光子晶體光纖的案例
光子晶體光纖環偏振耦合強度溫度特性實驗研究
摘要 以光子晶體光纖環為研究對象，利用白光干涉儀測試了不同溫度下保偏光子晶體光纖環和普通保偏光纖環內部的偏振交叉耦合強度分布，分析了光纖環中固定耦合點不同溫度下的偏振耦合強度變化。結果表明，在 -40 ℃~50 ℃的溫度條件下，保偏光子晶體光纖環偏振耦合強度最大變化率為0.97%；普通保偏光纖環偏振耦合強度的變化率為4.71%，約為保偏光子晶體光纖環的5倍。實驗研究證明，光子晶體光纖環的偏振交叉耦合強度溫度穩定性高于普通保偏光纖環的偏振交叉耦合強度的溫度穩定性。
關鍵詞 相干光學；溫度特性；白光干涉法；偏振耦合強度；光子晶體光纖環
1 引 言
近年來，由于光子晶體光纖（PCF）具有高雙折射、溫度穩定性好、抗輻射能力強等諸多優于傳統光纖的優點，其在光纖傳感領域尤其是光纖陀螺上的應用已經逐步成為研究熱點，并引起了國內外眾多研究機構的高度重視。
偏振誤差是陀螺中主要的非互易相位誤差，光纖環中的偏振交叉耦合情況是引起偏振誤差的因素之一，其穩定性影響陀螺的精度和長期穩定性。近幾年，各研究單位分別對保偏光纖環偏振耦合強度的溫度穩定性、雙折射色散對偏振耦合強度的影響
等進行了研究。在光子晶體光纖方面，北京航空航天大學的Ma等測試了全溫條件下雙折射的溫度特性。目前，對于光子晶體光纖環內偏振交叉耦合強度的溫度穩定
性研究尚未見報道。
本文利用白光干涉儀（OCDP）對采用四極對稱繞法繞制的光子晶體光纖環和普通保偏光纖環在不同溫度下的偏振交叉耦合分布進行了實驗研究。
2 測量原理
基于白光干涉儀的白光干涉法（一種光學相干域的偏振測試技術）可實現光纖環對稱性的分析、光纖環內部偏振交叉耦合的分布測量[。白光干涉儀(OCDP)采用白光干涉原理，其系統結構如圖1所示。
展開 基于Rsoft的三芯光子晶體光纖數值仿真
Rsoft是專門做光子晶體光纖仿真軟件，可以通過utility里面的Arrary Layout 來創建三維光子晶體光纖。建立三維模型時在Dimens中選擇選擇2Dxy。選擇BeamPROP模塊的波束包絡法對三芯光子晶體光纖進行仿真，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，光源的Type選擇為Fiber Mode，然后分別對1、2、3的纖芯路徑的能量進行監測。
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輸入波長為1550nm的光，通過仿真可以看出纖芯1的能量在向纖芯2、纖芯3耦合。因為結構對稱可以從數值仿真結果中得出纖芯2、纖芯3耦合的能量相同。當給PCF一個彎曲量時纖芯2、纖芯3的能量曲線就不會重合。這是因為距離發生了改變。
圖2 縱向功率分布圖
圖3為模場分布圖，在開始傳輸時纖芯1的能量高，然后能量會耦合到另外兩個纖芯上。從圖3中可以看出能模態在纖芯間的耦合。
圖3 模場分布圖
通過軟件中的仿真1330~1700nm波長范圍內纖芯1的透射光譜，仿真得到透射光譜有明顯的對比度。并且可以選擇波谷作為傳感的參考點，可以進一步做溫度，磁場，曲率等的仿真，為實驗提供理論支撐。
圖4 透射光譜
最后,有相關需求歡迎通過公眾號聯系我們.
公眾號:320科技工作室
展開 JCMsuite應用：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創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
顯然，這個描述很難“手工”完成，輸入所有點的坐標。相反，在JCMsuite的Matlab?接口的幫助下，建立一個復雜的幾何圖形和模擬運行完成。
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。關于該機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“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
計算得到的空心模式是雙重簡并的。
展開 JCMsuite應用：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創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
計算得到的空心模式是雙重簡并的。下圖顯示了計算得出的模態強度(第一行)和相應的向量場分布(第二行)。
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。
展開 
JCMsuite應用：多核光子晶體光纖
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(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，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計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。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
輸入文件所需的基本參數在基本示例傳播模式中進行了描述。作為有效折射率的初始猜想，我們取值為neff=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選擇的光纖計算后的模式強度：
在目前的PCF例子中，為了減少計算成本，應用切向磁邊界條件似乎是合理的，因為電場強度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 JCMsuite應用：多核光子晶體光纖
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(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，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計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。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
下面的圖像顯示了對選擇的光纖計算后的模式強度：
在目前的PCF例子中，為了減少計算成本，應用切向磁邊界條件似乎是合理的，因為電場強度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 Ansys Lumerical | 光子晶體布拉格光纖仿真應用
01 說明
FDE求解器可用于精確計算任意復雜結構的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計算并分析了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包含一個參數化組對象，可以進行結構建模。最初，在x-min和y-min處使用反對稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設置模擬。反對稱邊界條件允許我們僅模擬1/4的結構，從而節省時間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對稱條件或對稱和反對稱條件的組合的重要模式。
03 運行和結果
首先，我們運行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標系中的Hr圖。
要研究此類結構的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設置為PML，如下所示。我們最初沒有這樣做，因為它會增加計算時間，并且會更難找到導模的有效折射率。當我們重新計算模式時，我們可以查看折射率0.998附近并發現不同的模式。
軟件會計算出將近20種模式。
模式7是
模式8是
上圖顯示了磁場的徑向和角分量，可以與Uranus等人的結果進行比較，我們將有效折射率和損耗與Uranus等人的結果進行比較。
MODE有效折射率結果與Uranus等人的結果非常接近。對于這種對數值網格的微小變化（以及實際制造缺陷）非常敏感的結構，計算損耗則更加困難，并且需要進行一些收斂測試才能找到更準確的結果。
收斂測試
我們首先將感興趣的兩種模式復制到全局DECK中，并將它們重命名為TE和HE，如下所示。
現在可以通過運行優化和掃描來測試收斂性。掃描通過增加網格數目來多次計算模態。
展開 Lumerical光子晶體布拉格光纖仿真應用
01 說明
FDE求解器可用于精確計算任意復雜結構的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計算并分析了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包含一個參數化組對象，可以進行結構建模。最初，在x-min和y-min處使用反對稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設置模擬。反對稱邊界條件允許我們僅模擬1/4的結構，從而節省時間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對稱條件或對稱和反對稱條件的組合的重要模式。
03 運行和結果
首先，我們運行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標系中的Hr圖。
要研究此類結構的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設置為PML，如下所示。我們最初沒有這樣做，因為它會增加計算時間，并且會更難找到導模的有效折射率。當我們重新計算模式時，我們可以查看折射率0.998附近并發現不同的模式。
MODE有效折射率結果與Uranus等人的結果非常接近。對于這種對數值網格的微小變化（以及實際制造缺陷）非常敏感的結構，計算損耗則更加困難，并且需要進行一些收斂測試才能找到更準確的結果。
收斂測試
我們首先將感興趣的兩種模式復制到全局DECK中，并將它們重命名為TE和HE，如下所示。
我們看到，當我們達到500x500網格數目時，有效折射率開始收斂，但需要更多的網格數目才能獲得更高的精度。根據計算機上的內存量，可以將測試的最大單元數增加到 600x600或更多。
展開 具有多孔光纖的偏振分束器
采用矢量有限元法
應用
? 無源光學
? 單偏振傳輸
? 偏振分束器
? 光子晶體光纖
? 偏振復用
? 色散控制
綜述
設計了一種橢圓-纖芯-圓孔的多孔光纖(EC-CHFs)用于單偏振傳輸[1]。與傳統的圓孔-纖芯-圓孔光纖(CC-CHF)一起，偏振分離器可以將入射CC-CHF的光耦合到支持x偏振模式或y偏振模式的EC-CHF，如下圖所示。
腳本系統生成
優點：
? 矢量有限元法(VFEM)在計算所有電磁場分量和近似幾何方面具有極高的精度，在光子晶體光纖中具有極其重要的意義
? 單軸完美匹配層（UPML）可用于查找泄漏模式。
? 三角形網格大小可用于精確近似電磁場和波導幾何形狀。
? 針對具有一定對稱性的模態，利用波導的對稱性，可以縮小仿真域。
仿真描述
參考文獻[1]的目的是設計一個具有偏振分束器。分束器由3個分離的多孔光纖組成。兩個外孔光纖各自提供一個偏振，而中心結構支持兩個偏振。入射光將根據偏振，選擇性地與任何一種外孔光纖耦合。
第一步是相位匹配每個結構的模式，以減少反射[1]。不同的結構必須具有某些共同的性質，如間距和包層原子。在每個結構的纖芯內都有大小和形狀自由選擇的孔。
圖1：各類型芯徑的磁場分布。(a) yEC-CHF, (b) xEC-CHF, (c) CC-CHF
利用[1]中給出的特性，利用OptiMode計算三個不同核的模態指數，記錄在表1中。
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 光纖包層
在其他情況下，例如通常在大芯徑多模光纖中，可以有一個未摻雜的纖芯和一個指數衰減的包層，其中折射率有所降低，例如氟或硼摻雜。
雙包層光纖
所謂的雙包層光纖，除了外包層外，還具有泵浦包層(或內包層)，可以向其中注入泵浦光，例如用于光纖放大器。
光子晶體光纖的空氣包層
一些光子晶體光纖具有空氣包層。這是一種被主要由空氣組成的障礙物包圍的光纖包層。
纖芯和包層中的光
光纖纖芯可以引導光，使得光主要在纖芯中傳播，但是一些更小或更大部分的光功率可以在剛好圍繞纖芯的區域中傳播，即稍微延伸到包層中。通常，這一比例只有百分之幾，但在某些情況下——主要是在光纖接近模式截止的情況下，可能會大得多。
此外，還有一些包層模式可以覆蓋大部分包層區域。
在許多情況下，人們試圖僅將光發射到光纖的導模中，而不是任何包層模中。然而，由于不完美的發射，或者后來由于光纖的過度彎曲（→彎曲損耗）或者由于纖芯的不均勻性(特別是對于低NA光纖)，大量功率可能進入包層模式。
展開 RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器設計第六部分
有多種可能的對策，例如光纖的強烈卷繞（這會導致模式加擾）和使用不太對稱的光纖設計，這種設計沒有泵浦包層模式，纖芯重疊非常低。圖 3 顯示了不同的設計。最簡單的一種具有圓形泵浦包層和中心芯的設計，如圖 2 所示，在泵浦吸收方面非常差，而其他的都更好。
圖 3：雙包層光纖 的各種設計。纖芯為藍色，內包層為淺灰色，外包層為深灰色。沒有顯示經常使用的附加聚合物涂層。
雙包層光纖也可以制成光子晶體光纖，如圖 4 所示。在這里，多模泵芯由空氣包層中的非常薄的支柱懸掛，泵浦光無法通過這些支柱逃逸。這樣的結構對于泵浦光可以具有非常高的數值孔徑，這降低了對泵浦光束質量的要求。纖芯的引導與其他光子晶體光纖一樣。
圖 4： 具有空氣包層的光子晶體光纖的結構。
包層泵送的局限性
期望雙包層光纖能夠實現與光纖放大器基本相同的性能，只是在更高的功率水平下，這是完全錯誤的。有各種各樣的問題，我們將在下面討論。
第一個問題是泵浦吸收減少的直接后果：我們需要更長的光纖長度，這可能會產生各種不利影響：
這些發現非常典型。一般來說，準三電平光纖放大器在反向泵浦時具有較低的 ASE 損耗，因此如果 ASE 損耗會很大，那么該配置中的功率轉換效率會更高。對于更高的輸入信號功率，造成更強的增益飽和，兩個方向的差異更小。
? 寄生傳播損耗的影響變得更強。然而，這通常不是一個大問題。例如，對于摻鐿雙包層光纖而言，典型的 0.01 dB/m 量級的損耗在 20 m 范圍內僅為 0.2 dB。這對應于 4.5% 的中等功率損耗。
? 非線性效應變得更強。這通常是脈沖放大背景下的一個問題（參見第 7 部分）。
? 與纖芯泵浦光纖相比，纖芯中的激光活性摻雜劑總體上要多得多。由于信號波與摻雜劑的相互作用沒有減少，這可能會產生有害的后果（參見下面討論的示例）。
展開 
使用 COMSOL Multiphysics 模擬高靈敏度光纖壓力傳感器
人們通常聽到“光纖”這個詞時，首先浮現在腦海的可能是這樣一幅畫面：細如發絲、扭曲成充滿藝術感漂亮形狀的發光物，或者從燈座中噴涌而出的光之泉。這些能夠傳導光的二氧化硅光纖，其用途可遠遠不止于裝飾。光纖于上世紀五十年代被成功開發，目前已廣泛應用于電力傳輸、通信、成像和傳感等領域。
具體來說，光纖具有優良的介電屬性和廣泛的適用性，因而可以在其他傳感技術可能失效的環境中使用，例如真空室和海底等極端環境。
從光纖傳感器到壓力傳感器
標準光纖是專為電信設備而設計，通常無法用于傳感領域。為了使光纖對所需參數足夠敏感，人們必須對其進行加工處理，例如對光纖光柵進行刻印，或者采用特制的微結構光纖。在高靈敏度壓力傳感器方面，微結構光纖展現出了良好的應用前景。高靈敏度壓力傳感器可用于石油勘探等領域，技術人員和工程師可以使用它來檢測流體壓力。圖 1 展示了文獻報道的三種可用作壓力傳感器的光纖。
圖 1. 壓力傳感測量裝置中的微結構光纖。（a）光子晶體光纖1；（b）帶三角形格子孔的微結構光纖2；（c）側孔光子晶體光纖3。
壓力傳感器中的微結構光纖通常具有特殊的構造，外部施加的載荷會導致光纖內產生不對稱的應力分布，進而使光纖的雙折射特性（一種使光束的折射率呈各向異性的材料屬性）發生改變，于是便可以通過測量雙折射特性的變化來實現傳感檢測。
位于巴西的坎皮納斯大學（Unicamp）的研究人員 Jonas Osório 表示：“光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾等優點，并能適用于惡劣環境。同時它們體積小、重量輕，較同類傳感器而言有著更加廣闊的適用范圍。”
然而現有文獻資料中報道的光纖，其微觀結構都相當復雜，并且需要進行多次拉制，然后由手工完成精密的結構組裝。
展開 受教了，光纖陀螺使用光子晶體光纖環相對使用普通保偏光纖環可以降低陀螺的偏振誤差，提高光纖陀螺的測量精度。
JCMSuite應用--多芯光纖
在本例中，我們計算了光子晶體光纖（PCF）的本征模，如下所示。利用晶格復制生成截面中的大量氣孔，從而該基本幾何圖案可以在布局中多次放置。
在這個例子中，計算出的模式被很好地限制在光子晶體圖案包圍的7芯光纖中。然而我們要考慮的是，由于主導波區的折射率小于外部的折射率，會輻射到計算域之外。因此，我們將透明邊界條件應用于布局的外部邊界。
作為有效折射率的初始猜測，我們取一個值略低于纖維材料的折射率。
以下圖像顯示了為光纖計算的模式強度選擇：
在本PCF例子中，由于電場強度向邊界方向迅速減小，為了減少計算量，采用切向磁場邊界條件是合理的。另外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 JCMsuite應用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網格離散L5空腔幾何形狀(藍色:介質材料，灰色&省略區域: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波長的光場被定位在腔內。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發，推導出計算模式的共振波長以及模式的質量因子(Q因子)。
計算的特征模態可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 