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)