簡介 $M:*T.3 &_8 947 本文討論了如何使用FRED對球
透鏡封裝的
半導體激光二極管耦合到單模
光纖進行準確的建模，這是在光纖通信領域很常見的一個
光學系統(tǒng)。該模型演示了FRED傳播相干光場的能力、它的精確激光二極管束(Laser Diode Beam)
光源模型以及準確的計算光纖耦合效率。
{R{=+2K!|k a(ZcmYzXU 模型 )% fH(ns( X1_ 5KH 在FRED模型中使用的半導體激光二極管是Mitsubishi(三菱) ML725C8F，這是一個InGaAsP / InP多
量子阱(MQW)
激光器，工作波長是1310nm。Mitsubishi光源說明書定義了輸出光束的在x和y方向的發(fā)散角分別是25和30度（遠場功率分布的全1/e寬度)。沒有提及在x和y焦點位置的任何偏移，所以我們假定它們和光源處的分布是一致的。
:7;@ZEe k4zZ7H 我們在FRED中使用激光二極管束光源類型對激光二極管光源建模，以及設置光源產生相干輸出。
SSzIih@u 圖1. 激光二極管光源編輯
0JujesUw( #~=R y H 注意到在激光二極管光束光源的設置里面，發(fā)散角由功率的1/e2標準定義。這就要求制造商提供的發(fā)散角要乘以一個開方因子。
Q22 GIr 圖2. 球透鏡封裝的激光二極管耦合到光纖系統(tǒng)原理圖（側視圖）
Y8t8!{ytg 直徑為1.5mm的球透鏡是Mitsubishi激光二極管集成的一部分，它的位置在距離激光二極管發(fā)射表面1.88mm處。
t"I77aZ$A sV*H`N')S 在FRED中使用球形元件基元，就可以創(chuàng)建該透鏡。為方便起見，全局坐標原點選在球透鏡的輸出表面與光軸的交點處。
t sRdvFFq 圖3. 全局坐標原點的定義
C9)@jK% G=bCNn< 值得注意的是，我們使用了FRED的N-BK7模型來定義球透鏡的材料，在1310nm波長處折射率大小是1.5036。
~pky@O# b u : 模型中使用的單模光纖(SMF)位于距離全局坐標原點1.9mm處，它的結構(由下圖定義)基于單模光纖的典型值。光纖纖心的半徑是5μm，且由直徑為125μm包層包裹著。纖心和包層的折射率大小分別是1.465和1.47，它們之間的折射率差為0.36%。
'dc#F3 圖4. 單模光纖示意圖
%J-GKpo/S 1G`Pmh@ 模型中還包含了一個吸收涂敷層，或者是夾層，覆蓋在光纖表面。
tfWS)y7 :[d9tm 在FRED中定義的光纖是一個組件，它包含了多個元件基元：一個圓柱體用于纖芯、光管用于包層和涂敷層。
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&BSn? h Xya*#n# 注意到“Fiber Cladding”管道的內壁恰好與“Fiber Core”圓柱體的外壁是重合的。為了正確的建模，用戶需要手動的設置包層管道的內壁為不可追跡(Never Traceable)。不這樣做的話將會導致光線追跡錯誤，因為兩個表面放置在空間里完全一樣的位置，而且它們具有兩個不同的材料設置。對于“Fiber Coating”的內壁需要同樣的設置。
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>!;i6| 在這一模型中光纖涂層認為是吸收的，且擁有停止所有(Halt All)光線追跡控制。所有其它的表面是不加涂層的。
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#0Cx-E 仿真 (**oRw r% 1=v*O.XW` FRED使用如下的方程來計算光纖耦合效率(CE)：
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I ]_5}[I 2B`JGFcdcB 其中Einc是入射場分布，Efiber是光纖基模的場分布(由FRED根據光纖規(guī)格
參數(shù)自動計算)。
,`sv1xwd iN.n8MN=I 一般來說，CE是一個復數(shù)，所以耦合功率實際上是：
{K!)Ss b~cZ S[S 因此，我們要想精確的計算光纖耦合，需要在光纖入口的后面放置一個分析面來保證該表面的反射系數(shù)能夠準確的納入考慮之中。
~F#j#n(=`q 7-V/RChBm 非常重要的是，分析面是大于我們所期望的基模的模場直徑(MFD)，以便進行精確的重疊積分。同樣重要的是，我們應該意識到數(shù)值積分的精確性依賴于分析面中劃分網格的數(shù)目。在本例中，50μm寬的分析面上251×251的網格，可認為是足夠的。
W} ofAkF 圖5. 分析面放置在光纖界面的后面
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圖6. 光源用128*128采樣點光線追跡與渲染
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;&9 !ubD/KE 由FRED光纖耦合效率計算得出的返回值是兩個場分布之間的重疊部分，且沒有考慮入射場的功率。因此要想知道多少功率耦合到該模式中一定要做到以下兩步：
qxJ\ye+'* Ws12b $ 1.通過輻射照度的計算確定分析面處的功率值(P)
>.D4co> _','9| 2.通過光纖耦合效率分析確定CE的值
[<TrS/,)> JsS-n'gF' 耦合到光纖模式中的功率大小可以簡單的表示為P * CEpower。
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