一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤

本发明涉及光纤通信和传感，具体涉及一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤。

背景技术：

1、光纤技术作为现代通信领域的重要基础设施，已经广泛应用于全球的通信网络中，然而，传统光纤在某些特定应用场景下存在一些限制和挑战，为了克服这些问题，近年来，光子晶体光纤作为一种新型的光导波结构逐渐引起了人们的关注，光子晶体光纤是一种由周期性的折射率调制构成的微结构，具有许多独特的优势特性，如高折射率差、低损耗、宽带宽等，这些优势使得光子晶体光纤在传输、传感、波导器件等领域具有广阔的应用前景，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。

2、然而，传统的光子晶体光纤在一些特定应用中仍然存在局限性，其中一个主要问题是其低双折射率特性限制了其在一些特定场景下的应用，例如，在布里渊增益的应用中，低双折射率会导致信号的传播模式受限，从而降低了布里渊增益效应的利用率，因此，迫切需要一种高双折射率的光子晶体光纤来弥补这一缺陷，提高布里渊增益效应的性能和应用潜力。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，包括：

3、包层和纤芯，所述包层共分为表层、中间层和核心层，表层的内部开设有表层小椭圆形空气孔和表层大椭圆形空气孔，所述表层小椭圆形空气孔的数量为两个且大小相同，所述表层大椭圆形空气孔的数量为六个且大小相同，中间层由相同大小的中间层小椭圆形空气孔组成，所述中间层小椭圆形空气孔整体结构为正六边形阵列且呈上下对称分布，核心层是由大圆形空气孔、小圆形空气孔和核心层小椭圆形空气孔所组成，所述大圆形空气孔位于纵轴上，所述小圆形空气孔和小椭圆形空气孔分别放置并对称分布在大圆形空气孔的斜上方两侧和斜下方两侧。

4、优选的，所述表层小椭圆形空气孔和表层大椭圆形空气孔的半短轴长度均相同，较大的六个所述椭圆形空气孔的半长轴a2和半短轴b2分别为0.8um和0.4um，较小的两个所述椭圆形空气孔的半长轴a1和半短轴b1分别为2.0um和0.4um。

5、优选的，所述中间层小椭圆形空气孔的半长轴和半短轴之比为5:3，所述核心层小椭圆形空气孔的半长轴a和半短轴b分别为1.0um和0.6um，所述中间层小椭圆形空气孔的间距e为0.7um。

6、优选的，所述核心层大圆形空气孔的直径d为0.8um且上下间距n为3.0um，所述核心层小圆形空气孔半径为0.25um，所述核心层小椭圆形空气孔半长轴a3和半短轴b3分别为0.8um和0.4um，旋转角θ＝30°。

7、优选的，使用有限元分析软件comsol multiphysics进行仿真，添加电磁波频域(ewfd)和压力声学(acpr)物理场，并结合完美匹配层(pml)进行计算，得到本发明的光学以及声学模场分布。根据仿真得出的电场分布图，计算得到双折射率、限制性损耗以及非线性系数，根据电场和声场分布共同计算出布里渊增益系数。

8、优选的，双折射系数公式为：b＝nyeff-nxeff。

9、优选的，非线性系数公式为：

10、

11、

12、其中，sio2的非线性系数n2＝3.2×10-20m2·w-1为入射波长，为电场分布；

13、限制性损耗公式为：

14、其中，为入射波长，im(neff)表示有效折射率的虚部；

15、布里渊增益系数公式为：

16、

17、ii＝(∫|e|2uidxdy)2/∫|e|4dxdy∫|ui|2dxdy

18、式中neff为有效折射率，为sio2的弹光系数，为sio2的密度，c为真空中光速，为声学模式对应的布里渊共振频率，为洛伦兹增益形式的半峰全宽，e与分别为电场模式分布以及声场模式分布，通过comsol仿真得到。

19、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

20、本发明的光子晶体光纤，在入射波长为1.35时，该光纤的非线性系数相较于现有高非线性光纤提升约2倍，限制性损耗相较于现有低损耗光纤降低1.8倍，布里渊增益系数提高约1.67倍，双折射系数高达2.0×10-3，极大程度的提升传感系统的精度以及降低长距离传输损耗。

技术特征：

1.一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述表层小椭圆形空气孔(6)和表层大椭圆形空气孔(5)的半短轴长度均相同，较大的六个所述椭圆形空气孔(5)的半长轴a2和半短轴b2分别为0.8um和0.4um，较小的两个所述椭圆形空气孔(6)的半长轴a1和半短轴b1分别为2.0um和0.4um。

3.根据权利要求1所述的一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述中间层小椭圆形空气孔(1)的半长轴和半短轴之比为5:3，所述核心层小椭圆形空气孔(4)的半长轴a和半短轴b分别为1.0um和0.6um，所述中间层小椭圆形空气孔(1)的间距e为0.7um。

4.根据权利要求1所述的一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于：所述核心层大圆形空气孔(2)的直径d为0.8um且上下间距n为3.0um，所述核心层小圆形空气孔(3)半径为0.25um，所述核心层小椭圆形空气孔(4)半长轴a3和半短轴b3分别为0.8um和0.4um，旋转角θ＝30°。

5.根据权利要求1所述的一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于：使用有限元分析软件comsol multiphysics进行仿真，添加电磁波频域(ewfd)和压力声学(acpr)物理场，并结合完美匹配层(pml)进行计算，得到本发明的光学以及声学模场分布。根据仿真得出的电场分布图，计算得到双折射率、限制性损耗以及非线性系数，根据电场和声场分布共同计算出布里渊增益系数。

6.根据权利要求1所述的一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于：双折射系数公式为：

7.根据权利要求1所述的一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，其特征在于：非线性系数公式为：

技术总结本发明提供一种高双折射率高布里渊增益的光子晶体光纤，涉及光纤通信和传感技术领域，包括包层和纤芯，包层共分为表层、中间层和核心层，表层的内部开设有表层小椭圆形空气孔和表层大椭圆形空气孔，表层小椭圆形空气孔的数量为两个且大小相同，表层大椭圆形空气孔的数量为六个且大小相同，中间层由相同大小的中间层小椭圆形空气孔组成，中间层小椭圆形空气孔整体结构为正六边形阵列且呈上下对称分布，核心层是由大圆形空气孔、小圆形空气孔和核心层小椭圆形空气孔所组成，大圆形空气孔位于纵轴上，小圆形空气孔和小椭圆形空气孔分别放置并对称分布在大圆形空气孔的斜上方两侧和斜下方两侧，极大程度提升传感系统的精度以及降低长距离传输损耗。技术研发人员：刘雪明,曹舒昊受保护的技术使用者：南京信息工程大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2