[發明專利]一種光子晶體傳像光纖及其設計方法

有效

• 申請號: 202111040708.6
• 申請日: 2021-09-07
• 公開（公告）號: CN113777699B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 高福宇;范榮華;楊越;鄭月;李立京
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B23/26;G02B27/00
• 代理公司: 北京天匯航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

1.一種光子晶體傳像光纖，其特征在于，所述光子晶體傳像光纖的纖芯與包層同軸，所述纖芯為實芯，包層包括空氣孔構成的空氣層，所述空氣孔整體呈六邊形排列，所述空氣層的厚度≤2.45μm，所述空氣層的直徑≤8.89μm；

所述空氣孔為圓形，所有空氣孔的直徑相同，相鄰空氣孔之間的距離相等，相鄰的三個空氣孔呈三角形排列；

所述光子晶體傳像光纖由純二氧化硅材料制成，具有耐強輻照特性，在輻照環境劑量率10⁴Gy/h，時間16h條件下，輻照致衰減小于0.5dB/km。

2.根據權利要求1所述的一種光子晶體傳像光纖，其特征在于，所述光子晶體傳像光纖的空氣孔直徑與空氣孔孔距的比值即占空比≥0.7。

3.根據權利要求1或2所述的一種光子晶體傳像光纖，其特征在于，所述光子晶體傳像光纖的光纖限制損耗低于10^-9dB/km量級。

4.根據權利要求1所述的一種光子晶體傳像光纖，其特征在于，所述光子晶體傳像光纖的傳輸窗口為可見光波段。

5.根據權利要求1-4之一所述的一種光子晶體傳像光纖的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：確定空氣孔的形狀及其排列方式：基于光子晶體光纖的生產設備，選擇圓形空氣孔、三角形的排列方式；

S2：確定占空比

根據纖芯直徑和空氣層直徑的計算公式(1)以及光子晶體傳像光纖的纖芯直徑、空氣孔直徑、空氣孔層數對其特性影響選擇占空比≥0.7：

光子晶體傳像光纖空氣層直徑計算公式：

其中，d_airlayer為空氣層直徑，n_out為空氣孔層數和去除內部空氣孔層數之和，d_hole空氣孔直徑，F為占空比；

S3：確定纖芯直徑范圍；

S4：確定空氣層最小厚度：選擇空氣孔直徑、空氣孔層數，使其滿足限制損耗的條件下，選擇最小的空氣層厚度。

6.根據權利要求5所述的一種光子晶體傳像光纖的設計方法，其特征在于，所述步驟S3的具體過程為：

S3-1：建立光子晶體傳像光纖幾何模型，利用有限元法得到模場分布和基模的有效折射率；

S3-2：在幾何模型基礎上，通過去除光子晶體傳像光纖內層空氣孔的層數改變纖芯直徑，通過公式(2)(3)計算出限制損耗和纖芯直徑：

限制損耗公式：

其中，L_C為光纖的限制損耗，i＝x，y，x，y分別代表x偏振模和y偏振模，Im代表有效折射率n_eff的虛部，λ為傳輸光的波長；

光子晶體傳像光纖纖芯直徑計算公式：

其中，d_core為纖芯直徑，n_in為去除內部空氣孔的層數；

S3-3：重復步驟S3-2得到纖芯直徑與限制損耗關系圖、不同纖芯直徑的模場分布圖；

S3-4：通過分析觀察步驟S3-3得到的纖芯直徑與限制損耗關系圖、不同纖芯直徑的模場分布圖，找出隨著纖芯直徑變化限制損耗變化趨于平穩的區間，即是光子晶體傳像光纖纖芯直徑的范圍。

7.根據權利要求6所述的一種光子晶體傳像光纖的設計方法，其特征在于，所述步驟S4的具體過程為：

S4-1：空氣孔層數為n，在纖芯直徑范圍內，從纖芯向外依次計算單層空氣孔對應的限制損耗和空氣層的厚度；

S4-2：按照步驟S4-1，在纖芯直徑范圍內，從纖芯向外依次計算相鄰兩層空氣孔對應的限制損耗和空氣層的厚度；以此類推，直至計算出n層空氣孔對應的限制損耗和空氣層的厚度；

S4-3：對步驟S4-2得到的數據分析比對，確定空氣孔層數和空氣孔直徑。