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1、5.6 光子晶体光纤及其模拟一.基本原理n光子晶体光纤又被称为微结构光纤，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔直径一般在波长量级且贯穿整个器件。折射率引导型光子晶体光纤折射率引导型光子晶体光纤(修正的全内反射型修正的全内反射型)1 典型结构典型结构(横截面图横截面图)空气孔(柱)基质材料(石英)1 典型结构典型结构(横截面图横截面图)光子带隙型光子晶体光纤光子带隙型光子晶体光纤 a.a.极宽的单模工作范围极宽的单模工作范围 b.b.大模面积单模特性大模面积单模特性d.d.可调的色散特性可调的色散特性 e.e.高双折射特性高双折射特性2 2基本特性基本特性(1)
2、折射率引导型折射率引导型主要特点:包层有效折射率可在很大的范围内变化：c.c.高非线性高非线性(2)光子带隙型光子带隙型低损耗、低色散、低非线性光传输低损耗、低色散、低非线性光传输3 实例纤芯(a)实芯光子晶体光纤 （b）空芯光子晶体光纤 低传输损耗带隙光纤模场分布图(带隙光纤)保偏(高双折射)光子晶体光纤4 制造原理（原理图）（原理图）(堆积图堆积图)(1)堆积(2)拉丝二 光子晶体光纤特性分析n1.折射率设置 应用软件的周期结构波导排布工具,可以方便地实现光子晶体及光子晶体光纤的排布。波导阵列设置参数设置框 维度及方向含义n一维光子晶体：在一个方向上折射率周期性分布n二维光子晶体：在两个方
3、向上折射率周期性分布n三维光子晶体：在三个方向上折射率周期性分布二维光子晶体(XZ面折射率周期排布）传输方向光子晶体光纤(XY面折射率周期性分布）传输方向Cubic:矩形结构矩形结构横截面上折射率周期排布Hexagonal：六角结构：六角结构光子晶体光纤结构光子晶体光纤结构:Cubic rings:环形矩形结构环形矩形结构Hexagonal rings：环形六角结构环形六角结构Cubic矩形结构Hexagonal六角结构Cubic rings 环形矩形结构Hexagonal rings环形六角结构L=0L=1L=2L=0,M=3L=1,M=3L=2,M=3程序文件名空气孔层数折射率柱形状：折射
4、率柱形状：Ellipse:椭圆形椭圆形Square:矩形矩形.ind file来自来自.ind文件文件Square:矩形矩形Ellipse:椭圆形椭圆形组合法创建复杂结构1.先创建基本单元(存为文件cell.ind)2 将创建的基本结构作为基本单元最终结果：蜂窝结构原理说明随机化X坐标随机化标准结构2 模式求解n需要考虑到的光子晶体光纤特点:(1)无限单模特性 当d/=0.406时,光纤能够以较少模式传输 (3).存在泄露损耗 (4)假模的存在 (a)稳定模式（b)假模(pseudo mode)(5)矢量特性n由于组成光子晶体光纤的两种材料(空气石英)的折射率差大(约为1.45-1=0.45)
5、,因此需要采用矢量算法来进行计算。n由理论分析知，其基模实际由沿X和Y方向偏振的两个线偏振模组成，两者是简并的。知识点:矢量类型选择n标量法：适用于介电常数在X和Y方向变化很小的情况（弱导）n半矢量法：适用于X和Y方向的场分量没有耦合的情形n全矢量法：考虑X和Y方向场的耦合，适用范围最广。矢量类型设置n二维波导:只有半矢量和标量法n三维波导:半矢量法中TE模指X偏振模,TM模指Y偏振模矢量设置标量矢量设置半矢量矢量设置全矢量偏振选择例：标量、半矢量、全矢量法得到的模式解波导结构a 标量解b 半矢量解(TE极化-x偏振）c 半矢量解(TM极化-y偏振）d 全矢量解计算结果比较n以全矢量法结果为参
6、考,比较其它几种方法的结果不同矢量类型下的误差曲线标量法半矢量TM半矢量TE计算结果比较n标量解neff=1.447771 误差6.2e-5n半矢量解 (TE极化)neff=1.447718 误差2.5e-6 (TM极化)neff=1.447716 误差0.5e-6n全矢量解 neff=1.447719 误差 3.5e-6（参考解:1.447715527,9.546E-10(多极法)）(6)关键参数,Periodd,width height3 举例(1)模式求解n计算由3层空气孔组成，空气孔直径d/=0.4,周期=5m纤芯由一个实芯棒组成的光子晶体光纤的模式。1 生成波导结构n无需先设置初始对
7、话框,直接先定义波导结构波导显示横截面折射率分布2 修改相应参数1.周期Period调整为5微米2.空气孔直径width=height=Period*0.402.空气孔直径width、height3 初始对话框参数调整计算工具选择为Beamprop调整前(缺省计算工具)调整后4 初始场设置场类型:初始场参数:计算结果更改模式求解方法为相关函数法相关函数法计算结果:修改波导长度L(1024微米 5240微米)(a)基模基模(b)二阶模(假模)损耗计算=0.04 dB/m上例中，有：(参考解9.5461E-10)计算公式：dB/m(2)高双折射光子晶体光纤的计算n基本原理 有意地引入结构的不对称性
8、，从而获得X和Y方向偏振的基模不同的模场分布和模式有效折射率n分析内容 不同周期下,光纤双折射值的大小1 模拟结构基本参数:width=Period*.4,大空气孔的直径width2=Period*.8 初始结构横截面图Ctrl+向上/向下键,获得中心一行空气柱定义变量width2=Period.8,设置与中心相邻的两个空气柱的直径为width2最终得到的波导结构计算X方向偏振模(TE极化)的有效折射率曲线修改相应的设置(偏振方式)单次计算类型为:模式求解扫描结果(有效折射率曲线)类似地，计算Y偏振（TM极化）模的有效折射率双折射计算n双折射定义 B=|neff.TE-neff.TM|n双折射
9、越大，两线性偏振模之间的耦合系数就越小，越有利于偏振态的保持。n采用软件自带的后处理工具对保存的数据的运算参数扫描结果保存情况文件后缀例：bi_TE.nes文件绘图文件名：*.p ne数据文件名*.nes(有效折射率 *.psc数据文件名*.scn(监视器结果)plot绘图周期周期(横坐标横坐标)有效折射率有效折射率(纵坐标纵坐标)后处理工具简介n可采用相应的命令,处理光束传播法得到的数据,以获得所需的信息n常用命令 bdconv-矩阵操作 bdutil-计算重叠积分、光栅系数、模场大小等 bmp2ind-转换位图文件为自定义折射率分布 disperse-色散曲线计算 mat2bp-转换矩阵数
10、据为Rsoft格式 matmat-对数据文件执行数学计算 shufflemat-重组数据文件disperse-色散曲线计算n语法格式：ndisperse options scandatafilen选项：-h 显示帮助 -p 绘制结果 -g 计算群速度和色散 -x#x轴数据类型(0=波长，1=1/波长，2=k，缺省值=0)mathmat-对数据文件执行数学计算语法格式：nMathmat 数据文件名 例：mathmat a0,(a1+a2)/2 in.dat mathmat a0,(a1+b1)/2 in2.datnmathmat a0,a1-b1 bi_TM.nes bi_TE.nes bi.t
11、xtn含义：保存a0(第一个文件bi_TM.nes的第一列的数据。保存a1-b1(第一个和第二个文件的第二列数据相减，保存结果)将结果保存到bi.txt文件中后处理命令后处理命令数据：曲线绘制1由绘图命令直接生成:winplot bi.txt2通过文件生成na 设置绘图命令横坐标名纵坐标名数据文件横坐标名纵坐标名数据文件b 绘制图形c 结果两条折射率曲线对比另一计算双折射方法点击Windows开始菜单,在运行中输入cmd,如下图依次输入以下命令ncd C:Rsoftexamples%进入程序文件所在目录nmathmat a0,a1-b1 bi_TM.nes bi_TE.nesbi.txt%生成
12、双折射结果nWinplot bi.txt%绘图3 双芯光子晶体光纤耦合器模拟学习重点:nInactive(非活动波导)设置n文件型初始场设置n图形操作(1)结构设置n将原来单纤芯的光纤结构改为具有两个纤芯的光纤结构需要设置的光纤结构原光纤结构空气孔参数空气孔波导参数中心区波导折射率 Delta_core初始值等于0,即此波导的折射率等于背景折射率中心波导参数调整n将中心波导的折射率与宽度调整为与其它波导相同的参数调整前参数调整后参数调整后的波导结构(2)设置监视路径n将中心孔两侧的两个波导改为非活动波导,从而获得两个纤芯和相应的监视路径n非活动波导(inactive waveguide):波导
13、的存在不影响整个光路的折射率,只起到定义一个特定区域的作用1.波导参数设置横截面分布图调整波导类型为非活动型n非活动波导：只规定了一定的空间区域，不影响波导的折射率纵向分布图横截面图路径与监视器设置n1.分别选择两个非活动波导，设置为路径1和路径2n2.设置相应的监视器，监视类型为WG power(3)初始场设置注意事项:n1.不能采用Fiber mode 或Guassian Fieldn2.不能采用Computed moden3.适合采用File Field初始场为Fiber mode时的结果初始场为Gaussian(高斯)场时的结果计算过程n首先计算得到一个单纤芯光纤的模式场n然后以该模式
14、场作为输入场,输入到双芯光纤的某一个纤芯中去模式场初始场设置TE mode计算结果(x-polarized state)TM mode计算结果(Y-polarized state)n耦合器场分布变化耦合长度对比显示：n在绘图文件中添加相应命令两偏振态的耦合长度对比4 模拟实例基于光子晶体光纤结构的模式转换器n光纤模式转换器是一种实现光纤中不同模式场之间转换的器件n 目前在通信、传感等领域应用最广的是单模光纤。而在一些特殊应用(如色散补偿、大模场传输)等领域，也存在以高阶模而非基模形式进行传输的特殊光纤n光纤模式转换器即是用于实现不同模式场之间转换的一种器件n 目前人们已经提出了多种光纤模式转换
15、器结构，比较典型的有：基于光纤光栅的模式转换器。n n基于光纤光栅的模式转换器的缺点：不能将两种模式完全分离n (一)新型光子晶体光纤模式转换器Ming-Yang Chen and Jun Zhou,Mode converter based on mode coupling in an asymmetric dual-core photonic crystal fibre,J.Opt.A:Pure Appl.Opt.10(2008)115304(4pp)n基本思想：利用光子晶体光纤灵活的结构特点，优化两纤芯结构参数，使得两种不同模式具有相同的传播常数(或有效折射率)，从而使得两纤芯模式发生耦合
16、。n小纤芯的基模(LP01模)与大纤芯的高阶模(LP02模)的有效折射率曲线n模式转换过程(动画)(a)L=0 (b)L=1/3Lc(c)L=2/3Lc (d)L=Lcn大纤芯输出能量的光谱曲线n损耗和偏振特性：n分析过程n（一）模式有效折射率计算n（二）耦合长度确定n（三）性能分析n分析过程n（一）模式有效折射率计算n1.生成波导结构n2.调整结构参数n3.调整计算参数n4.扫描获得结构n分析过程n（二）耦合长度确定n（1）计算两纤芯的模式场n（2）设置耦合器的初始场为文件场n（3）设置文件型监视器n（4）计算获得耦合长度n分析过程n（三）性能分析n（1）扫描法获得n（2）结果显示和调整 根
17、据模式耦合理论，只有当两纤芯的模式有效折射率匹配（相等）才能实现模式间强的转换。(二)宽带光纤模式转换器宽带光纤模式转换器n调整结构参数，得到一组优化的结构参数：d1/=0.75，d2/=d3/=0.3，1=-0.003。n传输曲线 模式转换过程：n在传输损耗小于0.5 dB时，其带宽可达160 nm且偏振相关损耗小于0.28 dB.(三)基于双芯光子晶体光纤的光纤偏振器一、光纤偏振器原理及其应用领域一、光纤偏振器原理及其应用领域n光纤偏振器原理：光纤偏振器原理：光纤偏振器是设法只保留其中一个偏振模而消除另外一个偏振模的一种器件。n器件优点：器件优点：体积小、质量轻、易于连接(相对传统上的偏振
18、器)n应用领域：应用领域：光纤传感、光纤通信等二、双芯光子晶体光纤偏振分束器二、双芯光子晶体光纤偏振分束器L.Zhang and C.Yang Opt.Express 2003,11(9):1015-1020 早先，人们提出了基于对称高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器Lorenzo Rosa,Federica Poli,Matteo Foroni,et al.Opt.Letters 2006,31(4):443 近期，人们提出一种基于三芯的正方结构光子晶体光纤偏振分束器三、设计思路及结构模型三、设计思路及结构模型 设计一双芯光子晶体光纤，使得其中一个偏振方向上两纤芯的模式在很宽的频率范围内相位匹配。n小纤芯和大纤芯的x偏振模的有效折射率在很宽的频率范围内都比较接近，其最大差值为4.7610-5。而在y偏振模的有效折射率相差较大，最小差值为1.7910-4。Z=0Z=Lx/3Z=2Lx/3Z=Lx四、数值模拟及分析四、数值模拟及分析X偏振传输过程Z=0Z=Lx/3Z=2Lx/3Z=LxY偏振传输过程根据消光比定义n器件消光比结论:中心波长=1.55m处消光比为25 dB，且在m波长范围内消光比高于20 dB。