光器件光路设计专题系列1-从小白开始初识ZEMAX

单通道汇聚光路应该是光器件中最简单、最基本的光路了，对于TOSA端，光传输路径是激光器—透镜—隔离器-光纤；对于ROSA端，光传输路径是光纤-透镜-探测器。本次分别以典型的单模TOSA/ROSA光路作为实例，给大家展现光路仿真的过程全貌。由于本次重在展现过程，所以对具体参数为什么这么设置，这些参数对光路有何影响暂不做过多解释，看完全系列大家慢慢就会清楚了。

一：单模单通道TOSA光路：

1.1 打开ZEMAX软件后，屏幕上出现透镜编辑器以及菜单栏

第一步：先进行系统设置，主要是设置系统孔径、工作波长

孔径：Aperture Type下拉菜单中有很多选项，选择孔径类型为"Object Space NA" ，并设置"Aperture Value"值为所用LD透镜的有效孔径(本例为0.5)。孔径大小对系统耦合效率有很大影响，其定量计算关系后面再讲。

光源类型："Apodization Type"选为"Guassian"，"Apodization Factor"选为1，表明是高斯光束。这个地方如何选取影响的是光线展示效果和采样，对光器件光路耦合效率结果基本无影响。

工作波长：设置为激光器的工作波长即可

第二步：编辑透镜数据

在这个光路中，透镜有2个面，隔离器有4个面，所以先插入6个面，把相应的面型参数、折射率、厚度输入透镜编辑器中。LD,FIBER工作距离先随便写个靠谱的值，后面再优化。

透镜：本例中使用了Alps公司的FLGS4SE11A非球透镜，其为5倍率LD-FIBER耦合透镜，LD侧有效孔径0.5mm，1310nm有效焦距0.438mm。顺便提下，这款非球透镜是多片模压然后切割成单个的，批量价格比传统单个模压的非球透镜便宜很多。

隔离器：本例使用了常规自由空间偏振相关的隔离器，在建模中未体现其检偏和旋光效应，仅把它当做了玻璃板放在光路中。后面几期再讲偏振建模。

透镜编辑器如下：

初步光路Layout如下:

Layout与真实的光路还有一些差异，主要体现在真实光路中隔离器是倾斜放置的，然后光纤一般有6~8°的斜角。我们通过添加局部坐标把这个加进去。

新的透镜编辑器如下：

第4和第9个面控制隔离器旋转，隔离器旋转后接收光纤的位置会位移，这个由第12个面在X方向追踪主光线来补偿，光纤的8°角和材料设置在第13个面中。第2和第5个面控制透镜相对LD的位移，留给后面优化和结果输出时候用。

最终的光路Layout如下:

第三步：优化

我们的目标是要尽可能取得较大的耦合效率，ZEMAX中可以定义一个耦合效率函数，然后设置光路参数变量，通过光路参数的迭代优化，使得耦合效率达到最大值。ZEMAX中耦合效率算法有FICL和POPD算法，一个通过几何光线追踪获取高斯光场，一个通过菲涅尔衍射获取高斯光场，最终的效率算法都是高斯光场的重叠积分算法。

设置优化函数：我们选择FICL作为优化函数，具体设置界面在Merit Function Editoer中，如下，设置采样数3(128x128采样)，激光器和光纤的数值孔径，设置耦合效率目标值为1，即希望耦合效率100%，weight权重为1，其它参数可以暂不设置。界面如下;

定义变量：我们定义LD到透镜的距离、透镜到光纤的距离、以及光纤和LD的Y方向高度差、透镜光轴和LD的高度差这四个量为变量(由于光纤有8°角，需要优化光纤和LD的Y方向高度差、透镜光轴和LD的高度差来补偿角度偏移)，优化结果如下：

光路Layout如下:

LD到光纤整体光路长度3.46mm左右，LD距离透镜0.253mm；透镜中心比LD高18um，光纤比LD高约100um，耦合效率75%左右

第四步：结果查看：

我们常常希望知道透镜的耦合容差，透镜在各个方向动了微小距离，相应的光路耦合效率变化多少，这个可以通过Analys→universal plot→universal plot 1D中，作透镜位移——耦合效率的曲线得到。

透镜编辑器中第二个面是控制透镜位移l的，将第二个面的X方向作为自变量，耦合效率作为因变量，画图.设置如下:

结果如下，纵轴是耦合效率。当然也可以增加操作数转换为dB单位，也可以点击text得到具体数据，自己去处理。

好了，本集到此结束，初学小白对上面细节不清楚没关系，体会一下整个过程就行。后面会对细节做解释。单模ROSA光路耦合效率算法和TOSA不一样，典型的光路下期再说。