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。
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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
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)