本文聚焦如何利用仿真软件FRED，对球透镜封装的半导体激光二极管耦合到单模光纤的系统进行高精度建模与评估，属于光通信领域常见的光学耦合问题。模型展示了FRED对相干光场的传播能力、激光二极管束光源的特征建模，以及对光纤耦合效率的精确计算。

模型要点

- 激光二极管信息：使用 Mitsubishi ML725C8F 的 InGaAsP / InP 多量子阱激光器，工作波长为1310 nm；输出光束在 x、y 方向的远场发散角约为 25° 和 30°，按光源说明书给出的远场分布设定；假设发射表面的光场分布在焦点处无额外偏移。

- 光源建模：在FRED中采用激光二极管束光源类型，确保输出为相干光。

- 几何与材料：球透镜直径为1.5 mm，置于距离激光二极管发射表面1.88 mm处；全局坐标原点设在球透镜输出表面与光轴的交点处。透镜材料采用N-BK7，在1310 nm处的折射率为1.5036。

- 光纤参数：单模光纤位于全局原点后1.9 mm处，核心半径5 μm，包层直径125 μm；芯层折射率1.465，包层折射率1.47，折射率差约0.36%。光纤表面覆盖有吸收涂层/夹层。

- 光纤几何建模：光纤被表示为一个组件，包含核心圆柱、包层管以及涂层层。包层管的内壁需手动设为 Never Traceable，以避免与核心柱面重合导致的光线追踪错误；同样需对涂层的内壁进行同样处理。

- 涂层特性：在本模型中，涂层被视为吸收层，停止所有光线追踪；其他表面保持无涂层。

仿真

- 耦合效率的计算：FRED 使用入射场分布 Einc 与光纤基模场 Efiber 的重叠来定义耦合系数 CE。CE 为复数，耦合功率通常表示为 P_in × |CE|^2（其中 P_in 为入射光功率），即耦合到基模的功率份额。

- 分析面设置：为确保包含反射影响，需在光纤入口后放置一个分析面，其尺寸应大于基模模场直径。通常选用 50 μm 宽、251×251 网格的划分，以获得足够的数值积分精度。

- 功率与耦合的关系：通过分析面处的辐射照度确定入射面的功率 P，并结合 CE 计算得到耦合到光纤基模的功率。总耦合功率为 P × |CE|^2。

- 结果示例：分析面处的功率约占总功率的 26.55%，光纤耦合效率为 71.44%，因此系统总耦合效率约为 19.0%。以 5 mW 的激光二极管作为基准，传输到光纤的信号功率约为 0.95 mW。

- 对齐灵敏度与脚本工具：FRED 提供三类内置脚本用于对齐灵敏度分析：纵向距离扫描、横向偏移扫描、倾斜角度扫描。通过设定步长和范围，可以系统地评估光纤位置、耦合系数及模式功率的变化，并将结果输出到屏幕或表格中（可导出到Excel）。

纵向对齐灵敏度

- 脚本顶部输入光纤的起始与结束位置，以及所需的扫描分辨率。若希望导出至Excel，请将 exportToExcel 设置为 True。

- 主循环按步骤移动光纤位置、追踪光线、计算照度与总功率、求取耦合系数并给出模式功率的结果。

- FiberCoupleStepIndex 返回耦合系数的实部与虚部。

距离对比的结果

- 以球透镜与光纤距离从1.5 mm到2.5 mm的变化为例，研究揭示在1.9 mm处可达到较高的耦合水平。理论上厂家给出的最大耦合功率（在该距离约为0.8 mW、16%效率）与仿真结果略有差异，差异原因在于耦合对光纤模式尺寸和折射率分布高度敏感，厂家未披露光纤细节。

横向准直灵敏度

- 横向偏移扫描的设置与纵向相似，定义横向扫描的步长与范围，评估耦合随水平偏移的变化。VSport

方向灵敏度

- 通过对光纤在水平方向的取向角度进行扫描，观察耦合对水平倾斜的响应。该分析仅在水平方向的旋转角度范围内进行。

结束语

本例展示了使用FRED对激光二极管到光纤耦合进行高精度仿真的能力，获得的耦合结果与厂家信息相符，充分体现了相干传输描述在此类光学对接中的关键作用。这一识别与分析方法有助于评估设计公差和光器件封装对耦合性能的影响。