拉锥光纤在传感中的弯曲损耗

摘要：拉锥光纤在光学传感，尤其是压力传感器方面应用广泛，这是利用了光纤受到外力弯曲后的功率损失。采用有限元方法模拟了绝热直线型拉锥光纤各个位置，特别是锥形过渡区域的弯曲损耗。数值模拟结果表明，相较于其他区域，光纤的芯模截止区弯曲损耗更大，压力灵敏度更高，这是因为该位置的临界锥角取值最小，绝热条件在弯曲下更容易被破坏。该结果将为拉锥光纤传感器设计中传感点的选取提供有价值的参考。

关键词：拉锥光纤；光学传感；弯曲损耗；受力形变

中图分类号：O439 文献标志码：A

拉锥光纤是一种由普通光纤通过物理拉伸方法制得的光波导，拉锥区域包括过渡区（Transition）和束腰区（Waist），其中束腰区直径接近或小于传输光波长。最初，拉锥光纤被用于定向耦合器的开发，其中两个或多个锥体融合在一起，因为它们能在光纤之间提供有效的光耦合[1]。随后，拉锥光纤还应用于光放大器[2]、近场和远场显微镜[3]、非线性光学相互作用[4]、偏振器[5]、传感器开发[6] 等方面。其中，基于拉锥光纤的光学传感器近年来在折射率[7]、温度[8]、湿度[9]、应变[10]、应力[11]、位移[12]、压力[13] 测量等领域取得了显著的发展。一种简单有效的压力传感机制是基于它的弯曲损耗，即拉锥光纤在外力下弯曲而引起的光泄露实现的[14]。由于拉锥光纤在束腰区最细，一部分光以倏逝波的形式分布在包层外，因此这种类型的传感器基本上都采用束腰区作为传感位置[15-17]。然而，目前的研究结果并没有提供充足的证据证明束腰区的传感性能优于其他区域。因此，研究拉锥光纤各区域不同位置的弯曲损耗对于拉锥光纤传感器的设计非常重要。

另一方面，虽然普通单模光纤[18]、多模光纤[19]、光子晶体光纤[20] 和纳米光纤[21] 等各种光纤的弯曲损耗已有大量研究，拉锥光纤本身的制作和模式演化过程的理论与模拟[22-24] 也各有研究，但是拉锥光纤在不同位置，特别是过渡区的弯曲损耗尚未被系统性地研究过。基于此研究现状，本文对在传感应用中的绝热直线型拉锥光纤进行了仿真模拟，研究了光纤的弯曲损耗和弯曲位置、弯曲半径的关系，对比了不同位置的压力灵敏度。