光纤耦合效率计算方法

本发明涉及光纤耦合，具体地，涉及一种光纤耦合效率计算方法。

背景技术：

1、半导体激光器是一种利用半导体材料电子与空穴复合释放能量而产生激光的装置。它具有小尺寸、低成本、高效率等优势，但是因为半导体激光器的增益各向异性、谐振腔非对称性和工作温度非均匀性、以及有效折射率差异等原因而存在光束传播像散，难以长距离传输。单模光纤作为一种传输光信号的理想介质，具有低损耗、高带宽和抗干扰等优点，因此广泛应用于通信、光纤传感和光学测量等领域。利用单模光纤耦合技术将半导体激光器中产生的基模光束有效地耦合到单模光纤中，改善光束质量、实现长距离光传输，应用于光纤传感和测量等领域。

2、由于半导体激光器的基模光束模式与单模光纤的模式结构不匹配，容易导致耦合损耗、模式失配和光功率不稳定等问题。现有的半导体激光器与单模光纤耦合的计算方法是基于菲涅尔-惠更斯原理，考虑衍射、干涉和散射等效应，逐步迭代计算来仿真光波的传播。主要步骤包括光波的分解、利用菲涅尔-惠更斯原理进行光束传播计算、散射计算、采样和结果分析。该方法存在着建模繁琐、计算复杂、需要更多的计算时间和计算资源等缺点。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明提供一种光纤耦合效率计算方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。

3、(二)技术方案

4、本发明一方面提供一种光通量测量方法，包括：基于第一光学特性数据确定第一像散光束；其中，第一光学特性数据为激光器的光学特性数据；将第一像散光束传入预构建的光学系统，确定第一像散光束的第二光学特性数据；其中，第二光学特性数据为第一像散光束在光学系统中的传播参数；根据第二光学特性数据确定第二像散光束；基于单模光纤的结构参数确定单模光纤的模场分布；基于单模光纤的模场分布和第二像散光束计算耦合效率，得到单模光纤和第二像散光束的耦合效率。

5、可选地，基于第一光学特性数据确定第一像散光束，包括：获取激光器中基模光束的光学数据，得到第一光学特性数据；根据第一光学特性数据计算像散光束的传播参数；基述第一传播参数确定所述第一像散光束。

6、可选地，第一传播参数的表达式为：

7、

8、

9、

10、

11、其中，ω1x表示光束在水平方向上的光斑尺寸、ω1y表示光束在竖直方向上的光斑尺寸、r1x表示光束在水平方向、r1y表示光束在竖直方向的曲率半径、λ0为基模光束的波长、d为基模光束的像散、ω0x为基模光束在水平方向的束腰、ω0y为基模光束在竖直方向的束腰、z表示沿z轴传播的像散光束的当前位置。

12、可选地，第一像散光束ψu的表达式为：

13、

14、其中，n1为第一像散光束ψu传播介质的折射率、j为虚数、exp为指数运算符。

15、可选地，光学系统由多个光学元件构成，通过矩阵相乘确定光学系统的表达式，其中，所述光学系统在水平方向的表达式为：

16、

17、在竖直方向的表达式为：

18、

19、其中，光学系统的光学元件包括快轴透镜、慢轴透镜、级联渐变折射率光纤第一段、级联渐变折射率光纤第二段；d1x为激光器出光面在水平方向(x方向)上到慢轴透镜的距离、d1y为激光器出光面在竖直方向(y方向)上到快轴透镜的距离、d2x为慢轴透镜与级联渐变折射率光纤第一段的距离、d2y为快轴透镜与级联渐变折射率光纤第一段的距离、fx为慢轴透镜的焦距、fy为快轴透镜的焦距、r是第一段渐变折射率光纤的弧段的半径、ag1为渐变折射率光纤第一段的特殊核半径、ag2为渐变折射率光纤第二段的特殊核半径、l1为渐变折射率光纤第一段的长度、l2为渐变折射率光纤第二段的长度、n2为渐变折射率光纤第一段4的折射率。

20、可选地，第二光学特性数据的表达式为：

21、

22、

23、

24、

25、其中，ω2x表示第一像散光束经过光学系统后在水平方向上的光斑尺寸、ω2y表示第一像散光束经过光学系统后在竖直方向上的光斑尺寸、r2x表示第一像散光束经过光学系统后在水平方向、r2y表示第一像散光束经过光学系统后在竖直方向的曲率半径。

26、可选地，第二像散光束ψv的表达式为：

27、

28、其中，n2为第二像散光束ψv传播介质的折射率。

29、可选地，单模光纤的模场分布ψf的表达式为：

30、

31、其中，ωf为单模光纤模场的半径

32、可选地，耦合效率η的表达式为：

33、

34、其中，中的*表示共轭。

35、可选地，该光纤耦合效率计算方法还包括：根据耦合效率η更新光学系统。

36、(三)有益效果

37、本发明提供的光纤耦合效率计算方法至少包括以下有益效果：

38、利用光学系统对像散光束进行处理，使得处理后的像散光束与单模光纤的耦合效率更高。并利用abcd矩阵表示光学系统有效简化了像散光束的计算步骤，提高了像散光束和单模光纤耦合效率的计算速率和精确度。

技术特征：

1.一种光纤耦合效率计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，所述基于所述第一光学特性数据确定第一像散光束，包括：

3.根据权利要求2所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，第一传播参数的表达式为：

4.根据权利要求3所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，所述第一像散光束ψu的表达式为：

5.根据权利要求1所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，所述光学系统由多个光学元件构成，通过矩阵相乘确定光学系统的表达式，其中，所述光学系统在水平方向的表达式为：

6.根据权利要求1所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，所述第二光学特性数据的表达式为：

7.根据权利要求6所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，所述第二像散光束ψv的表达式为：

8.根据权利要求1所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，所述单模光纤的模场分布ψf的表达式为：

9.根据权利要求1所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，所述耦合效率η的表达式为：

10.根据权利要求1所述的光纤耦合效率计算方法，其特征在于，还包括：根据所述耦合效率η更新所述光学系统。

技术总结
本发明提供一种光纤耦合效率计算方法，包括：基于第一光学特性数据确定第一像散光束；其中，第一光学特性数据为激光器的光学特性数据；将第一像散光束传入预构建的光学系统，确定第一像散光束的第二光学特性数据；其中，第二光学特性数据为第一像散光束在光学系统中的传播参数；根据第二光学特性数据确定第二像散光束；基于单模光纤的结构参数确定单模光纤的模场分布；基于单模光纤的模场分布和第二像散光束计算耦合效率，得到单模光纤和第二像散光束的耦合效率。

技术研发人员：仲莉,张德帅,马骁宇,刘素平
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15