光子晶体光纤模拟课件.ppt

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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)实芯光子晶体光纤（b）空芯光子晶体光纤低传输损耗带隙

2、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周期排布Hexagonal：六角结构光子晶体光纤结构:Cubicrings:环形矩形结

3、构Hexagonalrings：环形六角结构Cubic矩形结构Hexagonal六角结构Cubicrings环形矩形结构Hexagonalrings环形六角结构L=0L=1L=2L=0,M=3L=1,M=3L=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.indfile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<0.40

4、6时,光纤为单模光纤归一化频率:(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(a)稳定模式（b)假模(pseudomode)(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。矢量类型设置二维波导:只有半

5、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)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:1.44

6、7715527,9.546E-10(多极法)）(6)关键参数Λ,Periodd,widthheight3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[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*0.402.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

7、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=0.04dB/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