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1、.,5.6 光子晶体光纤及其模拟,一.基本原理 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(修正的全内反射型),1 典型结构(横截面图),空气孔(柱),基质材料(石英),.,1 典型结构(横截面图),光子带隙型光子晶体光纤,.,a.极宽的单模工作范围,b.大模面积单模特性,d.可调的色散特性,e.高双折射特性,2基本特性,(1) 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.高非线性,.,(2)光子带隙型,低损耗、低色散、低非线性光传输,.,3 实例,
2、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）,(堆积图),(1)堆积,.,(2)拉丝,.,二 光子晶体光纤特性分析,1.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,一维光子晶体：在一个方向上折射率周期性分布 二维光子晶体：在两个方向上折射率周期性分布 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
3、(XY面折射率周期性分布）,传输方向,.,Cubic:矩形结构,横截面上 折射率周期排布,Hexagonal：六角结构,光子晶体光纤结构: Cubic rings: 环形矩形结构,Hexagonal rings： 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=0,L=1,L=2,.,L=0,M=3,.,L=1,M=3,.,L=2,M=3,.,程序文件名,空气孔层数,.,折射率柱形状：,Ellipse:椭圆形,Square:矩形,.ind file 来自.ind文件,.,Sq
4、uare:矩形,.,Ellipse: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,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,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),因此需要采用矢量算法来进行计算。
5、 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,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） 半矢量法：适用于X和Y方向的场分量没有耦合的情形 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,二维波导: 只有半矢量和标量法 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）
6、,.,d 全矢量解,.,计算结果比较,以全矢量法结果为参考,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,标量解neff=1.447771 误差6.2e-5 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-6 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,Period,d, width height,.,3 举例,(1) 模式求解 计算由3层空气孔组成，
7、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,无需先设置初始对话框,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*0.40,.,2. 空气孔直径width、height,.,3 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
8、果:,.,修改波导长度L(1024微米 5240微米),(a)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,基本原理 有意地引入结构的不对称性，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 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=Perio
9、d.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,双折射定义 B=|neff.TE-neff.TM| 双折射越大，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。 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 *.ps
10、c数据文件名*.scn(监视器结果),plot绘图,.,周期 (横坐标),有效折射率(纵坐标),.,后处理工具简介,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 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,语法格式： disperse options scandatafile 选项： -h 显示帮助 -p 绘
11、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： Mathmat 数据文件名 例：mathmat a0,(a1+a2)/2 in.dat mathmat a0,(a1+b1)/2 in2.dat,.,mathmat a0,a1-b1 bi_TM.nes bi_TE.nes bi.txt 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,.,数据：,.,曲线绘制,1由
12、绘图命令直接生成: winplot bi.txt,.,2通过文件生成,a 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,cd C:Rsoftexamples %进入程序文件所在目录 mathmat a0, a1-b1 bi_TM.nes bi_TE.nesbi.txt % 生成双折射结果 Winplot bi.txt %绘图,.,3 双芯光子晶体光纤耦合器模拟,学习重点: Inactive(非活动波导)
13、设置 文件型初始场设置 图形操作,.,(1)结构设置,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,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,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 非活动波导(inactive waveguide):波导的存在不影响整个光路的折射率,只起到定义一个特定
14、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,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,1. 分别选择两个非活动波导，设置为路径1和路径2 2. 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: 1.不能采用Fiber mode 或Guassian Field 2.不能采用Computed mode 3. 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,首先
15、计算得到一个单纤芯光纤的模式场 然后以该模式场作为输入场,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),.,耦合器场分布变化,.,耦合长度对比显示：,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,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 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 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,.,目前人们已经提出了多种光纤模式转换器结构，比较典型的有：基于光纤光栅的模式转换器。,.,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,.,(一)新型光子晶体光纤模式转换器,Ming-Yang Chen and Jun Zhou, Mode co
