光子晶体光学ppt课件

1、Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心第二章第二章 光子晶体光纤光子晶体光纤5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electroni

2、c Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心一、光子晶体光纤的色散根底5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性 1. 色散定义色散定义 式中式中neff(x,y)=bng(l) , nm(l) /k0neff(x,y)=bng(l) , nm(l) /k0， b b是传是传播常数，播常数，k0=2p/lk0=2p/l是自在空间的波矢量，是自在空间的波矢量， nm(l) nm(l)表示与表示与资料

3、色散相关的折射率参量，资料色散相关的折射率参量， ng(l) ng(l)表示与几何色散表示与几何色散相关的折射率参量。相关的折射率参量。222212dndccddDeffBeijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心一、光子晶体光纤的色散根底5 光子晶体光纤的色散特性光

4、子晶体光纤的色散特性 2. 色散组成色散组成 DDg+Dm 其中其中Dg=-(l/c)d2ng(l)/dl2 Dm=-(l/c)d2nm(l)/dl2 The PCF with dispersion values between 0.5 ps/( kmnm) from 1425 to 1600 nm and with the effective mode area of 2.76 mm2 which assure a nonlinear coefficient of 44 W-1km-1 is predicted From IEEE Photon. Technol. Lett., vol.16

5、, no.4, pp.1065-1067, 2019 Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心一、光子晶体光纤的色散根底5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性 3. PCF可以灵敏设计色散的物理成因可以灵敏设计色散的物理成因 对于对于PCF,由于它可以由

6、同一种资料由于它可以由同一种资料(如如SiO2)制制成成,因此纤芯和包层可以做到完全的力学和热学匹因此纤芯和包层可以做到完全的力学和热学匹配配,也就是说也就是说,纤芯和包层间的折射率差不会由于资纤芯和包层间的折射率差不会由于资料的不相容而遭到限制料的不相容而遭到限制;其光纤包层的有效折射率其光纤包层的有效折射率是光波长的函数是光波长的函数,使得光场在包层中的分布出现了使得光场在包层中的分布出现了新的变化新的变化,因此产生了独特的色散特性因此产生了独特的色散特性,在宽的波段在宽的波段内波导色散可以补偿资料色散的特性内波导色散可以补偿资料色散的特性,甚至产生反甚至产生反常色散特性。常色散特性。Be

7、ijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性1. 色散计算特点色散计算特点 对于对于PCF PCF 的色散计算而言的色散计算而言, ,主要是对主要是对PCF PCF 的的构造进展数值计算构造进展数值计

8、算, ,即实际计算即实际计算, ,这是一项很重要这是一项很重要的任务的任务, ,由于如何可靠、准确地设计和预测由于如何可靠、准确地设计和预测PCF PCF 的的传输特性传输特性, ,如今还没有一个令人称心的解析模型。如今还没有一个令人称心的解析模型。为了准确获得为了准确获得PCF PCF 的色散特性的色散特性, ,需求计算构成包层需求计算构成包层的空气孔的复杂空间分布。的空气孔的复杂空间分布。Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Res

9、earch Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法1.有效折射率法2.有限元法3.矢量边境元素法3.时域有限差分法4.平面波展开法5.全矢量法、超格子法、多重散射法、边境元法。Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院R

10、esearch Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法等效表示图有效折射率法等效表示图(a) (a) 光子晶体光纤截面设计图光子晶体光纤截面设计图, (b) , (b) 光纤包层六角形单元胞与等效圆光纤包层六角形单元胞与等效圆形单元胞形单元胞Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of E

11、lectronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法根本实际方程有效折射率法根本实际方程在极坐标系中横向根本方式场分布函数在极坐标系中横向根本方式场分布函数所满足的标量所满足的标量波方程为波方程为在标量近似下得到在标量近似下得到LP LP 方式的特征方程为方式的特征方程为Beijin

12、g University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法根本实际方程有效折射率法根本实际方程对于基模对于基模LP01 ( m = 0) ,LP01 ( m = 0) ,其特征方程

13、为其特征方程为其中其中U,W与归一化频率与归一化频率V之间满足如下关系之间满足如下关系Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法根本实际方程有效折射率法

14、根本实际方程由以上方程可以得出由以上方程可以得出如何得到如何得到nc(w)?Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法包层的折射率有效折射率法包层的折射

15、率对于基模对于基模m=0，标量方程转换为零阶，标量方程转换为零阶Bessel方程，在单方程，在单元包的内部有元包的内部有Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有

16、效折射率法包层的折射率有效折射率法包层的折射率对于基模对于基模m=0，标量方程转换为零阶，标量方程转换为零阶Bessel方程，在单方程，在单元包的外部有元包的外部有单元胞边境上应满足对称边境条件单元胞边境上应满足对称边境条件 , ,即即Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究

17、 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法包层的折射率有效折射率法包层的折射率那么单元包的外部的场分布函数为那么单元包的外部的场分布函数为在元胞内石英-空气界面上有和及其导数延续的条件,即Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电

18、 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法包层的折射率有效折射率法包层的折射率由场分布函数和边境条件，可以得到：由场分布函数和边境条件，可以得到：Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子

19、 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法包层的折射率有效折射率法包层的折射率由传播常数方程可以得到：由传播常数方程可以得到：由以上两个方程可以得到由以上两个方程可以得到() 和和() 的数值解的数值解.nsilica nsilica 可由可由Sellmeier Sellmeier 方程来计算，传播常数方程来计算，传播常数为为所以光纤包层的有效折射率为Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electr

20、onic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法计算实例有效折射率法计算实例光纤包层节距A 为1. 8m ,空气穴半径r 分别为0. 4(曲线1) ,0. 35 (曲线2) ,0. 3 (曲线3) ,0. 27 (曲线4)m ,包层空气填充率分别为17. 9 % ,13. 7 %,10.

21、1 %,8. 2 %光子晶体光纤的模拟结果Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法计算实例有效折射率法计算实例光纤包层节距A 为1. 8 (曲线1)

22、,1. 9 (曲线2) ,2. 06 (曲线3) ,2. 4 (曲线4)m ,空气穴半径r 为0. 4m ,包层空气填充率分别为17. 9 %,16. 1 %,13. 7 % ,10. 1 %光子晶体光纤的模拟结果Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶

23、体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法计算实例有效折射率法计算实例包层空气填充率均为13. 7 % ,光纤包层节距A 分别为2. 2(曲线1) ,2. 06 (曲线2) ,1. 8(曲线3) ,1. 6(曲线4) ,1. 4 (曲线5)m ,空气穴半径r 分别为0. 428 ,0. 4 ,0. 35 ,0. 31 ,0. 27m光子晶体光纤的模拟结果Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工

24、程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法计算实例高非线性平坦色散有效折射率法计算实例高非线性平坦色散Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center o

25、f Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法计算实例高非线性平坦色散有效折射率法计算实例高非线性平坦色散Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Lig

26、ht wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有效折射率法计算实例高非线性平坦色散有效折射率法计算实例高非线性平坦色散Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子

27、子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有限元法有限元法JLT,20(8):1433-1442,2019; JLT,20(8):1433-1442,2019; PTL,14(11):1530-1532,2019PTL,14(11):1530-1532,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of

28、 Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有限元法有限元法JLT,20(8):1433-1442,2019; JLT,20(8):1433-1442,2019; PTL,14(11):1530-1532,2019PTL,14(11):1530-1532,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electron

29、ic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有限元法有限元法JLT,20(8):1433-1442,2019; JLT,20(8):1433-1442,2019; PTL,14(11):1530-1532,2019PTL,14(11):1530-1532,2019Effective index (a)

30、 and dispersion parameter (b) versus wavelength of the fibers having d = 0.345 mm, d = 1.4 mm and d = 1.8 mm. Both unperturbedand and perturbed fibers in are considered.Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectroni

31、cs and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法有限元法有限元法JLT,20(8):1433-1442,2019; JLT,20(8):1433-1442,2019; PTL,14(11):1530-1532,2019PTL,14(11):1530-1532,2019(a) Effective index and (b) dispersion parameter variations with respect to those

32、of the unperturbed PCF with d = 0.345 mm. A 5% and 10% diameter increasing have been considered both for the case A and B.Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研

33、研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-60,201960,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and L

34、ight wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-60,201960,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院R

35、esearch Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-60,201960,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of E

36、lectronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-60,201960,2019Beijing University of

37、Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):20

38、55-60,201960,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6)

39、:2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-60,201960,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元

40、素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-60,201960,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶

41、体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量边境元素法矢量边境元素法PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-PTL,16(6):1492-94,04;JLT,23(6):2055-60,201960,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子

42、子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量方式法矢量方式法Opt.Express,9(13):687-697,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心

43、心二、光子晶体光纤色散计算5 光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性2. 色散计算方法色散计算方法矢量方式法矢量方式法Opt.Express,9(13):687-697,2019Beijing University of Posts and TelecommunicationsSchool of Electronic Engineering电电 子子 工工 程程 学学 院院Research Center of Optoelectronics and Light wave Technology光光 电电 子子 与与 光光 波波 研研 究究 中中 心心三、光子晶体光纤典型色散特征实验实例5

44、光子晶体光纤的色散特性光子晶体光纤的色散特性1. 零色散波长兰移零色散波长兰移(1) 英国Bath 大学 : = 2. 97 m , d =0. 91. 5 m ( d/ = 0. 30. 5) ,芯径约5 m。对于几种不同的d/ 值,丈量得到了D = 1 0401 105 nm ,与实际吻合。(2) 俄罗斯Zheltikov 研讨组: 丈量得到了D = 990 nm ,而高阶模的D 到达了紫外。( 3 ) 日本NTT 公司 : = 4 m , d =2. 5m ,且空气孔数量为90 个, 丈量得到D =950 nm , D = 76 ps/ (nmkm) 1. 55m。同时,损耗参数为0. 71 dB/ km 1.31m 和0. 37 dB/ km 1. 55m ,据信是迄今损耗最低的PC