光子晶体光纤模拟

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221/2cclad2()aVnn(2)光子带隙型低损耗、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）(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(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:Cubicrings:环形矩形结构Hexagonalrings：环形六角结构Cubic矩形结构Hexagonal六角结构Cubicrings环形矩形结构Hexagonalrings环形六角结构L=0L=1L=2L=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：Ellipse:椭圆形Square:矩形.indfile来自.ind文件Square: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/Λ0.406时,光纤为单模光纤归一化频率:(2)少模特性当d/Λ=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22coclad2aVnn(a)稳定模式（b)假模(pseudomode)(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。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）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Λ,Periodd,widthheight3举例(1)模式求解计算由3层空气孔组成，空气孔直径d/Λ=0.4,周期Λ=5μm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*0.402.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202()ln(10)effLn1062027.8710ln(10)110L=0.04dB/m上例中，有：(参考解9.5461E-10)10()7.8710effn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=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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：*.pne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(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数据表达式[数据文件名]例：mathmata0,(a1+a2)/2in.datmathmata0,(a1+b1)/2in2.datmathmata0,a1-b1bi_TM.nesbi_TE.nesbi.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由绘图命令直接生成:winplotbi.txt2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cdC:\Rsoft\examples%进入程序文件所在目录mathmata0,a1-b1bi_TM.nesbi_TE.nesbi.txt%生成双折射结果Winplotbi.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)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(inactivewaveguide):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WGpower(3)初始场设置注意事项:1.不能采用Fibermode或GuassianField2.不能采用Computedmode3.适合采用FileField初始场为Fibermode时的结果初始场为Gaussian(高斯)场时的结果计算过程首先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TEmode计算结果(x-polarizedstate)TMmode计算结果(Y-polarizedstate)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-YangChenandJunZhou,Modeconverterbasedonmodecouplinginanasymmetricdual-corephotoniccrystalfibre,J.Opt.A:PureAppl.Opt.10(2008)115304(4pp)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。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模式转换过程(动画)(a)L=0(b)L=1/3Lc(c)L=2/3Lc(d)L=Lc大纤芯输出能量的光谱曲线损耗和偏振特性：分析过程（一）模式有效折射率计算（二）耦合长度确定（三）性能分析分析过程（一）模式有效折射率计算1.生成波导结构2.调整结构参数3.调整计算参数4.扫描获得结构分析过程（二）耦合长度确定（1）计算两纤芯的模式场（2）设置耦合器的初始场为文件场（3）设置文件型监视器（4）计算获得耦合长度分析过程（三）性能分析（1）扫描法获得（2）结果显示和调整xy根据模式耦合理论，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1d2dd3dYX调整结构参数，得到一组优化的结构参数：d1/Λ=0.75，d2/Λ=d3/Λ=0.3，Δ1=-0.003。传输曲线模式转换过程：在传输损耗小于0.5dB时，其带宽可达160nm且偏振相关损耗小于0.28dB.(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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。器件优点：体积小、质量轻、易于连接(相对传统上的偏振器)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L.ZhangandC.Y