VirtualLab Fusion | 大气湍流下的少模光纤耦合

自由空间光通信以自由空间（如大气）作为收发端之间的传输媒介，其优势在于无需铺设光纤等物理线路。然而，当光束在大气中长距离传播时，大气湍流引起的折射率随机起伏会严重影响光束质量，导致光斑漂移、闪烁和光束扩展等现象，进而降低光束与接收光纤的耦合效率。

本案例基于Zheng等人2016年发表在Optics Express上的实验工作，使用VirtualLab Fusion光之数字模型平台对大气湍流影响下的少模光纤耦合效率进行了数值模拟与分析。研究采用阶跃折射率光纤与梯度折射率光纤两种常见光纤类型，对比了湍流环境下二者与自由空间光束的耦合表现。

阶跃折射率光纤

首先构建了包含光源、大气湍流相位屏和阶跃折射率光纤接收模块的仿真链路，并借助光线追迹系统分析仪获取经湍流传播后的端面光场分布。

该光纤支持的线偏振模式具有不同的模场形态，湍流导致的模式串扰会直接影响基模耦合效率。

针对不同折射率结构常数Cₙ²的湍流条件，模拟得到端面能量密度分布，结果显示随湍流增强，光斑畸变加剧、中心能量显著下降，耦合效率呈单调递减趋势。

梯度折射率光纤

在相同链路参数下将接收光纤更换为梯度折射率少模光纤，其抛物线型折射率分布具有自聚焦特性，可部分补偿湍流引入的波前畸变。

不同湍流强度下的端面能量密度表明，梯度型光纤的光斑集中度明显优于阶跃型，能量弥散程度更低，耦合效率的劣化幅度在强湍流条件下显著缓和，验证了其抗湍流优势。

通过上述仿真分析得出，大气湍流强度增强会显著降低少模光纤耦合效率，同等条件下梯度折射率光纤的耦合性能优于阶跃型，其自聚焦特性有助于抑制能量扩散。

VirtualLab Fusion是一款集几何光学与物理光学于一体的统一建模环境，其核心场追迹技术能够同时处理相干与非相干光、标量与矢量效应，并支持参数扫描与自动化化，为自由空间的光通信链路仿真提供了高效、准确的技术支撑。