光子晶體光纖模擬

5.6光子晶體光纖及其模擬一.基本原理光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔直徑一般在波長(zhǎng)量級(jí)且貫穿整個(gè)器件。2021/5/91折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(修正的全內(nèi)反射型)1典型結(jié)構(gòu)(橫截面圖)空氣孔(柱)基質(zhì)材料(石英)2021/5/921典型結(jié)構(gòu)(橫截面圖)光子帶隙型光子晶體光纖

2021/5/93a.極寬的單模工作范圍

b.大模面積單模特性d.可調(diào)的色散特性

e.高雙折射特性2基本特性(1)折射率引導(dǎo)型主要特點(diǎn):包層有效折射率可在很大的范圍內(nèi)變化：c.高非線性2021/5/94(2)光子帶隙型低損耗、低色散、低非線性光傳輸2021/5/953實(shí)例纖芯2021/5/96(a)實(shí)芯光子晶體光纖（b）空芯光子晶體光纖2021/5/97低傳輸損耗帶隙光纖2021/5/98模場(chǎng)分布圖(帶隙光纖)2021/5/99

保偏(高雙折射)光子晶體光纖2021/5/9104制造原理（原理圖）(堆積圖)(1)堆積2021/5/911(2)拉絲2021/5/912二光子晶體光纖特性分析1.折射率設(shè)置應(yīng)用軟件的周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)排布工具,可以方便地實(shí)現(xiàn)光子晶體及光子晶體光纖的排布。2021/5/913波導(dǎo)陣列設(shè)置2021/5/914參數(shù)設(shè)置框2021/5/9152021/5/916

維度及方向含義一維光子晶體：在一個(gè)方向上折射率周期性分布二維光子晶體：在兩個(gè)方向上折射率周期性分布三維光子晶體：在三個(gè)方向上折射率周期性分布2021/5/917二維光子晶體(XZ面折射率周期排布）傳輸方向2021/5/918光子晶體光纖

(XY面折射率周期性分布）傳輸方向2021/5/919Cubic:矩形結(jié)構(gòu)橫截面上折射率周期排布Hexagonal：六角結(jié)構(gòu)光子晶體光纖結(jié)構(gòu):Cubicrings:環(huán)形矩形結(jié)構(gòu)Hexagonalrings：環(huán)形六角結(jié)構(gòu)2021/5/920Cubic矩形結(jié)構(gòu)2021/5/921Hexagonal六角結(jié)構(gòu)2021/5/922Cubicrings環(huán)形矩形結(jié)構(gòu)2021/5/923Hexagonalrings環(huán)形六角結(jié)構(gòu)2021/5/924L=0L=1L=22021/5/925L=0,M=32021/5/926L=1,M=32021/5/927L=2,M=32021/5/928程序文件名空氣孔層數(shù)2021/5/929折射率柱形狀：Ellipse:橢圓形Square:矩形.indfile來(lái)自.ind文件2021/5/930Square:矩形2021/5/931Ellipse:橢圓形2021/5/932組合法創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)2021/5/9331.先創(chuàng)建基本單元(存為文件cell.ind)2021/5/9342將創(chuàng)建的基本結(jié)構(gòu)作為基本單元2021/5/935最終結(jié)果：蜂窩結(jié)構(gòu)2021/5/936原理說(shuō)明2021/5/937隨機(jī)化2021/5/938X坐標(biāo)隨機(jī)化2021/5/939標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)2021/5/9402模式求解需要考慮到的光子晶體光纖特點(diǎn):(1)無(wú)限單模特性當(dāng)d/Λ<0.406時(shí),光纖為單模光纖

歸一化頻率:(2)少模特性當(dāng)d/Λ>=0.406時(shí),光纖能夠以較少模式傳輸

(3).存在泄露損耗

(4)假模的存在2021/5/941

(a)穩(wěn)定模式2021/5/942（b)假模(pseudomode)2021/5/943(5)矢量特性由于組成光子晶體光纖的兩種材料(空氣\石英)的折射率差大(約為1.45-1=0.45),因此需要采用矢量算法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。由理論分析知，其基模實(shí)際由沿X和Y方向偏振的兩個(gè)線偏振模組成，兩者是簡(jiǎn)并的。2021/5/944知識(shí)點(diǎn):矢量類型選擇標(biāo)量法：適用于介電常數(shù)在X和Y方向變化很小的情況（弱導(dǎo)）半矢量法：適用于X和Y方向的場(chǎng)分量沒有耦合的情形全矢量法：考慮X和Y方向場(chǎng)的耦合，適用范圍最廣。2021/5/945矢量類型設(shè)置二維波導(dǎo):只有半矢量和標(biāo)量法三維波導(dǎo):半矢量法中TE模指X偏振模,TM模指Y偏振模2021/5/9462021/5/947矢量設(shè)置標(biāo)量2021/5/948矢量設(shè)置半矢量2021/5/949矢量設(shè)置全矢量2021/5/950偏振選擇2021/5/951例：標(biāo)量、半矢量、全矢量法得到的模式解波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2021/5/952a標(biāo)量解2021/5/953b半矢量解(TE極化-x偏振）2021/5/954c半矢量解(TM極化-y偏振）2021/5/955d全矢量解2021/5/956計(jì)算結(jié)果比較以全矢量法結(jié)果為參考,比較其它幾種方法的結(jié)果2021/5/957不同矢量類型下的誤差曲線標(biāo)量法半矢量TM半矢量TE2021/5/958計(jì)算結(jié)果比較標(biāo)量解neff=1.447771誤差6.2e-5半矢量解

(TE極化)neff=1.447718誤差2.5e-6(TM極化)neff=1.447716誤差0.5e-6全矢量解neff=1.447719誤差3.5e-6（參考解:1.447715527,9.546E-10(多極法)）2021/5/959(6)關(guān)鍵參數(shù)Λ,Periodd,widthheight2021/5/9603舉例(1)模式求解計(jì)算由3層空氣孔組成，空氣孔直徑d/Λ=0.4,周期Λ=5μm纖芯由一個(gè)實(shí)芯棒組成的光子晶體光纖的模式。2021/5/961[1]生成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)無(wú)需先設(shè)置初始對(duì)話框,直接先定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2021/5/9622021/5/963波導(dǎo)顯示2021/5/964橫截面折射率分布2021/5/965[2]修改相應(yīng)參數(shù)1.周期Period調(diào)整為5微米2021/5/9662021/5/9672.空氣孔直徑width=height=Period*0.402021/5/9682.空氣孔直徑width、height2021/5/969[3]初始對(duì)話框參數(shù)調(diào)整2021/5/970計(jì)算工具選擇為Beamprop調(diào)整前(缺省計(jì)算工具)2021/5/971調(diào)整后2021/5/9722021/5/9732021/5/9742021/5/975[4]初始場(chǎng)設(shè)置2021/5/9762021/5/977場(chǎng)類型:2021/5/978初始場(chǎng)參數(shù):2021/5/979計(jì)算結(jié)果2021/5/980更改模式求解方法為相關(guān)函數(shù)法2021/5/981相關(guān)函數(shù)法計(jì)算結(jié)果:2021/5/982修改波導(dǎo)長(zhǎng)度L(1024微米

5240微米)(a)基模2021/5/983(b)二階模(假模)2021/5/984損耗計(jì)算=0.04dB/m上例中，有：(參考解9.5461E-10)計(jì)算公式：dB/m2021/5/985(2)高雙折射光子晶體光纖的計(jì)算基本原理有意地引入結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，從而獲得X和Y方向偏振的基模不同的模場(chǎng)分布和模式有效折射率分析內(nèi)容不同周期下,光纖雙折射值的大小2021/5/986[1]模擬結(jié)構(gòu)基本參數(shù):width=Period*.4,大空氣孔的直徑width2=Period*.82021/5/987初始結(jié)構(gòu)2021/5/988橫截面圖2021/5/989Ctrl+向上/向下鍵,獲得中心一行空氣柱2021/5/990定義變量width2=Period.8,設(shè)置與中心相鄰的兩個(gè)空氣柱的直徑為width22021/5/991最終得到的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2021/5/992計(jì)算X方向偏振模(TE極化)的有效折射率曲線2021/5/993修改相應(yīng)的設(shè)置(偏振方式)2021/5/9942021/5/9952021/5/996單次計(jì)算類型為:模式求解2021/5/997掃描結(jié)果(有效折射率曲線)2021/5/998類似地，計(jì)算Y偏振（TM極化）模的有效折射率2021/5/999雙折射計(jì)算雙折射定義B=|neff.TE-neff.TM|雙折射越大，兩線性偏振模之間的耦合系數(shù)就越小，越有利于偏振態(tài)的保持。采用軟件自帶的后處理工具對(duì)保存的數(shù)據(jù)的運(yùn)算2021/5/9100參數(shù)掃描結(jié)果保存情況2021/5/9101文件后綴例：bi_TE.nes文件繪圖文件名：*.

p

ne

數(shù)據(jù)文件名*.nes(有效折射率*.psc

數(shù)據(jù)文件名*.scn(監(jiān)視器結(jié)果)plot繪圖2021/5/9102周期(橫坐標(biāo))有效折射率(縱坐標(biāo))2021/5/9103后處理工具簡(jiǎn)介可采用相應(yīng)的命令,處理光束傳播法得到的數(shù)據(jù),以獲得所需的信息常用命令

bdconv---矩陣操作

bdutil---計(jì)算重疊積分、光柵系數(shù)、模場(chǎng)大小等

bmp2ind---轉(zhuǎn)換位圖文件為自定義折射率分布

disperse---色散曲線計(jì)算

mat2bp---轉(zhuǎn)換矩陣數(shù)據(jù)為Rsoft格式

matmat---對(duì)數(shù)據(jù)文件執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算

shufflemat---重組數(shù)據(jù)文件2021/5/9104disperse---色散曲線計(jì)算語(yǔ)法格式：disperse[options]scandatafile選項(xiàng)：

-h顯示幫助

-p繪制結(jié)果

-g計(jì)算群速度和色散

-x#x軸數(shù)據(jù)類型(0=波長(zhǎng)，1=1/波長(zhǎng)，2=k，缺省值=0)2021/5/9105mathmat---對(duì)數(shù)據(jù)文件執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算語(yǔ)法格式：Mathmat<數(shù)據(jù)表達(dá)式>[數(shù)據(jù)文件名]

例：mathmata0,(a1+a2)/2in.datmathmata0,(a1+b1)/2in2.dat2021/5/9106mathmata0,a1-b1bi_TM.nesbi_TE.nes>bi.txt含義：保存a0(第一個(gè)文件bi_TM.nes的第一列的數(shù)據(jù)。保存a1-b1(第一個(gè)和第二個(gè)文件的第二列數(shù)據(jù)相減，保存結(jié)果)

將結(jié)果保存到bi.txt文件中2021/5/9107后處理命令2021/5/9108數(shù)據(jù)：2021/5/9109曲線繪制1由繪圖命令直接生成:winplotbi.txt2021/5/91102通過(guò)文件生成a設(shè)置繪圖命令橫坐標(biāo)名縱坐標(biāo)名數(shù)據(jù)文件2021/5/9111橫坐標(biāo)名縱坐標(biāo)名數(shù)據(jù)文件2021/5/9112b繪制圖形2021/5/9113c結(jié)果2021/5/9114兩條折射率曲線對(duì)比2021/5/91152021/5/9116另一計(jì)算雙折射方法點(diǎn)擊Windows開始菜單,在運(yùn)行中輸入cmd,如下圖2021/5/9117依次輸入以下命令cdC:\Rsoft\examples%進(jìn)入程序文件所在目錄mathmata0,a1-b1bi_TM.nesbi_TE.nes>bi.txt%生成雙折射結(jié)果Winplotbi.txt%繪圖2021/5/91183雙芯光子晶體光纖耦合器模擬學(xué)習(xí)重點(diǎn):Inactive(非活動(dòng)波導(dǎo))設(shè)置文件型初始場(chǎng)設(shè)置圖形操作2021/5/9119(1)結(jié)構(gòu)設(shè)置將原來(lái)單纖芯的光纖結(jié)構(gòu)改為具有兩個(gè)纖芯的光纖結(jié)構(gòu)2021/5/9120需要設(shè)置的光纖結(jié)構(gòu)2021/5/9121原光纖結(jié)構(gòu)2021/5/9122空氣孔參數(shù)2021/5/9123空氣孔波導(dǎo)參數(shù)2021/5/9124中心區(qū)波導(dǎo)折射率2021/5/9125Delta_core初始值等于0,即此波導(dǎo)的折射率等于背景折射率2021/5/9126中心波導(dǎo)參數(shù)調(diào)整將中心波導(dǎo)的折射率與寬度調(diào)整為與其它波導(dǎo)相同的參數(shù)2021/5/9127調(diào)整前參數(shù)2021/5/9128調(diào)整后參數(shù)2021/5/9129調(diào)整后的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2021/5/9130(2)設(shè)置監(jiān)視路徑將中心孔兩側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)改為非活動(dòng)波導(dǎo),從而獲得兩個(gè)纖芯和相應(yīng)的監(jiān)視路徑非活動(dòng)波導(dǎo)(inactivewaveguide):波導(dǎo)的存在不影響整個(gè)光路的折射率,只起到定義一個(gè)特定區(qū)域的作用2021/5/91311.波導(dǎo)參數(shù)設(shè)置2021/5/91322021/5/91332021/5/91342021/5/9135橫截面分布圖2021/5/9136調(diào)整波導(dǎo)類型為非活動(dòng)型非活動(dòng)波導(dǎo)：只規(guī)定了一定的空間區(qū)域，不影響波導(dǎo)的折射率2021/5/9137縱向分布圖2021/5/9138橫截面圖2021/5/9139路徑與監(jiān)視器設(shè)置1.分別選擇兩個(gè)非活動(dòng)波導(dǎo)，設(shè)置為路徑1和路徑22.設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)視器，監(jiān)視類型為WGpower2021/5/91402021/5/91412021/5/91422021/5/9143(3)初始場(chǎng)設(shè)置注意事項(xiàng):1.不能采用Fibermode或GuassianField2.不能采用Computedmode3.適合采用FileField2021/5/9144初始場(chǎng)為Fibermode時(shí)的結(jié)果2021/5/9145初始場(chǎng)為Gaussian(高斯)場(chǎng)時(shí)的結(jié)果2021/5/9146計(jì)算過(guò)程首先計(jì)算得到一個(gè)單纖芯光纖的模式場(chǎng)然后以該模式場(chǎng)作為輸入場(chǎng),輸入到雙芯光纖的某一個(gè)纖芯中去2021/5/91472021/5/9148模式場(chǎng)2021/5/9149初始場(chǎng)設(shè)置2021/5/91502021/5/9151TEmode計(jì)算結(jié)果(x-polarizedstate)2021/5/9152TMmode計(jì)算結(jié)果(Y-polarizedstate)2021/5/9153耦合器場(chǎng)分布變化2021/5/9154耦合長(zhǎng)度對(duì)比顯示：在繪圖文件中添加相應(yīng)命令2021/5/9155兩偏振態(tài)的耦合長(zhǎng)度對(duì)比2021/5/91564模擬實(shí)例

─基于光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換器光纖模式轉(zhuǎn)換器是一種實(shí)現(xiàn)光纖中不同模式場(chǎng)之間轉(zhuǎn)換的器件目前在通信、傳感等領(lǐng)域應(yīng)用最廣的是單模光纖。而在一些特殊應(yīng)用(如色散補(bǔ)償、大模場(chǎng)傳輸)等領(lǐng)域，也存在以高階模而非基模形式進(jìn)行傳輸?shù)奶厥夤饫w光纖模式轉(zhuǎn)換器即是用于實(shí)現(xiàn)不同模式場(chǎng)之間轉(zhuǎn)換的一種器件2021/5/9157

目前人們已經(jīng)提出了多種光纖模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，比較典型的有：基于光纖光柵的模式轉(zhuǎn)換器。

2021/5/9158基于光纖光柵的模式轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)：不能將兩種模式完全分離

2021/5/9159(一)新型光子晶體光纖模式轉(zhuǎn)換器Ming-YangChenandJunZhou,Modeconverterbasedonmodecouplinginanasymmetricdual-corephotoniccrystalfibre,J.Opt.A:PureAppl.Opt.10(2008)115304(4pp)2021/5/9160基本思想：利用光子晶體光纖靈活的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)化兩纖芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得兩種不同模式具有相同的傳播常數(shù)(或有效折射率)，從而使得兩纖芯模式發(fā)生耦合。2021/5/9161小纖芯的基模(LP01模)與大纖芯的高階模(LP02模)的有效折射率曲線2021/5/9162模式轉(zhuǎn)換過(guò)程(動(dòng)畫)(a)L=0(b)L=1/3Lc(c)L=2/3Lc(d)L=Lc2021/5/9163大纖芯輸出能量的光譜曲線2021/5/9164損耗和偏振特性：2021/5/9165分析過(guò)程（一）模式有效折射率計(jì)算（二）耦合長(zhǎng)度確定（三）性能分析2021/5/9166分析過(guò)程（一）模式有效折射率計(jì)算1.生成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2.調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)3.調(diào)整計(jì)算參數(shù)4.掃描獲得結(jié)構(gòu)2021/5/9167分析過(guò)程（二）耦合長(zhǎng)度確定（1）計(jì)算兩纖芯的模式場(chǎng)（2）設(shè)置耦合器的初始場(chǎng)為文件場(chǎng)（3）設(shè)置文件型監(jiān)視器（4）計(jì)算獲得耦合長(zhǎng)度2021/5/9168分析過(guò)程（三）性能分析（1）掃描法獲得（2）結(jié)果顯示和調(diào)整2021/5/9169

根據(jù)模式耦合理論，只有當(dāng)兩纖芯的模式有效折射率匹配（相等）才能實(shí)現(xiàn)模式間強(qiáng)的轉(zhuǎn)換。(二)寬帶光纖模式轉(zhuǎn)換器2021/5/9170寬帶光纖模式轉(zhuǎn)換器調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到一組優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參