D型光纤的特性分析

D型光纤传输特性及其折射率传感特性仿真

何小燕

光波技术研究所

1精选2021版课件主要内容D型光纤简介建立仿真模型D型光纤模场分析D型光纤光栅特性分析D型光纤双折射分析结论2精选2021版课件D形光纤的诞生背景倏逝场：光纤中的导模在纤芯和包层的分界面上产生全反射，大部分能量都集中在纤芯中，但是有一部分能量会渗透到包层和外界环境中去，它是一种强度沿光纤径向呈指数衰减的电磁波，因此称其为光纤的倏逝场。纤芯越接近外界环境，越多的能量就会渗透出去，外界与光纤的相互作用也就越强。由于D型光纤结构具有非圆对称性，它的纤芯比常规单模光纤更接近外界环境，所以外界与光纤的相互作用比普通单模光纤强。这使得D型光纤可以应用于能量耦合、折射率传感、弯曲传感等许多场合。3精选2021版课件D形光纤结构图1D形光纤的横截面示意图。图2自制的D形光纤横截面的电镜扫描图，直径为127um，高度为81.1um李杰.新型D型少模光纤Bragg光栅的特性及其在折射率测量中的应用.2006.4精选2021版课件D形光纤结构图3

聚合物D形光纤的结构类型埋入型突出型曝露型BuriedD-Fiber.ThecoreissituatedaspecifieddistancebeneaththeflatsurfaceofthefiberExposedD-Fiber.Theflatsurfaceofthefibercutsacrossthecore,exposingitRaisedD-Fber.Thefiber’scoresitsraisedtoyourspecificationabovetheflatsideofthefiber5精选2021版课件D型光纤制作技术通过研磨的方法将常规单模光纤的部分包层去除。优点：不存在与单模光纤熔接损耗问题，并且制作非常方便，仅需要合适的光纤侧面研磨工具;缺点：光纤研磨长度通常都比较短，表面平整度、一致性也较差，制作效率低，一般用于实验室少量制作。研磨常规单模光纤预制棒的包层，使其横截面成为所设计的D形，然后拉丝直接制得D形光纤。优点：能够制得任意长度的D形光纤，而且光纤表面的平整度、一致性很好;缺点：与常规单模光纤熔接耦合损耗较大，而且设备昂贵，一般适合光纤制造企业批量生产。陈哲，沈丽达，江沛凡等.光纤侧边抛磨装置及其工艺方法阳[p].6精选2021版课件D型光纤模型采用加拿大Apollo光子公司出品的APSS波导分析和设计软件来进行模拟分析D型光纤，建立的模型如图4所示，模型采用半结构设计，纤芯半径4.5um，纤芯折射率1.449222，包层折射率1.444024，工作波长1550nm，光纤置于折射率设为1.33的环境中，光纤的外直径为125um。图4APSS建立D型光纤模型7精选2021版课件D型光纤模场特性图5LP01Ex的场分布图。(a)d=0;(b)d=4.5um(a)(b)8精选2021版课件D型光纤光栅光栅的Bragg波长为：λB=2neffΛ用于测折射率时，波长漂移量：ΔλB=2ΛΔneff

其中，Λ为光栅周期，neff为光纤有效折射率，Δneff为光纤有效折射率的变化量。9精选2021版课件D型光纤光栅利用APSS仿真得到光纤的有效折射率，再利用FOGS-BG软件仿真，光栅周期Λ取为535.889nm（1/2掩膜板周期）。我们仿真时选择的固定波长为1550nm。得到：中心波长漂移量与d的关系中心波长漂移量与外环境折射率n3的关系10精选2021版课件中心波长漂移量与d的关系

图6中心波长与d的关系。(a)(b)11精选2021版课件中心波长漂移量与d的关系

图7n3从1.33到1.4，中心波长漂移量与d的关系。12精选2021版课件中心波长漂移量与外环境折射率n3的关系

图8中心波长随外环境折射率n3的变化。

13精选2021版课件中心波长漂移量与外环境折射率n3的关系

图9中心波长漂移量随外环境折射率n3的变化。

14精选2021版课件D型光纤的双折射效应波导双折射是由于波导结构的非圆对称性，使两个偏振方向（x和y）激励时模式的传播常数不相等（βx≠βy）所引起。归一化双折射率:15精选2021版课件D型光纤的双折射效应图10归一化双折射率随d的变化（n3=1.33）.16精选2021版课件D型光纤的双折射效应图11归一化双折射率随外环境折射率n3的变化(d=0)。17精选2021版课件D型光纤的双折射效应图12归一化双折射率随传输波长的变化（n3=1.33，d=0）.18精选2021版课件结论d越小（腐蚀越厉害），中心波长漂移越厉害。外环境折射率越大，中心波长漂移随外环境折射率

的变化率越明显。d越小（腐蚀越厉害），入射波长越长，外界折射

率越小，归一化双折射率越大，双折射现象越明显。d越小（腐蚀越厉害），D型光纤光栅作为传感