[0001] 本发明涉及光纤通信技术领域，具体为一种应用于二氧化碳气体监测的多谐振层空心光纤。

[0002] 光纤传感器在气体监测中的应用已经取得了显著的进展。传统光纤利用全内反射原理进行光信号的传输，但由于光在固体纤芯中传播，与气体的相互作用路径有限，监测灵敏度受到限制，为克服这一问题，空心光纤技术应运而生。空心光纤的纤芯中为空气或气体填充，光信号在纤芯内传播时能够与目标气体充分接触，从而增强光与气体分子的相互作用，提高监测灵敏度。

[0003] 其中，空心反谐振光纤（Hollow‑coreAnti‑resonantFiber, HC‑ARF）由于其低损耗、高效光传输的特性，成为二氧化碳气体监测领域的研究焦点。HC‑ARF光纤基于反谐振效应，通过在光纤包层中设计特定厚度的反谐振结构，抑制光信号的泄漏并实现高效的光传输。与传统光纤相比，HC‑ARF不仅能够显著减少光与材料的相互作用损耗，还能够在空心纤芯中增强光与气体的相互作用。

[0004] 然而，现有的空心反谐振光纤在气体监测中的应用仍存在一些挑战，例如，在实际应用中如何进一步降低光纤的损耗、提高光纤与不同波长光的兼容性，以及在多谐振层结构中如何平衡光纤的传输性能与结构复杂性，仍需要进行深入研究，为此，我们提出一种应用于二氧化碳气体监测的多谐振层空心光纤。

[0020] 下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

[0021] 请参阅图1‑图10，本发明提供一种技术方案：一种应用于二氧化碳气体监测的多谐振层空心光纤，沿光纤径向方向由外向内依次包括外包层1、内包层2及空气纤芯区3，外包层1与内包层2之间设置有多个第一嵌套管单元4，多个第一嵌套管单元4呈环形等距分布，且第一嵌套管单元4分别与外包层1、内包层2相切；内包层2包括反谐振层5与多个第二嵌套管单元6，多个第二嵌套管单元6呈环形围
绕构成空气纤芯区3，多个第二嵌套管单元6等距离布设，且相邻的两个第二嵌套管单元6存在间隙，反谐振层5位于第一嵌套管单元4与第二嵌套管单元6之间，并与第一嵌套管单元4与第二嵌套管单元6均相切。

[0022] 针对于本实施例的技术方案，第一嵌套管单元4的数量为六个，第一嵌套管单元4包括与内包层2外切的第一微毛细管41，所述第一微毛细管41内壁内切有第二微毛细管42，第二微毛细管42的内壁内切有第三微毛细管43，且第一微毛细管41、第二微毛细管42及第三微毛细管43均与外包层1相切，利用设置的第一嵌套管单元4主要用于对外包层1及内包层2进行支撑。

[0023] 进一步地，如图10所示，第一微毛细管41的孔径d4=20μm，第二微毛细管42的孔径d5=15μm，第三微毛细管43的孔径d6=9μm。

[0024] 针对于本实施例的技术方案，第二嵌套管单元6作为光纤的反谐振层5设置，便于改善光信号的传输性能，如减小损耗、降低色散等，进而提高光信号的传输质量和稳定性，第二嵌套管单元6的数量为六个，且第二嵌套管单元6包括与空气纤芯区3外切的第四微毛细管61，所述第四微毛细管61内壁内切有第五微毛细管62，第五微毛细管62的内壁内切有第六微毛细管63，且第四微毛细管61、第五微毛细管62及第六微毛细管63均与内包层2内切。

[0025] 进一步地，如图9所示，第四微毛细管61的孔径d1=15μm，第五微毛细管62的孔径d2=12μm，第六微毛细管63的孔径d3=6μm，嵌套管单元内部的微毛细管可以帮助优化光信号的传输效率，不同微毛细管之间的相互影响和干扰较小，从而减小了传输损耗，并且通过嵌套管单元结构的设计，还可以增加空心光纤的带宽，从而支持更大范围的频率信号传输。

[0026] 针对于本实施例的技术方案，第一微毛细管41、第二微毛细管42、第三微毛细管43、第四微毛细管61、第五微毛细管62及第六微毛细管63的厚度均为t满足反谐振条件：
式中，t表示介质管的厚度，λ表示设计的工作波长，n1和n0分别为介质管材料的折射率和空气的折射率，m为整数。

[0027] 针对于本实施例的技术方案，外包层1为空心圆柱状，其壁厚t2=30μm，反谐振层5为微环形毛细管，其厚度t1=3μm，外包层1作为空心光纤的外部保护层，可以保护内部结构不受外界环境的影响，如机械损伤、化学腐蚀等，反谐振层5的微环形毛细管结构有助于优化光信号的模式耦合过程，使得不同类型的光信号能够更有效地传输并且不会发生干扰。

[0028] 针对于本实施例的技术方案，外包层1、多个第一嵌套管单元4、反谐振层5及多个第二嵌套管单元6的基底材料均为石英玻璃，其折射率为1.4192，二氧化硅玻璃是一种高质量的光学材料，具有良好的折光率和透明度，对于光信号的传输和收集非常有利，折射率范围也比较适合制作复合光纤，可以保证光信号在纤维内部的传播速度与外部相同，从而实现高速、长距离的数据传输。

[0029] 针对于本实施例的技术方案，外包层1、内包层2、多个第一嵌套管单元4、反谐振层5及多个第二嵌套管单元6的内部区域均填充为空气，作为空气纤芯区3外圈的空气孔，空气纤芯区3内也填充为空气，空气的折射率为1，利用内部填充空气并采用空气折射率小于二氧化硅玻璃的设计可以提高可见光在光纤中的传播效率，减小折射和反射的差异，降低光纤的色散，从而提高光纤的传输性能和可靠性。

[0030] 针对于本实施例的技术方案，使用有限元仿真软件 COMSOL Multiphysics 进行仿真，通过在模拟区域的截断边界设置，‌其介质的波阻抗与相邻介质的波阻抗完全匹配，这种设计使得入射波将无反射地穿过分界面而进入PML，‌从而实现能量的无损耗传输；‌PML的引入主要是为了解决仿真环境中光纤模型与实际光纤环境差异的问题，‌通过设置适当的边界条件，‌有效地消除了两者之间的环境差异，‌使得仿真结果更加接近实际情况。‌[0031] 完美匹配层的实现原理是在光纤的外包层1外侧设置与包层材料相同、‌波阻抗相匹配的边界条件，‌因此可以看作是一个无反射的吸收层，‌光束在射入到完美匹配层上时，‌不会被其立即反射回来，‌而是会逐渐地衰减，‌直至最终被全部吸收掉，‌这种无反射的特点使得完美匹配层成为仿真分析中一种理想的边界条件，‌尤其是在对大模场面积光纤进行仿真分析时，‌完美匹配层的使用可以显著提高仿真结果的准确性。

[0032] 接下来结合具体实施例对本发明的技术方案进一步说明：本实施例使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对本实施例进行仿真，采用
有限元法并且结合完美匹配层边界吸收条件进行理论计算，通过计算得出本实施例的复合空芯光纤的模场分布图、限制性损耗、色散、非线性系数和弯曲损耗等的变化关系图。

[0033] 参见图2，为光纤在3μm基模处的二维模场分布和三维高度表达图，从图中可以看出本发明多谐振层空心光纤在传输光信号时，能够将能量集中在纤芯区域，表明光被很好地束缚在纤芯区域，并且传输的光具有优异的光束质量；参见图3，为光纤基模的限制性损耗随着波长变化的关系图，从关系图中可以看
出：入射波长为2.0μm‑3.2 μm的条件下限制损耗都处于较低水平，在2.7 μm处具有最小的‑5
损耗为7.97*10 dB/m，这与传统单模光纤的0.2 dB/km相比，远低于现有的单模光纤，在监测衡量气体时可实现低损耗传输；
参见图4，为光纤基模色散随着波长变化的关系图，从关系图中可以看出：在波长
‑13
2.0μm‑3.2 μm之间，色散都处于极低水平，在10 数量级，即其群速度色散稳定在‑1.5×‑12 ‑13
10 5.5×10 ps/(nm·m)之间；低色散可以有效减小光脉冲在传输过程中因色散效应而~
产生的展宽现象，这意味着脉冲在长距离传播时保持紧凑的形状，减少脉冲之间的相互重叠和信号失真，提高信号质量，同时提高信号传输速率；
参见图5，为光纤基模模场面积随着波长变化的关系图，从关系图中可以看出：在
2
2.0‑3.2 μm波段下光纤的模场面积较大，在837 892 μm附近，由此可见，此光纤适合高功~
率激光传输、提高光纤损伤阈值和降低光损耗等方面带来了显著优势，使其在工业、通信和医疗等领域得到广泛应用；
参见图6，为光纤基模非线性效应随着波长变化的关系图，从关系图中可以看出：
‑1
在2.0‑3.2 μm波段下非线性系数较低，基本数值在0.07503 0.10816（W·m） 之间，较低的~
非线性系数能够减少非线性效应引起的信号失真，特别是在长距离、高速传输和高功率应用中，它提高了光纤通信系统的稳定性、信号质量和功率传输能力；
参见图7和图8，为光纤提供在波长3μm 处向X、Y方向弯曲时的弯曲损耗随弯曲半
径变化的关系图，从关系图中可以看出：在波长为3 μm的条件下，在1cm 31cm的弯曲形变~
下，光纤向x和 y方向弯曲时均具有较低的弯曲损耗，在弯曲半径为 8cm 时，所述光纤朝 x‑4
方向分别为2.23×10 dB/m；在弯曲半径为 7cm 时，y 方向弯曲时的弯曲损耗达3.97×10‑4 ‑2
dB/m；在弯曲半径为7 cm 及之后，光纤向x和向y方向弯曲时的弯曲损耗均到10 dB/m量级，说明本实施例的光纤具有很好的抗弯曲性能，有效减少由于弯曲带来的光泄漏，广泛应用于需要极具灵活性和紧凑布线的场景。

[0034] 综上所述，本发明在结构设计上满足反谐振反射波导（ARROW）原理，利用多层反谐振层，来提高传输时的性能参数，使其具备损耗、近零色散及抗弯曲的特性，适用于监测二氧化碳气体分子，与现有技术相比，本发明在结构上，因为都是圆形结构，便于制备且制备材料为常见的石英玻璃，成本极低；在性能参数方面，本发明在中红外波段2.0μm 3.2μm的~‑5
范围内，限制性损耗低于10 dB/m，远低于现有的单模光纤，实现低损耗传输；其次，本发明‑13 ‑1
还具有达10 量级且近零的色散；在上述传输波段的非线性系数最低仅为0.07503（W·m） ，使得光纤可以获得更大的传输功率以实现长距离传输；以及在弯曲半径为7cm时，能够达到‑4
10 dB/m的弯曲损耗，说明本发明具有良好抗弯曲性能。

[0035] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0036] 对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0037] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

[0038] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。