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斜切光纖的模擬

此文章包含以下內容:* 前言* 範例1:Ball coupling* 範例2:Conic interconnect前言在計算光纖耦合時,我們事實上無法計算光在單模光纖內的傳播,只能計算雷射經過系統後,有多少能量可以順利進入到單模光纖並在內部穩定前進而 (理想上) 不耗損能量,也就是耦合的效率。無法計算光在單模光纖內部行為的原因是單模光纖的尺度接近耦合光的波長,屬於波導而不是單純的光導管,此時光線或自由空間的純量傳播 (POP) 計算都不正確。也因此在計算耦合效率時,我們需要先知道:符合什麼條件的光才能順利進入波導傳播。對於口徑較大的多模光纖來說,這個條件是每一條光線的入射角度必須在指定NA之內。但對於單模光纖,這個條件則是整個光束 (beam) 在單模光纖端口的複數振幅分布,也就是模態,必須符合一定分佈。當入射光到達此光纖入口切平面時,複數振幅分布中不符合該模態的部分會在光纖中傳播時消逝,而無法到達另一端。以未斜切的單模光纖來說,這個可傳播模態即是高斯分布。但在實務上,常常我們會考慮讓光纖端面斜切,這有許多好處,例如反射光不會回到雷射造成系統不穩。當光纖有斜切的時候,可接受的入射模態就會改變。嚴格意義上來說,必須使用專門的軟體求解,例如OptiWave。當這類軟體計算出一個特定複數振幅分布後,即可以輸入OpticStudio模擬並優化耦合透鏡。這是最理想的狀況。在 “如何匯入波導模態資料到 Zemax 中 (How to Get Real Waveguide Mode Data Into Zemax)” 這篇知識庫文章提供了在 OptiWave 軟體中計算出有斜切跟沒有斜切的SMF-28光纖模態,並示範怎麼匯入OpticStudio進行耦合效率計算。而當我們沒有任何方式可以取得斜切光纖的模態時,則需要一些近似計算。光纖端面有斜切時,對入射的光線來說會有稜鏡的效果,也就是光束進入光纖時會被折射,不再是正向進入光纖,造成耦合效率下降。理論上,只要我們能調整整個光纖的角度,讓光束折射後,正好是正向進入光纖,就可以重新提高耦合效率。以下我們將舉例說明如何用一個Tilted面以及像面的搭配來模擬斜切的稜鏡效應,並且說明如何加入光纖的旋轉來補償效率的下降。範例1:Ball coupling以下讓我們開啟範例檔:\Documents\Zemax\Samples\Sequentia

模擬同調長度(Coherence Length)的另一種方式

在OpticStudio中,我們有下面的同調長度模擬功能。這個功能的基本原理是依據相應頻譜,亂數擾動每一條光線的波長來達到考慮頻譜的目的。但在這篇文章說,我們要要紹另一種方法。這個方法假設不同波長的光線無法互相干涉。由於光波的頻率非常高,高過幾乎所有sensor能偵測的極限,這個假設基本上可以說是正確的。基於這個假設,我們可以得到一個結論,就是對於一個有多波長的光源,其干涉結果的計算其實就單純是每個波長各自把干涉圖案算出來後,直接把照度用對應權重相加。下面有對於不同波長為什麼不同互相干涉,用比較數學的形式去解釋。 目前沒有工具可以分別計算個別波長的干涉圖形並相加,因此我們要利用MATLAB透過ZOS-API來自動化這一過程。各位可以打開附件的麥克森干涉儀的檔案如下。注意光源的Coherence Length是設為0,這邊我們不使用內建功能,設為0代表關閉。首先在允許OpticStudio被連結下面螢光筆圈起來的地方需要使用者自己設定。detnum代表你要觀察繞射圖形的Detector Rectangle的物件編號。 wavenum是光源的參數Wavenumber,建議是明確指定對應的波長編號,而不要用預設0。   n_smooth的使用方式跟Detector Viewer中的同名參數一樣。   wave_FWHM是高斯分布的半高全寬,我們這裡假設光源頻譜是高斯分布。一般來說這對於LED或LD都是大致正確的。 wave_center是高斯分布的中心波長。注意因為高斯分布其實是在頻率空間,所以在波長空間中劃出來看起來會像是有點歪的樣子。 spect_samp是你想要取樣頻譜的點數量。取越多越準確,但是越慢。 以下是模擬結果。 Enjoy!

使用全像元件建立擴瞳光波導 (Exit Pupil Expansion)

在下面的文章中,我們介紹了如何建立一個使用表面浮雕光柵(SRG)的EPE裝置。然而,這文章的內容其實對全像光柵並不適用。How to simulate exit pupil expander (EPE) with diffractive optics for augmented reality (AR) system in OpticStudio: part 1OpticStudio目前內建使用的Kogelnik模型不能用於EPE波導系統。下面我們將解釋原因並提供一個變通的辦法,以及對應使用的DLL。注意這裡介紹的方法是基於一些假設的,因為本身一定會存在一些不確定性。下面會一併解釋。在Kogelnik的方法中,它假設全像底片的材料本身及其環境的折射率是相同的。即使在全像條紋形成後,平均折射率仍是相同的。 但問題就在這裡,實際上,我們的全像材料是塗在一個基板上的,基本有自己的折射率,而材料的另一個可能是另一個基本或直接接觸到空氣。總之折射率不可能一樣。 在這種狀況下,我們可以想像,光線在進入全像材料時,會先需要考慮折射,進入到全像區域,接著在全像區域內發生繞射,然後這些光線離開時,又要再經歷一次折射。注意這個模型主要是幫助理解,實際發生的狀況是光在這邊有複雜的干涉行為。但是這個模型大致上正確,很適合拿來解釋。依照剛剛說的方式運作,我們很快可以發現,在一些條件下,光線是可以被TIR而無法離開全像區域的。問題就是這個現象在Kogelnik方法中是沒有定義的,我們沒有一個非常理論化的方法去計算此時的繞射效率應該如何。 注意不只是反射式全像,穿透式也會發生這個問題。 另外不只是零階光,一階光也是會有這個問題。在附件的檔案中,我們用了兩個假設去加強Kogelnik方法的適用性。這兩個假設為如果一階繞射光不存在,則所有能量被零階光帶走。 如果零階光遇到TIR,那就走反射方向。模擬的結果如下:打開ZAR後,相應的DLL會被自動解壓縮到對應的資料夾。注意這個DLL有一些限制,如下:他是基於假設的,所以理論上有一些不確定性。 必須訂閱版授權才能使用。 這個DLL只能用在OpticStudio 21 或 22 版。如果有更多關於全像模擬的問題可以參考下面的文章。Simulating diffraction efficiency of a volume holographic gratin

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