COMSOL使用步骤

打开COMSOL光子晶体光纤模式仿真模块：双击图标，选择射频模块—垂直波—混合模波—模式分析。

10damper

初始界面：所选用的COMSOL模块的初始界面。

一、圆孔型光子晶体光纤的建模

选择左边绘图对象中的“椭圆形/圆形（以圆心）”图标

点击图标并同时在键盘上按Shift键，以(0,0)为圆心画圆。画好圆后双击此圆，可以设定圆的直径、圆心等参数。这里设定直径为9um，此时的圆变得很小，我们可以通过工具栏上的“放大、缩小、缩放至视窗大小”按钮将圆缩放到界面适合的大小。

复制圆：选择Ctrl+C与Ctrl+V后会出现下面的小对话框，可以设定x或y轴位移将圆进行上下左右的移动。这里设定y轴位移为10um。

复制后的界面如下图所示。

对于图两个圆中上面的圆同样进行“复制，粘贴”，位移中x、y轴都为0。此时两个圆是重叠的。选择左边绘图对象中的“旋转”图标，旋转60度。

旋转后的图如下所示。

同样进行旋转可得到第一层空气孔，如下图所示。

1

复制上图中的标志为1的圆，设定其y轴位移为10um。

同样进行旋转可得到第二层空气孔。重复上面步骤，便可以画出空气孔为圆形的光子晶体光纤的截面图。

这里我们仿真的是空气孔为五层的光子晶体光纤，第一层空气孔缺失，所以将截面图中的第一层空气孔去掉。所得截面图如下所示。纤芯直径为3um，光纤外直径为125um。

二、柚子型光子晶体光纤的建模

画圆，这里我们设定的空气孔直径为36um。

选择左边绘图对象中的矩形/正方形(中心)图标。建立一个具有一定宽度和长度的长方形。

将长方形旋转30度

选择镜射图标

选择联集，将两个长方形组合在一起

复制联集后的长方形，再将原来的圆与长方形取联集。

2

将上图中的长方形组合2，与左侧的长方形组合重合

取差集，便可以得到一个柚子型的空气孔

将图形沿y轴上移。这里内包层直径为28um，空气孔直径36um，所以上移14+18=32um。

同样将空气孔进行旋转，得到下图。

将中间的柚子型去掉，加上圆形的纤芯和包层。便可以画出柚子型的光子晶体光纤。

三、参数设定与求解 1、设定参数

设置光纤的有效折射率。选择：物理量—求解域设定

求解域设定的界面如下图示。通过左侧的“求解域—求解域选择”，可选择需要设置的区域。右侧的“以折射率指定材料属性”中可设定左侧指定区域的有效折射率。这里设定包层有效折射率1.4542，空气孔1，纤芯1.4572。

设置属性。物理量—属性

打开后界面如下所示。需要设置求解类型，场分量等属性，设置后的属性如下图所示。

设置纯量变量：物理量—纯量变量。

打开后界面如下所示。需要设置的参数是“自由空间波长”，这里设定的求解波长是1550nm。

设定求解器参数：求解—求解器参数F11。

打开后界面如下图所示，需设置“欲求的有效模数”与“有效模式搜索范围”。“欲求的有效模数”指的是一次求解的模式的个数； “有效模式搜索范围”是指软件计算时会在设定的有效折射率周围搜索光纤的模式分布。 这里分别设为 20、 1.4572（纤芯有效折射率）。

参数设置完毕。

2、进行求解

选择工具栏中的“初始化网格”按钮 初始化网格，可以根据计算精度选择网格的疏密。

划分网格后的界面

网格划分完后便可以进行求解：选择“求解”按钮，求解光纤。

求解过程中的界面如下两图所示。

求解后的界面如下所示

3、查看求解结果

（1） 选择 后处理—绘图参数

打开后界面：选择有效模数 点确定 可以看到该有效模数对应的模场分布情况。

下图是有效模数取最大值时对应的模场分布情况，此为纤芯模式。

（2） 观察模场分布情况，同样可以选择 后处理—域图参数。 此时可以同时观察多个模式。

打开后的界面

同时选择多个模式，确定后界面如下图所示。

求解普通光子晶体光纤时，一般有效折射率最大的模式即是基模，找出基模模式后，我们需要导出模式对应的电磁场分布。

4、文件导出

选择：文件 — 输出 — 后处理数据

打开后界面如下图所示。需要设定的参数是：“通用 — 求解域” 选择模式对应的有效折射率。 “输出至文件” 选择合适的文件保存路径

“求解域 — 以表达式来输出 — 内建物理参数”选择需要到导出的参量，这里首先选择的电场。

“求解域 — 位置 — 从文件读取坐标” 将MATLAB中计算出的坐标导入。

这里的坐标是通过在MATLAB中编程，计算得到的纤芯和外包层的极坐标数值（mesh）。其计算出的txt 文件如下图所示。这里我们选择的是纤芯的极坐标。

设定完以上参数，点击确定，便可以导出基模对应的纤芯的电场分布。其txt文件如下图所示。

根据上面步骤同样可以得到基模对应的纤芯的磁场，外包层对应的电场、磁场。 基模的数据导出后，我们再寻找其它模式，方法是：

重设“求解器参数”中的“有效模式搜寻范围”。 “有效模式搜寻范围”的取值是前一次求解中有效模式的最小值。 设定完毕后同样划分网格，进行求解。

通过求解可得到一组新的有效模数的值，通过后处理中的绘图参数或域图参数，观察每个有效折射率对应的光纤的模式分布图，寻找其它模式分布。

下面是寻找的三阶包层模对应的模场分布图。 寻找到每个模式后都需要导出其纤芯和包层对应的电场、磁场分布。并需要记录有效折射率的值。

以上求解的是波长为1550nm时对应的模场分布数据，计算光栅时，我们需要求解不同波长处的模场分布数据，其计算方法同上。求解波长的值是在“应用纯量变量”中进行改变的。

以上即是求解光子晶体光纤的全部过程。最终导出的数据是：每个波长下不同模式的有效折射率值；纤芯包层的电磁场分布的txt文件。

四、MATLAB

求解完毕后，我们将求解的不同波长处的有效折射率值进行拟合，得到有效折射率和波长的拟合公式。

电场、磁场值用于求解耦合系数。

将有效折射率的拟合公式与耦合系数代入程序即可求解出光子晶体光纤光栅。