拉錐光纖在傳感中的彎曲損耗

摘要：拉錐光纖在光學傳感，尤其是壓力傳感器方面應用廣泛，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位置，特別是錐形過渡區域的彎曲損耗。數值模擬結果表明，相較于其他區域，光纖的芯模截止區彎曲損耗更大，壓力靈敏度更高，這是因為該位置的臨界錐角取值最小，絕熱條件在彎曲下更容易被破壞。該結果將為拉錐光纖傳感器設計中傳感點的選取提供有價值的參考。

關鍵詞：拉錐光纖；光學傳感；彎曲損耗；受力形變

中圖分類號：O439 文獻標志碼：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，拉錐區域包括過渡區（Transition）和束腰區（Waist），其中束腰區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，其中兩個或多個錐體融合在一起，因為它們能在光纖之間提供有效的光耦合[1]。隨后，拉錐光纖還應用于光放大器[2]、近場和遠場顯微鏡[3]、非線性光學相互作用[4]、偏振器[5]、傳感器開發[6] 等方面。其中，基于拉錐光纖的光學傳感器近年來在折射率[7]、溫度[8]、濕度[9]、應變[10]、應力[11]、位移[12]、壓力[13] 測量等領域取得了顯著的發展。一種簡單有效的壓力傳感機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現的[14]。由于拉錐光纖在束腰區最細，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作為傳感位置[15-17]。然而，目前的研究結果并沒有提供充足的證據證明束腰區的傳感性能優于其他區域。因此，研究拉錐光纖各區域不同位置的彎曲損耗對于拉錐光纖傳感器的設計非常重要。

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，特別是過渡區的彎曲損耗尚未被系統性地研究過。基于此研究現狀，本文對在傳感應用中的絕熱直線型拉錐光纖進行了仿真模擬，研究了光纖的彎曲損耗和彎曲位置、彎曲半徑的關系，對比了不同位置的壓力靈敏度。