光通信器件Zemax仿真入门引导 2.双光纤准直器与光开关

光通信器件Zemax仿真入门引导 2.双光纤准直器与光开关

Keywords: ZEMAX, Dual Fiber Pigtail, Collimator, Optical Switch

上一节介绍了单光纤准直器的基本结构和ZEMAX仿真,这节,我们尝试仿真双光纤准直器并以此作为实际中可能遇到的多光纤准直器的导引。介绍完双光纤准直器后,将结合单光纤准直器和双光纤准直器仿真一种传统机械式光开关,从而加深大家对相应器件及ZEMAX仿真的理解。

本节将用到的几个知识点:(建议不熟悉的童鞋先查看资料了解下)

  1. 几何光学的基本理论;
  2. ZEMAX坐标断点Coordinate Break的使用;
  3. ZEMAX中Double Pass光路设置;
  4. ZEMAX多重结构Multi-Configuration的使用。

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双光纤准直器的结构

:1、尾纤;2. lens;3. 外部套管

与单光纤准直器一致,只是尾纤换做了双光纤尾纤。常用双光纤Pitch(间距)=125um,即一裸纤直径,大部分由毛细管来保证光纤间距(个别特殊情况也会用到V-Groove即V槽)。

双光纤准直器相比单纤准直器新增参数:

  1. 交叉角 Cross Angle

由于双光纤在lens前焦面且存在一定垂轴间距,由几何光学可知,经过lens之后的对应两束准直光将存在一定的交叉角度,此角度定义为Cross Angle 交叉角。

2. 交叉距离 Cross Length

以上成角度的两束准直光与lens光轴交点距离lens端面的距离定义为Cross Length交叉距离。

双纤准直器ZEMAX模型

将上一节中单纤准直器ZEMAX模型稍加改动即可得到双纤准直器的大致模型。

  1. 在Pigtail的8°角端面后添加Coordinate Break面如下
添加Coordinate Break面

2. 将新加入的surface2的Decenter X参数改为125um的一半即0.0625mm,,打开3D Layout可见光纤输入端沿X方向偏离0.0625mm;

使一根输入光纤偏离0.0625mm

3. 打开Multi-Configuration Editor,使用菜单栏添加一个Config,鼠标右键点击第一个MOFF操作数,并将其改为PAR1—Surface2(即对应Surface2的Decenter X参数),再将该操作数Config 1和Config 2的值分别改为0.0625和-0.0625

使用Multi-Configuration添加第二根光纤位置
设置好两根光纤的偏离位置,更新3D Layout查看

4. 经过以上仿真,我们可以看到Cross Length大致就在2mm左右,我们在2mm的位置加反射镜使光路折返回去,形成一个Double Pass光路

a. 如下图添加并设置各表面参数,P是使用了Pickup的Solve(这个是个人设置Double Pass的习惯,也可以用Position的Solve实现);

b. 因为回程光路也使用Coordinate Break来控制输出面顶点坐标,因此删去前面的Multi-Config配置;

c. 更新3D Layout如下

d. 由于我懒……嫌后面示例的麻烦,我把8°角的Tilted面Y Tangent改成0了,如下第2图

设置Double Pass光路
去除8°角之后

5. 查看耦合损耗。需要注意的是,POP Setting中的几个配置(这次红圈好丑)
由于使用Coordinate Break的Tilt实现了回程光纤顶点位置调整,因此Fiber Position改为Surface Vertex。

耦合效率有96%,耦合插损Coupling IL=-0.18
(当然,查看IL也可以通过Merit Function操作数FICL、FICP以及POPD来实现,此处不再赘述)

POP Setting设置
配置完POP Setting之后,查看耦合效率

经过以上仿真,我们得到了双光纤准直器的基本模型与工作原理,有以下几点童鞋可以继续考虑:

a. Cross Length 与Cross Angle与哪些参数有关;

b. Mirror的位置、角度对耦合损耗的影响

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机械式光开关结构

  1. 输入输出准直器
    单光纤、双光纤、多光纤准直器
  2. 开关元件及机械机构
    开关元件:反射式、折射式等可以转折光路的元件
    机械结构:继电器为主、也有转动或线性步进电机等机械结构,控制开关元件进入/退出光路,从而实现开关控制

以下以之前已经仿真过的单光纤准直器、双光纤准直器为素材,使用一个继电器控制的反射镜实现1X2 Optical Switch。

1X2 Optical Switch ZEMAX模型

!这部分会用到几个Multi-Configuration的Operand,不熟悉童鞋的请先熟悉ZEMAX Manual!

  1. 以上面的双光纤准直器+Mirror模型为基础,使用Multi-Config Editor添加Config 1和Config 2来分别实现Out Port1和Out Port2输出选择;
  2. 分别编辑Config 1与Config 2实现折返光路与直行光路;
  3. 在Config 2中添加一个Coordinate Break面来控制直行光路中单光纤准直器的TIlt & Decenter

ZEMAX中各表面与Multi-Config编辑如下:

基于之前双光纤准直器模型编辑的1X2光开关ZEMAX模型

使用POPD查看耦合损耗,这里直接在Merit Function中以操作数来查看如下:

使用POPD查看Out Port 1与Out Port 2的耦合损耗

目前状态的耦合损耗如下:

Out Port 1's Coupling IL=0.961=-0.17dB

Out Port 2's Coupling IL=0.972=-0.12dB

优化方向:

Port 1:优化反射镜距离

Port 2:距离输入准直器的距离、Tilt、Decenter

现在,我们实现了继电器控制Mirror在光路中时,光从Port 1输出;继电器控制Mirror撤出光路时,光从Port 2输出;此即最简单的1X2光开关模型。


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经过以上工作,我们熟悉了Dual Fiber Collimator的建模;又通过一个1X2 Optical Switch来第一次将其应用于实际光无源器件。

从这篇引导文档开始,我不再像第一篇文档那样详述每个表面的添加与参数设置,一方面因为第一篇给了比较多的入门引导;另一方面希望读者可以不做简单的复制跟随工作,从而可以尽快思考和上手。

另外,在Lens Editor、Multi-Config、Merit Function等编辑器中使用ZEMAX预留的各种Comment单元给自己的模型添加注释是个好习惯。未来的复杂模型中,表面越来越多时会很有用处。

好啦,就白话到这里啦。

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下期再见啦。

编辑于 2019-04-04

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