为什么仿真PCF限制损耗和文献中不一致?


#1

孙老师,您好!
(1)MODE SOUTIONS计算出的PCF损耗曲线的纵轴单位是什么?(dB/m or dB/km)?
(2)按照文献中的参数设置的PCF结构,进行仿真,为何得到的限制损耗与原文献差别极大?仿真装置及限制损耗如附件:a class=“attachment” href="//lumerical-community-uploads.s3-us-west-2.amazonaws.com/original/2X/2/2fa1a42a97e5ef7f79148fd425a25c8c9ed3a676.lms">PCF.lms</ (356.7 KB)

2016-josk-Highly Birefringent and Dispersion Compensating Photonic Crystal Fiber.pdf (2.3 MB)


创建的帖子为什么找不见了?
#2

我们软件如果没有说明使用的是国际单位制,损耗曲线的纵轴单位是dB/m。但是如果在GUI上看,它的单位是dB/cm。
这个损耗与限制损耗的定义可能不同吧?后者一般是波导邮缺陷产生的损耗,不是波导本身的损耗,参见这篇文献。 “Confinement losses in microstructured optical fibers”, Optics Letters Vol. 26, Issue 21, pp. 1660-1662 (2001) (我也没有看到这篇文献)。

但是根据你上传的文献,就是波导本身的损耗,

如果是这样,一般是由于PML的影响,请加大仿真区,另外可能需要调整网格的尺寸,虽然文献上的图仅显示PCF部分,实际的仿真和器件的区域应该比较大,你再测试一下。因为损耗很小,需要仔细调整仿真参数。另外你的文件没有上传成功。


#3

孙老师,按照您的建议,我们分别调整了PML的层数,网格精度,以及空气孔的层数,我们发现上述公式计算出的波导损耗基本没有变化,依然很大。附件是我们的仿真装置,请您帮忙看看问题出在哪?谢谢您!PCF.lms (850.1 KB)


#4

我用对数纵坐标,结果与文献的结果类似,我还在做进一步测试。


#5

我做了一些测试,发现一些问题:
1:文献中没有看到材料的折射率参数;
2:文献用的是dB/km,我们脚本给出的是dB/m, 差1000倍;
3:文献公式用的是对10取自然对数,loge10=log(10)=2.30259 ,而我们使用的是log10e=log10(exp(1))=0.434294,对e取以10为底的对数,二者之比是5.3019 ;
因此结果差5000多倍。
Lossy modes and dB/m to k conversion
此外,仿真区可能仍然不够大,你将模式强度用对数画出来:

这个是1.55微米的,可以看到模式边缘被PML截断,尽管画线性分布看不出来:

你可能需要再查找材料的折射率,另外损耗很小的话需要仔细调整所需要的仿真区和网格。损耗就说明模式泄露到外面去了,因此可能需要较大的仿真区,计算更多的测试模式以便找到所期望的模式。


#6

孙老师:
您好!首先祝您春节愉快!但我觉得仍然很困惑。

  1. Mode solution 的GUI给出的损耗纵轴单位是dB/cm, 若转换成与文献一致的单位dB/km,其数值岂不是更大? 因此我们仿真计算得到的损耗远远大于文献几个数量级,为什么?
  2. 您说的结果差5000倍,应该是单纯从纵轴数值上讲,文献应该比我们计算结果大5000倍,可事实相反,是我们计算的损耗比文献大5000倍。这正是我们的困惑所在!
  3. 虽然文献没有给出材料的折射率系数,但我们不妨就按照MODE SOLUTION的材料库提供的数据计算,基于此材料数据库和与文献类同的结构,您得到的最终损耗结果多大? 您的仿真装置是否可以上传一下,供我参考? 谢谢

MODE仿真waveguide的loss
#7

谢谢,也祝你新春快乐。
所有的问题都归结为为什么现在仿真出来的损耗大。我们再问更深一步的问题,在实际的器件中,损耗发生在哪里?当材料没有损耗时,唯一的可能是模式有很小一部分通过这些小孔泄露到空气中去了。遗憾的是,文献既没有给出材料特性,也没有指出总共有多少孔! 仿真时损耗发生在PML,而且PML离模式越近损耗越大,这就是为什么建议你增加仿真区的缘故。

这些孔的阵列应该在1到2微米产生带隙,因此第一步我建议你先计算理想光子晶体的能带结构,的确找到相应的带隙;
然后,再逐步增加孔的个数。

要保证理想光子晶体的带隙,网格应该是周期的整数分之一。但是当仿真区增大后,由于主要模式区域占整个仿真区的比例很小,可能仅测试5个模式找不到你需要的,因此要增加测试模式的个数。

另外,软件使用双精度计算,因此对于64位计算机最小的折射率虚部可以达到1e-15~1e-16,而32位计算机为1e-6~ 1e-7。

对于光通讯波段, 对应的损耗应该在(1E-11 ~1E-12)dB/km(64位)或(1E-2 ~1E-3)dB/km(32位),就是目前的极限了。。

文献的精度要求折射率虚部精度在1E-14到1E-32量级需要特殊实际代码编程。

我作了一些测试损耗仍然很大,因此我怀疑现在的光子晶体没有合适的带隙,请你测试。


#8

孙老师:
您好!按照您的指导我们计算了上述文献正方光子晶体的禁带宽度,运行提示如下错误,Error: C:/Users/ms/Desktop/photonic bandstructure/square2D.lsf line 30: The optimization or parameter sweep object ‘Gamma-X’ has no results, please run the optimization or parameter sweep before using getsweepresult.我们反复检查,不知错在何处,麻烦您给予指导。附件是仿真装置和计算光子带隙脚本。谢谢!PCF-bandstructure.fsp (300.5 KB)
PCF-bandstructure.lsf (2.8 KB)


#9

测试后才发现你把Model里面的apod_center改为5了,应该是0.5,是说在时间信号中心,并取一定宽度的信号。你再测试一下。PCF-bandstructure.fsp (303.1 KB)


#10

孙老师您好!
我们计算出了TE和TM模的能带结构(似乎在1——2微米范围内没有光子禁带),是我们计算错误还是此文献设计的结构在该波段无光子禁带?
1若属于前者请问我们的能带计算何处有错?
2若是属于后者为何文献得到的损耗那么低?
具体仿真装置和得到的TE/TM能带结构如附件。盼复,谢谢!





PCF-bandstructure.fsp (1.7 MB)


#11


这个能带图显示在X处有局部带隙(第一与第二带),而不是全方向带隙。


这个能带图显示在第一与第二带之间X和M处有局部带隙。

在有带隙的地方,说明在此方向有一部分频率的光不能传播,但不是所有方向,所以有损耗。

为了更好的查看,你可以减小频率范围只仿真或者显示第一第二能带。

对于你的这个结构,损耗比较小,需要仔细调整设置参数。但是鉴于目前软件用的是双精度,如果得到1E-5 dB/m量级(即1E-2dB/km),就是目前的极限了,而这个数值基本上是文献的最大值,多数情况都比这个小几个到更多的量级,软件目前无法达到。

文献是如何得到1E-21dB/km结果的,你可能需要联系他们了解一下,你也可以反算看看需要将等效折射率虚步计算到多少位有效数字才能得到。粗略计算它需要2.8e-032 !


#12

PCF的一般工作原理是利用光子晶体实现包层,如果光子晶体有全方向带隙,则损耗就非常小。从你的英语帖子可以看出,要实现全方向带隙需要高折射率,请再仔细参考一下原文献,没有全带隙不可能得到如此低的损耗。