CN113777700B - 一种微结构光纤及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种微结构光纤，包括包层和纤芯，包层为空气层，纤芯由间隔设置的多个支撑柱支撑并与外层石英层连接，其中多个支撑柱呈环形设置，纤芯具有大于包层的折射率，其满足强辐照环境的传像应用需求，形成的光纤传像产品可应用于核电站等复杂特殊环境，其具备的细径、大数值孔径等优良特性可推广应用于医疗内窥成像、工业检测等领域。

Description

一种微结构光纤及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及特种光纤技术领域，再具体涉及一种微结构光纤及其设计方法，其可适用于辐照环境下的传像应用。

背景技术

光纤内窥镜是一种利用光纤传像、导光的光纤传像系统。内窥镜系统中，光纤传像束将物镜成的像由各个排列整齐的光纤分解为单个像元，再独立传输至末端由耦合镜接收，完成图像的传输。光纤内窥镜具有体积小、重量轻、可自由弯曲、适应复杂应用场景等优点，在工业、医疗等领域有广泛应用。

光纤传像束作为内窥镜的核心器件，决定了内窥镜的分辨率、清晰度和使用寿命等。目前光纤传像束基本上由普通掺杂光纤制成，在恶劣环境(如强辐照环境)下，光纤损耗大大增加，导致传像束无法正常传输图像，限制了光纤内窥镜的应用场景。

微结构光纤(Microstructured Optical Fiber,MOF)是一种新型光纤；其材料一般为纯石英，无需掺杂；端面结构包含沿径向按规律排列的一系列空气孔。因其制备材料单一，具有良好的耐辐照特性。采用微结构光纤制作光纤内窥传像束，能够发挥微结构光纤环境敏感度低的优势，解决光纤内窥镜在强辐照环境下无法正常工作的问题。

图像在传像束中传播时，每根光纤传输一个像元，在图像接收端对应于一个成像的像素点，故内窥镜的分辨率主要受到传像束分辨率的限制；传像束的分辨率取决于单位截面积内集成光纤的数量。在实际应用中，传像束整体越细，可应用的场景越多；因此，在保证传像束整体截面积满足实际需求的前提下，提升传像束分辨率的核心工作在于减小成束用单根光纤的直径。然而，目前微结构光纤的设计主要针对通信、传感等领域，与传像束应用需求相比直径较大，目前少有专门面向传像应用的细径微结构光纤。传像束的另一个核心要求是具备较强的收集光能力，以获得更加丰富的物体图像信息和更高的图像信噪比；这要求成束光纤具有较大的数值孔径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种细径、大数值孔径微结构光纤，满足强辐照环境的传像应用需求，形成的光纤传像产品可应用于核电站等复杂特殊环境，其具备的细径、大数值孔径等优良特性可推广应用于医疗内窥成像、工业检测等领域，具体的本发明提供了一种微结构光纤及其设计方法。

本发明提供了一种微结构光纤，包括包层和纤芯，纤芯由间隔设置的多个支撑柱支撑并与外部石英层连接，其中多个支撑柱呈环形设置，纤芯具有大于包层的折射率。

优选的方式中，包层为单层空气包层。

优选的方式中，纤芯为石英纤芯

优选的方式中，传输波长为可见光波段。

优选的方式中，石英纤芯折射率为1.45，单层空气包层折射率为1。

优选的方式中，多个支撑柱形状相同。

本发明还提供了一种微结构光纤的设计方法，包括如下步骤：

(1)确定光纤基本结构；基于光纤尺寸和光纤限制损耗，确定光纤各核心参数的合理取值区间，根据设计需求依次设计支撑柱长度、支撑柱宽度、纤芯半径、支撑柱数量，得到各光纤参数对限制损耗的影响规律；

(2)基于各光纤参数对限制损耗的影响规律，可根据实际应用情况在合理范围内进行调整和优化。

本发明的微结构光纤及其设计方法，可以实现：

(1)抗辐照，微结构光纤由单一材料制成，采用空气包层与石英纤芯的折射率差构成全反射条件，无需掺杂，故较普通光纤具有更好的抗辐照特性。

(2)小直径，相较普通的微结构光纤，“车轮形”微结构光纤的尺寸更小，裸纤半径最细可达8μm。采用此细径“车轮形”微结构光纤制作传像束，可以达到较高分辨率。

(3)低损耗，在可见光波段，“车轮形”微结构光纤的限制损耗始终在10^-9量级及以下，证明该光纤结构设计合理，带来的附加损耗可以忽略；

(4)大模场面积，光纤拥有较大的模场面积，能够满足传输大光强的需求。

(5)大数值孔径，可满足收集更大角度入射光线的需求。

(6)小弯曲半径，由于“车轮形”微结构光纤拥有较大的折射率差，因此弯曲半径很小，并具有很低的弯曲损耗。在内窥镜应用中，可以适应更严格、更为复杂的使用环境。

附图说明

图1为“车轮形”微结构光纤横截面结构图；

图2为“车轮形”微结构光纤在可见光波段的限制损耗；

图3为“车轮形”微结构光纤在可见光波段的模场面积；

图4为“车轮形”微结构光纤指标分解及各指标影响因素；

图5为以光纤损耗为判据的“车轮形”微结构光纤参数设计流程；

图6为“车轮形”微结构光纤限制损耗随支撑柱长度l的变化关系；

图7为“车轮形”微结构光纤限制损耗随纤芯半径r和支撑柱宽度d的变化关系

图8为“车轮形”微结构光纤x、y方向基模模场。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。

附图1-8为本发明技术方案涉及的附图，为了解决在强辐照环境下的高质量光纤传像问题，本发明提供了一种用于制作光纤传像束的抗辐照细径“车轮形”微结构光纤，并给出了其设计方法。光纤截面如图1所示，其结构由单层空气包层和石英纤芯构成，纤芯由极细的支撑柱支撑并与外部石英层连接，构成“车轮”形式。图中所示R为光纤半径，l为支撑柱长度，r为纤芯半径，d为支撑柱宽度。传输波长为可见光波段(380nm～760nm)，材料为纯二氧化硅(折射率约为1.45)，包层为空气(折射率约为1)。

内窥镜传像束对光纤的主要要求为：(1)光纤小直径；光纤的单丝直径决定传像系统单位面积分辨率，光纤越细，分辨率越高。(2)在可见光波段(380nm～760nm)低损耗；光纤工作在可见光波段的损耗越低，同等输入光强下可获得的输出光强越大，成像质量与信噪比越高，有利于长距离传像应用。(3)光纤大数值孔径。光纤的数值孔径越大，表明光纤接收光的能力越强，可获取更多的物体图像信息。

为满足以上要求，本发明的微结构光纤的设计要点如下。(1)由于此“车轮形”构型的微结构光纤(图1)具有几乎最大的纤芯包层折射率差(包层为空气)，大数值孔径特性已具备。(2)在光纤设计过程中，重点考虑的因素是光纤直径，现有微结构光纤的直径大部分在100μm左右甚至更大，而传像束的高分辨率一般要求光纤直径在10μm量级；因此，在满足损耗、弯曲半径等要求的前提下实现小直径是光纤设计的首要目标。(3)光纤设计所达到效果的判据为光纤在可见光波段的损耗；目前的微结构光纤工作波长一般在1550nm、1310nm等通信波段，少有专门用于可见光波段的微结构光纤；因此，需要对光纤结构进行详细设计，特别是在直径尽可能细的前提下，实现其在可见光波段的低损耗传光。(4)还需综合考虑光纤的模场面积、机械强度等其他因素。

基于此，本发明实现的细径“车轮形”微结构光纤应具有以下特征和优点：

(1)抗辐照。微结构光纤由单一材料制成，采用空气包层与石英纤芯的折射率差构成全反射条件，无需掺杂，故较普通光纤具有更好的抗辐照特性。

(2)小直径。相较普通的微结构光纤，“车轮形”微结构光纤的尺寸更小，裸纤半径最细可达8μm。采用此细径“车轮形”微结构光纤制作传像束，可以达到较高分辨率。

(3)低损耗。“车轮形”微结构光纤在可见光波段维持低损耗，在可见光波段的损耗仿真结果如图2所示。在可见光波段，“车轮形”微结构光纤的限制损耗始终在10^-9量级及以下，证明该光纤结构设计合理，带来的附加损耗可以忽略；

(4)大模场面积。“车轮形”微结构光纤在可见光波段的模场面积仿真结果如图3所示，可见此光纤拥有较大的模场面积，能够满足传输大光强的需求。

(5)大数值孔径。“车轮形”微结构光纤具有几乎最大的纤芯包层折射率差(纤芯折射率n₁＝1.45，包层折射率n₂＝1)，将光纤近似为传统阶跃型光纤，计算该光纤的数值孔径为

但由于支撑柱处存在光泄漏，该结构实际的数值孔径在0.9左右，可满足收集更大角度入射光线的需求。

(6)小弯曲半径。参考多模光纤临界曲率半径R_c的定义及性质，当光纤的曲率半径小于R_c时，多模光纤的弯曲损耗会急剧增大，将“车轮形”微结构光纤近似为阶跃式光纤，估算R_c为

由于“车轮形”微结构光纤拥有较大的折射率差，因此弯曲半径很小，并具有很低的弯曲损耗。在内窥镜应用中，可以适应更严格、更为复杂的使用环境。

综上所述，本发明提出了一种针对辐照环境下光纤传像应用的细径“车轮形”微结构光纤，并给出了设计方法。该光纤具有抗辐照、小直径、低损耗、大数值孔径、大模场面积、小弯曲半径等优势，在极端、复杂环境下的光纤传像应用中具有广阔的前景。

基于此，本发明为设计实现满足应用需求的“车轮形”微结构光纤，首先分析各需求与光纤核心参数之间的对应关系，为参数选取提供理论依据。光纤的设计指标及其主要相关的核心参数关系如图4所示。

(1)参数设计思路：

抗辐照特性为微结构光纤制备材料单一带来的优势，光纤结构设计基本不对抗辐照性能产生影响。

光纤的结构设计过程中，为保证传像分辨率和传像距离，需重点注意光纤尺寸和光纤限制损耗两个指标。如图4所示，光纤的结构参数主要包括支撑柱长度l，纤芯半径r，支撑柱宽度d和支撑柱的数量等。小光纤直径要求r和l尽可能小，而低限制损耗要求r和l不能过小，因此纤芯半径和支撑柱长度对光纤尺寸和限制损耗的影响相反，在光纤设计过程中要权衡小尺寸和低损耗两个要求，选取合适的光纤参数取值范围。

同样，对于支撑柱宽度d，低限制损耗(要求d降低)和大机械强度(要求d增加)的需求相反，在设计中需要进行平衡。

(2)参数设计流程

“车轮形”微结构光纤主要参数取值范围的设计过程如图5所示。首先确定光纤基本结构；为尽可能减小光纤直径，选取一层空气包层和石英纤芯构成的“车轮形”光纤结构。光纤参数选择的重要判据为：参数变化导致的光纤限制损耗。以此为主要判据，确定光纤各核心参数的合理取值区间。限制损耗主要考虑两方面，一是光的倏逝场造成的损耗，二是光通过支撑柱造成的泄漏。核心参数的设计顺序为：支撑柱长度、支撑柱宽度、纤芯半径、支撑柱数量。最终得到各光纤参数对限制损耗的影响规律，为最终参数确定提供理论基础与设计依据。

倏逝场造成的光泄漏研究，确定支撑柱长度：

根据电磁场理论，当光由光密介质入射到光疏介质，全反射光会透过光疏介质的一层很薄的区域，形成倏逝场，该区域的表面波即为倏逝波。当入射角正好为全反射的临界角时，倏逝波的透射深度理论上可达到无限大，实际由于光纤表面的粗糙度引起的散射损耗很大，因而在临界角附近透射深度最大约为一个波长。

光纤内支撑柱的长度越短，光纤的尺寸就越小，但支撑柱的长度受到倏逝波透射深度的限制，如果支撑柱过短，光便有可能耦合进空气包层外的石英层，造成传输过程中光的损耗。

支撑柱长度确定思路为，只改变支撑柱的长度l，固定其余参数，包括光纤的纤芯半径r、支撑柱宽度d和支撑柱的数量等。计算l在一定范围内变化下，光纤的限制损耗。固定参数时，需要注意该固定结构由纤芯半径和支撑柱宽度带来的损耗尽量小，以更直观的观察对比支撑柱长度l对限制损耗的影响，并选取能达到低损耗要求的支撑柱长度的最小值。

计算过程中，固定光纤纤芯半径为4μm，支撑柱宽度为0.3μm，数量为8根，探究760nm波长下，支撑柱长度对限制损耗的影响，得到结果如图6所示。限制损耗在l＝1μm～2μm变化的范围内存在由10^-4到10^-9的一个突变，当l大于2.5μm后，限制损耗稳定在10^-12量级。因而要在光纤尺寸尽量小的情况下实现低损耗，支撑柱的长度至少要大于2μm。

支撑柱导致的光泄漏研究，确定支撑柱的宽度、数量和纤芯半径：

计算的思路为，根据上一步计算得到的支撑柱长度的最优取值范围，固定支撑柱的长度和数量，分别计算不同纤芯半径r和支撑柱宽度d情况下，光纤的限制损耗。该情况下，由支撑柱的长度所导致的光泄漏很少，能够更直观的体现纤芯半径和支撑柱宽度对限制损耗的影响。

计算过程中，固定支撑柱长度l为2μm，数量为8根，计算在可见光波段的最长波长760nm下，限制损耗随纤芯半径r和支撑柱宽度d的变化关系，得到结论为：其他参数固定的情况下，支撑柱宽度越大带来的限制损耗也越大，纤芯半径越大损耗越小。限制损耗与d/r成正相关的关系。其原因在于当纤芯过小，支撑柱过宽，二者尺寸相当时，会引起传输光从支撑柱处泄漏，造成损耗。

计算得到结果如图7所示。d＝0.4μm情况下，r大于约6μm后限制损耗稳定在10^-9量级；d＝0.3μm情况下，需要r大于约3.5μm，此时限制损耗在10^-9量级，且随着r增大进一步降低；d＝0.2μm情况下，则r只要大于2μm就可以保证限制损耗小于10^-9量级。纤芯的大小受到支撑柱宽度的限制，支撑柱宽度越小，保证低损耗的情况下，纤芯就可进一步缩小。然而，为保证支撑柱的强度足够支撑纤芯，支撑柱的宽度不能过小。综合考虑损耗和支撑强度，选取d＝(0.2～0.4)μm范围内符合应用要求。

考虑到光纤制作过程中产生的误差，为保证光纤尺寸较小情况下维持稳定的低损耗，选取纤芯半径r至少大于4μm。当支撑柱宽度在光纤制造过程存在可能的变化量时，r大于4μm的设计都可维持较低的限制损耗。

最后探究支撑柱数量对损耗的影响，计算思路为在上述计算过程确定的最优参数范围内，将各参数固定，只改变支撑柱的数量，计算不同数量下光纤的限制损耗。

计算过程为，固定l＝2μm、d＝0.3μm、r＝4μm，计算限制损耗随支撑柱数量变化的变化，计算结果如表1所示。可得到结论为：支撑柱数量多能更好的支撑纤芯，但同时也将带来更大的损耗。其原因在于支撑柱与纤芯的接触面积增加，导致光更易泄漏。但总体来看，支撑柱的数量对限制损耗的影响较小，为保证损耗较低且支撑力较好，选取6～10根支撑柱的结构。

表1“车轮形”微结构光纤限制损耗随支撑柱数量变化

支撑柱数量	限制损耗(dB/m)
		4	1.24E-09
6	1.74E-09
		8	2.67E-09
10	4.20E-09
		12	5.98E-09
15	9.36E-09
		18	1.37E-08
20	1.71E-08
		30	4.49E-08

基于以上设计计算过程，参数可进行多次迭代计算，保证各参数达到性能和实用化的最优平衡。根据设计确定的最优结构，计算得到光纤的模场分布如图8所示。从图中可见，光能量主要集中在纤芯附近传输，几乎没有光能量的泄漏。

通过上述研究过程得到了“车轮形”微结构光纤各个参数对限制损耗的影响规律，选取了适合的参数范围。基于以上设计原则和设计流程，光纤各参数均可根据实际应用情况在合理范围内进行调整和优化。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (4)

1.一种微结构光纤，包括包层和纤芯，其特征在于：纤芯由间隔设置的多个支撑柱支撑并与外部石英层连接，其中多个支撑柱呈环形设置，纤芯具有大于包层的折射率；包层为单层空气包层；

纤芯为石英纤芯；

石英纤芯折射率为1.45，单层空气包层折射率为1；

微结构光纤的数值孔径为0.9；

微结构光纤的曲率半径为0.542μm；

所述支撑柱的长度l大于2μm，支撑柱宽度d＝0.2～0.4μm，纤芯半径r大于4μm，支撑柱的数量为6-10根。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：传输波长为可见光波段。

3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：多个支撑柱形状相同。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的微结构光纤的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定光纤基本结构；基于光纤尺寸和光纤限制损耗，确定光纤各核心参数的合理取值区间，根据设计需求依次设计支撑柱长度、支撑柱宽度、纤芯半径、支撑柱数量，得到各光纤参数对限制损耗的影响规律；

(2)基于各光纤参数对限制损耗的影响规律，根据实际应用情况在合理范围内进行调整和优化。

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