拉錐光纖在傳感中的彎曲損耗

摘要：拉錐光纖在光學(xué)傳感，尤其是壓力傳感器方面應(yīng)用廣泛，這是利用了光纖受到外力彎曲后的功率損失。采用有限元方法模擬了絕熱直線型拉錐光纖各個(gè)位置，特別是錐形過渡區(qū)域的彎曲損耗。數(shù)值模擬結(jié)果表明，相較于其他區(qū)域，光纖的芯模截止區(qū)彎曲損耗更大，壓力靈敏度更高，這是因?yàn)樵撐恢玫呐R界錐角取值最小，絕熱條件在彎曲下更容易被破壞。該結(jié)果將為拉錐光纖傳感器設(shè)計(jì)中傳感點(diǎn)的選取提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：拉錐光纖；光學(xué)傳感；彎曲損耗；受力形變

中圖分類號(hào)：O439 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

拉錐光纖是一種由普通光纖通過物理拉伸方法制得的光波導(dǎo)，拉錐區(qū)域包括過渡區(qū)（Transition）和束腰區(qū)（Waist），其中束腰區(qū)直徑接近或小于傳輸光波長。最初，拉錐光纖被用于定向耦合器的開發(fā)，其中兩個(gè)或多個(gè)錐體融合在一起，因?yàn)樗鼈兡茉诠饫w之間提供有效的光耦合[1]。隨后，拉錐光纖還應(yīng)用于光放大器[2]、近場和遠(yuǎn)場顯微鏡[3]、非線性光學(xué)相互作用[4]、偏振器[5]、傳感器開發(fā)[6] 等方面。其中，基于拉錐光纖的光學(xué)傳感器近年來在折射率[7]、溫度[8]、濕度[9]、應(yīng)變[10]、應(yīng)力[11]、位移[12]、壓力[13] 測量等領(lǐng)域取得了顯著的發(fā)展。一種簡單有效的壓力傳感機(jī)制是基于它的彎曲損耗，即拉錐光纖在外力下彎曲而引起的光泄露實(shí)現(xiàn)的[14]。由于拉錐光纖在束腰區(qū)最細(xì)，一部分光以倏逝波的形式分布在包層外，因此這種類型的傳感器基本上都采用束腰區(qū)作為傳感位置[15-17]。然而，目前的研究結(jié)果并沒有提供充足的證據(jù)證明束腰區(qū)的傳感性能優(yōu)于其他區(qū)域。因此，研究拉錐光纖各區(qū)域不同位置的彎曲損耗對(duì)于拉錐光纖傳感器的設(shè)計(jì)非常重要。

另一方面，雖然普通單模光纖[18]、多模光纖[19]、光子晶體光纖[20] 和納米光纖[21] 等各種光纖的彎曲損耗已有大量研究，拉錐光纖本身的制作和模式演化過程的理論與模擬[22-24] 也各有研究，但是拉錐光纖在不同位置，特別是過渡區(qū)的彎曲損耗尚未被系統(tǒng)性地研究過?；诖搜芯楷F(xiàn)狀，本文對(duì)在傳感應(yīng)用中的絕熱直線型拉錐光纖進(jìn)行了仿真模擬，研究了光纖的彎曲損耗和彎曲位置、彎曲半徑的關(guān)系，對(duì)比了不同位置的壓力靈敏度。