光通信器件Zemax仿真入门引导 1.准直器

光通信器件Zemax仿真入门引导 1.准直器

从大学毕业进入光通信行业,现在5年了,做过WSS,做过OPM,深知一些童鞋有一定光学基础想进入通信领域但却对设计入门无路。

所以在这里开贴抛砖引玉,给大家做一下入门引导,也是希望我们光学产业能越做越好!

当然,欢迎各位大神来提意见、纠正文中错误。

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Keywords: ZEMAX, Fiber Collimator

第一节 准直器

准直器充当着各种有源无源光模块的输入输出端口,不论是C lens,G lens还是Micro lens array,其基本作用就是将光纤输出的发散光进行准直,以便高斯光束能在接下来的光学系统中传输。

有童鞋会问,我就不准直不行么?当然可以,例如Fiber Array对AWG的耦合还有其他光纤对波导类器件的耦合,很多都是不做准直直接耦合滴。当然,其中的难点也格外突出,就是光纤和波导输入端要紧贴,否则模式失配就会带来较大附加损耗。(这点我也会在后文中有类似介绍)

以下以结构简单,成本低廉的C lens准直器为例,介绍它的Zemax仿真设计流程。

明确准直器设计规格:

  • Fiber: Corning SMF-28e or Equivalent
  • Lens Type: C lens
  • Wavelength: 1550nm
  • Design Focal Length: 2.4mm
  • Beam Waist Diameter: 0.45mm (Controlled by Focal Length)
  • Working Distance: 20mm

C lens准直器的组成:套管、尾纤pigtail、C lens。

套管作为外部结构木有光学功能,略过了。

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尾纤—Pigtail:

也是所有光纤传输的输入端,有单模多模保偏等各种分类与不同型号,对应每种光纤可以去查对应ITU标准或者厂家规格书来确定详细参数。以下以Corning SMF-28e单模光纤为例( ITU-T G.652.D 标准),该光纤光学相关参数如下图所示:

康宁SMF-28e 规格1
康宁SMF-28e 规格2
康宁 SMF-28e 规格3

从以上规格书中我们可以明确对应工作波长的模场直径。(值得注意的是模场直径Mode Field Diameter比纤芯直径略大,这是因为包层中也有能量传输的原因)我们要设计的准直器工作在1550波长,对应模场直径为10.4um,数值孔径NA为0.14

另外,为了保证准直器回损满足要求,光纤端面会做8°角处理,后面的仿真中也将用到。

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C lens:

就是个透镜,来实现高斯光束变换,常用的光学玻璃是Schott SF11。对于特殊场景,例如Fiber Array 的准直会用到Micro Lens Array,这种微透镜阵列常用材料为熔石英Fused Silica或硅Silicon,虽然材料不同,但是高斯光束透镜变换的理论是一致的。

再重复一下设计规格:

  • Fiber: Corning SMF-28e or Equivalent
  • Lens Type: C lens
  • Wavelength: 1550nm
  • Design Focal Length: 2.4mm
  • Beam Waist Diameter: ~0.45mm
  • Working Distance: 20mm

从现在开始ZEMAX真的出场了。

  1. Wavelengths:设置 工作波长为1.55um:
Wavelengths设置

2. Fields:设置轴上点0度视场,即保持默认。

Fields 设置

3. General:

设置孔径类型Aperture Type为Object Space NA=0.14,该值对应前面SMF-28e光纤的数值孔径NA值

设置切趾类型Apodization Type为Gaussian,切趾因子Apodization Factor=1,该设置说明该仿真中传播的是单模光纤出光的基模高斯光束。

General 设置

以上设置点确定后将弹出弹出错误提示框,可以直接点确认。这是因为默认物面距离第二个面的Thickness为Infinity,此时设置NA是没有意义的。而后面的实际设置中该面Thickness不会是无穷。

4. Lens Data Editor中按准直器结构添加Surface并设置各面Glass

Lens Data Editor新增表面及设置

Surface0-1:

描述Pigtail,光纤纤芯用SILICA即石英玻璃来代替。Surface2的Thickness为PIgtail距离C lens前端面距离,可根据实际情况设为0.1到0.3之间,此处以0.13为例。

Surface2-3:

描述C lens,玻璃如前所述使用Schott SF11。Surface3的Thickness为C lens长度,先指定为5,Radius为C lens球面曲率,由于设计焦距为2.4mm,按照经验写个-4mm。

这些设置在后面都会根据设计指标进行优化,只要填的相对合理即可。接下来就使用优化函数优化C lens曲率,使其满足2.4mm的设计焦距

4. Merit Function:

使用操作数EFLY,控制Surface2-3的焦距为2.4mm.

Merit Function 控制焦距

在Lens Data Editor中设置Surface3的Radius为Variable。

设置Surface3 的Radius为变量

5. 优化得到C lens球面曲率

点击Optimization中的Automatic自动优化,不久就得到C lens合适的曲率值。

优化 得到C lens曲率值

6. 将Pigtail放在C lens前焦面

经过上面的优化,使用3D Layout查看光路状态,可以发现Pigtail偏离lens前焦面,此时边缘光线追迹明显偏离平行光的状态。

得到C lens球面曲率 但Pigtail还偏离前焦面

取消C lens Radius的变量设置,即将其变为Fixed。

将Surface2的Thickness设为变量。

在Merit Function中添加RAID操作数,控制Py=1(边缘光线)垂直入射到IMA面,也即近似的保证了平行光出射,再使用Optimization自动优化。

设置RAID操作数,控制边缘光线垂直下个表面

优化完成,得到了Pigtail距离C lens前表面的距离,固定该距离。C lens的孔径在此处固定或在最终固定均可。

C lens参数基本优化完成

至此,C lens的大致参数已优化完成,下面来控制工作距离Working Distance。

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工作距离Working Distance

准直器的工作距离定义为出射高斯光束束腰位置距离lens端面的两倍。假设两完全相同的准直器面对面,间距为该工作距离时其插损IL将达到最小。IL测试在实际生产中很方便,因此工作距离也是常规准直器中最重要的指标之一。

而工作距离的调整是通过微调Pigtail距离C lens前表面的距离实现的。这与摄影镜头调焦的原理一样。

由于要确定高斯光束的束腰位置,接下来将用到ZEMAX物理光学传输Physical Optics Propagation。

  1. 将Surface3的Thickness变更为工作距离的1/2,即10mm

2. 配置物理光学传播Physical Optics Propagation参数

由于POP必须先配置Setting才能正常工作,因此,打开Physical Optics Propagation,点击Setting,配置如下:

a. General标签页内不需更改

General设置

b. Beam Definition内定义光纤输出的特性

Sampling一般使用256*256足够,当仿真中出现异常时可再增加,但将会导致计算时间增加。

WaistX/Y定义即为前面SMF-28e在1550nm时模场半径的一半,5.2um=0.0052mm

点击Auto,自动生成X/Y Width

Beam Definition设置

c. Display标签页中保持不变

d. Fiber Data标签页中目前为止还用不到,但先配置如下

Fiber Data设置

3. Merit Function中添加POPD操作数来查看和控制Beam Waist(束腰半径)和Pilot Beam Position(束腰位置)

POPD操作数Data 5代表Surface4距离束腰的距离,Data 7代表Beam Waist (x),实际x/y方向光腰半径值为Data23/24

Merit Function增加POPD操作数

4. 调整、优化Pigtail距离C lens端面距离

由于POPD的计算耗时较长,常需手动输入较好的初始参数再进行优化。所以先手动调节Surface1的Thickness,Update Merit Function之后观察POPD Data7的变化,大致将Surface4距离束腰的距离调小一些。同时也关注下POPD Data5与上页的变化。

手动调整Surface2 Thickness

再使用Optimization自动优化得到精确的Surface2精确Thickness。

优化得到精确Surface2 Thickness

5. 完成基本设计

经过以上优化得到了设计焦距:2.4mm @1550nm,光腰半径:MAX 0.228mm(由C Lens焦距保证),Working Distance: 10*2=20mm准直器的大致结果。下面只需将Pigtail 与C lens前表面8°角加入即可完成全部仿真。

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今天写的有些晚了,加入8°角的最终模型再更新啦。

——————————————8月19日更新 小小分割线————————————

今天来加8°角了。

  1. 将Pigtail端面Surface1类型从Standard改为Tilted(刚发现前面的截图中我不知道啥时候已经偷偷改过了),将Y Tangent设置为-0.14(8°角正切)
  2. 将C lens前端面Surface2类型也从Standard改为Tilted,将Y Tangent也设置为-0.14
  3. Update一下Merit Function,关注下POPD的改变
加入8°角后

可以看到,由于8°角加入,改变了Pigtail距离C lens端面的距离,导致束腰位置改变。

4. 再优化一次Surface1的Thickness让束腰回到10mm处

优化Surface1 Thickness 重新控制束腰位置

5. OK,现在模型基本就完善了。其他的仿真分析均可基于此模型做进一步研究。


——————————————8月20日更新 小小分割线————————————

打第2节的时候突然想起来要更新点东西。

有些童鞋反应,你文章里怎么一个公式都木有?

其实我是默认看这个的童鞋们都有光学基础了。

我见过一个前辈用ABCD矩阵来算C lens的曲率,做成EXCEL表格来求解,很是方便快捷,在生产一线用也非常顺手。

但将准直器放在实际系统当中时,相信再全部用ABCD矩阵来算的话就有些头疼了吧。

所以之后的文章仍然会先介绍某个器件的基本组成、有必要时做对应的理论分析、着重讲解ZEMAX中对应的仿真分析手段。

希望大家先思考,补充下对应的专业知识,实在不懂的可以留言提问,我知无不言。


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文中出现的技术资料均可网上找到,对应ZEMAX应用及操作数可参考ZEMAX自带Manual。

欢迎讨论与纠错哦。

下节预告:双光纤准直器、VOA及光开关


By Xiao.

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下期再见啦。

编辑于 2019-04-04

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