一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤

摘要

本发明公开了一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤，包含纯石英玻璃材料的光子晶体光纤本体，其折射率为1.45，声速为5972m/s，密度为2203kg/m

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤，特别是一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤。

背景技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，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。为了降低普通光纤中偏振模式耦合对传感系统信噪比的影响，布里渊光纤传感系统一般使用具有高双折射特性的保偏光纤作为传感光纤。但是目前包含保偏光纤在内的传统实芯光纤中非线性效应不高，布里渊增益系数一般较低，从而导致传感系统的信噪比和测量精度相对较低。为了克服传统光纤的缺点，非常有必要设计出具有高双折射和高布里渊增益的新型光纤。

光子晶体光纤具有结构灵活多变，可实现高非线性效应等特点，为设计新型光纤提高了方便。设计者可以通过改变光子晶体光纤中空气孔大小、排列、形状、间距及光纤材料掺杂等参数，设计出不同特性的光纤。因此光子晶体光纤在结构上具有较高的可调性。另一方面，在高双折射光子晶体光纤中，光场能量被限制在较小的光纤局部区域，可较大地提高非线性光学效应产生的效率，具有比普通光纤高的非线性系数。

尽管现在已有高双折射光子晶体光纤，但其布里渊增益系数不高。2000年，英国Bath大学的A.Ortigosa-Blanch等人成功研制出了世界上第一根高双折射光子晶体光纤，他们采用不同直径的空气孔在包层中引入不对称性，实现的是几何双折射。在1.54μm波长处产生的双折射达到3.7*10^-3。一般的光子晶体光纤的双折射系数大约在10^-3量级。但是，它们的布里渊增益系数都普遍较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤，通过高双折射的特点降低光纤中因偏振模式耦合对传感系统信噪比的影响，提高布里渊增益从而增加分布式布里渊传感系统的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于：包含纯石英玻璃材料的光子晶体光纤本体，其折射率为1.45，声速为5972m/s，密度为2203kg/m³，光子晶体光纤本体截面半径为7.3μm，光子晶体光纤本体内设置有从内至外相间排布的7层圆形空气孔和椭圆形空气孔，圆形空气孔呈类矩形分布，椭圆形空气孔与之嵌套排布，填充有空气的圆形空气孔的折射率为1，相邻的圆形空气孔中心间距Λ为1.5μm，相邻的椭圆形空气孔中心间距Λ为1.5μm，相邻的圆形空气孔与椭圆形空气孔中心间距Λ/2为0.75μm，圆形空气孔的直径d₁范围为0.6～1.0μm，椭圆形空气孔的半长轴a和半短轴b之比为1～5，长轴长度范围为0.3～0.5μm，靠近纤芯处的四个大圆形空气孔直径大于其余圆形空气孔，其直径d₂范围为1.3～1.5μm，大圆形空气孔的左右间距M为4.2μm，大圆形空气孔上下间距N的范围为1.3～1.5μm。

进一步地，所述圆形空气孔半径d₁/2为0.3μm，椭圆形空气孔的半长轴和半短轴之比为4，椭圆形空气孔的半长轴a和半短轴b分别为0.5μm和0.125μm，大圆形空气孔的直径d₂为1.4μm，大圆形空气孔的左右间距M为4.2μm，大圆形空气孔上下间距N为1.4μm。

进一步地，所述光子晶体光纤在X方向的有效折射率为1.4222，Y方向的有效折射率为1.4238，双折射系数为1.6*10^-3。

进一步地，所述光子晶体光纤的布里渊增益谱在频率10.97GHz处出现最大增益，为5.83*10^-12m/w。

进一步地，所述光子晶体光纤的光学模式为单模，其模场能量主要分布在纤芯，呈高斯型分布。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明光子晶体光纤的双折射系数与普通保偏光纤PANDA或者Bow-tie相比，双折射率提高了10倍，布里渊增益系数提高约3倍，因此传感系统的信噪比与测量精度可望得到有效提高。

附图说明

图1是本发明的一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤的示意图。

图2是本发明的一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤的X方向光场模式分布图。

图3是本发明的一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤的Y方向光场模式分布图。

图4是本发明的一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤的第一声场模式分布图。

图5是本发明的一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤的第二声场模式分布图。

图6是本发明的一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤的第三声场模式分布图。

图7是本发明的布里渊散射增益谱。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种具有高双折射和高布里渊增益的光子晶体光纤，它的光纤截面为圆空气孔类矩形分布，椭圆空气孔与之嵌套排布；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半径为7.3μm，包括由内至外排布的7层圆形空气孔和椭圆空气孔相间排布，相邻的圆孔中心间距Λ为1.5μm；相邻的椭圆孔中心间距Λ为1.5μm；相邻的圆孔与椭圆孔中心间距Λ/2为0.75μm；圆形空气孔的半径直径d₁范围为0.6～1.0μm，椭圆形空气孔的半长轴a和半短轴b之比为1～5，长轴范围为0.3～0.5μm，靠近纤芯处的四个大圆形空气孔直径大于其余圆形空气孔，其直径d₂范围为1.3～1.5μm，大圆形空气孔的左右间距M为4.2μm，大圆形空气孔的上下间距N范围为1.3～1.5μm。

优选地，圆形空气孔半径d₁/2为0.3μm，椭圆形空气孔的半长轴和半短轴之比为4，椭圆形空气孔的半长轴a和半短轴b分别为0.5μm和0.125μm，大圆形空气孔的直径d₂为1.4μm，大圆形空气孔的左右间距M为4.2μm，大圆形空气孔的上下间距N为1.4μm。

光子晶体光纤在X方向的有效折射率为1.4222，Y方向的有效折射率为1.4238，双折射系数为1.6*10^-3。光子晶体光纤的布里渊增益谱在频率10.97GHz处出现最大增益，为5.83*10^-12m/w。光子晶体光纤的光学模式为单模，其模场能量主要分布在纤芯，呈高斯型分布。

如图4、5、6所示，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，包括三个声学模式，其中第一个声模式和第三个声模式的分布属于圆对称分布，第二个声模式的分布属于轴对称。

本发明设计了一种具有高布里渊增益和高双折射的光子晶体光纤。当Λ为1.5μm、d₁为0.6μm，d₂为1.4μm，a为0.5μm，b为0.125μm，M为4.2μm和N为1.4μm时，且空气孔层数为7，在入射光波长为1.55μm时，双折射系数为1.6*10^-3，布里渊增益系数为5.83*10^-12m/w(与典型阶跃型传统光纤的布里渊增益系数1.6*10^-12m/w相比，增益系数提高3倍)，这将在布里渊传感系统中大大提高测量的精度。

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。根据仿真得到的光场分布图，分别得到X方向和Y方向的有效折射率，根据双折射系数计算公式计算出光纤的双折射系数；通过仿真得到的光场分布以及它所对应的声场分布的数据导入仿真计算软件Matlab，根据布里渊增益系数的计算公式计算出布里渊增益系数。

双折射系数公式为

B＝n^x_eff-n^y_eff

本发明中，由图2和图3可知，X方向的有效折射率为1.4222，Y方向的有效折射率为1.4238。故该光子晶体光纤的双折射系数为1.6*10^-3。传统的保偏光纤的双折射系数大约在10^-4量级，所以该发明的高双折射系数提高了10倍左右。

布里渊增益系数公式：

式中n_eff为有效折射率，p₁₂为石英的弹光系数，其值为0.12，ρ为石英的密度，其值为2210kg/m³；c为真空中的光速，其值为3.0*10⁸，f_i为声模式对应的布里渊共振频率，△f_i为为洛仑兹增益形式的半峰全宽，其值为40MHz；ψ(x,y)为光场模式分布，u_z(x,y)为声场模式分布，ψ(x,y)和u_z(x,y)分别归一化，可以分别通过仿真得到。

根据布里渊增益系数公式，得到了如图7所示本发明的布里渊散射增益谱。在频率10.97GHz处出现最大增益为5.83*10^-12m/w。传统的阶跃型光纤的布里渊增益为1.6*10^-12m/w，本发明光纤的布里渊增益约是其的3.6倍，所以有效增加了布里渊增益，可望提高布里渊传感系统的精度。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。