一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤的制作方法

本发明属于光纤传感，具体涉及一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤。

背景技术：

1、光子晶体光纤可以通过改变横截面上空气孔的几何特性，即孔的大小、位置和排列方式实现丰富的功能，相对于传统光纤，具备许多优异的特性，例如高双折射、大波段范围内无截止单模传输、可调节的色散特性等。光子晶体光纤还具有较低的有效模式折射率，这使得其具有优异的抗温度以及磁场干扰的能力，因此研究光子晶体光纤的传输特性并优化其性能对提升光纤传感系统的环境适应性具有重要的意义。

2、光子晶体光纤的研究和应用中最重要的问题之一是应力载荷作用下的损耗控制。对于光纤传感系统应用的复杂应力环境，由于结构内部空气孔的存在，使得光子晶体光纤的机械强度远小于实心光纤，造成光子晶体光纤对外界应力更加敏感。应力载荷引起的光纤形变弱化了光子晶体光纤对基模的控制能力，从而导致额外的损耗，给光纤中的光信号稳定传输带来了极大挑战。

3、现有的光子晶体光纤损耗研究多数是在折射率分析模型上做近似计算，很少考虑晶胞结构的受力情况以及气孔变形条件下光纤对外部应力载荷的力学响应，然而这是光子晶体光纤损耗分析中不可忽视的因素，且更符合实际情况。

4、为了使光子晶体光纤既能满足光学性能参数要求又能抵抗应力导致的损耗，现有的方案多集中于光子晶体光纤气孔的设计以及弯曲损耗等效模型的应用。灵活的气孔设计的确为光子晶体光纤的优势所在，但是为了优化光学性能参数而设计的过于复杂的气孔结构以及排列方式对工艺要求很高，极大地增加了光纤的制备难度。同时，此种方法仅能满足特定的要求，通用性较差。对于弯曲损耗等效模型，是以折射率分布的角度实现光子晶体光纤弯曲状态下的参数计算近似，并未考虑气孔的形变对光纤传输性能的影响，这是不符合实际情况的，通过弯曲损耗模型获得的设计方法仅能作为参考，难以精确评估参数。

5、现有的光子晶体光纤设计方案，主要存在以下不足：

6、(1)现有的光子晶体光纤设计方法采用气孔的形状以及排列方式设计，优化光子晶体光纤参数。但是这种方法只能针对某种特定的参数需求进行结构设计，同时复杂的气孔形状以及排列方式大大增加了制备难度，难以实际应用。

7、(2)现有的应力载荷下光子晶体光纤的光学分析采用基于折射率分布的近似模型，并未考虑受力情况下的气孔形变，使得该模型只能用于近似分析，难以精确评估参数。

8、(3)对于光子晶体光纤应用中的损耗研究集中于弯曲引起的损耗，事实上，在光纤传感系统的应力环境中，光子晶体光纤所受的应力干扰情况更为复杂。

9、(4)目前对于光子晶体光纤的应力干扰研究并未考虑气孔的形变对光纤的影响，这与光纤的实际情况存在差异。

10、负泊松比效应是指当结构的一个方向受到拉伸时，它的另一个方向会在弹性范围内发生膨胀的现象，即拉胀效应，这表明材料在受到外力作用时可以呈现出不同的力学响应。负泊松比结构是一种具有负泊松比效应的多孔结构，在受到外界应力载荷时，垂直于载荷方向上的材料将向受载荷部位聚集，这种独特的压痕阻力性能使其可以有效抵抗外界应力载荷的干扰，具有优异的抗冲击、吸收能量和隔离振动的能力。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤。本发明提供的光子晶体光纤通过利用负泊松比晶胞的拉胀效应，降低整体结构的有效泊松比，使得在外力作用下，光纤抵抗干扰的能力增强，仅需简单的气孔形状设计和排列即可实现吸能吸震作用，提高光纤抗应力干扰能力。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，所述光子晶体光纤包括包层和纤芯；所述包层中设置具有负泊松比效应的晶胞结构；

4、所述晶胞结构包括若干个气孔层；每个气孔层包括若干个围绕纤芯周围排列的椭圆气孔，每个气孔层中相邻的两个椭圆气孔正交设置；且两个相邻气孔层中相邻的两个椭圆气孔正交设置。

5、进一步地，所述晶胞结构中的所有椭圆气孔的尺寸参数相同；所述椭圆气孔的横截面为椭圆形，所述椭圆形的长轴半径为1.5μm～2.5μm，短轴半径为0.5μm～1.4μm。

6、进一步地，相邻气孔层中两个相邻椭圆气孔的间距等于每个气孔层中相邻两个椭圆气孔的间距。

7、进一步地，所述间距为4.5μm～7μm。

8、进一步地，所述晶胞结构包括4～8个气孔层。

9、进一步地，所述光子晶体光纤的整体结构的泊松比数值范围为：0.1071～0.1904。

10、进一步地，所述光子晶体光纤为全内反射型光子晶体光纤。

11、本发明的有益技术效果：

12、本发明提供的光子晶体光纤通过利用负泊松比晶胞的拉胀效应，降低整体结构的有效泊松比，使得在外力作用下，光纤抵抗干扰的能力增强，仅需简单的气孔形状设计和排列即可实现吸能吸震作用，提高光纤抗应力干扰能力。

13、本发明提供的光子晶体光纤给出了气孔的排列方式、气孔间隔、气孔形状、气孔尺寸等参数的组合，通过气孔的设计可以提升光子晶体光纤的光学参数和力学性能，同时所提出的负泊松比晶胞结构的排列可以作为光子晶体光纤包层结构的通用方案。本发明提供的光子晶体光纤可以有效提升光子晶体光纤的抗应力干扰能力，提升光纤传感系统的性能。

14、本发明提供的光子晶体光纤具有通用性好，抗干扰能力强等优点，可以解决光子晶体光纤在光纤传感等领域应用中受应力干扰的问题，提升系统抗干扰能力，具有较强的应用价值。

15、本发明提供的光子晶体光纤在承受4.6μm截面压缩量下损耗相比于圆形气孔的光子晶体光纤，损耗由5.45e-3降低至2.33e-3；在承受2g冲击载荷时的损耗由8.93e-2降低至5.08e-2。

技术特征：

1.一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，所述光子晶体光纤包括包层和纤芯；其特征在于，所述包层中设置具有负泊松比效应的晶胞结构；

2.根据权利要求1所述一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，其特征在于，所述晶胞结构中的所有椭圆气孔的尺寸参数相同；所述椭圆气孔的横截面为椭圆形，所述椭圆形的长轴半径为1.5μm～2.5μm，短轴半径为0.5μm～1.4μm。

3.根据权利要求1所述一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，其特征在于，相邻气孔层中两个相邻椭圆气孔的间距等于每个气孔层中相邻两个椭圆气孔的间距。

4.根据权利要求3所述一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，其特征在于，所述间距为4.5μm～7μm。

5.根据权利要求1所述一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，其特征在于，所述晶胞结构包括4～8个气孔层。

6.根据权利要求1所述一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤的整体结构的泊松比数值范围为：0.1071～0.1904。

7.根据权利要求1所述一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤为全内反射型光子晶体光纤。

技术总结
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于负泊松比晶胞结构的光子晶体光纤。所述光子晶体光纤包括包层和纤芯；其特征在于，所述包层中设置具有负泊松比效应的晶胞结构；所述晶胞结构包括若干个气孔层；每个气孔层包括若干个围绕纤芯周围排列的椭圆气孔，每个气孔层中相邻的两个椭圆气孔正交设置；且两个相邻气孔层中相邻的两个椭圆气孔正交设置。本发明提供的光子晶体光纤通过利用负泊松比晶胞的拉胀效应，降低整体结构的有效泊松比，使得在外力作用下，光纤抵抗干扰的能力增强，仅需简单的气孔形状设计和排列即可实现吸能吸震作用，提高光纤抗应力干扰能力。

技术研发人员：李昊宇,李宝帅,吴斌,朱兴邦,韩正英,郑光金,高业胜
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十一研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/1/2