光子晶體光纖仿真的案例
基于Rsoft的三芯光子晶體光纖數(shù)值仿真
Rsoft是專(zhuān)門(mén)做光子晶體光纖仿真軟件，可以通過(guò)utility里面的Arrary Layout 來(lái)創(chuàng)建三維光子晶體光纖。建立三維模型時(shí)在Dimens中選擇選擇2Dxy。選擇BeamPROP模塊的波束包絡(luò)法對(duì)三芯光子晶體光纖進(jìn)行仿真，圖1為仿真模型，背景為熔融二氧化硅材料，紅色柱體為氣孔，黃色柱體為纖芯。中間纖芯為定為纖芯1，左邊纖芯定為纖芯2，右邊纖芯定為纖芯3。仿真時(shí)，光源的Type選擇為Fiber Mode，然后分別對(duì)1、2、3的纖芯路徑的能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖1 三芯光子晶體光纖建模圖
如圖2,為三芯PCF的縱向功率分布圖，光源從纖芯1輸入波長(zhǎng)為1550nm的光，通過(guò)仿真可以看出纖芯1的能量在向纖芯2、纖芯3耦合。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)可以從數(shù)值仿真結(jié)果中得出纖芯2、纖芯3耦合的能量相同。當(dāng)給PCF一個(gè)彎曲量時(shí)纖芯2、纖芯3的能量曲線就不會(huì)重合。這是因?yàn)榫嚯x發(fā)生了改變。
圖2 縱向功率分布圖
圖3為模場(chǎng)分布圖，在開(kāi)始傳輸時(shí)纖芯1的能量高，然后能量會(huì)耦合到另外兩個(gè)纖芯上。從圖3中可以看出能模態(tài)在纖芯間的耦合。
圖3 模場(chǎng)分布圖
通過(guò)軟件中的仿真1330~1700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)纖芯1的透射光譜，仿真得到透射光譜有明顯的對(duì)比度。并且可以選擇波谷作為傳感的參考點(diǎn)，可以進(jìn)一步做溫度，磁場(chǎng)，曲率等的仿真，為實(shí)驗(yàn)提供理論支撐。
圖4 透射光譜
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公眾號(hào):320科技工作室
展開(kāi) Ansys Lumerical | 光子晶體布拉格光纖仿真應(yīng)用
01 說(shuō)明
FDE求解器可用于精確計(jì)算任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計(jì)算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶體布拉格光纖的模式。
02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個(gè)參數(shù)化組對(duì)象，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。最初，在x-min和y-min處使用反對(duì)稱(chēng)邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設(shè)置模擬。反對(duì)稱(chēng)邊界條件允許我們僅模擬1/4的結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省時(shí)間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對(duì)稱(chēng)條件或?qū)ΨQ(chēng)和反對(duì)稱(chēng)條件的組合的重要模式。
03 運(yùn)行和結(jié)果
首先，我們運(yùn)行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導(dǎo)模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標(biāo)系中的Hr圖。
要研究此類(lèi)結(jié)構(gòu)的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設(shè)置為PML，如下所示。我們最初沒(méi)有這樣做，因?yàn)樗鼤?huì)增加計(jì)算時(shí)間，并且會(huì)更難找到導(dǎo)模的有效折射率。當(dāng)我們重新計(jì)算模式時(shí)，我們可以查看折射率0.998附近并發(fā)現(xiàn)不同的模式。
軟件會(huì)計(jì)算出將近20種模式。
模式7是
模式8是
上圖顯示了磁場(chǎng)的徑向和角分量，可以與Uranus等人的結(jié)果進(jìn)行比較，我們將有效折射率和損耗與Uranus等人的結(jié)果進(jìn)行比較。
MODE有效折射率結(jié)果與Uranus等人的結(jié)果非常接近。對(duì)于這種對(duì)數(shù)值網(wǎng)格的微小變化（以及實(shí)際制造缺陷）非常敏感的結(jié)構(gòu)，計(jì)算損耗則更加困難，并且需要進(jìn)行一些收斂測(cè)試才能找到更準(zhǔn)確的結(jié)果。
收斂測(cè)試
我們首先將感興趣的兩種模式復(fù)制到全局DECK中，并將它們重命名為T(mén)E和HE，如下所示。
現(xiàn)在可以通過(guò)運(yùn)行優(yōu)化和掃描來(lái)測(cè)試收斂性。掃描通過(guò)增加網(wǎng)格數(shù)目來(lái)多次計(jì)算模態(tài)。
展開(kāi) Lumerical光子晶體布拉格光纖仿真應(yīng)用
01 說(shuō)明
FDE求解器可用于精確計(jì)算任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計(jì)算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶體布拉格光纖的模式。
02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個(gè)參數(shù)化組對(duì)象，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。最初，在x-min和y-min處使用反對(duì)稱(chēng)邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設(shè)置模擬。反對(duì)稱(chēng)邊界條件允許我們僅模擬1/4的結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省時(shí)間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對(duì)稱(chēng)條件或?qū)ΨQ(chēng)和反對(duì)稱(chēng)條件的組合的重要模式。
03 運(yùn)行和結(jié)果
首先，我們運(yùn)行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導(dǎo)模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標(biāo)系中的Hr圖。
要研究此類(lèi)結(jié)構(gòu)的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設(shè)置為PML，如下所示。我們最初沒(méi)有這樣做，因?yàn)樗鼤?huì)增加計(jì)算時(shí)間，并且會(huì)更難找到導(dǎo)模的有效折射率。當(dāng)我們重新計(jì)算模式時(shí)，我們可以查看折射率0.998附近并發(fā)現(xiàn)不同的模式。
MODE有效折射率結(jié)果與Uranus等人的結(jié)果非常接近。對(duì)于這種對(duì)數(shù)值網(wǎng)格的微小變化（以及實(shí)際制造缺陷）非常敏感的結(jié)構(gòu)，計(jì)算損耗則更加困難，并且需要進(jìn)行一些收斂測(cè)試才能找到更準(zhǔn)確的結(jié)果。
收斂測(cè)試
我們首先將感興趣的兩種模式復(fù)制到全局DECK中，并將它們重命名為T(mén)E和HE，如下所示。
我們看到，當(dāng)我們達(dá)到500x500網(wǎng)格數(shù)目時(shí)，有效折射率開(kāi)始收斂，但需要更多的網(wǎng)格數(shù)目才能獲得更高的精度。根據(jù)計(jì)算機(jī)上的內(nèi)存量，可以將測(cè)試的最大單元數(shù)增加到 600x600或更多。
展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用：多核光子晶體光纖
在這個(gè)例子中，我們計(jì)算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個(gè)基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個(gè)例子的計(jì)算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內(nèi)。然而，我們要考慮到，由于主導(dǎo)波區(qū)域的折射率并不比外部大，輻射會(huì)泄漏到計(jì)算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應(yīng)用到布局的外部邊界。
輸入文件所需的基本參數(shù)在基本示例傳播模式中進(jìn)行了描述。作為有效折射率的初始猜想，我們?nèi)≈禐閚eff=1.456略低于纖維材料折射率的值neff=1.4585.
下面的圖像顯示了對(duì)選擇的光纖計(jì)算后的模式強(qiáng)度：
在目前的PCF例子中，為了減少計(jì)算成本，應(yīng)用切向磁邊界條件似乎是合理的，因?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對(duì)稱(chēng)性允許我們將計(jì)算域的大小減少到四分之一。
展開(kāi) 
JCMsuite應(yīng)用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來(lái)創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡(jiǎn)單的圓、平行四邊形等表示，或者類(lèi)似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來(lái)描述幾何對(duì)象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀。其幾何結(jié)構(gòu)為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
計(jì)算得到的空心模式是雙重簡(jiǎn)并的。下圖顯示了計(jì)算得出的模態(tài)強(qiáng)度(第一行)和相應(yīng)的向量場(chǎng)分布(第二行)。
在run_project.m腳本內(nèi)將模板轉(zhuǎn)換為常規(guī)的JCMsuite輸入文件，網(wǎng)格劃分并布局，并運(yùn)行模擬。此外，腳本將結(jié)果結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的特征值寫(xiě)入控制臺(tái)。
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
這個(gè)例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個(gè)“t”作為對(duì)應(yīng)模板的后綴。模板被設(shè)計(jì)成這樣一種方式，只需要定義幾個(gè)用戶(hù)定義的參數(shù)，如圓角、周期、包層環(huán)的數(shù)量等，就可以生成復(fù)雜的布局描述。這些主要的輸入?yún)?shù)是在run_project中設(shè)置的。m腳本。當(dāng)它在Matlab中執(zhí)行時(shí)，命令:
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復(fù)雜的文件。因此，可以將JCMsuite語(yǔ)句和Matlab語(yǔ)句進(jìn)行混合，例如，計(jì)算孔隙的點(diǎn)位置。Matlab循環(huán)允許在位移位置或修改形狀生成多個(gè)對(duì)象。
展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來(lái)創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡(jiǎn)單的圓、平行四邊形等表示，或者類(lèi)似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來(lái)描述幾何對(duì)象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀。其幾何結(jié)構(gòu)為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
顯然，這個(gè)描述很難“手工”完成，輸入所有點(diǎn)的坐標(biāo)。相反，在JCMsuite的Matlab?接口的幫助下，建立一個(gè)復(fù)雜的幾何圖形和模擬運(yùn)行完成。
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復(fù)雜的文件。因此，可以將JCMsuite語(yǔ)句和Matlab語(yǔ)句進(jìn)行混合，例如，計(jì)算孔隙的點(diǎn)位置。Matlab循環(huán)允許在位移位置或修改形狀生成多個(gè)對(duì)象。關(guān)于該機(jī)制的完整描述可以在Matlab?Interface中找到，并且超出了本例的范圍，本例僅用于演示嵌入式腳本的能力。
這個(gè)例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個(gè)“t”作為對(duì)應(yīng)模板的后綴。模板被設(shè)計(jì)成這樣一種方式，只需要定義幾個(gè)用戶(hù)定義的參數(shù)，如圓角、周期、包層環(huán)的數(shù)量等，就可以生成復(fù)雜的布局描述。這些主要的輸入?yún)?shù)是在run_project中設(shè)置的。m腳本。當(dāng)它在Matlab中執(zhí)行時(shí)，命令:
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
在run_project.m腳本內(nèi)將模板轉(zhuǎn)換為常規(guī)的JCMsuite輸入文件，網(wǎng)格劃分并布局，并運(yùn)行模擬。此外，腳本將結(jié)果結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的特征值寫(xiě)入控制臺(tái)。
計(jì)算得到的空心模式是雙重簡(jiǎn)并的。
展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用：多核光子晶體光纖
在這個(gè)例子中，我們計(jì)算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個(gè)基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個(gè)例子的計(jì)算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內(nèi)。然而，我們要考慮到，由于主導(dǎo)波區(qū)域的折射率并不比外部大，輻射會(huì)泄漏到計(jì)算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應(yīng)用到布局的外部邊界。
下面的圖像顯示了對(duì)選擇的光纖計(jì)算后的模式強(qiáng)度：
在目前的PCF例子中，為了減少計(jì)算成本，應(yīng)用切向磁邊界條件似乎是合理的，因?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對(duì)稱(chēng)性允許我們將計(jì)算域的大小減少到四分之一。
展開(kāi) 光子晶體光纖環(huán)偏振耦合強(qiáng)度溫度特性實(shí)驗(yàn)研究
摘要 以光子晶體光纖環(huán)為研究對(duì)象，利用白光干涉儀測(cè)試了不同溫度下保偏光子晶體光纖環(huán)和普通保偏光纖環(huán)內(nèi)部的偏振交叉耦合強(qiáng)度分布，分析了光纖環(huán)中固定耦合點(diǎn)不同溫度下的偏振耦合強(qiáng)度變化。結(jié)果表明，在 -40 ℃~50 ℃的溫度條件下，保偏光子晶體光纖環(huán)偏振耦合強(qiáng)度最大變化率為0.97%；普通保偏光纖環(huán)偏振耦合強(qiáng)度的變化率為4.71%，約為保偏光子晶體光纖環(huán)的5倍。實(shí)驗(yàn)研究證明，光子晶體光纖環(huán)的偏振交叉耦合強(qiáng)度溫度穩(wěn)定性高于普通保偏光纖環(huán)的偏振交叉耦合強(qiáng)度的溫度穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞 相干光學(xué)；溫度特性；白光干涉法；偏振耦合強(qiáng)度；光子晶體光纖環(huán)
1 引 言
近年來(lái)，由于光子晶體光纖（PCF）具有高雙折射、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等諸多優(yōu)于傳統(tǒng)光纖的優(yōu)點(diǎn)，其在光纖傳感領(lǐng)域尤其是光纖陀螺上的應(yīng)用已經(jīng)逐步成為研究熱點(diǎn)，并引起了國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)的高度重視。
偏振誤差是陀螺中主要的非互易相位誤差，光纖環(huán)中的偏振交叉耦合情況是引起偏振誤差的因素之一，其穩(wěn)定性影響陀螺的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。近幾年，各研究單位分別對(duì)保偏光纖環(huán)偏振耦合強(qiáng)度的溫度穩(wěn)定性、雙折射色散對(duì)偏振耦合強(qiáng)度的影響
等進(jìn)行了研究。在光子晶體光纖方面，北京航空航天大學(xué)的Ma等測(cè)試了全溫條件下雙折射的溫度特性。目前，對(duì)于光子晶體光纖環(huán)內(nèi)偏振交叉耦合強(qiáng)度的溫度穩(wěn)定
性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。
本文利用白光干涉儀（OCDP）對(duì)采用四極對(duì)稱(chēng)繞法繞制的光子晶體光纖環(huán)和普通保偏光纖環(huán)在不同溫度下的偏振交叉耦合分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
2 測(cè)量原理
基于白光干涉儀的白光干涉法（一種光學(xué)相干域的偏振測(cè)試技術(shù)）可實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)對(duì)稱(chēng)性的分析、光纖環(huán)內(nèi)部偏振交叉耦合的分布測(cè)量[。白光干涉儀(OCDP)采用白光干涉原理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)緊湊光學(xué)元件的理想材料。功能可能包括激光器、開(kāi)關(guān)或放大器。在案例中，計(jì)算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個(gè)被空氣包圍的薄介質(zhì)膜和在一個(gè)規(guī)則的、有限的、六邊形網(wǎng)格上穿孔的圓孔組成。對(duì)于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個(gè)孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)有三個(gè)對(duì)稱(chēng)平面(x=0, y=0, z=0)，計(jì)算區(qū)域選擇為全結(jié)構(gòu)的1/8，在對(duì)稱(chēng)平面上采用鏡像邊界條件。
部分網(wǎng)格離散L5空腔幾何形狀(藍(lán)色:介質(zhì)材料，灰色&省略區(qū)域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內(nèi)波長(zhǎng)的光場(chǎng)被定位在腔內(nèi)。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運(yùn)行腳本run_project.m中，從計(jì)算出的特征值出發(fā)，推導(dǎo)出計(jì)算模式的共振波長(zhǎng)以及模式的質(zhì)量因子(Q因子)。
計(jì)算的特征模態(tài)可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
x-z截面基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)緊湊光學(xué)元件的理想材料。功能可能包括激光器、開(kāi)關(guān)或放大器。在案例中，計(jì)算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個(gè)被空氣包圍的薄介質(zhì)膜和在一個(gè)規(guī)則的、有限的、六邊形網(wǎng)格上穿孔的圓孔組成。對(duì)于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個(gè)孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)有三個(gè)對(duì)稱(chēng)平面(x=0, y=0, z=0)，計(jì)算區(qū)域選擇為全結(jié)構(gòu)的1/8，在對(duì)稱(chēng)平面上采用鏡像邊界條件。
部分網(wǎng)格離散L5空腔幾何形狀(藍(lán)色:介質(zhì)材料，灰色&省略區(qū)域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內(nèi)波長(zhǎng)的光場(chǎng)被定位在腔內(nèi)。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運(yùn)行腳本run_project.m中，從計(jì)算出的特征值出發(fā)，推導(dǎo)出計(jì)算模式的共振波長(zhǎng)以及模式的質(zhì)量因子(Q因子)。
計(jì)算的特征模態(tài)可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
x-z截面基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
展開(kāi) 基于Lumerical的光子晶體諧振腔濾波器仿真模擬
波分復(fù)用技術(shù)是大容量光纖通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，而濾波器是實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的關(guān)鍵器件。教程介紹利用FDTD搭建二維光子晶體諧振腔濾波器模型，并通過(guò)仿真求解特定尺寸構(gòu)型下的諧振腔共振模式以及帶寬等參數(shù)。本案中仿真260nm厚度下的嵌有三角晶格陣列的納米孔二維光子晶體諧振腔，仿真波長(zhǎng)1000~1400nm。
1. 構(gòu)建模型
添加三角晶格的納米孔：
納米孔的構(gòu)造通過(guò)structure腳本實(shí)現(xiàn)。此處略去了中心兩圈的納米孔，引入光子晶體缺陷，從而有效形成諧振腔。三角晶格常數(shù)為366nm。孔半徑為135.42nm。
2. 添加網(wǎng)格
設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，如下圖所示：
注意本案中由于采用三角網(wǎng)格，便于操作與剖分，將默認(rèn)正方網(wǎng)格屬性更改為菱形，如下
點(diǎn)擊該控件，繼續(xù)編輯，參數(shù)設(shè)置如下
60是設(shè)置相交的兩條網(wǎng)格線的夾角，從而形成菱形。注意網(wǎng)格尺寸這里與晶格大小保持一致，均為366nm。
3. 設(shè)置仿真區(qū)域FDTD
點(diǎn)擊控件region，添加FDTD區(qū)域
設(shè)置FDTD參數(shù)，如下
上圖FDTD 邊界條件設(shè)定中，特定在 z min bc 處設(shè)為symmetry，對(duì)稱(chēng)模式，因?yàn)檎麄€(gè)模型在z方向是對(duì)稱(chēng)的，因此為了節(jié)約計(jì)算機(jī)仿真時(shí)間，可以這樣便捷設(shè)定。
4. 添加偶極子云dipole cloud
Lumerical 一大優(yōu)勢(shì)是很多分析方法可以通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)。上述控件添加了交互界面，實(shí)現(xiàn)偶極子云的添加，輸入光源。通過(guò)對(duì)話(huà)框輸入可編輯變量，變量的屬性，變量的值等。這些變量后續(xù)在代碼中需要調(diào)用。注意這里的偶極子位置是隨機(jī)分布的，通過(guò)運(yùn)行生產(chǎn)代碼，從而形成偶極子云。
5.
展開(kāi) 
基于Lumerical fdtd進(jìn)行無(wú)序光子晶體波導(dǎo)的仿真設(shè)計(jì)及優(yōu)化
光子晶體是一類(lèi)通過(guò)不同折射率介質(zhì)周期性的排列而形成的具有光波長(zhǎng)量級(jí)的周期性人工微型結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)晶體來(lái)說(shuō)，由于介電函數(shù)的周期性分布，光子晶體也會(huì)產(chǎn)生一些類(lèi)似于傳統(tǒng)晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無(wú)法傳播。我們?cè)谕暾?em>光子晶體陣列中引入線缺陷可以構(gòu)造出光子晶體波導(dǎo)，光子波導(dǎo)由于傳播低損耗和體積小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于器件之后，在未來(lái)光通信領(lǐng)域有很大的前景。光子晶體在實(shí)際制備過(guò)程中由于不可避免的無(wú)序效應(yīng)而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學(xué)器件的性能，但是在光子器件、隨機(jī)激光器、太陽(yáng)能電池等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，研究無(wú)序光子晶體結(jié)構(gòu)中光傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)序光子晶體的光傳輸特性的有效應(yīng)調(diào)控，這無(wú)論在理論上還是應(yīng)用上都具有非常深遠(yuǎn)的意義。
當(dāng)光機(jī)晶體波導(dǎo)里面有缺陷時(shí)，通過(guò)介質(zhì)傳播的波會(huì)經(jīng)歷多次散射。當(dāng)波長(zhǎng)大于散射中心的大小時(shí)，散射體間距離相對(duì)較大，稱(chēng)為弱散射。 在弱散射狀態(tài)下，波傳播是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴(kuò)散常數(shù)ξ來(lái)描述。如果散射量足夠大，則擴(kuò)散常數(shù)ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為安德森局域化。光子晶體在制作過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結(jié)構(gòu)無(wú)序，結(jié)構(gòu)無(wú)序主要有空氣孔大小無(wú)序、位置無(wú)序和旋度無(wú)序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導(dǎo)的光傳輸特性隨無(wú)序程度變化的情況，進(jìn)而得出無(wú)序效應(yīng)對(duì)二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無(wú)序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導(dǎo)具有引人注目的光傳輸性質(zhì)。
在這項(xiàng)工作中，六邊形光子晶體晶格結(jié)構(gòu)采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們?cè)谄吲?em>光子晶體中部引入線缺陷，同時(shí)在線缺陷兩端設(shè)計(jì)三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設(shè)計(jì)成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當(dāng)量子點(diǎn)。
展開(kāi) Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
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展開(kāi) JCMsuite應(yīng)用—單光子光源耦合至光纖
在本示例中，我們考慮將單個(gè)光子發(fā)射器耦合到光纖中。 有關(guān)系統(tǒng)和數(shù)值方法的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。
單光子源由一個(gè)嵌入在砷化鎵(GaAs)中制成的球形微透鏡中的量子點(diǎn)(QD)組成。底層的布拉格多層結(jié)構(gòu)將量子點(diǎn)發(fā)出的光反射回上半球。光被耦合到量子點(diǎn)上方的光纖中，該光纖由均勻的光纖芯和光纖包層組成(見(jiàn)下圖)。
計(jì)算利用了設(shè)置的徑向?qū)ΨQ(chēng)性。 因此，透鏡的形狀可以通過(guò)文件 layout.jcm 中定義的扇形和平行四邊形之間的布爾交集來(lái)創(chuàng)建。
對(duì)于光纖模式計(jì)算，可以從文件fiber_modes/layout.jcm中的完整系統(tǒng)布局中提取光纖橫截面的幾何形狀。
耦合效率的確定分三步進(jìn)行：
1. 首先，確定光纖的傳播模式；
2. 接下來(lái)，必須模擬量子點(diǎn)發(fā)射的場(chǎng)。 與微透鏡內(nèi)的波長(zhǎng)相比，量子點(diǎn)的延伸相對(duì)較小。 因此可以將其建模為類(lèi)點(diǎn)狀偶極源；
3. 最后，確定傳播光纖模式和發(fā)射場(chǎng)之間的重疊積分。 耦合效率由重疊量除以偶極子發(fā)射的總功率得到。 偶極子發(fā)射和重疊積分可以通過(guò)文件 project.jcmp 中定義的兩個(gè)后處理偶極發(fā)射和模態(tài)重疊獲得：
下圖顯示了對(duì)基本光纖模式和珀塞爾系數(shù) [*] 作為透鏡直徑 和光纖芯直徑 的函數(shù)的耦合效率的掃描。
展開(kāi) 基于Lumerical FDTD的等離子體光子晶體分析
等離子體光子晶體是等離子體和介質(zhì)或真空構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)。通過(guò)Lumerical FDTD軟件可以實(shí)現(xiàn)分析等立體光子晶體的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)帶隙的影響。
目標(biāo)結(jié)構(gòu)：PPC方形柱體結(jié)構(gòu)
建模步驟：
1. 點(diǎn)擊Material控件，導(dǎo)入等離子體材料
2. 設(shè)置Plasma材料屬性；
3. 點(diǎn)擊Structure控件，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)散射體；
4. 設(shè)置光源，點(diǎn)擊Source控件選擇Plane wave光源。
5. 注意TM波和TE區(qū)別在于polarization angle一個(gè)為90，另一個(gè)為0；
6. 創(chuàng)建FDTD計(jì)算區(qū)域；
7. 對(duì)于二維光子晶體，在建模時(shí)散射體可以為三維，而計(jì)算區(qū)域設(shè)定為二維，三維或二維的設(shè)定取決于FDTD的維度屬性設(shè)置。
8. 插入監(jiān)控板，點(diǎn)擊Monitor下拉選擇下圖所示監(jiān)控板類(lèi)型，設(shè)置監(jiān)控板屬性；
9. 創(chuàng)建剖分網(wǎng)格；
10. 點(diǎn)擊Check控件下拉選擇材料擬合；
11. 針對(duì)Plasma材料進(jìn)行對(duì)應(yīng)頻域的折射率實(shí)部和虛部的擬合；
后處理：
12. 最終透射率結(jié)果展現(xiàn)在監(jiān)控板中，點(diǎn)擊查看T結(jié)果，可以在對(duì)話(huà)框中導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)；
13. 選擇Expert to…輸出透射譜線，建議txt文件格式輸出數(shù)據(jù)。
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