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[我分享] 光纤、波导中光场基膜与高斯光束的等价关系

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  • TA的每日心情
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    2023-9-21 11:10
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    [LV.9]以坛为家II

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    发表于 2020-10-15 21:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
    (论坛开了个Rsoft交流版块,但是好像里面东西不多,最近做了一个项目在此分享。大部分的设计软件内置了高斯光束作为光源,但是没有光纤模式或者波导模式作为光源,比如ZEMAX,Virtuallab。本文证明,光纤或波导中的基膜光场可用高斯光束作为等价光源。等价处理后,就可以在ZEMAX中直接仿真波导或光纤端面发出的光场,以及后处理:准直、聚焦和耦合等)
    1. 光纤、波导中光场基膜与高斯光束的等价关系
    激光耦合进波导的基膜,除了强度分布要与波导的基膜一致外,发散角也要一致。因为大部分仿真软件内置高斯光束作为光源,所以先分析1550单模光纤基膜对应的高斯光束模场宽度。光纤参数:康宁G652D,直径8.5um,芯层折射率1.4682,折射率差0.0036,1550模场直径10.8um,数值孔径0.125。
    用高斯光束耦合进光纤的基膜,然后改变高斯光束的模场直径,求出最佳耦合效率情况下的高斯光束束腰。如图1所示,单模光纤的模场等效于直径为11um的高斯光束。因此用11um直径的高斯光束可以等效1550单模光纤中的基膜。
    图1 1550单模光纤与高斯光束的等价关系
    对于PPLN波导,其参数为,宽度10um,折射率为2.13,因此PPLN内部可以存在高阶模式,如图2所示。如图3所示,是直径为2.5um的高斯光束,入射PPLN波导时的各个模式分布。图中从上往下依次是M00,M01,M02,M03,M04,可以看出基膜占60%。另外一个概念是,光的耦合效率,即所有模式效率的叠加,其接近100%(因为折射率差别很大,所以很大角度范围的光都可以在波导内部全反射,不同模式的光的入射角度不一样,基膜只是靠近0度范围内的入射角)。
    优化分析,高斯光束束腰大小与PPLN基膜耦合效率的关系,可以得出图4。图中虚线表示总耦合效率(即所有模式耦合效率的和),图中实线表示基膜的耦合效率,可以得出:对于10um宽度的PPLN波导,其最佳高斯光束的宽度是7.6um。
    发散角问题,如图5所示,是PPLN基膜在空气中的发散,具体发散情况如图6所示,发散角随传播距离逐步增大,最终发散角与束腰的乘积等于常数。因此,满足PPLN波导耦合的最佳条件是,高斯光束的束腰接近7.6um。
    图2 PPLN内部的4阶模式分布
    图3直径为2.5um的高斯光束与PPLN波导的耦合情况
    图4不同宽度高斯光束与PPLN波导的耦合情况
    图5PPLN波导在空气中的发散
    图6PPLN波导的发散角情况
    2.      激光设计中,如何处理高斯光束
         高斯光束的强度和相位都按高斯分布。基膜高斯光束是一个衍射极限的,其模场半径w0与远场发散角(半视场)θ0的乘积等于常数,w0*θ0=0.318*lambda。在物理光学中,对于半径为r的孔径的衍射极限有:r*θ=0.305*lambda。两种特性非常接近,因此,高斯光束是一个衍射极限的光束。对于远场的高斯光束,可以把它单做几何点光源处理(强度按高斯分布),只有在与波长量级的元件打交道时,才引入相位项。
    2020.09.29

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  • TA的每日心情
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    发表于 2020-12-11 11:53 | 显示全部楼层
    您好请问一下如果波导光源向高斯拟合之后,X轴为高斯分布,Y轴正半轴和负半轴的高斯分布不同,不对称是怎么回事
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  • TA的每日心情

    2021-2-22 16:52
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    发表于 2020-12-29 14:37 | 显示全部楼层
    楼主,你这个截图都是用Zemax做的吗?可以有点简单的教程吗?谢谢!
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  • TA的每日心情
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     楼主| 发表于 2020-12-29 15:00 | 显示全部楼层
    cetwin 发表于 2020-12-29 14:37
    楼主,你这个截图都是用Zemax做的吗?可以有点简单的教程吗?谢谢!

    不是,是用RSOFT.
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    发表于 2021-3-30 13:51 | 显示全部楼层
    求问我想仿真实验中的一个图形形貌,我用Matlab对其形貌进行拟合,该如何输入自己拟合外形的函数呢
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  • TA的每日心情
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    2021-9-2 10:54
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    发表于 2021-8-30 20:59 | 显示全部楼层
    您好,我目前在做波导的边缘耦合,之前用FDTD做过了,现在器件整体尺度上来了使用FDTD算法没法做,所以刚开始学习Rsoft,想学习一下您的案例。请问您是否愿意分享一下您的仿真文件,感激不尽!!!
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  • TA的每日心情
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    发表于 2022-11-25 20:57 | 显示全部楼层
    您好,我想咨询一下就是监测拉盖尔高斯模,lg00,lg10,lg20这样的话那个tilt, component, mode,mode radial应该怎样设置呀
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