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如何在Zemax下模拟单模光纤的光束耦合
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。这些非常重要！
孔径上定义了高斯切趾（Gaussian apodization），用来产生光束的高斯分布。当前这只是一种近似，后面将会做进一步的精确的计算。
透镜孔径的大部分区域是衍射受限的光学质量的，并且被光纤模式照射到的区域是衍射受限的。
使用旁轴高斯光束计算
旁轴高斯光束算法是最简单可以用来分析光纤耦合的分析方法。不过，这种方法只能获得对系统性能初步的了解。
根据康宁的产品参数表，光纤在1.31μm波长下的模场直径为 9.2±0.4μm。因此，我们按照下图所示的情形设置旁轴高斯光束计算（Analysis>Physical Optics>Paraxial Gaussian Beam）：
图中光束的束腰直径Waist总是相对于表面1来计算的，在本例中它和物面出于同一个位置。因此，高斯光束的束腰直径4.6μm就位于源光纤的位置。光束然后传输经过光学系统。
从上图我们可以看出表面3上的1/e2光束直径是65μm，而表面4是70μm。这些表面的实际的物理半口径为120μm。也就是说大约两个光束直径以外的光将会被阻隔掉。另外需要注意的是像面并非位于光束最佳聚焦聚焦点处：像面处光斑的大小为5.3μm，而其实根据系统的对称性的假定，高斯束腰直径应该是4.6μm。我们将会优化表面1的厚度（同时也会通过Pick-up solve来控制表面5的厚度）来改进这些。请注意表面5的厚度是通过Pick-up solve来控制的，因为我们希望系统倒过来使用时也能得到同样的耦合效果：我们使用了完全相同的两组光纤和透镜（在制造公差范围内），因而我们期望最好的系统是输入输出互易的。
Zemax中有一项优化操作数（operand）GBPS，指的是旁轴高斯光束尺寸，可以用来优化光纤和耦合镜头之间的距离。根据系统的上述对称性，我们知道，高斯光束束腰的最佳尺寸是4.6μm，因此，优化函数就只有简单的一行，如下图：
优化后给出的光纤到透镜之间的距离为0.117mm，下面是相应的旁轴高斯光束的数据：
上述便是旁轴高斯光束计算所能给我们提供的信息。相关的Zemax文件为optimization.zmx。 返回目录
使用单模光纤耦合计算
单模光纤耦合计算方法（位于Analysis>Calculations>Fiber Coupling Efficiency）提供了更加有力的用来分析具有高斯分布的光纤模式的能力。它会执行两种计算：能量传输计算（energytransport calculation）和模式匹配计算（modematching calculation）。系统效率（system efficiency：S）是用通过入瞳（entrance pupil）的所有光能量，并且考虑了渐晕（vignetting）和偏振光传输情况下，经过系统之后的能量的总和除以从光纤辐射的所有能量得到的：
这里Fs(x,y)指的是源光纤的振幅函数，分子是仅在光学系统的入瞳处的积分，而t(x,y)是光学系统的振幅传输函数。传输过程受到体吸收和光学镀膜（打开偏振传输的情况下）的影响。
光学系统中的像差所引起的位相差也会影响光纤的耦合效率。当向接收光纤传输的汇聚波前的各个点上的模式完全和光纤的模式（包括振幅和位相）想匹配的时候，耦合效率达到最大。它的数学描述是通过光纤和波前振幅之间的重叠积分（overlap integral）来定义的：