光子晶体光纤模拟PPT课件

光子带隙型光子晶体光纤
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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
V
2 a
(nc2
n2 clad
)1/
2
c.高非线性
d.可调的色散特性 e.高双折射特性
4
(2)光子带隙型
低损耗、低色散、低非线性光传输
5
3 实例
纤芯
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
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)
2
1 典型结构(横截面图)
无需先设置初始对话框,直接先定义波导结构
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波导显示
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横截面折射率分布
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[2] 修改相应参数
1. 周期Period调整为5微米
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2. 空气孔直径width=height=Period*0.40
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2. 空气孔直径width、height
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[3] 初始对话框参数调整
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(a) 实芯光子晶体光纤
（b）空芯光子晶体光纤
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低传输损耗带隙光纤
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模场分布图(带隙光纤)
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保偏(高双折射)光子晶体光纤
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4 制造原理
(1)堆积
（原理图）
(堆积图)
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(2)拉丝
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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。
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不同矢量类型下的误差曲线
标量法 半矢量TM 半矢量TE
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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
计算工具选择为Beamprop
调整前 (缺省计算工具)
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调整后
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[4] 初始场设置
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场类型:
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初始场参数:
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计算结果
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更改模式求解方法为相关函数法
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相关函数法计算结果:
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修改波导长度L(1024微米 5240微米) (a)基模
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(b) 二阶模 (假模)
(2) 少模特性
nc2o
n2 clad
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
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(a)稳定模式
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（b)假模(pseudo mode)
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(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。
（参考解: 1.447715527, 9.546E-10(多极法)）
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(6) 关键参数
Λ,Period d, width
height
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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。
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[1] 生成波导结构
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L=0 L=1 L=2
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L=0,M=3
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L=1,M=3
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L=2,M=3
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空气孔层数 程序文件名
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折射率柱形状：
Ellipse:椭圆形 Square:矩形 .ind file 来自.ind文件
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Square:矩形
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Ellipse:椭圆形
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存为文件cell.ind)
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2 将创建的基本结构作为基本单元
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最终结果：蜂窝结构
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原理说明
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随机化
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X坐标随机化
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标准结构
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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/Λ<0.406时,光纤为单模光纤
归一化频率: V 2 a
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
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[1] 模拟结构
基本参数:width=Period*.4, 大空气孔的直径 width2=Period*.8
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初始结构
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横截面图
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Ctrl+向上/向下键,获得中心一行空气柱
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损耗计算
计算公式：
L
20 ln(10)
2
(neff
)
dB/m
上例中，有： (neff ) 7.871010
(参考解9.5461E-10)
L
20 2
ln(10) 1106
7.87 1010
=0.04 dB/m
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(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
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波导阵列设置
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参数设置框
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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
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二维光子晶体(XZ面折射率周期排布）
传输方向
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光子晶体光纤
(XY面折射率周期性分布）
传输方向
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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。
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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。
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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
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 Hexagonal rings： 环形六角结构
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Cubic矩形结构
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Hexagonal六角结构
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Cubic rings 环形矩形结构
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Hexagonal rings环形六角结构
Y偏振模
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矢量设置
标量
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矢量设置
半矢量
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矢量设置
全矢量
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偏振选择
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例：标量、半矢量、全矢量法得到 的模式解
波导结构
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a 标量解
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b 半矢量解(TE极化-x偏振）
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c 半矢量解(TM极化-y偏振）
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d 全矢量解
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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