CN106772783A - 一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤 - Google Patents

一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，光子晶体光纤截面内为正三角形排布的圆形空气孔，填充有空气的圆形空气孔的折射率为1；光子晶体光纤的光纤材料为纯石英玻璃，其折射率为1.45，声速为5972m/s，密度为2203kg/m3；所述光子晶体光纤截面内包括由内至外排布的若干层圆形空气孔，相邻圆形空气孔间距Λ为2.35μm，内部的两层空气孔直径dh为2.3μm，其余层空气孔直径dh在2.1μm‑2.3μm；当入射光波长为1.55μm时，光子晶体光纤的布里渊散射谱中出现峰值功率相差在2dB以内的四个峰。本发明可有效用于基于布里渊散射互拍谱的分布式光纤传感系统中，实现温度和应变的高精度快速分布式测量。

Description

一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感领域，具体涉及一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤。
背景技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，为利用光纤中的布里渊散射效应实现温度与应变的连续分布式测量，可作为能源、电力、建筑、通讯、交通、安防等诸多领域中的故障诊断和事故预警手段。该技术目前存在的主要问题是其传统的布里渊频谱检测方法制约了传感系统的检测速度，难以满足许多应用场合对于故障诊断和事故预警的快速实时需求。
2013年，Y.Lu等人提出了一种基于布里渊拍频谱探测的零差布里渊光时域反射(Brillouin optical time-domain reflectometry,BOTDR)分布式光纤传感技术，仅通过测量拍频谱的功率即成功实现了对光纤上温度和应变的快速分布式测量(参考文献1,Y.Lu,Z.Qin,P.Lu,D.Zhou,L.Chen,and X.Bao.Distributed strain and temperaturemeasurement by Brillouin beat spectrum[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2013,25(11):1050-1053)。这种快速测量方法要求传感光纤具有3个或3个以上的多峰布里渊散射谱，利用多峰之间互拍得到的拍频谱来实现温度和应变等多参量的测量。参考文献1中所使用的光纤为大有效面积光纤，是一种传统的实芯光纤，其布里渊散射谱具有3个峰。但由于3峰峰值功率有较大差距(其中第1个峰比第2个峰强度高约17dB，第1个峰比第3个峰强度高约19dB)，导致拍频谱的功率较弱，获得的温度和应变测量精度不高。因此，在快速测量的同时需要获得温度和应变等多个参量较高精度的测量，需要传感光纤具有相近强度(强度差异小于3dB)多峰布里渊散射谱。
2004年，Y.Koyamada等人(参考文献2，Y.Koyamada,S.Sato,S.Nakamura,H.Sotobayashi and W.Chujo.Simulating and designing Brillouin gain spectrum insingle-mode fibers[J].J.Lightw.Technol,2004,22(2):631-639.)提出了一种纤芯掺锗的传统实芯光纤，其布里渊散射谱包含3个峰，其最大峰值强度差约为5dB(其中第1个峰与第2个峰峰值强度相差约5dB，第1个峰与第3个峰峰值强度相差约4dB)。这是目前报道的峰值强度最为相近的光纤，但尚未达到多峰强度差异小于3dB的要求。
近十年来，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCF)以其独特的结构和导光机制吸引了学术界的关注，成为光电子学领域的研究热点。具有空气孔的光子晶体光纤具有与传统实芯光纤不同的结构和光传输原理，其导模的特性非常优越，有良好的非线性效应、高双折射效应，设计与制造的自由度较高，它的这些优良特性为光纤传感等领域的研究进展提供了新的途径。本发明基于光子晶体光纤，提出一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤设计方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有相近强度的多峰布里渊散射谱光子晶体光纤，可用于基于布里渊散射互拍谱的分布式光纤传感系统中，实现温度和应变等多参量的高精度快速分布式测量。
本发明提供的技术方案是：
一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，光子晶体光纤截面内为正三角形排布的圆形空气孔，填充有空气的圆形空气孔的折射率为1；光子晶体光纤的光纤材料为纯石英玻璃，其折射率为1.45，声速为5972m/s，密度为2203kg/m3；所述光子晶体光纤截面内包括由内至外排布的若干层圆形空气孔，相邻圆形空气孔间距Λ为2.35μm，内部的两层空气孔直径dh为2.3μm，其余层空气孔直径dh在2.1μm-2.3μm；当入射光波长为1.55μm时，光子晶体光纤的布里渊散射谱中出现峰值功率相差在2dB以内的四个峰。
优选的，光子晶体光纤截面内由内至外排布的若干层的圆形空气孔直径dh均为2.3μm。
布里渊散射谱中出现了峰值强度差小于2dB的四个峰，其中第一个峰比第二个峰的峰值强度高1dB,第一个峰比第三个峰的峰值强度高0.5dB,第一个峰比第四个峰的峰值强度低1dB。
其光学模式为单模，其模场能量分布在纤芯，呈高斯型分布。
与光学模式共同决定布里渊散射谱特征的声学模场，分布在纤芯内且均为轴对称分布，包括四个声学模式，其中第一、第四个声学模式在横截面上的能量分布为圆对称型，第二、第三个声学模式为轴对称型。
进一步的，所述第一个声学模式的较高能量分布在纤芯的较外层、中心处能量较低；所述第二个声学模式的能量分布集中在纤芯的四个区域，其中沿横截面圆心中心对称的两个区域内能量分布相似；所述第三个声学模式的能量分布集中在纤芯的两个区域，分别为较高能量和较低能量；所述第四个声学模式的较高能量分布在横截面中心处，中心向外能量有降低趋势。
进一步的，所述光子晶体光纤截面内包括由内至外排布的六层圆形空气孔，内部的两层空气孔直径dh为2.3μm，外部的四层空气孔直径dh在2.1μm-2.3μm范围内变化，布里渊谱保持不变。
本发明设计了一种近强度的多峰布里渊散射谱光子晶体光纤，当Λ为2.35μm、dh为2.3μm时，在入射光波长为1.55μm时，光子晶体光纤的布里渊散射谱中出现了强度相差在2dB以内的4个峰，可获得多个信噪比较高的布里渊散射互拍谱，这将在基于布里渊散射互拍谱的多参量高精度快速测量分布式光纤传感系统中发挥重要作用。
本发明的有益效果是：与传统的多峰布里渊散射谱实芯光纤相比，本发明光纤的布里渊散射谱中的峰值强度差异小，对应布里渊拍频谱中的峰值强度大，传感系统的信噪比与测量精度得到提高。同时，因本发明光纤可得到多个布里渊散射互拍谱，可测量的物理量可以更多。
附图说明
图1为本发明光子晶体光纤横截面示意图。
图2为图1的放大图及结构参数。
图3为本发明的光学模式的模场分布图，左侧为俯视图，右侧为对应的三维分布图。
图4为本发明的声学模式的模场分布图，a、b、c和d分别为第一、第二、第三和第四个声学模式的俯视图和三维分布图。
图5为本发明归一化后的相对布里渊散射谱。
图6为本发明不同结构参数下的布里渊散射谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，一种近强度的多峰布里渊散射谱光子晶体光纤，其截面内主体为正三角形排列的圆形空气孔2，空气孔共有六层，光子晶体光纤的光纤材料1为纯石英玻璃。在上述结构中，光子晶体光纤圆形空气孔的直径为dh，相邻空气孔间距为Λ。
圆形空气孔的折射率为1；光纤材料折射率为1.45，声速为5972m/s，密度为2203kg/m3。
相邻圆形空气孔间距Λ为2.35μm，内部的两层空气孔直径dh为2.3μm，其余层空气孔直径dh在2.1μm-2.3μm；当入射光波长为1.55μm时，光子晶体光纤的布里渊散射谱中出现峰值功率相差在2dB以内的四个峰。
优选的，光子晶体光纤截面内由内至外排布的若干层的圆形空气孔直径dh均为2.3μm。
本发明采用有限元分析方法，结合有限元分析软件COMSOL Multiphysics进行仿真，分别添加波动光学中的电磁波频域物理场与声学中的压力声学物理场，得到本发明的光学及声学模场分布特性，并结合受激布里渊散射的增益计算公式进行计算，得到光子晶体光纤的布里渊散射谱。
如图3所示，可以看出本发明的模场分布特性。在光子晶体光纤中，光波的能量集中在纤芯传播，声波能量也集中分布在纤芯。图3、图4分别给出了在入射光波长为1.55μm、Λ为2.35μm、dh为2.3μm时的光学、声学模场分布情况。从图中可以看出，模场能量集中在纤芯，可发生较强的声光相互作用。
如图5所示，可以看出本发明的布里渊散射谱特性。图5中显示了四个较明显的散射峰，其中第一个峰比第二个峰的峰值强度高1dB,第一个峰比第三个峰的峰值强度高0.5dB,第一个峰比第四个峰的峰值强度低1dB，则对应的拍频谱中峰值功率大、信噪比高，易于进行温度和应变的高精度快速分布式测量。
如图6所示，可以看出不同结构参数下的布里渊散射谱。由内至外，当dh分别为1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3μm时，前两个峰频率差较小、不易区分，且与后两个峰强度相差近3dB，差异较大。六层dh均为2.3μm，与由内至外dh分别为2.3、2.3、2.2、2.2、2.1、2.1μm两种情况下的布里渊散射谱谱线几乎完全重合，二者峰值强度相差最大值约为2dB，但前者制造易于后者，所以取dh为2.3μm作为此发明优选结构。
与光学模式共同决定布里渊散射谱特征的声学模场，分布在纤芯内且均为轴对称分布，包括四个声学模式，其中第一、第四个声学模式在横截面上的能量分布为圆对称型，第二、第三个声学模式为轴对称型。
所述第一个声学模式的较高能量分布在纤芯的较外层、中心处能量较低；所述第二个声学模式的能量分布集中在纤芯的四个区域，其中沿横截面圆心中心对称的两个区域内能量分布相似；所述第三个声学模式的能量分布集中在纤芯的两个区域，分别为较高能量和较低能量；所述第四个声学模式的较高能量分布在横截面中心处，中心向外能量有降低趋势。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，其特征在于：光子晶体光纤截面内为正三角形排布的圆形空气孔，填充有空气的圆形空气孔的折射率为1；光子晶体光纤的光纤材料为纯石英玻璃，其折射率为1.45，声速为5972m/s，密度为2203kg/m3；所述光子晶体光纤截面内包括由内至外排布的若干层圆形空气孔，相邻圆形空气孔间距Λ为2.35μm，内部的两层空气孔直径dh为2.3μm，其余层空气孔直径dh在2.1μm-2.3μm；当入射光波长为1.55μm时，光子晶体光纤的布里渊散射谱中出现峰值功率相差在2dB以内的四个峰。
2.根据权利要求1所述的具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，其特征在于：光子晶体光纤截面内由内至外排布的若干层的圆形空气孔直径dh均为2.3μm。
3.根据权利要求1所述的具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，其特征在于：布里渊散射谱中出现了峰值强度差小于2dB的四个峰，其中第一个峰比第二个峰的峰值强度高1dB,第一个峰比第三个峰的峰值强度高0.5dB,第一个峰比第四个峰的峰值强度低1dB。
4.根据权利要求1所述的具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，其特征在于：其光学模式为单模，其模场能量分布在纤芯，呈高斯型分布。
5.根据权利要求1所述的具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，其特征在于：与光学模式共同决定布里渊散射谱特征的声学模场，分布在纤芯内且均为轴对称分布，包括四个声学模式，其中第一、第四个声学模式在横截面上的能量分布为圆对称型，第二、第三个声学模式为轴对称型。
6.根据权利要求1所述的具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，其特征在于：所述第一个声学模式的较高能量分布在纤芯的较外层、中心处能量较低；所述第二个声学模式的能量分布集中在纤芯的四个区域，其中沿横截面圆心中心对称的两个区域内能量分布相似；所述第三个声学模式的能量分布集中在纤芯的两个区域，分别为较高能量和较低能量；所述第四个声学模式的较高能量分布在横截面中心处，中心向外能量有降低趋势。
7.根据权利要求1所述的具有相近强度多峰布里渊散射谱的光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤截面内包括由内至外排布的六层圆形空气孔，内部的两层空气孔直径dh为2.3μm，外部的四层空气孔直径dh在2.1μm-2.3μm范围内变化，布里渊谱保持不变。
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