基于SMS光纤结构的理论模拟与分析

王迎勋 王香 王彩峰 王妍力 刘太伟

摘要：本文运用BPM软件模拟SMS光纤结构的传光情况，通过改变MMF的宽度和高度模拟SMS光纤结构里的光传输，通过理论模拟，得出了MMF的一些参数取值是限制值的，当达到限制值时光传输情况基本保持不变，本次研究对实际光纤传感的制作有一定的参考价值。

关键词：SMS;结构;BPM;光传输

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）06-0013-02

0 引言

SMS结构的光纤传感器是一种新型的传感器，该结构具有简单、成本低、易于制作、灵敏度高等特点，在光纤传感技术领域是一种继光纤光栅之后的具有广泛发展前景的光纤器件[1-2]。

1 SMS光纤结构传感原理

SMS光纤结构如图1所示，由一段MMF嵌入到标准单模光纤中间，当光由输入单模光纤传入到多模光纤时，会激发出一系列的高阶模，不同的模式在多模光纤中相互耦合，由于不同阶数的导模模场分布的差异，因而导致它们在向单模光纤基模耦合时耦合系数间的不同，其结果是只有少数的导模才有可能被有效地耦合到单模光纤中去，其他模式将耦合到单模光纤的包层中，最终被损耗掉，所以第二段单模光纤具有选择模式的作用[1]。

2 MMF宽度对传感的影响

本文采用BPM数值模拟方法对所选SMS光纤结构进行模拟分析。初始参数值为background_index=1.45，delta=0.01，free_space_wavelength=1.55，height=8μm，width=8μm，MMF的初始width为width×1.5时，光传输情况如图2所示，从图中可以看出，光在MMF中有一定的损耗，但是通过第二段单模光纤选择模式损耗有一定的减小。当增加width值时，光传输情况也随之变化。图3显示多模光纤的宽度从width变化到width×10的过程中SMS光纤结构光场分布的变化情况。从此图中可以明显发现，随着MMF宽度的增加，value的值整体呈下降趋势，说明随着MMF宽度的增加，光能量损耗的越多，但是当width的值小于width×2时呈现迅速下降趋势，说明光损耗的较多，但是当width的值大于width×2时value的值基本保持不变，所以MMF的宽度应该小于单模光纤宽度的1.5倍。

3 MMF高度对传感的影响

首先设置初始值不变，MMF的初始height为height×1.5時，光传输情况如图4所示，从图中可以看出，光在MMF中有一定的损耗，但是通过第二段单模光纤选择模式损耗有一定的减小。当增加height值时，光传输情况也随之变化。图5显示多模光纤的宽度从height变化到height×40的过程中SMS光纤结构光场分布的变化情况。从此图中可以明显发现，随着MMF宽度的增加，value的值整体呈下降趋势，说明随着MMF宽度的增加，光能量损耗的也是越多，但是当height的值小于height×3时呈现迅速下降趋势，说明光损耗的较多，但是当height的值大于height×3时value的值基本保持不变。

4 结语

BPM计算模拟了基于多模干涉的SMS光纤结构内部传输光场分布情况，研究了不同的多模光纤长度、多模光纤宽度条件下，SMS光纤结构内部光场的分布和变化规律，从而证实了SMS光纤结构在各物理量传感与检测方面的应用潜力。

参考文献

[1] 王彩峰，王妍力，王迎勋，等.基于样本的图像修复的仿真及分析[J].科技传播，2018，10（7）：115-116.

[2] 赵宇，金永兴，金尚忠.SMS光纤结构特性的数值模拟分析[J].中国计量学院学报，2011，22（4）：349-355.