基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计
半导体激光器-球透镜-光纤耦合系统分析
η=
∫∫ψ
Σ
L2
( x, y )ψ ( x, y )dxdy
* F
* * ∫∫ψ L 2 ( x, y)ψ L 2 ( x, y)dxdy.∫∫ψ F1 ( x, y)ψ F1 ( x, y)dxdy
(8)
三
实际系统的理论分析
对一个理想的同轴耦合系统，通过对(8)式进行简单的数值计算即可得到系 统的耦合效率， 不过就实际器件的研究而言，我们并不特别关心理想同轴情况下 的耦合效率， 我们更为关心的是器件在生产过程中所容许的制作误差，即所谓的 容差。 因此， 下面我们基于上述的理论模型对各种各样的实际系统误差对耦合效
ψ f ( x, y ) =
x2 y 2 2 1 exp − 2 + 2 π wf w f w f
(5)
w f 为束腰半径，因此，同理我们可以得到在主平面后光纤模式的远场分布为：
ψ F 1 ( x, y ) =
其中
x2 2 1 y2 + iφF 1 ( x, y ) . exp − + 2 2 π wF 1 wF 1 wF 1
ψ l ( x, y ) =
2
π
x2 1 y2 + 2 . exp − 2 wlx .wly wlx wly
(1)
假设激光光场到主平面的传输 wlx , wly 分别为 x(慢轴)和 y(快轴)方向的束腰半径。 为夫琅和费衍射(实际情况也基本如此)，则通过夫琅和费衍射积分可得在主平面 前激光远场分布为：
π ( x 2 + y 2 ) x 2 + y 2 ( x 2 + y 2 )2 φL1 ( x, y ) = − + 1 − 4.l λ .le 8.le e
Zemax-光学系统设计经验（1）---优化函数的使用
Zemax-光学系统设计经验（1）---优化函数的使用使用Zemax设计光学系统，基本上就是根据设计要求，给出初始设计，然后优化系统。
初始设计需要对光学有系统的学习，需要长期的经验，不同的领域有不同的要求，初始设计会大不相同，zemax不会给你太多的帮助。
Zemax的精髓是能计算出光路图，然后使用operand(优化函数)优化各项光学参数。
1. default merit function，当属最有用的优化函数，配合EFFL （有效焦距）使用，基本可以设计大部分光学系统。
可以使用RMS spot radius and rms wavefront error。
另外设置好变量。
Zemax会自动生成优化系数(weight). 函数行的量取决于波长数，场(field)数，也决定了计算的快慢。
2. 自己设计优化函数。
第一步，需要知道你的优化目标：焦距，abberation，耦合效率。
设置好constraints.设计的constraints:Lens size, cost; edge and center thickeness; minimum number of lens; simple design; cheap举例来讲，耦合效率。
有两个最有用的函数：FICL, POPD. 前者快，后者慢，但后者对大多数系统要准确一些。
读一下manual，你会知道你要设置什么参数。
优化目标是1，weight 是1. 要知道在哪个surface上，还有在什么wavelength, field, 最重要的是什么优化数据，可以是耦合效率，也可以是beam size。
如果都要考虑，可以设置新的POPD函数，设置好优化系数(weight). 有例子，改一下merit function就可以了。
有些有用的优化函数：加减乘除：SUMM, DIFF, PROD,DIVI镜头数据：MXCG, MNCG, CTGT, MNCT,变量的设置也很有讲究，越多越靠近理想目标，但是降低速度和提高坏设计的几率.几点经验：1. 尽可能 use solve， instead of 变量2. 尽可能 use default merit function3. 理解constraints4. 理解和使用symmetry5. 去掉无用的变量.6. 知道怎么去改变设计。
zemax耦合效率的一些模型
?
模型一：VCSEL—单微透镜—光纤耦合波长=850mm NA =0.2
效率：
结构简单，单效率不高，光路不稳定，不符合研究要求。
模型二：VCSEL—双微透镜—光纤耦合
波长=850mm NA =0.14
效率：
效率虽高，但不符合研究的背景要求，舍弃。
模型三：VCSEL—双透镜—光纤耦合（MMF=50/125）波长=850mm NA =0.2
效率：
根据参考文献：长春理工大学光电工程学院吉林长春130021;2中国科学院半导体研究所北京100083的研究
这个模型也就能达到30%左右的效率，舍弃。
模型四：VCSEL—双微透镜—MMF（62.5/125）
波长=850mm NA=0.2
效率：
根据参考文献，吧光纤和透镜接在一起，调整参数（往研究背景靠近），在第二个透镜出口处的光澜腰束小于光纤内径，光纤在光纤中光路无反射最好，直接照到光纤末端45°面上。
根据华中科技大学，物理电子学，对于光电互联板的耦合效率的研究，得知这样的效率能达到80%左右。
模型五：光纤末端45°角反射与光波导耦合
效率：。
基于ZEMAX的激光光束整形技术试验研究
在激光技术的许多应用领域中, 光束质量至关 重要。激光材料加工 , 光学信息处理、 存储和记录 , 激光的医学临床应用等领域, 都对光束质量有较高 的要求。在非线性光学的频率变换技术中, 要求抽 运激光束强度均匀 ; 在高功率固体激光器和放大器 中, 输入光束的不均匀性会导致非线性效应, 使输出 光束质量变坏, 甚至损坏激光工作物质。激光光束 质量不仅影响激光器的整体性能 , 也极大地影响激 光技术的应用水平。通常激光器发出的激光束的空 间强度分布呈高斯分布 , 即高斯激光束。在很多应 用中 , 希望激光束是均匀分布。因此, 对激光光束进
基于zemax的激光光束整形技术试验研究中北大学电子测试技术国家重点实验室山西太原030051由于半导体激光器的发散角较大且输出的光束光斑是椭圆形因此需要对其输出的光束进行空间整形成一个近似圆形的激光光斑
Vo l. 50 No 3
工程与试验 EN GIN EERIN G & T EST
Sep. 2010
经过扩束镜准直整形之后 , 半导体激光器的发 散角为: = D L ( 2)
L 代表激光传输距离 , D 代表经过扩束准直之 后的光斑直径。将准直之后的参数按上述要求代入 公式 ( 2) , 得: 50 = 0 22m rad; 100 = 0 2m rad; 150 = 0 22mr ad ;
200
衔接扩束镜之后所测得的光斑尺寸数据 50 1 1 100 2 0 150 3 3 200 4 1
传输距离 ( m) 光斑尺寸 ( cm)
3 3 试验结果分析 在未加扩束镜之前 , 激光器的发散角大小按下 式计算 : = D L ( 1)
L 代表激光传输距离 , D 代表光斑直径。 L 分 别取 50m 、 100m 、 150m 以及 200m 。相应的 D 选取 4 5cm 、 10 5cm 、 15 2cm 及 19 8cm 。代入公式( 1) ,
高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计
高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计摘要：本文介绍一种利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915nm 单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中，制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。
在使用光学软件进行模拟仿真后并通过实验验证，实验结果表明光纤耦合模块可以通过芯径105μm、数值孔径（NA）为0.22 的光纤输出大于110w 的功率，并且亮度达到 8.64MW/(cm2·sr).关键词:激光耦合; 激光准直; 激光合束; 半导体激光器1引言工业应用和光纤激光泵浦已经证明了对光纤耦合半导体激光器的需求增加，特别是新的固态器件-光纤激光系统，需要越来越高的功率、更高的亮度和单波长泵浦源。
光纤耦合激光半导体模块具有几乎对称的能量分布和高度的指向稳定性，是新型固态激光器件的最佳泵浦源之一。
由于近年来半导体单芯片发射极的输出功率从1W大大提高到15W，光纤耦合半导体模块的输出功率从30W提高到800nm到 980nm波长区域的200W左右。
例如，2014年，NLIGHT（美国）提出了一个新的元件封装，可以容纳多达18个发射体与偏振光束组合。
此封装包提供直径为105μm的130W光纤和直径为200μm的225W光纤，可以提高输出功率和亮度。
在2016年，DILAS（德国）报道了一个915nm单波长、传导冷却、光纤耦合的多棒模块，模块的输出功率为120W，核心直径为120μm到400μm［1-3］．在目前的工作中，我们选择半导体单管件来设计和实现商业上可用的高功率和高亮度仅基于9个单光束的光纤耦合模块。
使用空间光束结合以及光纤耦合技术，将105μm NA为0.22光纤耦合器半导体激光模块，封装在915nm封装中，并通过软件仿真和实验验证。
该模块在没有偏振光束组合技术的情况下，只能使用空间组合技术输出110W，因此模块的体积和工作电压较小。
2光学设计和光束准直2.1光学设计为了实现高功率和更高的亮度，空间光束组合是一种有效的方法，通常用于多发射模块，在不降低光束质量的情况下，从一根光纤中实现高功率光纤输出。
用zemax模拟单模光纤资料
设计前的准备Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。
我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。
如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径0.14纤芯直径8.3μm模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度0.9mm内部透过率>0.99透镜直径240μm透镜节距250μm曲率半径330μm圆锥常数（Conic constant）0数值孔径0.17附件中的文件single mode coupler.zmx是整个系统的Zemax文件。
请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。
后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。
既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。
同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。
这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。
因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。
在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。
当心“数值孔径”的多种不同定义。
它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到 1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。
基于ZEMAX的自聚焦透镜设计
基于ZEMAX的自聚焦透镜设计摘要：自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。
自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
自聚焦透镜是光纤传输系统中构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
本文主要简要概述基于ZEMAX的自聚焦透镜设计。
关键词：自聚焦；ZEMAX；梯度折射率；透镜设计1 自聚焦透镜的特点自聚焦透镜（Grin Lens）又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。
具有聚焦和成像功能。
自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。
由于自聚焦透镜内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量，在某些场合可以代替非球面光学元件。
此外这种光学元件的几何形状简单，容易进行光学加工，且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。
2 ZEMAX介绍ZEMAX是美国Focus Software Inc所发展出的一套综合性的光学设计仿真软件，将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。
具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，还可仿真Sequential和Non-Sequential成像系统和非成像系统，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
自聚焦透镜是由梯度折射率材质构成的，在ZEMAX的表面类型中的Gradient即是梯度透镜。
在本文中也是采用梯度透镜来模拟设计。
3 基于ZEMAX的自聚焦透镜设计自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征折射率变化由公式表述。
其中表示自聚焦透镜的中心折射率；表示自聚焦透镜的直径；表示自聚焦透镜的折射率分布常数。
在梯度折射率透镜设计中，我们首先选择SLS-1.0作为镜面模型。
一种自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法
一种自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法自由空间激光耦合至单模光纤是现代光通信和激光技术中的重要组成部分。
在光通信系统中，为了保证光信号的传输质量和稳定性，需要将自由空间激光有效地耦合至单模光纤中。
这涉及到一种特殊的装置和方法，以确保激光能够高效地进入光纤，并在其中传输。
本文将深入探讨一种用于实现自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法，并对其进行全面评估和讨论。
1. 装置原理及结构针对自由空间激光耦合至单模光纤的需求，研究人员设计了一种特殊的装置，以实现高效的光耦合。
该装置通常由激光源、聚焦系统、耦合透镜、光纤对准器等组成。
激光源产生高质量的激光光束，聚焦系统将光束聚焦到耦合透镜上，然后通过耦合透镜将光束有效地耦合至单模光纤中。
光纤对准器用于确保光束能够准确地对准光纤的接口，从而最大限度地提高耦合效率。
2. 方法步骤及优化在实际应用中，为了实现高效的自由空间激光耦合至单模光纤，需要遵循一系列方法步骤并进行优化。
需要对激光源进行精确的调节和控制，以确保光束质量和稳定性。
通过精密的聚焦系统将光束聚焦到耦合透镜上，并通过优化聚焦参数来控制光束的大小和形状。
接下来，通过精确调节耦合透镜的位置和倾斜角度，使其能够将光束高效地耦合至单模光纤中。
通过光纤对准器的辅助，对准光束和光纤的接口，以确保光束能够完全地进入光纤中，并最大限度地减少耦合损耗。
3. 个人观点与理解针对自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法，我认为关键在于对光束的精确控制和对光纤的精确定位。
只有在这些方面做到足够的精度和稳定性，才能实现高效的光耦合。
随着光通信和激光技术的不断发展，未来还可以进一步优化装置结构和方法步骤，以实现更加高效和稳定的自由空间激光耦合至单模光纤。
4. 总结与展望通过本文的讨论，我们对一种用于实现自由空间激光耦合至单模光纤的装置及方法有了全面的了解。
在实际应用中，我们需要综合考虑装置结构和方法步骤，通过精密的操作和优化，实现高效的光耦合。
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中文 核 心 期 刊
基 于 ＺＥＭＡＸ的激 光与 多模光 纤耦 合 系统设计
石科仁 ，朱长青
（军械 工程 学 院 车辆 与 电气 工 程 系 。石 家庄 ０５０００３）
摘要 ：针对半导体激光器远场光强分布不对称的特 点，利用 ＺＥＭＡＸ软件 的近轴平 面 ｘＹ实现对激光器快 慢轴不同发散 角的模拟。依据 多模光纤的数值孔径和芯径的要求，结合几何光学进行光线追迹分析 ，并 用 ＺＥＭＡＸ进行 了参数优化 ，得到 了耦合 系统的三维视 图，系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求。最 后 ，对耦 合 系统 进行 了测 试 实验 。 关键词：半导体激光器；耦合 系统；ＺＥＭＡＸ；几何光学；多模光纤 中 图分类 号 ：ＴＮ３６，０４３５．１ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１００２．５５６１（２０１６）０５．００４３．０３ ＤＯＩ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２—５５６１．２０１６．０５．０１３
１基 于 ＺＥＭＡＸ 的激 光 器 光 源设 计 我 们课 题 组 购 置 的半 导体 激 光 器 的光 源 宽度 为
（１ｘｌ００）Ｉｘｍ，快 轴 的发散 角 约 为 ３Ｏｏ，慢 轴 发散 角 接 近 ６ｏ．而且 在 近轴像 面 上存 在像差 。基 于此 ，本 文采 用 ＺＥＭＡＸ软 件 的近轴 ＸＹ面设 计 。首先 确定 一个 初始 的 发 散 角 ．让其 与慢 轴 发 散 角 ６ｏ相 同 ．根 据 数 值 孑Ｌ径 计 算 公 式 ＮＡ＝ｎｓｉｎａ。物 空 间 数 值孑Ｌ径 为 ０．０５２３．光 束 类 型选择 高斯 光束 ．波 长选 择 １．０３１ｘｍ。初 始设 定 的光 源 是 发 散半 角 ３。的 圆形光 束 ．出射 腔 面处 尺 寸半 长达 到 ５０１ｘｍ．图 １为光 源 快 轴 的发 散 角初 始 结 构 ．依 据 几 何 关 系 可 以 得 到 光 源 发 光 处 Ａ 点 到 出射 腔 面 Ｄ距 离
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｍ ｕｌｔｉｍ ｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺＥＭＡＸ
ＳＨＩＫｅ－ｒｅｎ，ＺＨ Ｕ Ｃｈａｎｇ－ｑｉｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｏｒｄｎａ ｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｒ—ｆ ｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｒ ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｘｉａｌ ＸＹ ｐｌａｎｅ ｏｎ ＺＥＭ ＡＸ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｂｅａｍ ｄｉ－ ｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅｓ ｏｆｆａｓｔ ａ ｎ ｄ ｓｌｏｗ ｓｈａｆ ｔｓ ｏｆｔｈｅ ｌａｓｅｒ；ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｒｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆｍｕｌ－ ｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｏｍ ｅｔ ｒｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ａ ｎ ａｌｙｓｉｓ，ｔ ｈｅ ｐａｐｅｒ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｐａ－ ｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ＺＥＭ ＡＸ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅｎ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ３Ｄ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ，ｔｈｅ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ ｏｎ ｔ ｈｅ ｉｍ－ ａｇｅ ｐｌａ ｎ ｅ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｅｔｓ ｔ ｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍ ｕｌｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔ ｈｅ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ａ ｅｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔａｌ ｔｅｓｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ＺＥＭ ＡＸ，ｇｅｏｍ ｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃｓ，ｍｕｌｔｉｍ ｏｄｅ ｆ ｉｂｅｒ
ＡＤ＝５０／ｔａｎ３ｏ＝９５４Ｎｍ．同时要使 ｃ处发散半角为 １５ｏ． ２０１６年第５期兜 蕴 客纸 书 ⑩
收 稿 日期 ：２０１５—１２—２２。 作 者 简 介 ：石 科 仁 （１９９０一），男 ，硕 士研 究 生 ，主要 从 事 光 纤 供 能 系 统 及 光 电转 换 方 面 的研 究 。
圆柱形 透 镜将 激 光 束耦 合能 量损 失 。
０引 言 半 导 体 激 光 器 体 积 小 ．重 量 较 轻 ，光 电转 换 效 率
高 ．在 半 导 体 激 光 光 纤 耦 合 技 术 领 域 应 用 广泛 ［１】。但 是 ．由于 半导 体 激 光器 的有 源层 宽 厚 比相 差 太 大 。导 致其 远 场光 强 分 布不对 称 ：光 束 在垂 直 于 ＰＮ结方 向 （即快 轴 方 向 ）发 散 角 远 大 于 平 行 于 ＰＮ结 方 向 （即慢 轴 方 向 ）的发 散 角 。这 一 特 点 为激 光 器 的设 计 与仿 真 模 拟增 加 了难度 激光 与 多模 光纤 的耦 合方 式包 括 光 纤 端 面 制 成 微 透 镜 的方 式 和分 立 的微 光 学 元 件 的 方 式 两种囱。大 多数 耦合 装 置采用 球 面微 透镜 进行耦 合 ． 但 考 虑 到透 镜个 数 较 大 导致 的系统 体 积 的增 加 ．以 及 先 准 直后 聚焦 过程 导 致 的光 功 率 的损 耗 ．本 文 拟 采 用