光子晶体光纤模拟
光子晶体光纤的数值模拟及特性分析
自从1992年St. J. Russell等人提出光子晶体光纤的概念来，众多的大学、科研机构投入了大量的人力物力对光子晶体光纤在理论和实际应用方面进行了深入的研究。
光子晶体光纤是一种将光子晶体结构引入光纤中而制成的新型光纤。
许多理论和实验结果都表明这种光纤具有很多优良的性能，如；不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、高非线性等，在特种光纤、光电子器件等方面将具有广阔的应用前景，是光纤技术发展的一个新方向。
光子晶体光纤由于结构上的特点，从而具有两种不同的导光机制，即：全内反射型和光子带隙型。
全内反射型光子晶体光纤和普通光纤的工作原理是基本一样的，但也有区别。
光子带隙型光子晶体光纤依靠的是一种全新的导光机制，它是光子晶体光纤周期性介质结构所特有的。
在周期性的介质材料里，当波长与介质材料的尺寸可以比拟的时候，就会形成光子禁带。
而引入线性缺陷，某种频率的光就可以限制在其中传播。
正是光子晶体光纤具有不同于传统光纤的导光原理，使得其具有上面提到的很多新特性。
不同的导光原理使得分析方法也不尽相同，对于光子晶体光纤的分析比普通光纤的更为复杂。
从刚刚开始研究到现在人们一直在寻求简单、快捷而有效的方法来分析光子晶体光纤的特性，其中出现了大量的计算方法，如：等效折射率模型、平面波展开法、时域有限差分法、有限元法等。
本位在深入研究波动理论的基础上，通过依次对波动方程的场变量和折射率函数展开的方法，推导出了光子晶体光纤的矩阵形式的本征方程，从而建立了模拟光子晶体光纤的正交函数展开模型，并详细推导了求解的步骤。
基于该模型，我们对全内反射型光子晶体光纤的模式特性、色散特性等方面进行了详细的分析，得到了一些有益的结论。
从该模型出发，可以直接从数学上推导出光子晶体光纤波导色散的比例性质，这对于设计光纤的色散特性具有重要的意义。
关键词：光子晶体光纤；本征方程；正交函数展开法；模场分布；色散AbstractSince St. J. Russell proposed theconception of photonic crystal fibers, PCFs, a lot of universities and institutes have been spending great deal of manpower and material resourceon the theory and application research for the PCFs. The PCFs are a new kind of optical fibers thatemploy the structured arrangement of the photonic crystals(PC).The results of theory and experimentation show that the PCFs have many unique opticalcharacteristics, such as endless single mode, manipulablemode areas, flexible dispersions and high non-linear. PCFs are a newdeveloping direction of the optical fiber technology and theywould have good application prospects in the special fibers and photonic &electronic devices.Because of the structural character, PCFs guide light using two quit different mechanisms, viz. total internal reflection and photonic band gap effects. The total internal reflection PCFs are analogous to the conventional fibers in mechanisms of guiding light, with a little difference. Photonic band gap PCFsareof a new guidance mechanism,which is unique to the PBG-PCFs’periodic construction medium. When thescale length of the medium is comparative with the wavelength, photonic band gapwill be formedin the periodic medium. If a line defection is introduced, certain frequency optical rays will be located in the defection regionand transmit along the defection. For the different mechanisms of guiding light, PCFs have many new features referred in thefirst paragraph.For the different operation mechanism, the analysis methodsof PCFs aredifferent from each other, which are more complex compared with the conventional fibers. Sincethe PCFs’appear, people are looking for simple, rapid and effective methods to deal with the PCFs. In this process lots of methods are presented, such as the effective reflectiveindex approach,plane-wave expansion method, Finite- Difference Time-Domain method (FDTD) and Finite-Element method. In this paper, the orthogonal functions model is employed to modeling PCFs.On the basis of further studyingto the theory of electromagnetic wave, we set up the eigenfunctions in form of matrix by the method of expanding electric field and refractive index function in the wave equation, and the detailed steps of solving the eigenfunctions were introducedtoo. Based on this orthogonal functions model, we analyzed some transmissionfeatures of the TIR-PCFs in details, such as the mode features and dispersion characteristics, having achieved some useful conclusions. And the scale property of waveguide dispersion in PCFs was deduced by a mathematic method, which is very important during the processof the PCFs’dispersion design ing.Keywords:photonic crystal fiber, PCFs, eigenfunctions, orthogonal function methods, dispersion,mode profile.第一章 概 述自从1987年光子带隙(Photonic Bandgap ，PBG)[1,2]的概念提出以来，其理论和应用的研究发展迅速：1990年PBG 计算机论证[3]，1991年微波PBG 得到实验论证[4,5]，1993年第一块半导体三维光子晶体诞生。
光子晶体光纤模拟
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
plot绘图
例：bi_TE.nes文件
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
[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:
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
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。
光子晶体光纤 (PCF)
•
2. 光子晶体波导
• 传统的介电波导可以支持直线传播光，但在拐角处会损失能量 • 光子晶体波导不仅对直线路径，而且对转角都有很高的效率 • 这对于光学器件的集成非常有意义
3. 光子晶体微腔
• 在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态 • 这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子，这种光子晶体制成 的微腔比传统的微腔优异得多 • 用它制作的微腔激光器的体积可以非常小
2.1 特性
• 将光纤和光子晶体的特性相结合，可以得到传统光纤达不到的一 系列独特性质 • 具有非常严格的设计原则：
• 为了得到单模运转，要受到限定芯径，模的截止波长，有限的材料选择 （芯材玻璃与包层材玻璃的热特性必须相同）等方面的限制
• 有两个基本特性与传统光纤十分不同
两个基本特性
1. 微结构的二维特性
• PCF的色散控制
• 由于石英和空气的折射率对比度很大，气孔的大小和排列方式可以灵活地变化，和普 通光纤相比，PCF能够在更大的范围内对色散进行控制 • 例如，小心控制光纤中的气孔大小和空间距离，可设计出令人惊异的色散曲线，使光 纤在通信频带中几百纳米波长范围内，色散D<0.5ps/(nm· km)，从而大大减小由色散造 成的脉冲展宽
光子晶体光纤 (PCF)
主要内容
• 光子晶体
• 结构 • 原理：光子带隙基础 • 优点
• 光子晶体光纤（PCF） • PCF激光器
1 光子晶体
• E. Yablonovitch 和 S.John 在1987年分别独立地提出了光子晶体的概念 • 光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构。所谓晶体就是针 对这种“周期性”而言的。 • 根据“周期性”的维数，光子晶体也分为一维、二维和三维的
光子晶体光纤 空心光纤
光子晶体光纤空心光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤传输介质，其内部的光子晶体结构能够有效地控制光的传输和传播，提供了更高的传输速率和更低的传输损耗。
空心光纤是另一种特殊的光纤结构，与传统的实心光纤相比，其内部存在空气或真空的空腔，使光能够在空腔内传输，从而减少了光的传播损耗。
光子晶体光纤和空心光纤都具有独特的优势和应用领域。
光子晶体光纤的光子晶体结构可以通过改变晶格常数或填充材料来调控光的传输特性，从而实现对光的波长、偏振和模式等参数的控制。
这使得光子晶体光纤在光通信、光传感和光波导等领域具有广阔的应用前景。
空心光纤的空腔结构使得光能够在空气或真空中传输，减少了光与固体材料之间的相互作用，从而大大降低了传输损耗。
此外，空气或真空的介质使得光在空腔中的传播速度更快，进一步提高了传输效率。
因此，空心光纤在高功率激光传输、光纤传感和气体检测等领域有着广泛的应用。
光子晶体光纤和空心光纤的结合将会进一步扩展光纤传输的应用领域。
通过在空心光纤内部填充光子晶体结构，可以实现对光的更精细的控制和调控。
这种结合将使光纤传输在光通信、光传感和激光
加工等领域发挥更大的作用。
光子晶体光纤和空心光纤作为两种新型的光纤传输介质，分别具有独特的优势和应用领域。
它们的结合将会进一步推动光纤技术的发展，为光通信、光传感和光波导等领域提供更加高效和可靠的解决方案。
光子晶体光纤的制备与应用
光子晶体光纤的制备与应用随着信息技术的不断进步，对于光通信领域的研究也越来越深入。
而在光学通信中，光纤起到了至关重要的作用，然而，传统的光纤略显单调。
因此，科研人员们又开始寻找新的光纤材料，其中，光子晶体光纤被认为是最具有潜力的新光纤材料。
光子晶体光纤的制备光子晶体光纤是一种新型的光导材料，其中包含了空气和玻璃两种材料。
光子晶体由于其结构具有带隙效应（能量隙），因此它能够将光能够束缚在其中，从而形成光波导。
与传统的光纤材料不同，光子晶体光纤的表面是需要精确控制的，因为它们的结构是有序的，其中的控制尺寸的缺陷锁定了光子在其中的传播路径，因此具有更高的光传输效率，且能够将波长的选择性强制约束在更窄的区域之内。
在光子晶体的制备中，首先需要确定其结构，这样有助于确定制备过程中所需要的材料和技术。
除此之外，光子晶体中的结构是需要全息光阻控制技术来保证其制备质量和形貌的。
最终制备出的光子晶体光纤极具有光学性质，因此极具潜力。
光子晶体光纤的应用对于光子晶体光纤，它在不同应用场景下能够发挥出不同的作用。
具体而言，光子晶体光纤的应用有以下几个方面：1.传感：光子晶体光纤能够用于传感器中，通过其光学结构可以感知光的强度、波长以及光的方向等信息，从而实现温度、压力、湿度等物理或化学量的测量。
2.激光：光子晶体光纤还可以作为纳秒脉冲激光器的中心材料用于激光加工等领域。
光子晶体光纤和其他的激光产生材料相比，具有更高的激光输出功率，更长的寿命和更大的波长范围。
3.光子晶体光纤传输线：光子晶体光纤可以用作长距离信号传输的媒介，它在传输行程中能够减少光信号的损失，同时也可以帮助用户在一定的范围内扩展传递的信号。
4.光纤光栅：光子晶体光纤可以用于光纤光栅的制作，光纤光栅是通常用于传感和滤波的一种传感器，能够运用其制作材料的反射光线频率信息进行信号检测。
因此，可见光子晶体光纤在不少领域有广泛的应用。
虽然其制备和生产工艺较为复杂，但是其高的光学质量和光学性能的同时也表明了它具有广阔的研究和应用前景。
光子晶体光纤传感研究与应用
光子晶体光纤传感研究与应用光子晶体光纤是一种新型的传输光信号的光纤，它不仅具有传统光纤的传输功能，还可以在光子晶体内产生一系列的光学效应。
近年来，光子晶体光纤传感成为研究热点，主要因为光子晶体光纤可以在光谱、成像、波导、量子信息等领域得到广泛的应用。
本文将主要从光子晶体光纤传感的研究及其在应用方面进行探讨。
一、光子晶体光纤传感技术的研究光子晶体光纤传感的研究，主要通过改变光子晶体的周期结构和形状等参数来调控其传播性能，实现对不同环境条件下物质与光子晶体的相互作用，进而实现对环境参数的检测和探测。
光子晶体光纤的传感性能与光子晶体的周期、衬底的折射率、孔隙的形状和孔隙填充物等参数密切相关。
研究光子晶体光纤传感技术的关键在于如何通过光学传输的方式获取传感信号，并对这些信号进行监测和解码。
其中，最常用的技术是基于光谱分析和光纤头结合的方法。
光子晶体光纤传感的研究方向主要包括基于色散、基于谐振、基于干涉等多种技术，其中基于色散的光子晶体光纤传感方法是最常用的一种。
在此方法中，通过在光子晶体中注入环境介质，改变其光学性能而导致色散谱的位移。
通过对此位移进行测量，即可获得环境参数的信息。
另外，基于谐振和干涉的光子晶体光纤传感方法也有其独特的优势，例如谐振结构的传感精度更高，干涉结构可以达到更高的灵敏度和分辨率。
二、光子晶体光纤传感的应用目前，光子晶体光纤传感在生物、化学、环境和工程等领域得到了广泛的应用，已经成为传统传感技术无法比拟的强大工具。
下面将从几个方面介绍光子晶体光纤传感的应用。
1、生物医学传感生物医学传感是光子晶体光纤传感的应用之一，其主要用于检测生物体内的物质，如葡萄糖、脂肪酸等，进而实现疾病的诊断和治疗。
在此应用中，光子晶体光纤的高灵敏度和快速响应特性使其成为不可替代的工具。
例如，利用光子晶体光纤来检测血糖水平，可以避免血液采样的疼痛和创伤，大大提高糖尿病患者的生活质量。
2、环境监测传感环境监测传感是光子晶体光纤传感的另一应用方向，主要用于监测城市污染、生态环境以及工业废气等方面。
光子晶体光纤模式特性研究
光子晶体光纤模式特性研究摘要:利用有限元法对PCF进行经过简化的矢量波动方程模拟计算,获得了所需要的模场分布、有效折射率、色散等参数,并与实验数据相参照验证了这种方法的准确性和精度。
与其他方法相比具有更快的计算速度,计算所得到的结果对将来设计和拉制微结构光纤很有帮助,并且这种方法在设计不规则的微结构光纤方面具有很好的优势。
关键词:光电子学光子晶体光纤微结构光纤有限元法光子晶体光纤(photonic crystal fiber—PCF)的概念,最早是由J.Russell等人于1992年提出的。
在外观上PCF和传统光纤极为相似,但是横截面结构十分独特,是由石英棒或是石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷。
PCF可分为两种。
一种称为全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF),其纤心“缺陷”为石英的实心光纤。
另一种称为光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF),其纤心“缺陷”为空气孔的空心光纤。
由于PCF这种带孔的包层结构可以人工改变和拉制它的一些参数,因而也可以改变和控制光子晶体光纤的一些性质。
PCF的这些新奇的性质在很多领域中广泛地应用,引起了人们极大的关注。
近年来,微结构光纤的制造技术、理论研究方法以及在不同科学领域的广泛应用都取得了很大的进步,国内也在这方面开始了一系列的研究工作。
1 分析方法的选择PCF问世后,人们先后提出了多种数值模拟方法对其进行分析,如:有效折射率法、平面波法、边界元方法、有限元方法、有限差分法等．这些方法对于PCF的模拟分析各有优缺点和适用范围。
主要分两大类数值方法研究光子晶体光纤,第一类是已有的用于分析光波导的通用的数值方法。
这类方法通用性强、结果可靠等特点,很快被应用于研究光子晶体光纤,其主要缺点是由于未考虑光子晶体光纤的特点,因而计算量较大,精度方面一般也稍差一些。
第二类是专门针对光子晶体光纤或光子晶体提出来的新方法,针对性强,在计算方面有其优势,如平面波展开法在计算光子带隙,周期孔包层模的有效折射率效果好、计算量小;多极法可以获得很高精度的模式有效折射率和损耗值等。
光子晶体光纤制备原理
光子晶体光纤制备原理
光子晶体光纤的制备原理基于光子晶体的概念。
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的介质，能够控制光的传播。
在光子晶体光纤中，包层由规则排列的空气孔构成，这些空气孔的排列方式决定了光的导光特性。
光纤的核心则由破坏包层结构周期性的缺陷构成，这个缺陷可以是固体硅，也可以是空气孔。
对于核心为空气孔的情况，光的导光机制主要是布拉格衍射。
当一定波长的光通过作为包层的二维光子晶体时，光被陷获在作为核心的空气孔中，并通过布拉格衍射实现光的传输。
这种光子晶体光纤的导光机制使光纤设计更灵活，因为光子带隙条件只依赖于包层的性质，纤芯折射率可以自由选择，从而将光波限制在空纤芯中。
对于核心为固体硅的情况，包层不存在光子带隙，其有效折射率是硅和空气的体平均，小于核心硅的折射率。
因此，这种光纤的导光机制是全内反射。
只要满足全反射的条件，光完全可以局限在“纤芯”范围内传播。
与全内反射光纤相比，光子带隙导向给予了额外的自由度。
光子晶体光纤的制备过程涉及复杂的微纳加工技术。
首先，制备出一簇细小的毛细管，并使其周期性排列。
然后，通过特定的技术将这些毛细管组装起
来，形成光子晶体光纤的结构。
这种光纤具有优良的传输特性，因此在全球范围内受到了广泛的关注和应用。
光子晶体光纤
谢谢观看
光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列 方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器 件提供了可能。
概念提出
概念提出
光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。 其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构 （它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs）， 这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维 光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导； 相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这 些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs），实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIRPCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这 些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传 播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBGPCFs）只是在近期才得到实验证明。
光子晶体光纤的典型拉制过程:首先是完成预制棒的设计和制作塔中,利用普通光纤的拉制方法在更精密的温度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤。 在拉制过程中,通过调整预制棒内部惰性气体压强和拉制的速度来保持光纤中空气孔的大小比例,从而获得一系列 不同结构的光子晶体光纤。一些研究小组还报道一些特殊的预制棒制作方法,这些方法可以用来拉制特殊材料或特 殊结构的光子晶体光纤。例如,由于软玻璃材料并不像硅一样易形成管状,普通的堆管制作预制棒的方法不适用, 利用直接挤压形成预制棒的新技术则能制作这类材料的光子晶体光纤预制棒。通过堆叠、冲压和钻孔的方法可以 很好地制作聚合物材料的光子晶体光纤预制棒。通过一种独特的卷雪茄技术将聚合物与玻璃合成布拉格结构的光 子晶体光纤。而P.Falkenstein等则是在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料,将它们按设计要求排 列好并融化成型后,利用酸腐蚀掉不需要的部分形成空气孔,这种方法形成的预制棒能拉制出结构更完美、更符合 设计要求的光子晶体光纤。
光子晶体光纤
光子晶体光纤（PCF）.光纤的种类：光纤按光在物质中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤多模光纤传输的距离比较近，光纤一般只有几公里。
单模光纤只能传一种模式的光，其模间色散很小，适用于远程通讯。
多孔光纤是一种全新的工艺技术。
自从1996年第一根多孔光纤诞生以来，就受到了广泛关注，并于近几年取得了许多极有价值的成果。
多孔光纤包括两种材料:一种材料为透明的固体——通常为玻璃，另一种材料为空气——沿着光纤长度的方向填充在孔中。
多孔光纤的制作方法是:将玻璃管紧密捆扎成一束进行拉丝制成光纤，具有截面成蜂窝状，在石英玻璃中有许多空孔呈周期性存在的结构。
多孔光纤分为两类:光子晶体光纤和光子带隙光纤。
光子晶体（photonic crystal）的概念于1987年提出，1991年制造出世界上第一根光子晶体光纤。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称为微结构光纤（micro-structured fiber）或中空光纤光子晶体（photonic crystal）是由一种单一介质构成，并由波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。
光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，它受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。
90年代后光子晶体光纤(PCF)被日益关注，它的分类，独特的性能，制备方法和潜在的应用先后被提出。
光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。
光子晶体光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成，类似于晶体中的晶格，实际上这些小孔是一些直径为光波长量级的毛细管，平行延伸在光纤中。
光子晶体光纤(PCF)的纤芯是固体芯，芯外为包层，包层内含有一定数量的沿光纤长度方向延伸的空孔(见图1)。
包层为光子带隙材料，它的平均折射率低于纤芯。
多孔包层的有效折射率随波长而发生变化，且与孔的尺寸和间隔有关。
光子晶体光纤和普通单模光纤相比有3个突出的优点：第一，光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；第二，光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；第三，光子晶体光纤可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。
物理实验技术中的光子晶体光纤与微纳光学器件制备与应用
物理实验技术中的光子晶体光纤与微纳光学器件制备与应用光子晶体光纤是一种利用光子晶体结构来控制和引导光信号传播的光纤器件。
它采用光子晶体结构制备而成，具有很多独特的光学特性，被广泛应用于通信、传感和光学器件等领域。
本文将分别介绍光子晶体光纤的制备技术和应用案例，并探讨微纳光学器件在光子晶体光纤中的应用。
一、光子晶体光纤的制备技术1.1 光子晶体结构的制备方法光子晶体是一种周期性调制折射率的材料，可以通过不同的方法制备。
常见的制备方法有自组装法、光刻法和电子束曝光法等。
自组装法是一种简单而有效的方法，通过材料的自身相互作用力使其自组装成光子晶体结构。
光纤制备中，可以利用溶胶凝胶法或得到了聚合物结晶体，使阵列结晶体材料逐渐朝聚集结晶发展。
光刻法则是一种通过光刻胶和光刻机配合来制作光子晶体的方法。
首先将光刻胶均匀涂覆在基底上，然后利用光刻机通过不同的光刻模板来照射光刻胶，形成所需的图案。
最后，用化学方法将未照射到的光刻胶去除，即得到了光子晶体结构的基底。
电子束曝光法是一种以电子束束缚来曝光的方法。
首先将基底涂覆上电子束刻蚀胶，然后利用电子束曝光仪器通过电子束束缚来形成光子晶体的图案。
1.2 光子晶体光纤的制备方法制备光子晶体光纤主要有一体法和复合法两种。
一体法是指将光子晶体直接拉制成光纤。
首先将光子晶体金属或者纤维制成毛细管状，然后利用拉制技术将其拉成光纤。
复合法是指将光子晶体与传统光纤结构进行复合制备。
常见的方法有叠加法、包覆法和复合拉制法等。
叠加法是将制备好的光子晶体与传统光纤进行叠加，并采用适当的工艺将其固定在一起。
包覆法是在光子晶体外层包覆一层二氧化硅或者聚合物等材料。
复合拉制法是将毛细管状的光子晶体包覆在外面的传统光纤上。
二、光子晶体光纤的应用案例2.1 通信领域中的应用光子晶体光纤在通信领域有着广泛的应用。
其优异的光导特性使其成为优选的传输媒介。
光子晶体光纤具有较低的色散、高耐热性和低光损耗等特点，可以实现高速传输和长距离传输。
光子晶体光纤简介及原理
光子晶体光纤简介及原理中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，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，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications.英文关键字: photonic-crystal fiber光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展一、本文概述光子晶体光纤，作为一种具有独特光学性质的新型光纤，近年来在光通信、光电子、生物医学等领域引起了广泛关注。
本文旨在全面介绍光子晶体光纤的原理、应用以及研究进展，以期为读者提供深入的理解和前沿的科研动态。
我们将概述光子晶体光纤的基本结构和光学特性，阐述其与传统光纤的区别和优势。
我们将详细介绍光子晶体光纤在光通信、光电子器件、生物医学成像等领域的应用实例，展示其在这些领域的独特作用和价值。
我们将总结当前光子晶体光纤研究的热点问题和发展趋势，以期为相关领域的研究者提供有价值的参考。
二、光子晶体光纤的基本原理光子晶体光纤，也被称为微结构光纤或空芯光纤，其基本原理主要基于光子带隙效应和光子局域化。
这种光纤的核心结构由周期性排列的空气孔组成，形成了一种类似于晶体的结构，因此得名光子晶体。
光子带隙效应是指，在特定频率范围内，光波在光子晶体中传播时，由于受到晶体结构的影响，某些频率的光波被禁止传播，形成所谓的“光子带隙”。
这种效应使得光子晶体光纤具有独特的传输特性，例如低损耗、高带宽等。
光子局域化则是指，当光波在光子晶体中传播时，受到晶体结构的影响，光波的能量被局限在某一特定区域内，形成所谓的“光子局域态”。
这种效应使得光子晶体光纤能够实现光波的高效传输和控制。
在光子晶体光纤中，光波主要在空气孔中传播，而非传统的光纤中的玻璃介质。
这种特殊的传输方式使得光子晶体光纤具有许多独特的性质，例如低损耗、高带宽、抗弯曲、耐高温等。
由于光子晶体光纤的结构灵活性，可以通过改变空气孔的大小、形状和排列方式等，实现对光波传输特性的精确调控，进一步拓展其应用范围。
光子晶体光纤的基本原理是基于光子带隙效应和光子局域化，通过特殊的结构设计实现光波的高效传输和控制。
这种光纤具有许多独特的性质和应用前景，是光通信领域的重要研究方向之一。
三、光子晶体光纤的应用领域光子晶体光纤作为一种独特的光传输媒介，其应用领域广泛而深远。
光子晶体的分子模拟与设计
光子晶体的分子模拟与设计光子晶体是一种具有周期性的光学介质结构，其结构中的周期性排列的孔洞或阱能够控制光的传播和特性。
光子晶体具有引人注目的光学性质，被广泛应用于光学通信、光子集成电路、传感器等领域。
在光子晶体的设计和制备过程中，分子模拟技术起到了至关重要的作用。
分子模拟是一种基于分子层面的计算方法，通过模拟和计算分子的结构、性质以及其与外界环境的相互作用，进而对材料的性能进行理论分析和预测。
在光子晶体的设计中，分子模拟可以帮助我们理解光子晶体的组成和光学特性，并通过调控分子或材料的参数来预测和优化光子晶体的性能。
首先，分子模拟可以帮助我们研究和优化光子晶体的周期结构。
通过分子动力学模拟，我们可以模拟和分析光子晶体中周期性排列的孔洞或阱的结构和性质。
利用分子模拟可以对孔洞或阱的尺寸、形状以及周期进行调控，从而预测和优化光子晶体的光子带隙和光学特性。
例如，通过调整孔洞的直径和排列方式，可以改变光子晶体对光的反射和透射特性，实现光的波长选择性的控制。
其次，分子模拟在光子晶体的材料选取和改性上具有重要意义。
光子晶体中的材料对光的传播和特性起着关键作用。
分子模拟可以帮助我们在理论层面上研究和评估不同材料在光子晶体中的性能。
通过分子模拟可以计算材料的电子结构、光学特性以及光与材料的相互作用。
这可以帮助我们选择合适的材料，并提供指导来改进现有材料或设计新型材料，以实现更好的光子晶体性能。
此外，分子模拟还可以辅助光子晶体的制备工艺与工程设计。
分子模拟可以模拟光子晶体的制备过程，如溶胶凝胶法、自组装法等，从而预测和优化制备方法。
通过模拟分析，可以得到光子晶体形成过程中的动力学信息、材料的扩散行为、组装方式等，为制备工艺的优化提供指导。
此外，在光子晶体的应用中，分子模拟也可以帮助我们优化光子晶体的结构和形式，以提高特定应用下的性能。
总之，光子晶体的分子模拟与设计是一种强大的工具，可以帮助我们理解和改进光子晶体的性质和特性。
关于comsol模拟的一些问答
关于comsol模拟的⼀些问答1.近来⽤COMSOL计算光⼦晶体光纤的模场分布，可是不知道PML的参数如何设置，以及边界条件怎么设置，计算出来的结果不对. 实验室⽼板催得急，算不出来特别郁闷，不想读的⼼思都有了。
请⽤过的⼈帮帮忙吧：）我也是⽤comsol算光纤的，关于pml层的设定问题，如果不考虑损耗的话，pml层可以不设，你可以试⼀试就知道了，pml对模场分布基本没有影响2. COMSOL Multiphysics如何模拟带隙光⼦晶体光纤？要⽤COMSOL Multiphysics模拟带隙光⼦晶体光纤，也就是要加⼊kz，可以⽤如下⽅法：（1）⽤平⾯波模式，将模型边界条件改为电场，输⼊⼀个表达式的名字，例如E1。
（2）定义该边界表达式E1，菜单“选项>表达式>边界表达式”，选择不同的边界，分别写⼊该边界上电场E1的表达式，这样就能加⼊kz，将所需的周期性边界⽅程写⼊COMSOL Multiphysics。
3.如何准确求光⼦晶体光纤的限制损耗即有效折射率的虚部我在模拟PCF时，为了求其限制损耗即有效折射率的虚部，在PCF结构的外⾯加了PML，但是在加了PML 后，却发现光束不能约束在纤芯中了。
不知道哪⾥出了问题，还望各位⾼⼿给予指点，谢谢。
8v p w-q%T-~V1W-d [attach]219885[/attach]:To[1O+B0P加了PML后的结果如下：[attach]219886[/attach]我也是初学，也在做⼀些光⼦晶体的⽅法。
⽬前还不懂帮你顶顶，⼤家多多讨论有限元做光⼦？这个挺有新意，不过要注意是否适⽤能说⼀下有限元做光⼦为什么不合适吗？不过⽤FDTD做光⼦的还蛮多的PML的⼏何不对，应该是加个六边形的PML才对吧：）纤芯⽐外⾯的⼩，当然有可能找到外⾯的那个模式，多找⼏个模式或者将外⾯的区域减⼩应该就可以了加个圆形的就可以了PML要考虑模型的对称性，⽐如这个模型可以只计算1/4或者1/6楼主具体交流下怎么划分格点的？我算光⼦晶体光纤的模式，伪模很多阿，⽐如设neff=1.5附近寻找，设200个，它就给找出200个neff 出来。
SA13006060_左元_光子晶体光纤中导模的仿真
光子晶体光纤中导模的仿真左元SA13006060June29,20141背景简介1.1光子晶体光纤光子晶体是目前一个热门的研究方向，吸引着越来越多的研究人员的关注。
光子晶体是一种周期结构，这种结构的折射率在空间分布上存在着周期性。
研究人员希望通过光子晶体这种材料控制光的光学性质，利用光子晶体，可以让特定频率的光实现完美的反射，或者让它们只在某个特定的方向传播。
光子晶体这种材料的这些性质，显示出它在激光工程、高速通信和计算等领域的潜在价值[1]。
图1显示的分别是一到三维的光子晶体示意图，从图中可以看到光子晶体材料的折射率在空间分布存在着固定的周期，这也是被称为“晶体”的一个原因。
类比于常规的晶体，晶格对波的散射性质可以知道，光子晶体对光也会有类似的性质。
类似于晶体的能量禁带概念，光子晶体也有光子带隙的概念。
光子带隙会阻止特定方向传播的特定频率的光[1]。
图1:光子晶体利用光子晶体的特性，可以制作出光子晶体光纤，也叫微结构光纤。
图2是三种不同类型的光子晶体光纤，分别是布拉格光纤（一维光子带隙光纤）、二维光子带隙光纤、Holey光纤。
应用中用得最多的是后面两种，光子带隙光纤利用光子带隙对光进行约束，让光在纤芯的低折射率的孔洞中传播。
通常孔洞中导光材料是空气，因此可以有效的减少损耗、不希望的非线性特性以及其他不希望的特性。
另一种是折射率导光光子晶体光纤(第三种)，这种结构的光纤不是利用光子带隙，而是利用这种周期结构形成低有效折射率，而纤芯是高折射率材料，从而可以利用全内反射进行导光，将光约束在纤芯中[1]。
图2:光子晶体光纤1.2时域有限差分(FDTD)方法1966年，Yee首先提出麦克斯韦方程的时域有限差分求解方法，用来处理电磁场的传播和反射问题[2]。
通过将微分方程离散化，利用数值方法求解方程的数值解。
此后该方法得到进一步发展，1981年，Mur提出了在计算区域界断边界处的一阶和二阶吸收边界条件(ABC)[3]。
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20 2 10 L 7.87 10 =0.04 dB/m 6 ln(10) 110
(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
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：mathmat a0,(a1+a2)/2 in.dat mathmat a0,(a1+b1)/2 in2.dat
[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:
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
横截面上 折射率周期排布 Cubic:矩形结构 Hexagonal：六角结构 光子晶体光纤结构: Cubic rings: 环形矩形结构
光子带隙型光子晶体光纤
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： a.极宽的单模工作范围 b.大模面积单模特性 c.高非线性 d.可调的色散特性 e.高双折射特性
V
2 a
(n n
2 c
2 1/ 2 clad
)
(2)光子带隙型
低损耗、低色散、低非线性光传输
(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
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
(1)堆积
（原理图）
(堆积图)
(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。
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
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
(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。
cd C:\Rsoft\examples
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
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
plot绘图 例：bi_TE.nes文件
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。
1 典型结构(横截面图)
空气孔(柱)
基质材料(石英) 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)
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。
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
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
(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
需要考虑到的光子晶体光纤特点:
(1)无限单模特性 当d/Λ<0.406时,光纤为单模光纤 归一化频率:
V
2 a
(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
n n
2 co
2 clad
(a)稳定模式
（b)假模(pseudo
mode)
• 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)
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
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
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)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)
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
空气孔层数
程序文件名
折射率柱形状：
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