この記事では、OpticStudioで角度切断受光ファイバの結合効率をモデル化する方法について説明します。角度切断ファイバ端面とファイバモードの補正のためのティルト角の求め方３つあり、そのうちの1つは座標ブレーク（CB）面とティルトされた像面の組み合わせで求めることができます。結合効率の正確な結果を得るためには、角度切断ファイバを表すティルト角を適切に設定することが重要です。この記事では、システムを設定するための3つの異なる方法について説明します。ユーザーは、好みやアプリケーションに基づいて方法を選択できます。

Authored By Hui Chen and Ethan Keeler

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Example Zemax Models

目次

• 角度切断ファイバの形状の理解
• 垂直切断ファイバを使用したシステムの設定
• モードティルト補正なしの結合
• 方法 1: モードティルトにCB面を使用し、切断角度にティルト像面を使用する方法
• 方法 2: ティルト像面とモードティルト角を設定したファイバ結合ツールを組み合わせて使用
• 方法 3: ティルト用CB面と負のモードティルト角を設定したファイバ結合ツールを組み合わせて使用
• 切断されたファイバからのビームの射出についての注意

はじめに

レーザーおよびファイバシステムを設計する場合、ファイバ端面による後方反射を低減するために角度切断ファイバを使用します。例えば、垂直切断部を持つ一般的なファイバ空気界面では、約4%のフレネル反射や約14dBの反射損失が発生します。これは、約14dBの入射光が反射されることを意味します。ファイバ端面を8度の切断角で角度を設定すると、後方反射の量を最大60dBまで大幅に抑制できます。これは、大きな後方反射が光源の損傷を引き起こす可能性がある高出力レーザーシステムを扱う場合に特に重要です。内視鏡検査や干渉を使用するシステム（光学コヒーレンストモグラフィーなど）など、高感度なシステムでも重要になります。

角度切断ファイバの形状の理解

切断角度が8度の角度で切断されたファイバを考えてみましょう。ファイバの屈折率が1.47であると仮定します。像面の材質セルにn = 1.47のモデルグラスを割り当てることでモデル化できます。

次に、この8度の切断ファイバの形状を検討して、その設定方法を理解します。

緑色の矢印でマークされた入射ビームがZ軸に沿っていると仮定します。ここでの目的は、適切なティルト角を導入することで、受光ファイバの軸が屈折ビームと同一直線になるように調整して結合効率を最大化することです。屈折ビームと端面法線の間の角度である屈折角は、ファイバ軸と端面法線の間の角度（切断角）に等しくなければなりません。つまり、ファイバ軸と屈折後のビームを同軸にさせるには、屈折角を切断角と同じにする必要があります。   

このモデルでは、ファイバの屈折率はn_fiber= 1.47であることがわかっており、空気（n = 1.0）からの光の結合を仮定します。ファイバの切断角度は8度（theta_refract = 8度）に設定されます。 空気-ファイバ界面でスネルの法則を適用すると、次のようになります：

ファイバの屈折率と屈折角を差し込むと、q _in= 11.8 度になります。 これにより、指定されたファイバの屈折率と切断角について、屈折後のビームをファイバ軸に沿って配置し、結合効率を最大化するために必要な入射角を独自に決定できることがわかります。

垂直切断ファイバを使用したシステムの設定

最初に、シングレットレンズを使用して光源ファイバからの光を受光ファイバに結合する簡単なシステムを設定します。光源ファイバと受光ファイバは同一であり、両方ともNAは0.1です。まず、垂直切断シングルモード受光ファイバ（端面はファイバ軸に垂直）から開始します。開始ファイルはこちら： “\Documents\Zemax\Samples\Sequential\Interconnects\Conic interconnect.zmx.” この演習では、まず以下の変更を行います：

1. システムの波長を0.55umに設定します
2. 物空間NA = 0.2を使用してシステムのアパチャーを定義します
3. アポダイゼーション係数をG=4.0に設定します

光源と受光ファイバの対称性、およびこのケースで使用される両凸レンズの対称性により、光学系が物体空間と像空間で対称である場合に最適な結合効率が達成されます。最適化中にこの対称性を維持するために、まず面2の厚みセルにピックアップソルブを適用して、物体面の厚みからその値を取得します。その後、クイック調整ツールを使用して、スポットサイズが最小となる位置を探して像面の位置を設定できます。

次に、シングルモードファイバ結合解析を設定します。このツールは、[解析 (Analyze) …ファイバ結合 (Fiber Coupling) … シングルモード結合 (Single Mode Coupling)]にあります。解析ウィンドウの設定で、以下のスクリーンショットが示すように設定します。

物体面の距離を調整した後、現在の結合効率は99.8%と計算されます。設定で偏光を使用オプションにチェックを入れて、2つの空気レンズ界面でフレネル反射損失を考慮すると結合効率は91.5%に低下します。受光ファイバ端面の空気境界における反射損失を考慮する場合は、像平面の材質セルにモデルガラスを割り当てることができます（n = 1.47）。OpticStudioでは、空気とファイバの界面で最大4%の損失が考慮され、結合効率はさらに88.2%に低下します。これらの設定を含むサンプルファイルは、この記事の「ダウンロード」セクションにあります： “conic_interconnect_normal_angle_fiber_coupling.zar.”

モードティルト角補正なしの結合

これで、受光ファイバファセットに8度の切断角を導入する準備ができました。まず、受光ファイバの再調整を行わずに8度の切断端面を導入するケースを見ていきます。そのため、追加された角度切断部には補正はありません。
この場合、設定は簡単です。必要な設定は、像面を8度ティルトするだけです。面タイプをティルトに設定し、Yタンジェント = 0.140541 [Y = tan(8)] を指定します。レイアウトでは、角度の付いたファイバ端面に似た、像面がティルトされているのがプロットされます。以下のすべてのスクリーンショットでは、デモンストレーション用に、像面を明確に表示するために、画像のクリア半直径を一時的に1mmに拡大していることにご注意ください。予想どおり、補正なしではこの角度の付いたファイバ端面により、結合効率が88.2%から56.4%に大幅に低下します（偏光を使用オプションをオンにしてフレネル反射損失を含めます）。

このファイルは、「ダウンロード」セクションにあります： “conic_interconnect_angle_cleaved_fiber_without_mode_tilt_compensation.zar”

角度切断ファイバを使用する場合は、角度のある端面による影響を補正するためにファイバの方向を調整する必要があります。ファイバ軸が屈折後ビーム経路に沿っている場合、最高の結合効率が達成されます。スネルの法則に基づいて、n = 1.47で8度の切断角を持つファイバの場合、受信ファイバファセットで必要な入射角は11.8度である必要があります。これにより、屈折角が8度になり、屈折後ビームが受光ファイバ軸に沿って送信されます。

一般に、ティルトは座標ブレーク面またはティルト面のいずれかを使用して再現できます。ただし、これら2つのアプローチには違いがあります。CB面を使用してティルトを導入する場合、OpticStudioではローカル座標系をティルトさせることでティルトを行います。これにより、像面がティルトされるだけでなく、受光ファイバのモードもティルトされます。デフォルトでは、受光ファイバはローカルZ軸に沿っています。ただし、ティルト面を像面として使用すると、ローカル座標の方向に影響を与えることなく、像面自体がティルトされるだけです。受光ファイバのモードはティルトされないままになります。

以下のセクションでは、OpticStudioで受光ファイバのモードを適切に設定するための3つの異なるアプローチを紹介します。

方法 1: モードティルトにCB面、切断角度にティルト像面を使用

これは、切断角とモードティルト補正角を分離するため、推奨される方法です。さらに、ファイバ結合解析ウィンドウでモードティルト角を設定する方法2と比較すると、このアプローチでは、レンズデータエディタのCB面を通してモードティルト角が適用されます。これにより、このティルトパラメータに簡単にアクセスでき、最適化のための変数として使用できます。

この方法では、まず像面の前にCB面を入力します。ティルトX = 3.8度を割り当てます。これは、ローカルZ軸に対するティルトを導入し、その後、像面と受光ファイバのモードを3.8度ティルトするためです。像面をティルト面タイプに設定し、Yタンジェント = 0.140541を設定します。これは、すでに3.8度ティルトしたローカルY軸から8度のティルトに相当します。入射光線と像面の法線の間の角度は11.8度になります。これは、目的の入射角です。偏光を使用にチェックを入れると、結合効率が最大88.2%に戻っていることがわかります。この値は、垂直切断ファイバのケースで以前に達成された値に非常に近いです。

このファイルは「ダウンロード」セクションにあります： “conic_interconnect_angle_cleaved_method_1_cb_tilt_image.zar”。

方法 2: ティルト像面とモードティルト角を設定したファイバ結合ツールを組み合わせて使用

この方法では、像面は再びティルト面タイプに設定されます。ただし、8度のティルトではなく、Yタンジェント = 0.209005（Y軸から約11.8度のティルト）を割り当てます。これにより、入射ビームと角度端面法線の間の角度が11.8度に設定されます。これは、目的の入射角です。

屈折後、ビームは角度付き端面法線と8度の角度を形成します。注意すべき点は、ティルト面タイプはローカル座標系に影響しないことです。像面のローカルZ軸が入射ビームと平行なままであるため、屈折ビームから3.8度の角度を形成します。これを考慮するには、ファイバ結合ツールで、ファイバのモード光軸を3.8度傾けて屈折ビームに沿って整列させる必要があります。これを行うには、[解析 (Analyze) …ファイバ結合 (Fiber Coupling) … シングルモード結合 (Single Mode Coupling)]の順に進みます。設定ドロップダウンのX軸のティルト（度数）フィールドに3.8度と入力します。これにより、ローカルZ軸からファイバのモードが時計回りに3.8度傾き、ファイバの内部の屈折ビームとファイバのモードが整列します。このようにしてモードティルト補正の後、偏光を使用にチェックを入れると、結合効率が最大88.2%に戻っていることがわかります。これは、方法1で得られたものに非常に近く、法線切断ファイバのケースで計算されたものにも非常に近い値です。

このファイル“conic_interconnect_angle_cleaved_method_2_tilt_image_pop_tilt.zar”は「ダウンロード」セクションにあります 。

方法 3: ティルト用CB面と負のモードティルト角を設定したファイバ結合ツールを組み合わせて使用

この方法では、像面にティルト面タイプを使用しません。まず、座標ブレーク面を像面の前に挿入し、X軸のティルトを11.8度に設定します。これにより、必要な11.8度の入射角が得られます。さらに、ローカルZ軸を時計回りに11.8度傾け、受光ファイバのモードを11.8度傾けて、面の法線に沿って配置します。以前の計算から、屈折角は8度であることがわかっています。これは、ファイバのモード8度を屈折ビームパスに沿って配置するために、ファイバの光路を反時計回りに角度を付ける必要があることを意味します。方法2と同様に、このファイバモードティルト角は、[解析 (Analyze) …ファイバ結合 (Fiber Coupling) … シングルモード結合 (Single Mode Coupling)]メニューで適用できます。ここで、X軸のティルト（度数）フィールドを-8度に設定します。この調整後、偏光を使用オプションにチェックを入れた状態で、ファイバ結合効率が再び88.2%に戻ることが確認できます。

このファイルは「ダウンロード」セクションにあります： “conic_interconnect_angle_cleaved_method_3_cb_pop_negative_tilt.zar”。

結論

この記事では、角度切断ファイバ結合システムを設定するための3つの異なるアプローチを示します。また、切断されたファイバからビームを発射するアプローチも紹介します。座標ブレーク面と像面でのティルト面タイプの違いについて説明します。角度切断されたファイバ端面をモデル化する方法と、角度切断による影響を補正するためにモードティルト角を導入する方法を示します。適切なファイバの補正を行うと、角度切断ファイバの結合効率が、垂直切断ファイバを使用した場合とほぼ一致します。3つの方法はすべてOpticStudioで簡単に実装でき、選択する方法はアプリケーションとユーザーの好みに応じて異なります。