CN117492132A - 一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤 - Google Patents

一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，包括表层、中间层和核心层；表层包括第一椭圆形空气孔，第一椭圆形空气孔沿着光子晶体光纤的圆周方向布置；中间层包括第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，第一部分和第三部分相对设置，分别包括若干个被排列成梯形的第一圆形空气孔；第二部分和第四部分相对设置，分别包括若干个被排列成正方形的第一圆形空气孔；核心层包括两个对称设置的第二圆形空气孔，各第二圆形空气孔与第一部分和第三部分之间的间隙内填充有对称设置第三圆形空气孔和第三椭圆形空气孔。本发明不仅良好的抗弯曲性能，还具有较高的布里渊散射增益。

Description

一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤是一种具有特殊结构和性能的光纤，其抗弯曲和布里渊散射增益特性在光通信、传感和激光器等应用中发挥着关键作用。这种光纤的独特之处在于，通过调整其结构参数，如孔隙排列、孔隙尺寸以及材料选择，可以实现所需的抗弯特性和高布里渊散射增益性能。
传统光纤在进行长距离传输时损耗很大，导致光信号在长距离内传输丧失太多信号强度，特别是考虑到光纤可能受到拉伸、折弯等不可避免的外力影响，光纤损耗会加剧。因此，光子晶体光纤抗弯曲这一特性在长距离稳定传输光学系统中尤为关键。
在工业、医疗和环境监测等领域，科研人员可以借助布里渊散射增益的独特特性，实现对温度、应变、压力等物理量的监测。而对于高速光通信系统而言，传统实芯光纤的布里渊散射增益系数通常较低，这限制了传感系统中信噪比和测量精度。为应对这一挑战，光子晶体光纤的高布里渊散射增益特性显得尤为重要。
总之，光子晶体光纤在光通信、传感和激光器等领域具备广泛的应用前景，其出色的抗弯曲性能和高布里渊散射增益特性为各种应用场景提供了关键性的技术支持。在2019年，路元刚等人提出了一种高布里渊光子晶体光纤，布里渊增益系数为5.83*10-12W/m，双折射系数也仅为1.6*10-3，都有待提高。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，不仅良好的抗弯曲性能，还具有较高的布里渊散射增益。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，包括线芯和包层，所述包层包括依次设置的表层、中间层和核心层；
所述表层包括若干组轴对称设置的第一椭圆形空气孔，所有第一椭圆形空气孔沿着光子晶体光纤的圆周方向布置；
所述中间层包括沿着光子晶体光纤的圆周方向布置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，所述第一部分和第三部分相对设置，二者分别包括若干个被排列成梯形的第一圆形空气孔；所述第二部分和第四部分相对设置，二者分别包括若干个被排列成正方形的第一圆形空气孔；
所述核心层包括两个对称设置的第二圆形空气孔，各第二圆形空气孔与所述第一部分和第三部分之间的间隙内填充有对称设置第三圆形空气孔和第三椭圆形空气孔。
可选地，所述第二圆形空气孔的直径大于第一圆形空气孔的直径，所述第一圆形空气孔的直径大于第三圆形空气孔的直径。
可选地，所述第一圆形空气孔的直径为d1＝0.8-0.9μm；所述第二圆形空气孔的直径为d2＝1.2-1.25μm；所述第三圆形空气孔的直径为d3＝0.7-0.75μm。
可选地，相邻所述第一圆形空气孔的孔间距为k1＝0.82μm；在纵轴方向上，相邻所述第二圆形空气孔的孔间距为k2＝2.7μm；在纵轴方向上，相邻所述第三圆形空气孔的孔间距为k3＝1.6μm。
可选地，所述第一椭圆形空气孔的长轴为a2＝3.0-3.1μm，短轴为b2＝0.7-0.75μm。
可选地，所述光子晶体光纤还包括一对第二椭圆形空气孔，所述第二椭圆形空气孔与所有第一椭圆形空气孔沿着光子晶体光纤的圆周方向布置，且所述第二椭圆形空气孔与第二圆形空气孔的中轴线重合，所述第二椭圆形空气孔的长轴为a1＝1.5-1.6μm，短轴为b1＝0.6-0.65μm。
可选地，所述第三椭圆形空气孔的长轴为a3＝0.82-0.9μm，短轴为b3＝0.4-0.45μm。
可选地，在横轴方向上，相邻第三椭圆形空气孔的孔间距为k4＝1.8μm，在纵轴方向上，相邻第三椭圆形空气孔的孔间距为k5＝3.2μm。
可选地，所述光子晶体光纤在声场特征频率2533.7MHz处，增益系数为1.03*10- 11W/m。
可选地，所述光子晶体光纤在x偏振方向的有效折射率为1.3515，在y偏振方向的有效折射率为1.341，双折射系数为1.05*10-2。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，利用多包层结构，将光能量更好的束缚在纤芯内，使其具有良好的抗弯曲性能，而且，在最外包层中选用椭圆空气孔，是利用椭圆孔的形状降低纤芯的有效直径，以达到降低模场面积，增强声光耦合效率，提高布里渊散射增益谱的强度。与传统阶跃型光纤相比，布里渊散射增益系数提高约6倍。因此，满足在长距离传输光学系统和光纤传感的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1(a)是本发明一种实施例中光子晶体光纤的结构示意图之一；
图1(b)是本发明一种实施例中光子晶体光纤的结构示意图之二；
图2是本发明一种实施例中光子晶体光纤x偏振方向模场分布图以及其在x偏振方向上的折射率；
图3是本发明一种实施例中光子晶体光纤y偏振方向模场分布图以及其在y偏振方向上的折射率；
图4是本发明一种实施例中光子晶体光纤的声场模式分布图，右侧插图为其强度表达；
图5是本发明一种实施例中光子晶体光纤的布里渊散射增益谱曲线；
图6是本发明一种实施例中光子晶体光纤弯曲示意图；
图7是本发明一种实施例中光子晶体光纤在达到弯曲临界值时的模场图；
图8是本发明一种实施例中光子晶体光纤弯曲损耗曲线图；
附图标记：
1、基底材料；2、第二椭圆形空气孔；3、第一椭圆形空气孔；4、第一圆形空气孔；5、第二圆形空气孔；6、第三圆形空气孔；7、第三椭圆形空气孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，包括线芯和包层，所述包层包括依次设置在基底材料1上的表层、中间层和核心层；
所述表层包括若干组轴对称设置的第一椭圆形空气孔3，所有第一椭圆形空气孔3沿着光子晶体光纤的圆周方向布置；
所述中间层包括沿着光子晶体光纤的圆周方向布置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，所述第一部分和第三部分相对设置，二者分别包括若干个被排列成梯形的第一圆形空气孔4；所述第二部分和第四部分相对设置，二者分别包括若干个被排列成正方形的第一圆形空气孔4；
所述核心层包括两个对称设置的第二圆形空气孔5，各第二圆形空气孔5与所述第一部分和第三部分之间的间隙内填充有对称设置第三圆形空气孔6和第三椭圆形空气孔7。
在本发明的一种具体实施例中，所述第二圆形空气孔5的直径大于第一圆形空气孔4的直径，所述第一圆形空气孔4的直径大于第三圆形空气孔6的直径。具体地，所述第一圆形空气孔4的直径为d1＝0.8-0.9μm；所述第二圆形空气孔5的直径为d2＝1.2-1.25μm；所述第三圆形空气孔6的直径为d3＝0.7-0.75μm。相邻所述第一圆形空气孔4的孔间距为k1＝0.82μm；在纵轴方向上，相邻所述第二圆形空气孔5的孔间距为k2＝2.7μm；在纵轴方向上，相邻所述第三圆形空气孔6的孔间距为k3＝1.6μm。
在本发明的一种具体实施例中，所述第一椭圆形空气孔3的长轴为a2＝3.0-3.1μm，短轴为b2＝0.7-0.75μm。所述光子晶体光纤还包括一对第二椭圆形空气孔2，所述第二椭圆形空气孔2与所有第一椭圆形空气孔3一起沿着光子晶体光纤的圆周方向布置，且所述第二椭圆形空气孔与第二圆形空气孔的中轴线重合，所述第二椭圆形空气孔2的长轴为a1＝1.5-1.6μm，短轴为b1＝0.6-0.65μm，即包层整体按八边形轴对称分布，表层为呈八边形结构排列的八个椭圆形空气孔，其中正上方和正下方是两个相同且较小的第二椭圆形空气孔2。所述第三椭圆形空气孔7的长轴为a3＝0.82-0.9μm，短轴为b3＝0.4-0.45μm。在横轴方向上，相邻第三椭圆形空气孔7的孔间距为k4＝1.8μm，在纵轴方向上，相邻第三椭圆形空气孔7的孔间距为k5＝3.2μm。
基于上述设计，所述光子晶体光纤在声场特征频率2533.7MHz处，增益系数为1.03*10-11W/m。所述光子晶体光纤在x偏振方向的有效折射率为1.3515，在y偏振方向的有效折射率为1.341，双折射系数为1.05*10-2。
下面结合一具体实施例对本发明中的光子晶体光纤进行详细说明。
如图1(a)和图1(b)所示，是本发明一种具体实施例中的光子晶体光纤，本实施例中光子晶体光纤的截面直径为D＝12μm，包括纤芯和包层两部分，所述纤芯和包层的基底材料1均为二氧化硅，包层整体按八边形轴对称分布。表层为呈八边形结构排列的八个椭圆形空气孔，其中正上方和正下方是两个相同且较小的第二椭圆形空气孔2，第二椭圆空气孔2的长轴为a1＝1.6μm，短轴为b1＝0.6μm；其余六个为相同大小的第一椭圆形空气孔3，第一椭圆空气孔3的长轴为a2＝3μm，短半轴为b2＝0.7μm。中间层由相同大小的第一圆形空气孔4组成，可分为上下左右四部分，第一圆形空气孔4的直径为d1＝0.8μm。左右两边的第一圆形空气孔4均呈梯形状排列，由上底为6个孔间距k1＝0.82μm的第一圆形空气孔4、下底为10个孔间距k1＝0.82μm的第一圆形空气孔4组成的梯形网格，且两部分关于纵轴对称；上下两部分的第一圆形空气孔4均排列成正方形状，关于横轴对称。核心层是由第二圆形空气孔5、第三圆形空气孔6和第三椭圆形空气孔7所组成，其中，第二圆形空气孔5位于纵轴上，第二圆形空气孔5的直径为d2＝1.2μm，孔间距为k2＝2.7μm，一对第三圆形空气孔6和第三椭圆形空气孔7上下放置且对称分布在第二圆形空气孔5的两侧，第三圆形空气孔6相邻之间孔间距为k3＝1.6μm，第三圆形空气孔6的直径为d3＝0.7μm，四个第三椭圆形空气孔7在一个矩形网格上，其横轴方向孔间距为k4＝1.8μm，纵轴方向孔间距为k5＝3.2μm，所述椭圆空气孔7的长轴为a3＝0.82μm，短轴为b3＝0.4μm。
如图2、3、4、5所示，光子晶体光纤的布里渊散射增益谱的主峰呈洛伦兹谱线分布，主峰主要由声场基模与光场基模耦合得到，其在特征频率2533.7MHz处出现最大增益，其增益系数为1.03*10-11W/m。传统的阶跃型光纤的布里渊散射增益为1.6*10-12W/m，本发明的布里渊散射增益为它的6倍以上。本发明的光子晶体光纤x偏振方向模场和y偏振方向模场分布图，光纤在x偏振方向的有效折射率为1.3515，在y偏振方向的有效折射率为1.341，双折射系数为1.05*10-2，对比现有的光子晶体光纤(双折射一般为10-4)，提升了1-2个数量级。
如图6、7、8所示，当光纤不弯曲时，入射光在传播过程中，光能量被很好的集中在纤芯中传播。当光纤发生弯曲且弯曲半径较小时，基模的光斑向纤芯的一侧发生变形和收缩，但光能量同样很好的集中在纤芯中传播，并未发生向包层区泄漏的情况。由此可见，在包层区域的多层空气孔的使用，较好地提高了光纤的弯曲性能，保证了该光纤即使在弯曲半径小至毫米量级时，也不会发生能量大规模的向包层泄漏的情况，在弯曲半径为1mm时，弯曲损耗达到1.96*10-5dB/km。
本发明根据布里渊散射增益的计算公式计算其特征频率对应的增益系数，并在有限元分析软件Comsol中采用二维轴对称模式仿真光纤弯曲情况，根据弯曲损耗计算公式计算出光纤的弯曲损耗。
本发明通过改变纤芯附近的空气孔形状、尺寸或者排列实现对称性的改变，获得不同的光学特性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，包括线芯和包层，其特征在于，所述包层包括依次设置的表层、中间层和核心层；
所述表层包括若干组轴对称设置的第一椭圆形空气孔，所有第一椭圆形空气孔沿着光子晶体光纤的圆周方向布置；
所述中间层包括沿着光子晶体光纤的圆周方向布置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，所述第一部分和第三部分相对设置，二者分别包括若干个被排列成梯形的第一圆形空气孔；所述第二部分和第四部分相对设置，二者分别包括若干个被排列成正方形的第一圆形空气孔；
所述核心层包括两个对称设置的第二圆形空气孔，各第二圆形空气孔与所述第一部分和第三部分之间的间隙内填充有对称设置第三圆形空气孔和第三椭圆形空气孔。
2.根据权利要求1所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述第二圆形空气孔的直径大于第一圆形空气孔的直径，所述第一圆形空气孔的直径大于第三圆形空气孔的直径。
3.根据权利要求2所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述第一圆形空气孔的直径为d1＝0.8-0.9μm；所述第二圆形空气孔的直径为d2＝1.2-1.25μm；所述第三圆形空气孔的直径为d3＝0.7-0.75μm。
4.根据权利要求3所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：相邻所述第一圆形空气孔的孔间距为k1＝0.82μm；在纵轴方向上，相邻所述第二圆形空气孔的孔间距为k2＝2.7μm；在纵轴方向上，相邻所述第三圆形空气孔的孔间距为k3＝1.6μm。
5.根据权利要求1所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述第一椭圆形空气孔的长轴为a2＝3.0-3.1μm，短轴为b2＝0.7-0.75μm。
6.根据权利要求1所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤还包括一对第二椭圆形空气孔，所述第二椭圆形空气孔与所有第一椭圆形空气孔一起沿着光子晶体光纤的圆周方向布置，且所述第二椭圆形空气孔与第二圆形空气孔的中轴线重合，所述第二椭圆形空气孔的长轴为a1＝1.5-1.6μm，短轴为b1＝0.6-0.65μm。
7.根据权利要求1所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述第三椭圆形空气孔的长轴为a3＝0.82-0.9μm，短轴为b3＝0.4-0.45μm。
8.根据权利要求1所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：在横轴方向上，相邻第三椭圆形空气孔的孔间距为k4＝1.8μm，在纵轴方向上，相邻第三椭圆形空气孔的孔间距为k5＝3.2μm。
9.根据权利要求1所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤在声场特征频率2533.7MHz处，增益系数为1.03*10-11W/m。
10.根据权利要求1所述的一种抗弯曲且具有高布里渊散射增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述光子晶体光纤在x偏振方向的有效折射率为1.3515，在y偏振方向的有效折射率为1.341，双折射系数为1.05*10-2。
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CN118112711A (zh) * 2024-03-12 2024-05-31 南京信息工程大学 一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤

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