CN109541741A - 一种空心光纤 - Google Patents

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彭庆军
周峰
陈伟根
万福
马仪
程志万
周仿荣
邹德旭
黄星
洪志湖
刘光祺
颜冰
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Abstract

本发明提供一种空心光纤，涉及光学领域，具体电力设备故障性诊断方面，该空心光纤包括纤芯和包层，纤芯为空气孔，纤芯与包层交界处构成一层空气孔壁，在空气孔壁的外周设置有反共振环,本发明提供的空心光纤通过在纤芯与包层交界处，即空气孔壁的外周设置反共振环，通过控制反共振环的厚度接近反谐振厚度，利用反谐振波导的原理，使在纤芯内传播的光波在反共振环内多次反射，消除纤芯与包层交界处的光，有效减少表面模与纤芯模的耦合，提高传输效率。

Description

一种空心光纤
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种空心光纤，应用于电力设备故障性诊断方面。
背景技术
空心光纤，即将光纤制作成空心，形成筒状空间用于光传输，纤芯为空气孔，包层为多个毛细管形成的阵列，空气孔与包层交界处镀有一层空气孔壁，与传统光纤不同，空心光纤不是通过全内反射导光，而是通过多介质面的同向反射达到全反射的效果，将光限制在纤芯中。
拉曼光谱法利用单一波长激光同时激发多种混合物的拉曼光谱信号，可以实现混合物中多种特征物的同时检测。但是在应用于电力设备检测，如变压器油中的溶解气体浓度时，由于油中溶解气体浓度小且气体分子拉曼散射面积小，无法满足检测限度。空心光纤能够增加激光与气体分子的光学相互作用长度和拉曼散射光收集的效率，从而实现信号增强，满足检测限度，是目前一种新型拉曼光纤检测方法。
但是，由于空心光纤的制作深受工艺和热力学因素的影响导致其光纤表面粗超，加上光纤结构的占空比参数，极其容易引入表面模，表面模与纤芯模的相互耦合会导致光能量泄露到包层，影响传输效率，而通过调整占空比参数依然无法避免上述现象。
发明内容
本发明提供一种空心光纤，在纤芯与包层交界处引入反共振环，以解决表面模与纤芯模耦合的问题。
本发明提供一种空心光纤，包括纤芯和包层，纤芯为空气孔，纤芯与包层交界处构成一层空气孔壁，在空气孔壁的外周设置有反共振环；
反共振环为圆形、椭圆形或多边形，反共振环的折射率大于纤芯的折射率，反共振环的厚度具有以下关系式：
式中，λC,m为反谐振波导作用下的截止波长，m为谐振阶数，t为反共振环的厚度，n为反共振环的折射率。
在本发明的一个实施例中，反共振环的材料与包层材料相同。
在本发明的一个实施例中，反共振环的材料为二氧化硅。
在本发明的一个实施例中，反共振环的厚度为0.95～1.5倍空气孔壁的厚度。
在本发明的一个实施例中，反共振环的厚度为0.95～1.2倍空气孔壁的厚度。
在本发明的一个实施例中，反共振环采用物理气相沉积法或化学气相沉积法制备在空气孔壁外周。
本发明提供的空心光纤，通过在纤芯与包层交界处，即空气孔壁的外周设置反共振环，通过控制反共振环的厚度接近反谐振厚度，利用反谐振波导的原理，使在纤芯内传播的光波在反共振环内多次反射，消除纤芯与包层交界处的光，有效减少表面模与纤芯模的耦合，提高传输效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的空心光纤的结构示意图；
图2为本发明实施例中圆形反共振环的空心光纤电场模分布图；
图3位本发明实施例中多边形反共振环的空心光纤电场模分布图。
图中标号表示：
1-纤芯，2-包层，3-空气孔壁，4-反共振环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，为本发明实施例提供的空心光纤的结构示意图，该空心光纤包括纤芯1和包层2，包层2为多根毛细管组成的阵列，纤芯1为中空的空气孔，纤芯1与包层2的交界处构成一层空气孔壁3，在空气孔壁3的外周设置有反共振环4。
反共振环的形状可以为圆形、椭圆形或多边形，反共振环的厚度具有以下关系式：
式中，λC,m为反谐振波导作用下的截止波长，m为谐振阶数，t为反共振环的厚度，n为反共振环的折射率，根据反谐振波导作用下的截止波长可算出该空心光纤的传输频段，从而确定空心光纤的应用场景。还可以根据传输频段计算出所需的反共振环厚度，以制备具有相应厚度反共振环的空心光纤。
谐振阶数可以确定在一定厚度下的多个传输带宽波段，反共振环的厚度选择遵循以下两个原则：1、保证传输光波长位于传输带宽内；2、反共振环的厚度与空气孔壁的厚度接近，优选地，反共振环的厚度为0.95～1.5倍空气孔壁的厚度，更为优选地，反共振环的厚度为0.95～1.2倍空气孔壁的厚度。
反共振环的折射率大于纤芯的折射率，材料可以与包层材料相同，可以为二氧化硅，本发明实施例提供的反共振环具有很高的反谐振反射特性，反射率能够达到99％以上。
反共振环是一种反谐振波导，支持的电场模式为TE模，TE的高阶模和TM基模会被反谐振波导折射到包层区域，只有TE模的损耗较小，不会发生泄露损耗，是一种单模波导。
实验与测试
本发明实施例通过comsol多物理场模拟软件对本发明实施例提供的空心光纤在检测变压器油中溶解气体浓度的场景下进行仿真，已知需要检测的溶解气体的拉曼散射波长为700-900nm。此外，还测试不同形状的反共振环对电场模分布的影响。
首先建立空心光纤模型，该空心光纤包括纤芯和包层，纤芯为空气孔，填充空气，折射率为1，包层为二氧化硅材料，折射率为1.45。纤芯与包层交界处构成一层空气孔壁，在空气孔壁的外周设置反共振环，材料为二氧化硅，折射率为1.45。由前述可知需要检测的溶解气体的拉曼散射波长为700-900nm，反共振环的厚度影响反谐振波导作用下的截止波长，因此，将λC,m＝700nm，m＝1带入关系式：
得出t＝0.333μm，取t＝0.34μm，即反共振环的厚度为0.34μm。
采用电磁波-频域物理场设定，选择波导模块，边界条件选择完美电导体和完美磁导体，保证内部边界的连续，在空心光纤最外一层设置完美匹配层，当入射波发生泄漏，有一部分光入射到完美匹配层界面，由于完美匹配层的阻抗与光纤介质的阻抗匹配，这部分光会在完美匹配层内耗散掉，不会有能量返回，该过程模拟了空心光纤在实际应用中的模拟损耗。
网格区域的划分直接影响理论计算值的精度和服务器计算的时间，而对于多边形规则单元的划分多采用自由剖析三角形网格，也可以在需要研究的地方进行进一步的划分，划分的尺寸可以手动输入调节。
本发明实施例提供的具有圆形和多边形的反共振环的空心光纤在同一波长下的电场模分布图如图2和图3所示，从图中可知，当反共振环的形状为圆形时，其表面模和纤芯模耦合明显，当反共振环的形状为多边形时，耦合效果明显得到改善。同时，两个情况下我们都得到了在可见光波段的单模运输，这是由于反共振环反谐振波导的作用，将传输波段由近红外转向了可见光。
由此可知，增加反共振环后，空心光纤的传输波段能够从现有的1200nm以上进入到可见光波段(400-800nm)，从而使可见光波段的单模运输不仅局限于通信方面。
本发明实施例中，空心光纤中反共振环的制备采用物理气相沉积法活化学气相沉积法，采用物理气相沉积法时，将较低的气体压力环境下，将固态或熔融态的二氧化硅沉积到空气孔壁上。
综上所述，本发明提供的空心光纤，通过在纤芯与包层交界处，即空气孔壁的外周设置反共振环，通过控制反共振环的厚度接近反谐振厚度，利用反谐振波导的原理，使在纤芯内传播的光波在反共振环内多次反射，消除纤芯与包层交界处的光，有效减少表面模与纤芯模的耦合，提高传输效率。
以上所述的本发明的具体实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种空心光纤，其特征在于，包括纤芯和包层，纤芯为空气孔，纤芯与包层交界处构成一层空气孔壁，在空气孔壁的外周设置有反共振环；
反共振环为圆形、椭圆形或多边形，反共振环的折射率大于纤芯的折射率，反共振环的厚度具有以下关系式：
式中，λC,m为反谐振波导作用下的截止波长，m为谐振阶数，t为反共振环的厚度，n为反共振环的折射率。
2.根据权利要求1所述的空心光纤，其特征在于，反共振环的材料与包层材料相同。
3.根据权利要求2所述的空心光纤，其特征在于，反共振环的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的空心光纤，其特征在于，反共振环的厚度为0.95～1.5倍空气孔壁的厚度。
5.根据权利要求4所述的空心光纤，其特征在于，反共振环的厚度为0.95～1.2倍空气孔壁的厚度。
6.根据权利要求1所述的空心光纤，其特征在于，反共振环采用物理气相沉积法或化学气相沉积法制备在空气孔壁外周。
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