改进的全矢量有效折射率方法分析光子晶体光纤的色散特性

得到了全矢量有效折射率方法中归一化等效纤芯半径(p/Λ)随归一化空气孔直径(d/Λ)和归一化频率(Λ/λ)的变化关系，修正了p/Λ为固定值的不合理取法，得到了改进的全矢量有效折射率方法(IFVEIM).用IFVEIM计算的基模有效折射率和总色散等模式特性与多极法的结果和试验值相比较都具有很好的一致性，将基模有效折射率的误差减小了2—3个数量级.用IFVEIM详细地分析了光子晶体光纤的色散特性，得到了色散值、波长、孔间距、d/Λ之间的相互变化关系. 关键词： 光子晶体光纤 有效折射率方法 等效纤芯半径 色散     

混合导引型光子晶体光纤中纤芯折射率相关的导光特性研究

利用全矢量有限元法研究了一种混合导引型光子晶体光纤在纤芯折射率改变时,光纤导光机理和模式的演变特性.当纤芯折射率小于混合包层中空气孔包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"双带隙导引型";当纤芯折射率位于空气孔和高折射率两套包层的有效折射率之间时,芯模的导光机理为"单带隙+全内反射导引型";当纤芯折射率大于高折射率棒包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"全内反射导引型".并对该光纤在上述三种条件下的导光特性进行了比较和讨论.这些结果对设计特殊用途的光子晶体光纤具有指导意义. 关键词： 混合导引型光子晶体光纤 带隙 模式     

光子晶体光纤的耦合分析

利用等效折射率模型对光子晶体光纤与普通单模光纤的耦合情况进行了分析,并用有限元分析模型对等效折射率法得到的模场半径随着跨距的增大而增大的模场特性进行了验证,得到了当光子晶体光纤的填充比固定时,随着跨距的增大,耦合损耗会随之减小到最小值,然后又再度增大这一结论.并通过合理地选择光子晶体光纤的填充比以及跨距来提高耦合效率.     

八边形结构的双折射光子晶体光纤

提出一种新型的双折射光子晶体光纤,在正八边形的基础上改变纤芯附近的几个空气孔的直径产生双折射.利用多极法对该光纤基模的模场分布、色散、限制损耗及双折射特性进行数值分析,并且分析了一些参数对双折射的影响.计算了具有相同参数的六边形结构光子晶体光纤的色散系数、限制损耗及双折射率.研究表明,具有相同参数的八边形结构光子晶体光纤比六边形结构光子晶体光纤的双折射率明显提高,限制损耗大幅度减小,零色散波长也向短波方向移动. 关键词： 光子晶体光纤 双折射 色散 限制损耗     

一种新型的多包层光子晶体光纤的分析方法

传统有效折射率方法只能模拟具有相同空气孔大小的单包层光子晶体光纤.针对这一问题,提出了一种改进的有效折射率法,能够计算具有不同孔径的多包层光子晶体光纤的传输特性.并用此方法对三包层光子晶体光纤的基模有效折射率和色散等特性进行了数值模拟,结果与多极法模拟出的结果符合得很好.这种改进的有效折射率法拓展了传统有效折射率法的适用范围,对快速准确地分析和设计具有不同传输特性的多包层光子晶体光纤提供了理论依据. 关键词： 光子晶体光纤 多包层 有效折射率方法 色散     

大模面积掺Yb~(3+)七芯光子晶体光纤的设计

要提高七芯光子晶体光纤激光器的输出功率,必须要增大七芯光子晶体光纤的有效模面积,并且需要纤芯间具有较强的耦合作用,以保证各纤芯输出的光束保持同相位。为了更直观的分析七芯光子晶体光纤的有效模场面积和纤芯间耦合强度的关系,根据七芯光子晶体光纤7个超模的特征,给出了七芯光子晶体光纤耦合长度的一种计算方法。利用多极法和有限差分光束传播法分析了七芯光子晶体光纤的结构对有效模场面积和耦合长度的影响。通过优化七芯光子晶体光纤的结构,设计了一种外层空气孔较大,内层空气孔较小的七芯光子晶体光纤,其有效模场面积高达3703μm2,耦合长度仅为13310μm。     

液芯高双折射率光子晶体光纤的特性研究

设计了一种纤芯区域由中心椭圆缺陷孔和其横排的上下两侧椭圆孔组成的高双折射率光子晶体光纤,并在其纤芯中心椭圆缺陷孔中填充高折射率液体物质二硫化碳.利用有限元法分析了该光子晶体光纤的双折射率、功率限制因子、模场分布及色散系数特性.研究结果表明:液芯光纤具有较高的纤芯功率限制因子,在波长0.6~1.6μm范围内实现了宽带大负色散系数,在波长1.55μm处光纤双折射率达到了6.8×10-2,即该结构液芯光子晶体光纤同时实现了宽带大负色散和高双折射率特性.通过结构参量容差性分析得到该光纤具有较好的偏振稳定性.     

一种晶体光纤基模色散特性的矢量法分析

利用矢量有效折射率方法(矢量法)对光子晶体光纤基模的色散特性进行了数值模拟，并与双正交归一基矢量法以及标量有效折射率方法(标量法)的模拟结果进行了对比.发现所用矢量法的结果与双正交归一基矢量法的结果符合很好，而标量法在低空气填充率f或较高归一化波数A/λ时是一种较好的近似，在空气填充率f较高或归一化波数A/λ较低时，要得到精确的结果必须利用矢量法对光子晶体光纤的特性进行模拟.讨论了光子晶体光纤包层有效折射率与光纤结构的关系. 关键词： 光子晶体光纤 矢量法 有效折射率 色散     

光纤纤芯及包层模有效折射率计算及仿真

光纤结构设计、模间色散求解、光纤光栅模式耦合等问题的研究, 都需要对光纤纤芯及包层模的有效折射率进行精确计算. 本文以光纤三层结构模型为基础, 结合该模型下的模式本征方程, 使用截弦法求解了纤芯模有效折射率, 并将计算结果与COMSOL软件模拟的对应纤芯模的传输光场进行对比, 验证了计算结果正确.使用区间遍历算法对包层模有效折射率进行了求解, 与已有的传统方法相比, 该方法可以有效防止求解过程中根的遗漏、避免特征方程产生的奇点, 并能保证模式的正规性.本文采用Mathematica软件对求解过程进行仿真, 获得了纤芯模和包层模有效折射率与波长关系曲线. 关键词： 光纤传输模式 有效折射率 截弦法 区间遍历算法     

光子晶体光纤接续损耗的理论分析

基于超格子构造法,采用全矢量模型计算了光子晶体光纤的模场半径,由此出发理论分析了光子晶体光纤与普通单模光纤之间接续损耗分别受横向偏移、轴向倾斜以及模场不匹配的影响,给出了光子晶体光纤在部分常用结构参量区域{Λ,d/Λ}内与SMF-28接续损耗的理论值,讨论了光子晶体光纤各结构参量与接续损耗之间的关系。并简要分析了不同结构光子晶体光纤之间的接续损耗。结果表明,接续损耗对横向偏移和轴向倾斜都非常敏感;孔距是决定接续损耗大小最主要的因素;与普通单模光纤接续,当光子晶体光纤的孔距比该单模光纤纤芯半径大一些时,接续损耗比较小;两种不同结构光子晶体光纤之间的接续损耗大小最主要取决于它们孔距的差异。     

Solution of the fundamental space-filling mode of photonic crystal fibers: numerical method versus analytical approaches

The accuracy of the solution of the fundamental space-filling mode of photonic crystal fibers by scalar and vectorial analytical approaches and its effect on the effective index models are investigated. Using a plane wave method as a benchmark, we show that the optimal choice of the radius of the equivalent circular unit cell used in the approximations is different for the two approaches and this value has a great effect on the accuracy of the solution of the fundamental space-filling mode. We also show that the vectorial approach with a properly defined value of the radius is highly accurate over a wide parameter range, whereas the scalar approach causes the main error in the scalar effective index model. We also confirm that a fully vectorial effective index model is accurate and efficient in the case of photonic crystal fibers with large air filling fractions. PACS 42.25.Bs; 42.70.Qs; 42.81.Qb     

二维空气环型光子晶体的负折射成像特性

采用平面波展开法和时域有限差分法研究了由空气环组成的二维三角晶格光子晶体平板的负折射成像特性.研究结果表明对于外半径为 0.4 a,内半径 0—0.13a的空气环型光子晶体,第二能带中归一化频率为 0.3 的电磁波可以实现有效折射率为-1的负折射成像.通过光子晶体有效折射率的计算,得到了有效折射率为-1的电磁波频率随空气环内径由0—0.2 a变化的规律,并由对应等频曲线的变化解释了结构参数对光子晶体平板成像的影响. 关键词： 光子晶体 空气环 负折射 等频曲线     

双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究

为了提升氮化镓(GaN)蓝光发光二极管(LED)光提取效率, 设计了双层光子晶体LED模型. 提出等效折射率近似方法, 简化求解了结构中的介质波导模式分布. 从而对模型中顶层光子晶体刻蚀深度d, 嵌入式光子晶体厚度T及其距有源层距离D等结构参数进行了优化. 同时利用时域有限差分方法对优化结果进行了验证. 相比其他仿真方法, 模式分析极大地减少了对LED建模优化的计算复杂度, 同时从理论上阐明了不同结构参数变化引起LED光提取效率改变的原因. 研究发现, 当顶层光子晶体满足d ≈ λ / n_PhCs 时, 结构内大部分高阶导模尚未被截断但源区能量向低阶导模的转化被有效抑制, 光提取效率给出极大值. 嵌入式光子晶体的引入将激发覆盖层模式, 当满足100 nm≤ T ≤ 300 nm且100 nm≤ D ≤ 200 nm 时, 覆盖层模式可以从有源层获得较大能量并有效地与顶层光子晶体耦合, 极大地提升了光提取效率. 本文优化结果使得LED光提取效率提升了4倍, 对高性能GaN蓝光LED的设计制造具有重要意义.     

中红外高保偏硫系玻璃双芯光子晶体光纤耦合特性研究

设计了一种中红外硫系玻璃双芯光子晶体光纤,利用多极法和模式耦合基本理论研究了这种光纤的耦合特性.数值模拟发现,空气孔间距Λ = 5.4 μm,空气孔半径为r = 1.35 μm,空气填充率d/Λ = 0.5的光纤,在归一化波长λ/Λ = 2.04 μm处双折射可以达到0.551×10^-2,在归一化波长λ/Λ = 0.93 μm处x偏振方向的耦合长度为145.32 μm,y偏振方向的耦合长 关键词： 双芯光子晶体光纤 硫系玻璃 双折射 耦合长度     

空芯光子带隙光纤纤芯-包层交界面的设计

利用平面波展开法计算了圆六边形空气孔按三角形排列的光子晶体带隙,基于带隙图设计了移去7根玻璃毛细管形成纤芯、传输波长λ=1.55 μm的空芯光子带隙光纤的结构参量.随后利用全矢量有限元法计算了所设计的在纤芯-包层交界面处引入石英环的光纤,给出了在不同半径情况下沿z轴方向的光强分布、光强等高线分布图和损耗随引入石英环相对厚度的变化曲线.得出了光纤消除表面模、减小损耗的纤芯外半径取值范围为1.55Λ～1.7Λ,石英环的相对厚度取值范围为1.3～1.5或3.4～3.8.通过分析发现石英环的引入既可以抑制表面模也可以激发表面模,抑制还是激发有赖于纤芯外半径和石英环厚度的选择.     

Optical sensing characteristics of the photonic crystal fiber filled with magnetic fluid

A novel photonic crystal fiber sensing theory filled with magnetic fluid is proposed based on the change of the MF refractive index under varied magnetic field. The magnetically induced tuning of the magnetic fluid filled PCF propagation properties were investigated by the full-vector finite element method with a perfectly matched layer. Theoretical calculations show that both the effective refractive index and the effective mode area increase vs. the increased magnetic field, and the PCF filled MF with larger d/Λ is more sensitive to magnetic field. When the wavelength λ = 1550 nm, the duty ratio d/Λ = 0.9, d/Λ = 0.6, the effective refractive indexes increase respectively from 1.598279 to 1.617572, from 1.61948 to 1.632484, and the effective mode areas increase respectively from 3.561115 μm² to 7.052360 μm², from 6.167494 μm² to 37.221998 μm² as the magnetic field changes from 25 Oe to 175 Oe. This scheme provides theoretical foundation to use magnetic field to control light in photonic crystal fiber and also offers a potential method for magnetic field sensing based on the TIR-PCF.     

Dispersion Properties of Photonic Crystal Fiber: Comparison by Scalar and Fully Vectorial Effective Index Methods

The development of analysis and simulation of propagation characteristics of photonic crystal fiber (PCF) using scalar and fully vectorial effective index methods are described. As a result, we report how the fundamental space filling mode, guided mode and dispersion of the PCF depends on its structural parameters like its normalized air hole spacing, center-to-center spacing of the air holes in the photonic crystal or pitch and radius of the unit cell. Normalized frequency parameter V_eff as a function of normalized wavelength for various relative air hole sizes is obtained to estimate the dispersion characteristics of PCF. It is observed that wavelength of zero dispersion, ultraflattened dispersion response and high negative dispersion remarkably differ from two different effective index methods.