一种光子晶体传像光纤及其设计方法与流程

1.本发明属于特种光纤技术领域，尤其涉及一种可见光波段的耐辐照、超细的光子晶体传像光纤及其设计方法。


背景技术：

2.核能作为清洁能源，因其发电转换效率高、燃料储量丰富、具有广阔的应用前景而备受人们青睐。不足的是核能发电时会产生强烈的核辐照(如大量γ射线等)，一旦发生核泄漏将会带来巨大的生命财产损失以及对环境产生长久性的破坏。因此，安全合理的利用核能发电已经成为全球能源研究方面的热点之一。
3.为了安全可控的利用核能发电，需要对核能发电过程和换料过程进行实时成像监测。由于核反应的特殊性，工业摄像机在强辐照的环境下会造成图像严重失真，无法正常工作。强辐照对工业摄像机的影响主要体现在两个方面：第一，辐照环境会使摄像机镜头的折射率、体积等发生改变，导致信噪比、成像质量下降，结构匹配性变差。可使用掺杂辐照稳定剂(如ceo2)的耐辐镜头解决这一问题。第二，数字摄像机中的图像传感器(ccd/cmos)基于的材料是掺杂半导体，辐照环境中的γ射线会使材料中的电子脱离束缚变成自由电子，这样就产生一个伪的电信号(不是由真实成像光线产生)，形成了γ辐射导致的噪点；此外，半导体晶格与γ射线相互作用产生新的物质，会在半导体上形成晶格缺陷，导致此像素点无法敏感光信号，成为图像上一个永久的坏点。虽然数字摄像机具有高成像分辨率，但其图像传感器(ccd/cmos)无法在强辐照环境下实时正常工作；模拟摄像机的图像传感器是真空管，相对数字摄像机的图像传感器而言耐辐照性能相对好一些，但模拟摄像机的分辨率较低，成像质量较差。综上所述，要使用高分辨率的图像传感器(ccd/cmos)，则需改变摄像机的成像体制，使高分辨率图像传感器远离辐照环境。
4.光纤内窥镜的成像体制为利用物镜将目标物体成像到光纤传像束的入射端面，将光纤传像束出射端面的像通过耦接镜耦合到图像传感器的靶面上，将光信号转化成电信号，送入控制显示系统生成图像。如上所述，光纤内窥镜的成像体制可以实现图像传感器在无辐照的环境下工作。据调研，现有的光纤传像束所用的单光纤均为纤芯掺杂的阶跃型光纤，该光纤在强辐照环境下会产生巨大的传输损耗导致图像无法传输。光子晶体光纤是由纯二氧化硅材料制成，具有超强的耐辐照特性(如表1所示)。因此，利用光子晶体光纤作为传像束，可以从本质上解决传统光纤辐照致衰减增大的问题。
5.表1光子晶体光纤与传统光纤辐照实验结果
6.注：辐照环境剂量率104gy/h，时间16h
[0007][0008]
光纤传像束是光纤内窥镜的核心器件，其关键指标的优劣直接决定了光纤内窥镜的成像质量和工作距离，光纤的直径决定了传像束的分辨率，限制损耗决定了传像束的透过率。目前光纤市场上可见光波段光子晶体裸纤的直径一般为125μm，特种的细径光子晶体裸纤直径最细也只达到80μm，远达不到制作高分辨率传像束的要求。因此，如何设计可见光波段、超细、超低损耗的光子晶体光纤成为实现在强辐照环境下高分辨率成像的关键问题。


技术实现要素：

[0009]
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种可用于在强辐照环境下、可见光波段高分辨成像的超细光子晶体光纤及其设计方法，本发明的具体技术方案如下：
[0010]
一种光子晶体传像光纤，所述光子晶体传像光纤的纤芯与包层同轴，所述纤芯为实芯，包层包括空气孔构成的空气层，所述空气孔整体呈六边形排列，所述空气层的厚度≤2.45μm，所述空气层的直径≤8.89μm。
[0011]
进一步地，所述空气孔为圆形，所有空气孔的直径相同，相邻空气孔之间的距离相等，相邻的三个空气孔呈三角形排列。
[0012]
进一步地，所述光子晶体传像光纤由纯二氧化硅材料制成，具有耐强辐照特性，在辐照环境剂量率104gy/h，时间16h条件下，辐照致衰减小于0.5db/km。
[0013]
进一步地，所述光子晶体传像光纤的空气孔直径与空气孔孔距的比值即占空比≥0.7。
[0014]
进一步地，所述光子晶体传像光纤的光纤限制损耗低于10
‑9db/km量级。
[0015]
进一步地，所述光子晶体传像光纤的传输窗口为可见光波段。
[0016]
一种光子晶体传像光纤的设计方法，包括以下步骤：
[0017]
s1：确定空气孔的形状及其排列方式：基于光子晶体光纤的生产设备，选择圆形空气孔、三角形的排列方式；
[0018]
s2：确定占空比
[0019]
根据纤芯直径和空气层直径的计算公式(1)以及光子晶体传像光纤的纤芯直径、空气孔直径、空气孔层数对其特性影响选择占空比≥0.7：
[0020]
光子晶体传像光纤空气层直径计算公式：
[0021][0022]
其中，d
air layer
为空气层直径，n
out
为空气孔层数和去除内部空气孔层数之和，d
hole
空气孔直径，f为占空比；
[0023]
s3：确定纤芯直径范围；
[0024]
s4：确定空气层最小厚度：选择空气孔直径、空气孔层数，使其满足限制损耗的条件下，选择最小的空气层厚度。
[0025]
进一步地，所述步骤s3的具体过程为：
[0026]
s3
‑
1：建立光子晶体传像光纤几何模型，利用有限元法得到模场分布和基模的有效折射率；
[0027]
s3
‑
2：在几何模型基础上，通过去除光子晶体传像光纤内层空气孔的层数改变纤芯直径，通过公式(2)(3)计算出限制损耗和纤芯直径：
[0028]
限制损耗公式：
[0029][0030]
其中，l
c
为光纤的限制损耗，i＝x,y，x,y分别代表x偏振模和y偏振模，im代表有效折射率n
eff
的虚部，λ为传输光的波长；
[0031]
光子晶体传像光纤纤芯直径计算公式：
[0032][0033]
其中，d
core
为纤芯直径，n
in
为去除内部空气孔的层数；
[0034]
s3
‑
3：重复步骤s3
‑
2得到纤芯直径与限制损耗关系图、不同纤芯直径的模场分布图；
[0035]
s3
‑
4：通过分析观察步骤s3
‑
3得到的纤芯直径与限制损耗关系图、不同纤芯直径的模场分布图，找出随着纤芯直径变化限制损耗变化趋于平稳的区间，即是光子晶体传像光纤纤芯直径的范围。
[0036]
进一步地，所述步骤s4的具体过程为：
[0037]
s4
‑
1：空气孔层数为n，在纤芯直径范围内，从纤芯向外依次计算单层空气孔对应的限制损耗和空气层的厚度；
[0038]
s4
‑
2：按照步骤s4
‑
1，在纤芯直径范围内，从纤芯向外依次计算相邻两层空气孔对应的限制损耗和空气层的厚度；以此类推，直至计算出n层空气孔对应的限制损耗和空气层的厚度；
[0039]
s4
‑
3：对步骤s4
‑
2得到的数据分析比对，确定空气孔层数和空气孔直径。
[0040]
本发明的有益效果在于：本发明的光纤具有可见光波段低限制损耗、直径超细、耐辐照性能强等优点，将其用于光纤内窥镜中，既能提高光纤内窥镜的分辨率又能扩展光纤内窥镜的应用场景，可解决辐照环境下难以实现高分辨成像的难题。
附图说明
[0041]
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，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
[0042]
图1是光纤传像束关键指标分析图；
[0043]
图2是本发明的光子晶体传像光纤设计流程图；
[0044]
图3是本发明的光子晶体传像光纤的截面图；
[0045]
图4在波长780nm处纤芯直径与限制损耗的关系图；
[0046]
图5为图4局部放大图；
[0047]
图6是不同纤芯直径的光子晶体传像光纤模场分布对比，其中，(a)纤芯直径为0.68μm的模场分布；(b)纤芯直径为3.79μm的模场分布图；
[0048]
图7空气孔层数为1层时的模场分布图；
[0049]
图8空气孔层数为2层时的模场分布图；
[0050]
图9空气孔层数为3层时的模场分布图；
[0051]
图10空气孔层数为4层时的模场分布图；
[0052]
图11空气孔层数为5层时的模场分布图。
具体实施方式
[0053]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0054]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0055]
光纤传像束是光纤内窥镜的核心器件，其关键指标的优劣直接决定了光纤内窥镜的成像质量和工作距离，图1给出光子晶体传像光纤的指标要求，光纤的直径决定了传像束的分辨率，限制损耗决定了传像束的透过率。目前光纤市场上可见光波段光子晶体裸纤的直径一般为125μm，特种的细径光子晶体裸纤直径最细也只达到80μm，远达不到制作高分辨率传像束的要求。因此，设计可见光波段、超细、超低损耗的光子晶体光纤成为实现在强辐照环境下高分辨率成像的关键问题。
[0056]
光子晶体传像光纤传输特性由纤芯直径和空气孔厚度决定；包层中没有空气孔部分的厚度只决定光子晶体光纤的机械强度，在实际制作中可以做的很薄，损失的机械强度可以通过特殊的封装来弥补。因此，空气层直径决定了光子晶体光纤的直径。本发明提出的一种可见光波段的耐辐照、超细光子晶体传像光纤的主要结构参数如下：空气孔的形状、空气孔的排列方式、占空比、纤芯直径、空气孔直径、空气孔层数。以上结构参数对光纤特性定性的影响如表2所示，根据图1对指标的分析，重点关注在满足低限制损耗的条件下，通过调节光子晶体传像光纤结构参数使光纤直径达到最细，以满足用于制作高分辨率传像束的要求。
[0057]
表2光子晶体传像光纤结构参数对其特性影响的定性关系
[0058]
[0059][0060]
光子晶体传像光纤的详细设计流程如图2所示。首先，根据光子晶体光纤的生产设备和制作工艺确定空气孔的形状及其排列方式。其次，根据表2得出f越大光子晶体传像光纤的抗弯曲能力越强(使用灵活)，数值孔径越大(高耦合效率)；由公式(1)、公式(3)得出合理的减小n
in
、n
out
和d
hole
，以及增大f能够减小空气层直径；结合本发明专利提供的光子晶体传像光纤的指标要求应尽量选择大的占空比。在该占空比下，找出随着纤芯直径变化，限制损耗变化趋于平稳的区间，即为光纤纤芯直径的范围。最后，在满足对限制损耗要求的条件下确定空气层的最小厚度，若满足成像分辨率要求，则可直接输出光子晶体传像光纤的结构参数，若不满足重新选择占空比重复以上步骤，直至满足成像分辨率要求输出光纤的结构参数。
[0061]
具体地，一种光子晶体传像光纤，光子晶体传像光纤的纤芯与包层同轴，纤芯为实芯，包层包括空气孔构成的空气层，空气孔整体呈六边形排列，空气层的厚度≤2.45μm，空气层的直径≤8.89μm。
[0062]
在一些实施方式中，空气孔为圆形，所有空气孔的直径相同，相邻空气孔之间的距离相等，相邻的三个空气孔呈三角形排列。
[0063]
在一些实施方式中，空气孔层数为2层，空气孔直径为1.16μm，纤芯直径为3.99μm，空气层厚度为2.45μm，空气层直径为8.89μm。
[0064]
在一些实施方式中，空气孔层数为3层，空气孔直径为0.68μm，纤芯直径为3.85μm，空气层厚度为2.19μm，空气层直径为8.23μm。
[0065]
较佳地，空气孔层数为4层，空气孔直径为0.48μm，纤芯直径为3.78μm，空气层厚度为2.28μm，空气层直径为7.94μm。
[0066]
在一些实施方式中，光子晶体传像光纤由纯二氧化硅材料制成，具有耐强辐照特性，在辐照环境剂量率104gy/h，时间16h条件下，辐照致衰减小于0.5db/km。
[0067]
在一些实施方式中，光子晶体传像光纤的空气孔直径与空气孔孔距的比值即占空比≥0.7。
[0068]
在一些实施方式中，光子晶体传像光纤的光纤限制损耗低于10
‑9db/km量级。
[0069]
在一些实施方式中，光子晶体传像光纤的传输窗口为可见光波段。
[0070]
一种光子晶体传像光纤的设计方法，包括以下步骤：
[0071]
s1：确定空气孔的形状及其排列方式：基于光子晶体光纤的生产设备，选择圆形空气孔、三角形的排列方式；
[0072]
s2：确定占空比
[0073]
根据纤芯直径和空气层直径的计算公式(1)以及光子晶体传像光纤的纤芯直径、空气孔直径、空气孔层数对其特性影响选择占空比≥0.7：
[0074]
光子晶体传像光纤空气层直径计算公式：
[0075][0076]
其中，d
air layer
为空气层直径，n
out
为空气孔层数和去除内部空气孔层数之和，d
hole
空气孔直径，f为占空比；
[0077]
s3：确定纤芯直径范围；
[0078]
s4：确定空气层最小厚度；空气孔直径、空气孔层数决定空气层的厚度和光纤限制损耗，选择空气孔直径、空气孔层数，使其满足限制损耗的条件下，选择最小的空气层厚度。
[0079]
步骤s3的具体过程为：
[0080]
s3
‑
1：建立光子晶体传像光纤几何模型，利用有限元法得到模场分布和基模的有效折射率；
[0081]
s3
‑
2：在几何模型基础上，通过去除光子晶体传像光纤内层空气孔的层数改变纤芯直径，通过公式(2)(3)计算出限制损耗和纤芯直径：
[0082]
限制损耗公式：
[0083][0084]
其中，l
c
为光纤的限制损耗，i＝x,y，x,y分别代表x偏振模和y偏振模，im代表有效折射率n
eff
的虚部，λ为传输光的波长；
[0085]
光子晶体传像光纤纤芯直径计算公式：
[0086][0087]
其中，d
core
为纤芯直径，n
in
为去除内部空气孔的层数；
[0088]
s3
‑
3：重复步骤s3
‑
2得到纤芯直径与限制损耗关系图、不同纤芯直径的模场分布图；
[0089]
s3
‑
4：通过分析观察步骤s3
‑
3得到的纤芯直径与限制损耗关系图、不同纤芯直径的模场分布图，找出随着纤芯直径变化限制损耗变化趋于平稳的区间，即是光子晶体传像光纤纤芯直径的范围。
[0090]
首先，根据纤芯直径与限制损耗关系图，随着纤芯直径变化限制损耗变化趋于平稳的大致区间，然后根据不同纤芯直径的模场分布图(主要观察空气层是否将光完全束缚在纤芯中)，得到准确的范围。
[0091]
步骤s4的具体过程为：
[0092]
s4
‑
1：空气孔层数为n，在纤芯直径范围内，从纤芯向外依次计算单层空气孔对应的限制损耗和空气层的厚度；
[0093]
s4
‑
2：按照步骤s4
‑
1，在纤芯直径范围内，从纤芯向外依次计算相邻两层空气孔对应的限制损耗和空气层的厚度；以此类推，直至计算出n层空气孔对应的限制损耗和空气层的厚度；
[0094]
s4
‑
3：对步骤s4
‑
2得到的数据分析比对，确定空气孔层数和空气孔直径。
[0095]
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
[0096]
实施例1
[0097]
以圆形空气孔、三角形排列方式、占空比取0.9为例(截面如图3所示)，说明可见光波段的耐辐照、超细光子晶体传像光纤的仿真过程。
[0098]
(1)确定纤芯最小直径
[0099]
选定空气孔直径0.2μm(为了更细致的观察纤芯直径与损耗的趋势关系，此时限制
损耗值的大小并不重要)，空气孔层数为5层，保证其它结构参数不变，只改变纤芯直径的大小(通过增加、去除内层空气孔层数，增大纤芯直径的方法实现)，探究限制损耗的变化趋于稳定的纤芯直径取值范围。
[0100]
纤芯直径在0.68μm
‑
6.46μm范围内变化的限制损耗如图4和图5所示，从图中可以看出纤芯直径小于3.35μm时限制损耗变化明显，纤芯直径大于3.35μm时限制损耗变化非常微小，即纤芯直径最小值为3.35μm。
[0101]
从图6(a)可以看出当纤芯直径很小(与传输光的波长尺寸相当)时，包层的空气孔无法把光完全的限制纤芯中传输，造成非常大的限制损耗。如图6(b)所示，当纤芯直径增大到3.79μm时包层的空气孔已经可以完全把光限制在纤芯中传输。
[0102]
(2)确定空气层最小厚度
[0103]
在可见光波段，保证限制损耗一定(10
‑9db/m)的条件下研究空气层最小厚度。光子晶体传像光纤的限制损耗主要由空气孔层数、空气孔直径来决定，且对限制损耗影响空气孔层数要强于空气孔直径。结合以上对纤芯最小直径的分析，通过减小空气孔内层的层数来保证纤芯直径至少大于3.35μm，采用通过减小空气孔直径，增加层数，使限制损耗达到设定值(10
‑9db/m)，观察空气层直径的变化。
[0104]
如表3所示，空气孔为1层，空气孔直径增加到8.6μm时限制损耗达到设定值10
‑9db/m量级，空气层的厚度为8.6μm。依此类推，当空气孔层数为5层时，空气层的厚度达到了拐点，即空气孔层数为4层、空气孔直径0.48μm，且纤芯直径为3.78μm(大于纤芯的最小直径)，空气层的厚度为2.08μm达到最小值。
[0105]
由表3进一步的看出，空气孔层数由1层到2层的改变其空气层厚度变化量较大，相比而言，空气孔层数由2层到3层再到4层的改变其空气层厚度变化较为平缓，意味着2层3层4层的空气孔结构所对应的参数都可以作为超细光子晶体传像光纤的结构参数。
[0106]
表3波长780nm处不同空气孔层数和空气孔直径的空气层厚度变化表
[0107][0108]
图7
‑
图11为不同层数的模场分布图，可以看出当纤芯直径大于最小纤芯直径时，包层的空气孔基本上将光波完全限制在纤芯中传输。
[0109]
基于以上理论分析和仿真验证，2层3层4层的空气孔结构参数均可作为超细光子晶体传像光纤的结构参数。其中的最优设计结果为：空气孔层数4层，空气孔直径0.48μm，占空比空气层的直径为7.94μm，限制损耗为9.84e
‑
09db/m，其模场分布如图11所
示。
[0110]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。