Also available in English
作者： Hui Chen
OpticStudio提供了两种计算单模光纤耦合效率的分析工具：一种是单模光纤（SMF）耦合分析，另一种是物理光学传播（POP）光纤耦合分析，这两种计算方法基于不同的理论和假设，因此计算结果可能会不同，具体使用哪种方法取决于您的系统。
POP是一种基于波动光学的光束传播工具，可用于模拟激光光束的衍射传播，该工具通过采样点阵列表示光束，阵列上每一点都储存复振幅信息，并将整个阵列在光学系统间传播。物理光学模型能够对相干光束进行非常精细的研究，这是几何光线表示法无法实现的。SMF使用几何光线来表示从物面到出瞳的光束传播，仅考虑从出瞳到像面之间的衍射效应，即所谓的“一步”近似，这是POP与SMF耦合分析之间的主要区别。
虽然POP算法功能很强大，但仍存在一个限制：难以处理过“快”光束。POP基于标量衍射理论，当光束过“快”时，该理论可能失效，此时，POP会在传播报告中发出警告：“引导光束束腰尺寸小于波长！”，这表明光束过“快”，POP无法准确建模。对于过“快”光束，光线表示法通常是更好的选择。您可以选择切换到基于光线的分析，或在“镜头数据\表面属性\物理光学”中勾选“用几何光线传播到下一表面”选项来解决此问题。
根据系统情况，您需要判断哪种工具更适合您的应用场景。通常我们推荐在以下三种情况下使用POP分析，相关说明可在帮助文档（分析选项卡（序列模式）> 激光和光纤组 > 物理光学传播(Physical Optics Propagation)）中查阅。
如果您的系统属于这三种需要POP分析的情况之一，您很可能会在SMF耦合分析和POP耦合分析中得到不同的耦合效率，对于这些情况，POP应是耦合分析的首选工具。
接下来，我将通过几个案例对比这两种光纤耦合分析方法。
案例1：使用单透镜对两根光纤进行耦合。
在这种情况下，SMF耦合分析与POP光纤耦合分析均适用，当输入光纤与接收光纤模式设置相同的光束发散角时，这两种分析得到的耦合效率结果非常相似。
案例2： 使用两个透镜系统从一根光纤耦合到另一根光纤，两个透镜之间有长距离、近似平行的传播。
由于这种长距离平行光束传播，POP与SMF计算的耦合效率结果差异显著：POP的耦合效率仅为SMF的一半左右。此案例使用POP分析更加合适，因为几何光线分析无法准确模拟这种长距离准直传播。若查看表面2（L1后表面）与表面4（L2前表面）的点列图，会发现光束保持准直状态，光束尺寸几乎不变。然而，激光光束在传播过程中会发生衍射，光束尺寸始终在变化。如果在评价函数编辑器中使用POPD操作数查看表面2和表面4的光束尺寸，可观察到经过长距离传播后光束尺寸几乎增加了一倍。激光光束的这种衍射传播无法通过几何光线表示法准确模拟，因此本例中SMF耦合效率结果可能过于乐观，而POP分析则更加准确。
以上仅为两个简要示例。实际应用中哪种分析工具更适用，可能需要仔细评估。如果您想了解更多关于OpticStudio中单模光纤耦合分析的信息，建议阅读Mark Nicholson和Kristen Norton撰写的知识库文章Single-mode fiber coupling in OpticStudio。如果您在设置分析或理解结果时需要帮助，欢迎随时联系Ansys Zemax技术支持团队，我们的ACE工程师将竭诚为您服务。