光子晶體光纖模擬課件.ppt

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1、5.6光子晶體光纖及其模擬一.基本原理光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔直徑一般在波長(zhǎng)量級(jí)且貫穿整個(gè)器件。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(修正的全內(nèi)反射型)1典型結(jié)構(gòu)(橫截面圖)空氣孔(柱)基質(zhì)材料(石英)1典型結(jié)構(gòu)(橫截面圖)光子帶隙型光子晶體光纖a.極寬的單模工作范圍b.大模面積單模特性d.可調(diào)的色散特性e.高雙折射特性2基本特性(1)折射率引導(dǎo)型主要特點(diǎn):包層有效折射率可在很大的范圍內(nèi)變化：c.高非線性(2)光子帶隙型低損耗、低色散、低非線性光傳輸3實(shí)例纖芯(a)實(shí)芯光子晶體光纖（b）空芯光子晶體光纖低傳輸損耗帶隙

2、光纖模場(chǎng)分布圖(帶隙光纖)保偏(高雙折射)光子晶體光纖4制造原理（原理圖）(堆積圖)(1)堆積(2)拉絲二光子晶體光纖特性分析1.折射率設(shè)置應(yīng)用軟件的周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)排布工具,可以方便地實(shí)現(xiàn)光子晶體及光子晶體光纖的排布。波導(dǎo)陣列設(shè)置參數(shù)設(shè)置框維度及方向含義一維光子晶體：在一個(gè)方向上折射率周期性分布二維光子晶體：在兩個(gè)方向上折射率周期性分布三維光子晶體：在三個(gè)方向上折射率周期性分布二維光子晶體(XZ面折射率周期排布）傳輸方向光子晶體光纖(XY面折射率周期性分布）傳輸方向Cubic:矩形結(jié)構(gòu)橫截面上折射率周期排布Hexagonal：六角結(jié)構(gòu)光子晶體光纖結(jié)構(gòu):Cubicrings:環(huán)形矩形結(jié)

3、構(gòu)Hexagonalrings：環(huán)形六角結(jié)構(gòu)Cubic矩形結(jié)構(gòu)Hexagonal六角結(jié)構(gòu)Cubicrings環(huán)形矩形結(jié)構(gòu)Hexagonalrings環(huán)形六角結(jié)構(gòu)L=0L=1L=2L=0,M=3L=1,M=3L=2,M=3程序文件名空氣孔層數(shù)折射率柱形狀：Ellipse:橢圓形Square:矩形.indfile來(lái)自.ind文件Square:矩形Ellipse:橢圓形組合法創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)1.先創(chuàng)建基本單元(存為文件cell.ind)2將創(chuàng)建的基本結(jié)構(gòu)作為基本單元最終結(jié)果：蜂窩結(jié)構(gòu)原理說(shuō)明隨機(jī)化X坐標(biāo)隨機(jī)化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)2模式求解需要考慮到的光子晶體光纖特點(diǎn):(1)無(wú)限單模特性當(dāng)d/Λ<0.40

4、6時(shí),光纖為單模光纖歸一化頻率:(2)少模特性當(dāng)d/Λ>=0.406時(shí),光纖能夠以較少模式傳輸(3).存在泄露損耗(4)假模的存在(a)穩(wěn)定模式（b)假模(pseudomode)(5)矢量特性由于組成光子晶體光纖的兩種材料(空氣石英)的折射率差大(約為1.45-1=0.45),因此需要采用矢量算法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。由理論分析知，其基模實(shí)際由沿X和Y方向偏振的兩個(gè)線偏振模組成，兩者是簡(jiǎn)并的。知識(shí)點(diǎn):矢量類型選擇標(biāo)量法：適用于介電常數(shù)在X和Y方向變化很小的情況（弱導(dǎo)）半矢量法：適用于X和Y方向的場(chǎng)分量沒(méi)有耦合的情形全矢量法：考慮X和Y方向場(chǎng)的耦合，適用范圍最廣。矢量類型設(shè)置二維波導(dǎo):只有半

5、矢量和標(biāo)量法三維波導(dǎo):半矢量法中TE模指X偏振模,TM模指Y偏振模矢量設(shè)置標(biāo)量矢量設(shè)置半矢量矢量設(shè)置全矢量偏振選擇例：標(biāo)量、半矢量、全矢量法得到的模式解波導(dǎo)結(jié)構(gòu)a標(biāo)量解b半矢量解(TE極化-x偏振）c半矢量解(TM極化-y偏振）d全矢量解計(jì)算結(jié)果比較以全矢量法結(jié)果為參考,比較其它幾種方法的結(jié)果不同矢量類型下的誤差曲線標(biāo)量法半矢量TM半矢量TE計(jì)算結(jié)果比較標(biāo)量解neff=1.447771誤差6.2e-5半矢量解(TE極化)neff=1.447718誤差2.5e-6(TM極化)neff=1.447716誤差0.5e-6全矢量解neff=1.447719誤差3.5e-6（參考解:1.44

6、7715527,9.546E-10(多極法)）(6)關(guān)鍵參數(shù)Λ,Periodd,widthheight3舉例(1)模式求解計(jì)算由3層空氣孔組成，空氣孔直徑d/Λ=0.4,周期Λ=5μm纖芯由一個(gè)實(shí)芯棒組成的光子晶體光纖的模式。[1]生成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)無(wú)需先設(shè)置初始對(duì)話框,直接先定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)顯示橫截面折射率分布[2]修改相應(yīng)參數(shù)1.周期Period調(diào)整為5微米2.空氣孔直徑width=height=Period*0.402.空氣孔直徑width、height[3]初始對(duì)話框參數(shù)調(diào)整計(jì)算工具選擇為Beamprop調(diào)整前(缺省計(jì)算工具)調(diào)整后[4]初始場(chǎng)設(shè)置場(chǎng)類型:初始場(chǎng)參數(shù):計(jì)算結(jié)果更改

7、模式求解方法為相關(guān)函數(shù)法相關(guān)函數(shù)法計(jì)算結(jié)果:修改波導(dǎo)長(zhǎng)度L(1024微米?5240微米)(a)基模(b)二階模(假模)損耗計(jì)算=0.04dB/m上例中，有：(參考解9.5461E-10)計(jì)算公式：dB/m(2)高雙折射光子晶體光纖的計(jì)算基本原理有意地引入結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，從而獲得X和Y方向偏振的基模不同的模場(chǎng)分布和模式有效折射率分析內(nèi)容不同周期下,光纖雙折射值的大小[1]模擬結(jié)構(gòu)基本參數(shù):width=Period*.4,大空氣孔的直徑width2=Period*.8初始