如何將OpticStudio中的信息轉(zhuǎn)換為有限差分本征模

這對(duì)于一部分是體光學(xué)系統(tǒng)，另一部分是波導(dǎo)的多級(jí)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(jì)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(dǎo)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(duì)于一部分是體光學(xué)系統(tǒng)，另一部分是波導(dǎo)或光子晶體（需要電磁傳播工具進(jìn)行傳播模擬）的多級(jí)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(dǎo)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(xì)小二氧化硅光纖的耦合場景。教程內(nèi)容將假設(shè)您對(duì)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(duì)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(gè)像點(diǎn)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(xué)傳播查看6微米輸入束腰的高斯光束將如何通過光學(xué)系統(tǒng)之后聚焦在系統(tǒng)像面上：

最終在像面上計(jì)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(duì)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(dǎo)入的文件。點(diǎn)擊物理光學(xué)傳播窗口頂部的設(shè)置選項(xiàng)，然后選擇“顯示”選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“保存輸出光束至：”選項(xiàng)，接下來將文件的名稱設(shè)置為Fiber_output.zbf，點(diǎn)擊OK。請(qǐng)同時(shí)在“常規(guī)”選項(xiàng)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(biāo)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(jìn)行查找。

03創(chuàng)建光纖結(jié)構(gòu)用于模式計(jì)算

在本章節(jié)中，我們將在Lumerical中創(chuàng)建步進(jìn)折射率光纖結(jié)構(gòu)。打開Lumerical啟動(dòng)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(xiàng)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(jì)選項(xiàng)卡(Design tab)，選擇一個(gè)CIRCLE添加到物體樹(Object Tree)中。選擇物體樹中的圓形物體，點(diǎn)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。

包層

從設(shè)計(jì)選項(xiàng)卡(Design tab)的結(jié)構(gòu)(Structures)部分，選擇另一個(gè)要添加到物體樹(Objects Tree)的CIRCLE。選擇物體樹中的圓形物體，點(diǎn)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(biāo)識(shí)設(shè)置為5 (高于默認(rèn)的2)，這樣“包層”結(jié)構(gòu)就不會(huì)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(huì)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(xiàng)卡(Graphic Rendering tab)中使用小于1的alpha值，使物體成為半透明的。

模擬范圍

點(diǎn)擊物體樹(Objects Tree)當(dāng)中的按鈕??并且點(diǎn)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(qǐng)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）。

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(diǎn)擊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(Mesh Structure)，查看折射率分布設(shè)置情況。

05導(dǎo)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。現(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(dòng)場分析。我們已經(jīng)將Zemax光束文件導(dǎo)出為single mode couple.zbf文件，現(xiàn)在我們將導(dǎo)入該光束。

在本征求解分析窗口界面中對(duì)于光束文件進(jìn)行導(dǎo)入，需導(dǎo)入的文件位置為：Zemax LLCDocumentsemaxSamplesPOPBEAMFILES。

06模式計(jì)算

為了在Lumerical中查看對(duì)應(yīng)光場，您需要通過Zemax光束文件計(jì)算對(duì)應(yīng)模式。我們需要將波長設(shè)置為OpticStudio中的1.55微米。點(diǎn)擊模式計(jì)算(Calculate Modes)，然后我們會(huì)有一個(gè)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(gè)電磁場分布重疊的比例，可以通過下方公式進(jìn)行計(jì)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(jì)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(xiàng)卡的結(jié)果如下圖所示。點(diǎn)擊計(jì)算按鈕后，計(jì)算當(dāng)前選擇的模式與當(dāng)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(xiàng)卡中，我們想要檢查高斯參數(shù)，這樣我們可以對(duì)等效區(qū)域進(jìn)行匹配。由Zemax光束文件導(dǎo)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(duì)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(dǎo)出到OpticStudio，并檢查光纖耦合效率。

08導(dǎo)出 Zemax 光束文件至 OpticStudio

導(dǎo)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(gè)光束導(dǎo)入OpticStudio來檢查耦合效率。

09在 OpticStudio 導(dǎo)入新的 Zemax 光束文件

請(qǐng)將在Lumerical面板中創(chuàng)建的新Zemax光束文件導(dǎo)入到OpticStudio光束文件查看器中。我們可以看到從Lumerical模式2導(dǎo)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