光子晶体光纤模拟
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]。
光子晶体光纤的色散模拟论文
光子晶体光纤的色散模拟摘要光子晶体光纤由于其区别于传统光纤而具有的无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性及其广泛的应用前景，成为当前国内外研究的一个热门课题.为了精确地分析、预测光子晶体光纤的传输特性，人们发展了许多理论分析方法，这些方法是研究光子晶体光纤的基本工具，在光子晶体光纤的研究领域占有很重要的地位.国内外在研究光子晶体方面的文章也非常之多，但是大都注重研究的结论，在众多的文献中能得到好多种光纤的特性信息，但却几乎找不到一种研究方法可以拿来直接用而不用经过和原作者一样的各种知识的繁杂学习的，基于提供一种通用而简单的研究光子晶体光纤的方法，作者通过自己对时域有限差分法(FDTD)和有限元方法的实践探索，总结出利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤数值模拟的一系列简单可行步骤及后处理过程的MATLAB程序，使一般的研究者只要根据本文给出步骤就可以进行各种光子晶体光纤特性的数值模拟。
本论文在系统介绍光子晶体光纤基础知识及各种理论研究方法，并对这些方法优缺点作简单比较的基础上，重点介绍利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤特性数值模拟的具体方法步骤，并应用该方法计算了条形光子晶体光纤和锥形光子晶体光纤的色散特性参数，并对二者做了简单的比较。
【关键词】:锥形、条形光子晶体光纤;色散模拟;COMSOL Multiphysics;数值模拟摘要 (1)第一章绪论 (3)1.1光子晶体光纤简介 (3)1.1.1光子晶体光纤的概念 (3)1.1.2光子晶体光纤的结构及其导光原理 (4)1.1.3光子晶体光纤的制备 (6)1.1.3.1堆积法 (6)1.1.3.2挤压法 (7)1.1.3.3超声波打孔法 (7)1.2光子晶体光纤的特性 (8)1.2.1无截止单模( Endlessly Single Mode) (8)1.2.2不同寻常的色度色散 (9)1.2.3非线性特性 (9)1.2.4优良的双折射效应 (10)1.3光子晶体光纤的研究现状 (11)1.4光子晶体光纤的应用前景 (11)1.5光子晶体光纤色散方面的研究 (12)1.6本论文的内容 (13)第二章光子晶体光纤的数值模拟 (14)2.1光子晶体光纤数值模拟的实现步骤 (14)2.2光子晶体光纤的数值模拟实例 (14)2.2.1锥形光子晶体光纤的有限元数值模拟的COMSOL Multiphysics实现过程 (15)2.2.1.1应用模式的选取与打开 (15)2.2.1.2模型建立 (17)2.2.1.3求解域、边界及输入波长的设置 (18)2.2.1.4求解参数的设置 (19)2.2.1.5求解及结果显示与分析 (20)2.2.2条形光子晶体光纤数值模拟实现过程 (22)2.2.2.1求解参数的设置 (22)2.3光子晶体光纤的色散计算 (24)第三章光子晶体光纤的色散计算结果及分析 (27)3.1锥形光子晶体光纤色散的计算结果 (27)3.2条形光子晶体光纤色散计算结果 (28)第四章总结 (32)参考文献 (33)致谢 (36)第一章绪论第一根光子晶体光纤是于1996年，由英国Bath大学的J.C.Knight研制出来的，它是一种二维方向上紧密排列(通常为周期性六角形)而在第三维方向(光纤的轴向)基本保持不变的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。
【精品】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gt表达式gt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，将所需的周期性边界方程写入COMSOL Multiphysics。
这样就能加入kz，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，PCF 结构的外面加了PML，在但是在加了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。
V W-d 8vpw-qT- 1attach219885/attach :T o1OB0j P 加了PML 后的结果如下：attach219886/attachbeautycatcher 发表于2009-10-21 07:31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caoer 发表于2009-10-21 11:17有限元做光子？这个挺有新意，不过要注意是否适用mahui 发表于2009-11-5 09:59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Feit 发表于2009-11-5 12:22PML 的几何不对，应该是加个六边形的PML 才对吧：）fangany 发表于2009-11-8 13:29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shanyrain 发表于2009-11-8 20:35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1/6xwx000000 发表于2009-11-13 22:31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neff1.5 附近寻找，200 个，设它就给找出200 个neff出来。
光子晶体光纤 (PCF)
1.1 结构 • 下图是不同维数光子晶体的模型和实例
• 光子晶体里重复结构（或称晶胞）的单元尺度是光波长 （μm）量级。通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制光 子流
第一块光子晶体
• 1991年，Yablonovich 制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用 机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”， 它可以阻止里面的微波从任何方向传播出去。
自然界中的光子晶体结构
1.2 光子带隙基础
• 理解光波在光子晶体中的传播行为的最简单方法，就是把它与半导体内的电 子和空穴的运动作一比较
能量E 导带 禁带 由缺陷或杂质在禁带中引起的能级
在半导体禁带中由缺陷或杂质引起的能级分布图
• 当光子穿过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的 透明介电材料时，这种光学结构是带有空气孔的低折射率 区域散布在高折射率区中。
λ
n 2d sin
θ
d
当波长和周期结构的尺寸满足布拉格条件λ~2d 时， 该周期结构将反射入射波。其中d为周期常数。
• 若有一束平面波入射到晶体上，大多数波长 λ 的光波在晶 体中传播时不被散射，而当 λ ~ 2d 时，由于布拉格反射， 光波无法在晶体中传播。 • 即，某个波长范围的光子在这种结构中不能占据一个能量 状态。这些光子在该结构中是被禁止的，不能传播。这就 是光子带隙 PBG。
4. 光子晶体光纤
• 在传统的光纤中，光在中心的氧化硅纤芯里传播 • 通常采取掺杂的办法提高其折射系数，以增加传输效率，但不 同的掺杂物只能对一种频率的光有效 • 英国Bath大学的研究人员用几百个传统氧化硅棒和氧化硅毛细 管一次绑在一起组成六角阵列，在 2000 度高温下烧结后制成 了二维光子晶体光纤。在光纤的中心可以人为地引入空气孔作 为导光通道，也可以用固体硅作为导光介质 —— PCF • 光子晶体光纤在两个方面明显优于传统的光纤
光子晶体光纤的制备与应用研究
光子晶体光纤的制备与应用研究光子晶体光纤的制备主要分为两种方法：传统方法和新型方法。
传统方法是将光子晶体纳米颗粒混入熔融的硅酸盐玻璃中，通过拉伸和制作纤芯来制备光纤。
新型方法则是通过叠加不同颜色的光子晶体微球堆积来制作纤芯。
这些方法制备的光子晶体光纤具有高透明度、低损耗、高灵敏度和宽带宽等优点。
光子晶体光纤的应用研究主要集中在通信、传感和激光技术等领域。
在通信方面，光子晶体光纤可以提供更高的带宽和更低的损耗，可以用于长距离传输和高速数据传输。
在传感方面，光子晶体光纤具有较好的灵敏度和可调谐性，可以用于气体、液体和生物传感。
在激光技术方面，光子晶体光纤可以用作激光波导器件，用于光子晶体激光器和光纤拉曼激光器等的输出波导。
光子晶体光纤的研究还包括光纤传输特性和光纤结构改进等方面。
光子晶体光纤的光传输特性主要通过调整光子晶体光纤的纤芯结构和纤芯材料来实现，以改变纤芯的折射率和色散特性。
光纤结构改进主要通过改变纤芯的孔径和填充材料来实现，以提高光子晶体光纤的性能和应用范围。
光子晶体光纤的应用前景广阔。
随着信息技术的发展和需求的增加，对光纤通信和数据传输的需求也越来越大。
光子晶体光纤由于其独特的光学和物理特性，可以满足高带宽和低损耗的需求，因此在通信领域具有广阔的应用前景。
同时，光子晶体光纤在传感和激光技术领域也有很大的应用潜力，可以用于生命科学、环境监测和材料研究等方面。
总之，光子晶体光纤的制备与应用研究是一项具有重要意义的研究领域。
通过对光子晶体光纤的制备方法和应用特性的研究，可以推动光子晶体光纤在通信、传感和激光技术等领域的广泛应用，为信息技术的发展和创新做出贡献。
光子晶体光纤的原理_应用和研究进展
・综述・光子晶体光纤的原理、应用和研究进展Ξ池 灏,曾庆济,姜 淳(上海交通大学宽带光网技术研发中心,上海200030) 摘要:光子晶体光纤(PO F)与普通光纤在光纤结构、单模特性、色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。
本文将简要分析PCF的原理,并探讨其重要特性以及应用价值,最后回顾了近来PCF的研究进展。
关键词:光子晶体;光纤;光子晶体光纤(PCF);多孔光纤;色散补偿;非线性中图分类号:O753;O734 文献标识码:A 文章编号:100520086(2002)0520534204Photon ic Crysta l F iber:Theory,Appl ica tion s and Recen t ProgressCH I H ao,ZEN G Q ing2ji,J I AN G Chun(Center fo r B roadband Op tical N etw o rk ing T echno logy,Shanghai J iao tong U niversity,Shanghai200030,Ch ina)Abstract:Pho tonic crystal fibers(PCF)are quite different from standard op tical fibers in fiber structure,mode p roperty,dispersi on and nonlinearity.In th is paper,theo ry,i m po rtant p roperties and app licati ons,and recent advances of these fibers w ill be p resented.Key words:Pho tonic crystal;Op tical fiber;Pho tonic C rystal F iber(PCF);Ho ley fiber;D ispersi on com2pensati on;N onlinearity1 引 言 光子晶体(p ho ton ic crystal)概念最初由E.Yab2 lonovitch和S.John[1,2]于1987年各自提出的。
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
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。
光子晶体中超连续谱的数值模拟
光子晶体中超连续谱的数值模拟作者：袁芬芳刘希顺陈绍荣来源：《卷宗》2015年第08期摘要：光子晶体光纤中超连续谱的产生是光纤色散和非线性作用共同作用的结果。
本文从非线性薛定谔出发，数值模拟了飞秒脉冲在不同占空比的光子晶体光纤中产生超连续谱的过程。
结果显示，光纤的占空比越大，光纤的非线性效应越强，产生的超连续谱频谱越宽。
关键词：光子晶体光纤；超连续谱；色散；非线性作用1 引言光子晶体光纤（PhotonieCrystal Fiber：简称PCF），又称为多孔光纤（HoleyFiber）或微结构光纤（Mcior-structured Fibe），是在光子晶体的基础上发展起来的，由STJ Russell等人于1992年首次提出。
光子晶体光纤按照导光机制的不同分为光子带隙光纤和全内反射光子晶体光纤[1-2]。
本文主要讨论全内反射型光子晶体光纤。
它的一个简单示意图如图1.1所示。
如图所示，全内反射光子晶体光纤由纯石英纤芯和具有周期性空气孔结构的包层组成。
与传统光纤相比，PCF能够通过调节包层中的几何结构和纤芯直径等参数可以控制光纤的色散、有效折射率、有效模场面积，非线性系数等。
由于PCF灵活可控的色散特性和增强的非线性效应，利用其产生超连续谱称为一种行之有效的手段。
超连续谱是指超短脉冲在介质中传输时由于介质的非线性效应而导致脉冲的光谱极大的展宽的现象。
1970年，R.RAlfano和S.L.Shapiro利用倍频锁模钕玻璃皮秒激光脉冲抽运BK7光学玻璃，成功获得400-700nm的超连续谱[3]。
自此，超连续谱的产生称为研究热点。
利用非线性介质和普通光纤可以得到超连续谱，但是得到的超连续谱的谱宽受到限制，而光子晶体的良好特性满足了产生超连续谱的高非线性系数和色散的要求，以及光纤结构设计的自由度，使光子晶体光纤广泛用于超连续的产生。
本文主要从非线性薛定谔方程入手，数值模拟不同光纤结构中的超连续谱产生的过程，并对模拟结果进行了分析。
光子晶体光纤拉曼
光子晶体光纤拉曼
光子晶体光纤拉曼（Photonic crystal fiber Raman）是一种特殊
结构的光纤，能够在光纤中实现拉曼散射效应。
光子晶体光纤拉曼充分利用了光纤的结构特点，将拉曼散射的效果最大化，从而增强了拉曼信号的强度。
光子晶体光纤是通过在光纤的芯部引入周期性的折射率变化，形成了一种光子晶体的结构。
这种结构可以通过控制晶格的周期和尺寸来调控光纤的光学性质。
在光子晶体光纤中，光信号可以通过空气孔道或其他微结构中传输，从而有效地改变光的传播特性。
利用光子晶体光纤的结构特点，拉曼光纤传感的敏感度可以得到大幅提升。
光子晶体光纤中的晶格结构可以提供更长的光纤轴向，从而使得激光光束与纤芯中的样品相互作用的路径更长。
这样可以增强样品与光束之间的相互作用，提高拉曼信号的产生。
光子晶体光纤拉曼具有以下优点：
1. 高灵敏度：光子晶体光纤的结构可以增强拉曼信号的强度，提高传感的灵敏度。
2. 宽光谱范围：光子晶体光纤可以覆盖更广泛的光谱范围，从可见光到红外波段。
3. 低损耗：光子晶体光纤的损耗相对较低，能够保持原始信号的强度。
4. 可调制性：光子晶体光纤的结构可以通过调整晶格周期和材料参数来调控光纤的光学性质。
光子晶体光纤拉曼在化学、生物、环境等领域的应用非常广泛。
它可以用于分析样品的成分、结构和浓度等信息，实现非侵入性、无损伤的检测。
同时，光子晶体光纤拉曼还可以应用于光通信、仪器仪表等领域，为科学研究和工业应用提供了强大的工具。
光子晶体材料中光传输现象仿真模拟
光子晶体材料中光传输现象仿真模拟光子晶体材料是一种具有周期性结构的材料，可以对光传输进行有效控制和调控。
仿真模拟是一种研究光子晶体材料光传输现象的有效手段，可以通过数值计算和模拟来获得关于光子晶体材料中光传输的有用信息。
本文将重点介绍光子晶体材料中光传输现象的仿真模拟方法和应用。
在光传输现象的研究中，仿真模拟的主要目标是获得光子晶体材料中的光传输特性，如光线的传播路径、光的衍射和折射等。
由于光子晶体材料表现出与传统材料不同的光学特性，仿真模拟可以帮助我们理解和预测这些特性，并为光子晶体材料的设计和应用提供指导。
光子晶体材料中光传输现象的仿真模拟方法有多种，其中常用的方法包括有限差分时间域（FDTD）法、有限元方法（FEM）和传输矩阵方法（TMM）等。
这些方法在模拟光子晶体材料中光的传输过程中具有不同的优势和适用范围。
首先，有限差分时间域（FDTD）法是一种广泛应用于光学仿真的数值计算方法。
它通过将空间和时间离散化，利用Maxwell方程组的数值解来模拟光的传输过程。
FDTD法在光子晶体材料中的应用主要集中在研究光的传播特性，如衍射、反射、透射等。
通过调整光子晶体材料的结构参数，可以获得不同光学效应的仿真结果，从而帮助设计和优化光子晶体材料的光学性能。
其次，有限元方法（FEM）是一种适用于求解偏微分方程的数值计算方法，也可以用于光学仿真。
FEM方法通过将光学问题离散化为有限个小区域，用基函数表示光场强度分布，然后利用有限元法的数值解求解光传输方程。
FEM方法在模拟光子晶体材料中的光传输现象时，可以考虑更复杂的物理过程，如非线性光学效应和材料的吸收特性等。
因此，FEM方法在研究光子晶体材料的非线性光学和光吸收等方面具有一定的优势。
最后，传输矩阵方法（TMM）是一种基于电磁波的传输理论，适用于模拟光子晶体材料中的光传输现象。
TMM方法通过将光传输系统分解为多个透明的区域，并利用各区域之间的传输矩阵描述光的传输过程。
基于comsol软件的光子晶体通信器件模拟
收稿日期:2010-07-19作者简介:臧克宽(1981-),男,硕士,主要从事光子晶体激光器方面的研究;孙晓红,女,博士,郑州大学教授,主要从事光子晶体方面的研究.光电器件与材料基于comsol 软件的光子晶体通信器件模拟臧克宽,孙晓红,李大海,刘国斌(郑州大学河南激光与光电信息技术重点实验室,河南 郑州 450052)摘 要:利用comsol 软件对几种光子晶体通信器件的模拟,有光子晶体光纤、波导、分波器以及滤波器等器件,模拟结果很好,可以更直观地了解光子晶体器件的优越性,更为开发集成光通信器件提供了有益的参考.关键词:光子晶体;通信器件;comsol 模拟中图分类号:TN 929.11 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2010)05-0051-03S imulation of Optical Communication ApparatusBased on the Comsol SoftwareZANG Ke kuan,SUN Xiao hong,Li Da hai,LIU Guo bin(T he key L aboratory of L aser and Photo eletr icity I nf or mation T echnology of H e N an p r ovince,Zhengz hou 450052,China)Abstract:T he comsol software is used to simulate some integrated apparatus of the optical commuciaction such as photonic crystal fiber,w aveguide,w ave separater and filter.T he result of simulation is very good.T he advantages of photonic crystal dev ices can be more intuitively understood.It provides the useful information for the development of the apparatus of the optical commuciaction.Key words:optical crystal;com munication apparatus;comsol simulation 长期以来,人们一直希望能够突破电子在信息传输上的瓶颈限制,而让拥有极高信息容量和效率、极快响应能力、极强的互连能力和并行能力以及极大存储能力的光子来取代电子成为新型的信息载体.光子具有高传输速度、高密度及高容错性等优点,成为代替电子作为信息的载体.光子晶体(Pho tonic Crystal)概念的提出,加速了人们对光子作为信息载体的研究.由于光子在光子晶体中的行为类似于电子在天然晶体(从某种意义上来说可以叫做电子晶体)中的行为,固体物理中的许多概念都可用在光子晶体上,所以光子晶体的基本特征是具有光子禁.频率落在禁带中的电磁波是禁止传播的,因为带隙中没有任何态存在.光子晶体的另一个主要特征是光子局域[1-4].光子晶体的出现使自由地操纵和控制光的行为成为现实,人们能够按自己的需求,以人工的方式设计和制造光子器件,由于光子晶体能够控制光在其中的传播,所以它的应用十分广泛.其主导思想就是利用光子禁带或禁带结构中的缺陷态来改变光子晶体中某种电磁态的密度,以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件[5].1 光子晶体通信器件的模拟[6,7]1.1 光子晶体光纤如今,人们对光子晶体的应用研究得最多也是进展最快的领域莫过于对光子晶体光纤的研究.光子晶体光纤虽然和传统光纤的导光机制一样,但是却具有明显优于传统光纤的特性,诸如无截止单模、不同的色度色散、极好的非线性效应、双折射效应、第25卷第5期2010年10月光电技术应用EL ECT RO-O PT IC T ECHNO LOG Y APP LICAT I ONVo l.25,No.5October.2010较高的入射功率、非线性现象、易于实现多芯传输等,这些优良特性使其在未来的光通信领域将有着广阔的应用前景.图1是用comsol 软件简单模拟了光子晶体光纤的光场分布.图1 六角形结构光子晶体光纤的光场分布图从图中可以明显看到,光只会分布在光纤孔中,不会散射到其他区域.1.2 光子晶体波导传统的介电波导在传播电磁波是会在传输过程中损失能量,特别是在拐角处损失的能量更多,但是光子晶体波导可以改变这种情况.即光子晶体波导对直线和转角都有很高的效率.具有如此高效传播能力波波导使得人们不得不对其另眼相看.因此,对光子晶体波导的研究也成为光子晶体应用研究的一个主要领域.图2是用comsol 软件模拟的直线波导和弯折波导的光传播情况.图2 正方晶格光子晶体直波导传输图从模拟图2中可以清楚看到:不在禁带区域的光会出现很强的散射,传导模式不对会很快衰减,只有在范围内而又有很好的传导模式的光才能顺利传播,而且损耗极小.看以看到,与直波导相同,弯曲波导的传输率也可以接近100%,如图3所示.图3 直角弯折波导的光传播模拟图1.3 光分波器在通信电路中,分波器是很重要的器件,那么光分波器在全光路中必不可少,图4是T 字型光分波器的光场模拟图.可以看到,与图3中的直角弯折波导具有相似性,只是光能量分开传播,分开后的总能量与分开前的能量相差很小,效率可以高达96%.图4 T 字型光分波器的光场模拟图1.4 宽带带阻滤波器和极窄带选频滤波器利用光子晶体的光子频率禁带特性可以实现对光子极优良的滤波性能.这是由于光子晶体的滤波带宽可以做得比较大.钻石结构的光子晶体的滤波带宽可以做到中心频率的20%.而由S.Gupta 等人所提出的金属-介质复合型光子晶体可以将从低频(频率接近0Hz)直到红外波段的电磁波完全滤掉.这种大范围的滤波作用利用传统的滤波器是难以实现的.另外研究发现,当光子晶体中的某些单元被取消而造成缺陷时,就会使得光子晶体的光子频率禁带出现一些 可穿透窗口 .即光子频率禁带内的某些频率会毫无损失地穿过光子晶体,光子晶体的这一特性可以用来制作高品质的极窄带选频滤波器.经分析可以知道,为了得到窄的线宽,应该选择52光 电 技 术 应 用 第25卷合适的谐振腔和波导之间的距离.图5带阻滤波器结构传输图图6 归一化频率不同的两种频率的窄带滤波器传输图图6a 为频率在谐振频率处,图6b 传输频率仅仅偏离谐振频率1%,而传输率却降低为输入的2%多一点.可见此时的滤波器带宽相当窄.1.5 多组合滤波器当把多个谐振腔与波导组合后,会形成不同种类的滤波器.下面把两个波导两个谐振腔组合成一个二维光子晶体的三端口通道下路滤波器并用comsol 软件模拟光传播,如图7所示.图7 三端口通道下路滤波器的结构图与光传输图从图7可以清楚观察到,光波从A 端入射,传输到B 端的能量几乎为零了,所以下载到C 端的效率比较高.如果入射波端口改为C (此时此端口成为上传端口),能量将沿相反的方向传输从端口A 输出,而B 端口因为反射谐振腔的反射而几乎得不到能量.2 结 束 语文中基于comsol 软件对几种光子晶体通信器件的模拟,模拟结果非常好地体现光子晶体器件的优越性,并对模拟结果进行了简单分析,并提出多组合滤波器设计思路,为开发集成光通信器件提供了有益的参考.参考文献[1] John D Joannopoulos,St even G Johnson,Joshua NWinn,et al.Photonic Crystals:M olding the F low of Light [M ].2nd Edition.Princeton U niversity Press,2008.[2] Steven G Johnson,P hotonic Crystals:F rom T heory toPractice [M ].M assachusetts Institute of T echnolo gy,2001.[3] K azuaki Sakoda.Optical Properties of P hotonic Crystals[M ].Springer,2001.[4] E Yablonov itch.Inhibited Spontaneous Emissio n in Solid-State Physics and Electronics [J].Phys.Rev.Lett.1987,58:2059-2062[5] Z Zhang ,S Satpathy.Electromag netic w ave pr opagationin per iodic structures:Bloch wave solution of M ax well s equations[J].Phys.Rev.Lett.1990,65.[6] Y T anaka,T Asano,Y Akahane,et al.T heoretical investig ation of a two -dimensional photonic cryst al slab w ith taper ed air holes.Appl[J].Phys.Lett.2003,82(9).[7] K S Y ee.Numer ical solutio n to initial boundary valueproblems in -volving M ax well s equat ions in isotropic media[J].IEEE Irans.Antennas Propagate.1966.AP -14.[8] O Painter ,J Vuckovic,A Scherer.Defect modes of atwo-dimensio nal photonic crystal in an optically thin di electric slab[J].JOSA B,1999,275(16).53第5期 臧克宽等:基于comsol 软件的光子晶体通信器件模拟。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
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)
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:\Rsoft\examples
%进入程序文件所在目录 mathmat a0, a1-b1 bi_TM.nes bi_TE.nes>bi.txt % 生成双折射结果 Winplot bi.txt %绘图
(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
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
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
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
(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。
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)
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 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
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。
(6) 关键参数
Λ,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/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
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)
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)
[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:
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
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)）
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
计算公式：
20 2 L (neff ) ln(10)
10
dB/m
上例中，有： (neff ) 7.87 10
(参考解9.5461E-10)
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)
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
• 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)