三個模態),則必須使用物理光學方法模擬。在這個文章中,「多模」的意思是此光纖支援許多模態,以至於可以被當作一個光導管來處理。

Geometric Image Analysis可以根據物面上特定大小以及形狀的延展光源,在任何面上產生照度分佈。此外,此工具可以過濾在計算的面上,入射角度超過一個閥值的光線。使用附件的範例檔,我們將會示範如何使用Geometric image Analysis功能來計算多模光纖耦合效率。
請打開附件的範例檔。這個檔案模擬光耦合到一個多模的光纖,纖芯半徑為0.1 mm且NA為0.2。目前我們會先忽略從空氣到玻璃之介面的Fresnel損失 (反射損失),玻璃的部分包含光纖。


纖芯的大小在模擬中為向面上的0.1 mm半徑的圓孔徑。因為在這個檔案中,孔徑的類型為 “Floating”,圓形孔徑的大小是由像面的半直徑 (semi-diameter) 來控制。


請打開 Geometrical Image Analysis分析視窗,並打開設定對話框,使用者可以在 “Ribbon工具列 > Analyze > Extended Scene Analysis” 裡面找到這個功能。


如果您開你範例檔,檔案中應該已經有一個Geometric Image Analysis被開啟。以下是相關的設定:


接收光纖的NA可以在對話框中NA的欄位填寫。因為我們假設軸上的點光源位於無限遠, “Field Size” (延展光源的大小) 參數欄位設為零,並且光源的形狀也不重要 (由 “File” 欄位控制)。 “Image Size” 選項決定了我們在欲評估的面上感興趣的範圍;使用者可以把他想成探測器的大小。我們將會限制光線數為10000,以加快計算速度。
點擊OK。

操作數IMAE
可以在Geometric Image Analysis視窗中看到耦合效率目前為2%。


我們將會優化像面的位置 (接收光纖位置) 以最大化耦合效率。評價函數中的IMAE操作數會回報在像面上的耦合效率。因為Geometric Image Analysis裡面的設定數量遠多於評價函數編輯器的可用欄位,因此IMAE操作數使用了存好的.CFG設定檔。要儲存我們所需要的Geometric Image Analysis設定為.CFG設定檔,我們只需要點擊Geometric Image Analysis設定對話框中的 “Save” 按鈕。


IMAE操作數現在將會使用存檔的設定檔,並回報正確的耦合效率。
回報的數值將會與在Geometric Image Analysis視窗中回報的有些許不同,因為IMAE操作數使用了不同的亂數光線組。


因為第3個面 (Surface #3) 已經被設為變數,我們現在只需要放心地開始優化系統,你可以點擊 “Ribbon工具列 > Optimization > Optimize” 啟動優化工具。


然後選擇 Orthogonal Descent 優化器。


評價函數值應該會下降非常快,完成後請點Exit離開。你可以更新評價函數編輯器,或是更新Geometric Image Analysis視窗,然後檢視新的耦合效率,現在是大約54%。


加入考慮Fresnel耗損
讓我們假設光纖的纖芯是用N-BK7材質構成。如果我們要計算空氣到玻璃介面的Fresnel耗損 (包含空氣到纖芯也是) ,我們會需要開啟Geometry Image Analysis設定中的polarization選項。偏振計算將同時也會考慮到系統中雙凸鏡片的體吸收。
指定像面的材質為N-BK7以模擬光纖纖芯。


為了考慮正確的效率,將Geometric Image Analysis設定中的 “use polarization” 打勾。可以看到新的耦合效率計算出來是47%:


總結以及參考文獻
這篇文章示範了如何透過Geometric Image Analysis工具計算多模光纖的耦合效率。Fresnel耗損以及體吸收也可以通過開啟設定中的偏振計算選項,而納入計算結果。

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