光子晶體光纖模擬

1、5.6 光子晶體光纖及其模擬一.基本原理n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量級(jí)且貫穿整個(gè)器件。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖( (修正的全內(nèi)反射型修正的全內(nèi)反射型) )1 典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)(橫截面圖橫截面圖)空氣孔(柱)基質(zhì)材料(石英)1 典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)(橫截面圖橫截面圖)光子帶隙型光子晶體光纖光子帶隙型光子晶體光纖 a.a.極寬的單模工作范圍極寬的單模工作范圍 b.b.大模面積單模特性大模面積單模特性d.d.可調(diào)的色散特性可調(diào)的色散特性 e.e.高雙折射特性高雙折射特性2 2基本特性基本特

2、性(1) 折射率引導(dǎo)型折射率引導(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.c.高非線性高非線性221/2cclad2()aVnn(2)光子帶隙型光子帶隙型低損耗、低色散、低非線性光傳輸?shù)蛽p耗、低色散、低非線性光傳輸3 實(shí)例纖芯(a) 實(shí)芯光子晶體光纖 （b）空芯光子晶體光纖 低傳輸損耗帶隙光纖模場分布圖(帶隙光纖) 保偏(高雙折射)光子晶體光纖4 制造原理（原理圖）（原理圖）(堆積圖堆積圖)(1)堆積(2)拉絲二 光子晶體光纖特性分析n1.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。波導(dǎo)陣列設(shè)置參數(shù)設(shè)置框 維度及方向含義n一維光子晶體：在一

3、個(gè)方向上折射率周期性分布n二維光子晶體：在兩個(gè)方向上折射率周期性分布n三維光子晶體：在三個(gè)方向上折射率周期性分布二維光子晶體(XZ面折射率周期排布）傳輸方向光子晶體光纖(XY面折射率周期性分布）傳輸方向Cubic:矩形結(jié)構(gòu)矩形結(jié)構(gòu)橫截面上折射率周期排布Hexagonal：六角結(jié)構(gòu)：六角結(jié)構(gòu)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)光子晶體光纖結(jié)構(gòu):Cubic rings:環(huán)形矩形結(jié)構(gòu)環(huán)形矩形結(jié)構(gòu)Hexagonal rings：環(huán)形六角結(jié)構(gòu)環(huán)形六角結(jié)構(gòu)Cubic矩形結(jié)構(gòu)Hexagonal六角結(jié)構(gòu)Cubic rings 環(huán)形矩形結(jié)構(gòu)Hexagonal rings環(huán)形六角結(jié)構(gòu)L=0L=1L=2L=0,M=3L=1,M=3L=

4、2,M=3程序文件名空氣孔層數(shù)折射率柱形狀：折射率柱形狀：Ellipse:橢圓形橢圓形Square:矩形矩形.ind file來自來自.ind文件文件Square:矩形矩形Ellipse:橢圓形橢圓形組合法創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)1.先創(chuàng)建基本單元(存為文件cell.ind)2 將創(chuàng)建的基本結(jié)構(gòu)作為基本單元最終結(jié)果：蜂窩結(jié)構(gòu)原理說明隨機(jī)化X坐標(biāo)隨機(jī)化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)2 模式求解n需要考慮到的光子晶體光纖特點(diǎn): (1)無限單模特性 當(dāng)d/=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22coclad2 aVnn (a)穩(wěn)定模式（b)假模(pseudo mode)(5) 矢量特性n由

5、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進(jìn)行計(jì)算。n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，兩者是簡并的。知識(shí)點(diǎn): 矢量類型選擇n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)）n半矢量法：適用于X和Y方向的場分量沒有耦合的情形n全矢量法：考慮X和Y方向場的耦合，適用范圍最廣。矢量類型設(shè)置n二維波導(dǎo): 只有半矢量和標(biāo)量法n三維波導(dǎo): 半矢量法中TE模指X偏振模,TM模指Y偏振模矢量設(shè)置標(biāo)量矢量設(shè)置半矢量矢量設(shè)置全矢量偏振選擇例：標(biāo)量、半矢量、全矢量法得到的模式解波導(dǎo)結(jié)構(gòu)a 標(biāo)量解b 半矢量解(TE極

6、化-x偏振）c 半矢量解(TM極化-y偏振）d 全矢量解計(jì)算結(jié)果比較n以全矢量法結(jié)果為參考,比較其它幾種方法的結(jié)果不同矢量類型下的誤差曲線標(biāo)量法半矢量TM半矢量TE計(jì)算結(jié)果比較n標(biāo)量解neff=1.447771 誤差6.2e-5n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-6n全矢量解 neff=1.447719 誤差 3.5e-6（參考解: 1.447715527, 9.546E-10(多極法)）(6) 關(guān)鍵參數(shù),Periodd, width height3 舉例(1) 模式求解n計(jì)算由3層空氣孔組成，空氣

7、孔直徑d/=0.4, 周期=5m纖芯由一個(gè)實(shí)芯棒組成的光子晶體光纖的模式。1 生成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)n無需先設(shè)置初始對(duì)話框,直接先定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)顯示橫截面折射率分布2 修改相應(yīng)參數(shù)1. 周期Period調(diào)整為5微米2. 空氣孔直徑width=height=Period*0.402. 空氣孔直徑width、height3 初始對(duì)話框參數(shù)調(diào)整計(jì)算工具選擇為Beamprop調(diào)整前(缺省計(jì)算工具)調(diào)整后4 初始場設(shè)置場類型:初始場參數(shù):計(jì)算結(jié)果更改模式求解方法為相關(guān)函數(shù)法相關(guān)函數(shù)法計(jì)算結(jié)果:修改波導(dǎo)長度L(1024微米 5240微米)(a)基?；?b) 二階模 (假模)損耗計(jì)算202()ln(10)effL

8、n1062027.87 10ln(10)1 10L=0.04 dB/m上例中，有：(參考解9.5461E-10)10()7.87 10effn計(jì)算公式：dB/m(2)高雙折射光子晶體光纖的計(jì)算n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分布和模式有效折射率n分析內(nèi)容 不同周期下,光纖雙折射值的大小1 模擬結(jié)構(gòu)基本參數(shù):width=Period*.4, 大空氣孔的直徑width2=Period*.8 初始結(jié)構(gòu)橫截面圖Ctrl+向上/向下鍵,獲得中心一行空氣柱定義變量width2=Period.8,設(shè)置與中心相鄰的兩個(gè)空氣柱的直徑為width2最終得到的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)計(jì)算

9、X方向偏振模(TE極化)的有效折射率曲線修改相應(yīng)的設(shè)置(偏振方式)單次計(jì)算類型為:模式求解掃描結(jié)果(有效折射率曲線)類似地，計(jì)算Y偏振（TM極化）模的有效折射率雙折射計(jì)算n雙折射定義 B=|neff.TE-neff.TM|n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。n采用軟件自帶的后處理工具對(duì)保存的數(shù)據(jù)的運(yùn)算參數(shù)掃描結(jié)果保存情況文件后綴例：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繪圖周期周期 (橫坐標(biāo)橫坐標(biāo))有效折射率有效折射率(縱坐標(biāo)縱坐標(biāo))后處理工具簡介n可采用相應(yīng)的

10、命令,處理光束傳播法得到的數(shù)據(jù),以獲得所需的信息n常用命令 bdconv-矩陣操作 bdutil-計(jì)算重疊積分、光柵系數(shù)、模場大小等 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disperse-色散曲線計(jì)算n語法格式：ndisperse options scandatafilen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，1=1/波長，2=k，缺省值=0)mathmat-對(duì)數(shù)據(jù)文件執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)

11、算語法格式：nMathmat 數(shù)據(jù)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.txtn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文件中后處理命令后處理命令數(shù)據(jù)：曲線繪制1由繪圖命令直接生成: winplot bi.txt2通過文件生成na 設(shè)置繪圖命令橫坐標(biāo)名縱坐標(biāo)名數(shù)據(jù)文件橫坐標(biāo)名縱坐標(biāo)名數(shù)據(jù)文件b 繪制圖形c 結(jié)果兩條折射

12、率曲線對(duì)比另一計(jì)算雙折射方法點(diǎn)擊Windows開始菜單,在運(yùn)行中輸入cmd,如下圖依次輸入以下命令ncd C:Rsoftexamples %進(jìn)入程序文件所在目錄nmathmat a0, a1-b1 bi_TM.nes bi_TE.nesbi.txt % 生成雙折射結(jié)果nWinplot bi.txt %繪圖3 雙芯光子晶體光纖耦合器模擬學(xué)習(xí)重點(diǎn):nInactive(非活動(dòng)波導(dǎo))設(shè)置n文件型初始場設(shè)置n圖形操作(1)結(jié)構(gòu)設(shè)置n將原來單纖芯的光纖結(jié)構(gòu)改為具有兩個(gè)纖芯的光纖結(jié)構(gòu)需要設(shè)置的光纖結(jié)構(gòu)原光纖結(jié)構(gòu)空氣孔參數(shù)空氣孔波導(dǎo)參數(shù)中心區(qū)波導(dǎo)折射率 Delta_core初始值等于0,即此波導(dǎo)的折射率等于背

13、景折射率中心波導(dǎo)參數(shù)調(diào)整n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)調(diào)整前參數(shù)調(diào)整后參數(shù)調(diào)整后的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(2)設(shè)置監(jiān)視路徑n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n非活動(dòng)波導(dǎo)(inactive waveguide):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1.波導(dǎo)參數(shù)設(shè)置橫截面分布圖調(diào)整波導(dǎo)類型為非活動(dòng)型n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)的折射率縱向分布圖橫截面圖路徑與監(jiān)視器設(shè)置n1. 分別選擇兩個(gè)非活動(dòng)波導(dǎo)，設(shè)置為路徑1和路徑2n2. 設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)視器，監(jiān)視類型為WG power(3)初始場設(shè)置注意事項(xiàng):n1.不能采

14、用Fiber mode 或Guassian Fieldn2.不能采用Computed moden3. 適合采用File Field初始場為Fiber mode時(shí)的結(jié)果初始場為Gaussian(高斯)場時(shí)的結(jié)果計(jì)算過程n首先計(jì)算得到一個(gè)單纖芯光纖的模式場n然后以該模式場作為輸入場,輸入到雙芯光纖的某一個(gè)纖芯中去模式場初始場設(shè)置TE mode計(jì)算結(jié)果 (x-polarized state)TM mode計(jì)算結(jié)果 (Y-polarized state)n耦合器場分布變化耦合長度對(duì)比顯示：n在繪圖文件中添加相應(yīng)命令兩偏振態(tài)的耦合長度對(duì)比4 模擬實(shí)例基于光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換器n光纖模式轉(zhuǎn)換器是一種

15、實(shí)現(xiàn)光纖中不同模式場之間轉(zhuǎn)換的器件n 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wn光纖模式轉(zhuǎn)換器即是用于實(shí)現(xiàn)不同模式場之間轉(zhuǎn)換的一種器件n 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。n n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n (一)新型光子晶體光纖模式轉(zhuǎn)換器Ming-Yang Chen and Jun Zhou, Mode converter based on mode coupling in an asymmetric dual-cor

16、e photonic crystal fibre,J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 10 (2008) 115304 (4pp)n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。n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n模式轉(zhuǎn)換過程(動(dòng)畫)(a)L=0 (b)L=1/3Lc(c)L=2/3Lc (d)L=Lcn大纖芯輸出能量的光譜曲線n損耗和偏振特性：n分析過程n（一）模式有效折射率計(jì)算n（二）耦合長度確定n（三）性能分析n分析過程n（一）模式有效

17、折射率計(jì)算n1.生成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)n2. 調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)n3.調(diào)整計(jì)算參數(shù)n4.掃描獲得結(jié)構(gòu)n分析過程n（二）耦合長度確定n（1）計(jì)算兩纖芯的模式場n（2）設(shè)置耦合器的初始場為文件場n（3）設(shè)置文件型監(jiān)視器n（4）計(jì)算獲得耦合長度n分析過程n（三）性能分析n（1）掃描法獲得n（2）結(jié)果顯示和調(diào)整 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)換器寬帶光纖模式轉(zhuǎn)換器n調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到一組優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)：d1/=0.75，d2/= d3/=0.3，1=-0.003。n傳輸曲線 模式轉(zhuǎn)換過程：n在傳輸損耗小于0.5 dB時(shí)，其帶寬可達(dá)160 nm且偏

18、振相關(guān)損耗小于0.28 dB.(三)基于雙芯光子晶體光纖的光纖偏振器一、光纖偏振器原理及其應(yīng)用領(lǐng)域一、光纖偏振器原理及其應(yīng)用領(lǐng)域n光纖偏振器原理：光纖偏振器原理：光纖偏振器是設(shè)法只保留其中一個(gè)偏振模而消除另外一個(gè)偏振模的一種器件。n器件優(yōu)點(diǎn)：器件優(yōu)點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、易于連接(相對(duì)傳統(tǒng)上的偏振器)n應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：光纖傳感、光纖通信等二、雙芯光子晶體光纖偏振分束器二、雙芯光子晶體光纖偏振分束器L. Zhang and C. Yang Opt. Express 2003, 11(9):1015-1020 早先，人們提出了基于對(duì)稱高雙折射雙芯光子晶體光纖偏振分束器Lorenzo Rosa, Federica Poli, Matteo Foroni, et al. Opt. Letters 2006, 31(4):443 近期，人們提出一種基于三芯的正方結(jié)構(gòu)光子晶體光纖偏振分束器三、設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)模