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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,纤芯,(a) 实芯光子晶
2、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
3、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,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
4、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。 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
5、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
6、) 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，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wid
7、th=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
8、 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
9、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 *.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
10、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_T
11、M.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: 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
12、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)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
13、 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
14、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,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
15、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 converter based on mode coupling in an asymmetric dual-core photonic crystal fibre,J. Opt. A: Pure Appl. 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
16、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
17、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,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,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。,传输曲线,模式转换过程：,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,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
18、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. 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,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。,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=0,Z=Lx/3,Z=2Lx/3,Z=Lx,四、数值模拟及分析,X偏振传输过程,Z=0,Z=Lx/3,Z=2Lx/3,Z=Lx,Y偏振传输过程,根据消光比定义,器件消光比,结论: 中心波长=1.55m处消光比为25 dB，且在1.51-1.59m波长范围内消光比高于20 dB。,