光子晶体光纤模拟PPT课件.ppt

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 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 2 1典型结构 横截面图 光子带隙型光子晶体光纤 3 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 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 6 a 实芯光子晶体光纤 b 空芯光子晶体光纤 7 低传输损耗带隙光纤 8 模场分布图 带隙光纤 9 保偏 高双折射 光子晶体光纤 10 4制造原理 原理图 堆积图 1 堆积 11 2 拉丝 12 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 13 波导阵列设置 14 参数设置框 15 16 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 17 二维光子晶体 XZ面折射率周期排布 传输方向 18 光子晶体光纤 XY面折射率周期性分布 传输方向 19 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 环形矩形结构 Hexagonalrings 环形六角结构 20 Cubic矩形结构 21 Hexagonal六角结构 22 Cubicrings环形矩形结构 23 Hexagonalrings环形六角结构 24 L 0 L 1 L 2 25 L 0 M 3 26 L 1 M 3 27 L 2 M 3 28 程序文件名 空气孔层数 29 折射率柱形状 Ellipse 椭圆形 Square 矩形 indfile来自 ind文件 30 Square 矩形 31 Ellipse 椭圆形 32 组合法创建复杂结构 33 1 先创建基本单元 存为文件cell ind 34 2将创建的基本结构作为基本单元 35 最终结果 蜂窝结构 36 原理说明 37 随机化 38 X坐标随机化 39 标准结构 40 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 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 41 a 稳定模式 42 b 假模 pseudomode 43 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 44 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 45 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 46 47 矢量设置 标量 48 矢量设置 半矢量 49 矢量设置 全矢量 50 偏振选择 51 例 标量 半矢量 全矢量法得到的模式解 波导结构 52 a标量解 53 b半矢量解 TE极化 x偏振 54 c半矢量解 TM极化 y偏振 55 d全矢量解 56 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 57 不同矢量类型下的误差曲线 标量法 半矢量TM 半矢量TE 58 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 59 6 关键参数 Period d widthheight 60 3举例 1 模式求解计算由3层空气孔组成 空气孔直径d 0 4 周期 5 m纤芯由一个实芯棒组成的光子晶体光纤的模式 61 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 62 63 波导显示 64 横截面折射率分布 65 2 修改相应参数 1 周期Period调整为5微米 66 67 2 空气孔直径width height Period 0 40 68 2 空气孔直径width height 69 3 初始对话框参数调整 70 计算工具选择为Beamprop 调整前 缺省计算工具 71 调整后 72 73 74 75 4 初始场设置 76 77 场类型 78 初始场参数 79 计算结果 80 更改模式求解方法为相关函数法 81 相关函数法计算结果 82 修改波导长度L 1024微米 5240微米 a 基模 83 b 二阶模 假模 84 损耗计算 0 04dB m 上例中 有 参考解9 5461E 10 计算公式 dB m 85 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 86 1 模拟结构 基本参数 width Period 4 大空气孔的直径width2 Period 8 87 初始结构 88 横截面图 89 Ctrl 向上 向下键 获得中心一行空气柱 90 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 91 最终得到的波导结构 92 2020 1 8 93 计算X方向偏振模 TE极化 的有效折射率曲线 94 修改相应的设置 偏振方式 95 96 97 单次计算类型为 模式求解 98 扫描结果 有效折射率曲线 99 类似地 计算Y偏振 TM极化 模的有效折射率 100 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 101 参数扫描结果保存情况 102 文件后缀 例 bi TE nes文件绘图文件名 pne 数据文件名 nes 有效折射率 psc 数据文件名 scn 监视器结果 plot绘图 103 周期 横坐标 有效折射率 纵坐标 104 后处理工具简介 可采用相应的命令 处理光束传播法得到的数据 以获得所需的信息常用命令bdconv 矩阵操作bdutil 计算重叠积分 光栅系数 模场大小等bmp2ind 转换位图文件为自定义折射率分布disperse 色散曲线计算mat2bp 转换矩阵数据为Rsoft格式matmat 对数据文件执行数学计算shufflemat 重组数据文件 105 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 0 106 mathmat 对数据文件执行数学计算 语法格式 Mathmat 数据文件名 例 mathmata0 a1 a2 2in datmathmata0 a1 b1 2in2 dat 107 mathmata0 a1 b1bi TM nesbi TE nes bi txt含义 保存a0 第一个文件bi TM nes的第一列的数据 保存a1 b1 第一个和第二个文件的第二列数据相减 保存结果 将结果保存到bi txt文件中 108 后处理命令 109 数据 110 曲线绘制 1由绘图命令直接生成 winplotbi txt 111 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 112 横坐标名 纵坐标名 数据文件 113 b绘制图形 114 c结果 115 两条折射率曲线对比 116 117 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 118 依次输入以下命令 cdC Rsoft examples 进入程序文件所在目录mathmata0 a1 b1bi TM nesbi TE nes bi txt 生成双折射结果Winplotbi txt 绘图 119 3双芯光子晶体光纤耦合器模拟 学习重点 Inactive 非活动波导 设置文件型初始场设置图形操作 120 1 结构设置 将原来单纤芯的光纤结构改为具有两个纤芯的光纤结构 121 需要设置的光纤结构 122 原光纤结构 123 空气孔参数 124 空气孔波导参数 125 中心区波导折射率 126 Delta core初始值等于0 即此波导的折射率等于背景折射率 127 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 128 调整前参数 129 调整后参数 130 调整后的波导结构 131 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 inactivewaveguide 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 132 1 波导参数设置 133 134 135 136 横截面分布图 137 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 138 纵向分布图 139 横截面图 140 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22 设置相应的监视器 监视类型为WGpower 141 142 143 144 3 初始场设置 注意事项 1 不能采用Fibermode或GuassianField2 不能采用Computedmode3 适合采用FileField 145 初始场为Fibermode时的结果 146 初始场为Gaussian 高斯 场时的结果 147 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 148 149 模式场 150 初始场设置 151 152 TEmode计算结果 x polarizedstate 153 TMmode计算结果 Y polarizedstate 154 耦合器场分布变化 155 耦合长度对比显示 在绘图文件中添加相应命令 156 两偏振态的耦合长度对比 157 4模拟实例 基于光子晶体光纤结构的模式转换器 光纤模式转换器是一种实现光纤中不同模式场之间转换的器件目前在通信 传感等领域应用最广的是单模光纤 而在一些特殊应用 如色散补偿 大模场传输 等领域 也存在以高阶模而非基模形式进行传输的特殊光纤光纤模式转换器即是用于实现不同模式场之间转换的一种器件 158 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 159 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 160 一 新型光子晶体光纤模式转换器 Ming YangChenandJunZhou Modeconverterbasedonmodecouplinginanasymmetricdual corephotoniccrystalfibre J Opt A PureAppl Opt 10 2008 115304 4pp 161 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 162 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 163 模式转换过程 动画 a L 0 b L 1 3Lc c L 2 3Lc d L Lc 164 大纤芯输出能量的光谱曲线 165 损耗和偏振特性 166 分析过程 一 模式有效折射率计算 二 耦合长度确定 三 性能分析 167 分析过程 一 模式有效折射率计算1 生成波导结构2 调整结构参数3 调整计算参数4 扫描获得结构 168 分析过程 二 耦合长度确定 1 计算两纤芯的模式场 2 设置耦合器的初始场为文件场 3 设置文件型监视器 4 计算获得耦合长度 169 分析过程 三 性能分析 1 扫描法获得 2 结果显示和调整 170 根据模式耦合理论 只有当两纤芯的模式有效折射率匹配 相等 才能实现模式间强的转换 二 宽带光纤模式转换器 171 宽带光纤模式转换器 调整结构参数 得到一组优化的结构参数 d1 0 75 d2 d3 0 3 1 0 003 172 传输曲线 173 模式转换过程 174 在传输损耗小于0 5dB时 其带宽可达160nm且偏振相关损耗小于0 28dB 175 三 基于双芯光子晶体光纤的光纤偏振器 176 一 光纤偏振器原理及其应用领域 光纤偏振器原理 光纤偏振器是设法只保留其中一个偏振模而消除另外一个偏振模的一种器件 器件优点 体积小 质量轻 易于连接 相对传统上的偏振器 应用领域 光纤传感 光纤通信等 177 二 双芯光子晶体光纤偏振分束器 L ZhangandC YangOpt Express2003 11 9 1015 1020 早先 人们提出了基于对称高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器 178 LorenzoRosa FedericaPoli MatteoForoni etal Opt Letters2006 31 4 443 近期 人们提出一种基于三芯的正方结构光子晶体光纤偏振分束器 179 三 设计思路及结构模型