[发明专利]基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统及其模拟方法

摘要

本发明提供一种基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统及方法，该系统包括光纤端面图像采集模块，用于利用光学聚焦显微镜采集原始光纤端面图像；光纤端面图像处理模块，用于对光纤端面图像进行处理，得到光纤端面结构建模图；检测模块，用于将光纤端面结构建模图与原始光纤端面图像进行处理效果检验；光纤属性模拟模块，用于将光纤端面结构建模图利用有限元法进行光纤基本属性模拟以及数据处理单元。本发明能够快速模拟光子晶体光纤的基本属性，且模拟准确度高；本发明的端面提取技术，最终处理效果不依赖于端面图的品质，若初次处理的效果不理想只需调整参数重新提取，最终得到理想的处理结果；本发明的端面结构提取非常快，能够快速完成光纤模拟。

主权项

一种基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统进行光子晶体光纤模拟的方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1、光纤端面图像采集模块利用光学聚焦显微镜采集原始光纤端面图像；S2、光纤端面图像处理模块对原始光纤端面图像进行处理，得到光纤端面结构建模图；S3、检测模块将光纤端面结构建模图与原始光纤端面图像合并，进行处理效果检验，如光纤端面结构建模图与原始光纤端面图像的相对应部分完全重合，则说明光纤端面结构建模图达到标准，如光纤端面结构建模图不能与原始光纤端面图像的相对应部分完全重合，则说明光纤端面结构建模图没有达到标准，光纤端面图像处理模块对灰度图重新进行处理，直至获得符合需求的光纤端面结构建模图；S4、光纤属性模拟模块利用有限元法对光纤端面结构建模图进行电磁仿真得到固定波长泵浦条件下光纤纤芯在保持基模传输时的模场图和基模的有效折射率值，并对光纤的各项基本属性进行模拟：1)将达到需求的端面结构建模图与原始光纤端面图的合并图导入到有限元程序中，读出比例尺线段在有限元程序中的长度，换算出新的比例系数；2)删除达到需求的端面结构建模图与原始光纤端面图的合并图，将光纤端面结构建模图导入到有限元程序中，根据新的比例系数将导入的光纤端面结构建模图缩放为真实尺寸；3)在模拟计算中采用柱坐标系，完美匹配层用来吸收来自光纤轴向的辐射能量，完美匹配层外围设置边界条件进一步减少能量的反射，边界条件采用完美电导体、完美磁导体、散射边界条件或阻抗边界条件中的一种；4)指定光子晶体光纤的基质材料和气孔的折射率属性，基质材料折射率用塞尔迈耶尔方程表示；5)设置自由空间波长值大小；6)设置有效模式搜索范围；7)设置欲求的有效模数；8)对建模图采用三角形网格划分，使光纤端面离散为许多小的三角形单元；9)对划分好的离散区域进行插值函数的选择，将每个区域的场函数用含有待定系数的试探解表示；10)利用变分原理建立起含待定系数的代数方程；11)结合完美匹配层条件来求解方程，得到光脉冲在光子晶体光纤所支持的各个模式下进行传输时的模式有效折射率与泵浦波长的对应关系，并求出在不同模式下的电场和磁场的分布图情况；12)利用求解得到的结论进行数据后处理，实现对在不同波长泵浦条件下的基模有效折射率的扫描求解，再利用各物理量间的相互关系公式求解出光纤的传输常数，有效模场面积，限制损耗，非线性系数随波长的变化关系，完成对光子晶体光纤的属性模拟。