摘要: U型光纤锥可以探测外界目标参量，目前在国防安全、医疗健康、工农生产等领域有着重要的应用前景，其相比未拉锥的U型光纤结构而言，探测灵敏度显著提升。半径为影响U型光纤锥结构特性的一个重要参量，因此，本文利用Rsoft软件仿真U型光纤锥的半径对光谱质量的影响，光纤锥的长度为628 μm，得到U型光纤锥的结构内部光路分布规律及光谱特征。最终，得出半径在83.3 μm~1216 μm范围内时，半径是1216 μm的光谱质量最好，具有最优的探测效果。
Abstract:
U-type fiber taper can detect external target parameters. At present, it has an important application prospect in the fields of national defense security, medical health, industrial and agricultural production and other fields. Compared with the U-type fiber structure without taper, its detection sensitivity is significantly improved. The radius of curvature is an important parameter affecting the structural characteristics of U-type fiber taper. Therefore, this paper uses Rsoft software to simulate the influence of the radius of curvature U-type fiber taper on the spectral quality. The length of the fiber taper is 628 μm, and the internal light path distribution law and spectral characteristics of U-shaped fiber taper are obtained. Finally, it is concluded that when the radius of curvature is within 83.3 μm~1216 μm, the curvature radius of 1216 μm has the best spectral quality and the optimal detection effect.
1. 绪论
光纤传感器可以实现环境折射率 [1] 、温度 [2] 、应力 [3] 、PH值 [4] 的高灵敏传感探测，在国防安全、医疗健康、环境监测、工农生产等领域被广泛应用。同时，光纤具有极大的设计自由度，通过调整光纤形态结构及材料，可获得性能优异、灵敏度更高的光纤传感结构 [5] [6] ，当环境温度、压力、曲率等物理量发生变化时，光纤结构内部传输光的特征参量也随之变化。随着光纤技术工艺和理论研究的创新，光纤种类不断丰富，其应用领域也逐渐扩大。在广泛的探测领域，研究人员可通过拉锥 [7] 、级联 [8] 、刻蚀 [9] 、弯曲 [10] 等技术对光纤进行处理，破坏光的全透射传播途径，从而增强光与待测物的相互作用，提高光纤传感结构的灵敏度，得到不同形状的光纤结构，如S型 [11] 、花生型、U型 [12] 。其中U型光纤是一种常见的光纤传感结构 [13] 。其具有制作过程简单、机械强度好的特点，可根据不同的探测需求改变U型光纤的曲率从而得出更高灵敏度的光纤传感单元。光纤拉锥与弯曲技术具有相同的作用，二者均可通过改变光纤结构，据研究，U型光纤传感结构相比直型光纤结构而言，探测灵敏度提升了10倍 [14] 。锥形光纤的灵敏度极高且传感响应时间短 [1] 。2017年，天津大学报道了基于U型结构的单模光纤表面等离子共振折射率传感器 [15] ，对折射率灵敏度随U型光纤结构半径的变化趋势进行了探究。
本文将光纤拉锥与弯曲技术相结合，采用U型光纤锥结构进行研究。曲率对于光纤传感器的传感性能起到极其重要的作用。为使光纤传感器探测功能最优，本文采用控制变量法，固定光纤锥长为628 μm，仅以曲率为唯一变量，在半径为83.3 μm~1216 μm的区段范围内，仿真分析光进入不同U型光纤锥结构中的传输路径。当U型光纤锥过长时其强度将会变弱，当其过短时光强泄露不够充分，将会影响探测结果，因此应用628 μm的U型光纤锥结构最佳。为更精准研究U型光纤锥结构半径对光谱特征的影响。通过利用基于光束传输法(Beam Propagation Method, BPM)的Rsoft软件对6种不同曲率的U型光纤锥结构的光传输效果进行仿真分析。主要从理论原理仿真研究方面论述，建立U型光纤锥结构的模型，构建出6组不同半径的U型光线锥结构，并理论推导出光束在U型光纤锥中的传输路径。同时，结合Rsoft软件仿真分析出进入不同半径的U型光纤锥结构中的光束的全透射光谱图的变化规律，得出U型光纤锥结构的光谱图随光纤弯曲曲率变化的规律，与不同半径的U型光纤锥结构的光束全透射光谱图变化规律。
2. U型光纤锥结构的模拟与分析
2.1. 建立模型
进入Rsoft CAD Layout，新建仿真文档，在2D维度下利用BeamPROP模拟工具对单模U型光纤锥结构仿真分析。在此处对全局变量进行设置，自由空间波长为1.55 μm，背景折射率为1。选择绘制U型光纤锥结构的部分并对其进行参数设置，纤芯折射率为1.46，包层折射率为1.45，固定光纤长度为628 μm。通过改变光纤X、Y方向的位移进而改变U型光纤锥结构的半径，由半径为83.3 μm的U型光纤锥结构开始，对其在X轴正方向移动定值距离并在其Y轴负方向移动同样距离，由此不断增加半径，直至U型光纤锥结构半径为1216 μm。得出6组建模图，如图1所示。U型光纤锥结构的半径分为83.3 μm、120 μm、200 μm、466 μm、553 μm、1216 μm。
Figure 1. U-shaped fiber cone modeling diagram at different radius of curvature: (a) Radius of curvature =83.3 μm; (b) radius of curvature = 120 μm; (c) radius of curvature = 200 μm; (d) radius of curvature = 466 μm; (e) radius of curvature = 553 μm; (f) radius of curvature = 1216 μm
图1. 不同半径下的U型光纤锥建模图：(a) 半径 = 83.3 μm；(b) 半径 = 120 μm；(c) 半径 = 200μm；(d) 半径 = 466 μm；(e) 半径 = 553 μm；(f) 半径 = 1216 μm
2.2. 模拟检测路径
检测过程中U型光纤锥结构纵向排布，我们需要对纤芯进行实时检测，选择Lanch Power一种检测路径方式，以中间纤芯作为激光模式的入射路径，光束由U型光纤锥结构的下方输入，最终通过纤芯，自其上方输出。
2.3. 半径对光谱质量的影响
应用基模模式，同样设定以中间纤芯作为激光模式的入射中心，并以纤芯基模模式光作为入射光源进行分析。选择标准网格密度，使仿真结构精准化，模拟分析得出光场强度分布图并分析U型光纤锥结构的内部光路的分布，如图2所示。图2(a)~(f)分别是半径为83.3 μm、120 μm、200 μm、466 μm、553 μm、1216 μm的U型光纤锥结构的光场强度分布图，其对应的光束强度及走向发生着规律性变化。半径最小时，光场中光束大量散出，随半径的增大光束逐渐集中到纤芯的传输路径中，光束的传输路径逐渐规律化，半径为1216 μm时具有最优的入射效果且功率最大，如图2(f)所示。
Figure 2. Distribution of U-fiber cone light fields at different curvature
图2. 不同半径下的U型光纤锥光场强度分布图
2.4. 半径对光谱质量的影响
Figure 3. Transmission transmission spectrum of U-shaped fiber cones at different curvature
图3. 不同半径下的U型光纤锥透射光谱图
通过扫描多个光场强度分布，最终得出1250 nm~1650 nm波长范围内的透射光谱图并进行分析，图3(a)~(f)与图2(a)~(f)相对应。随半径的增大光谱特征也随之发生规律性变化，由图3可知，半径自83.3 μm至1216 μm，随半径的增大光谱强度呈增长趋势，同时吸收峰个数先增加后减少，出现该现象的原因是，随半径的增大，光纤锥结构的弯曲变小，因此弯曲损耗变小，是光谱强度随半径增大的主要原因。同时，该结构的干涉谱是光纤锥的芯模和包层模干涉获得，当锥发生弯曲且半径不同时，对应的包层模和芯模的光程差不同。因为锥长和弯曲半径同时会影响包层模和芯模的光程差，因此，半径由小增大时，对应模式的光程差先变大后减小，导致干涉谱中峰个数先增加后减少。当半径为1216 μm时光谱强度最强，峰的个数最少，仅有一个谐振峰。在测量波长范围内，谐振峰个数越少，探测目标参量的范围就越大。由此得出，当U型光纤锥结构半径为1216 μm时，具有最佳的探测范围与最优的传感效果。
3. 总结
本文用Rsoft软件对锥长为62.8 μm的光纤锥在不同半径下的光谱进行了分析，给出了U型光纤锥的光束传输路径及光谱特征。仿真结果表明：半径为1216 μm时结构的传输路径和光谱质量最优，该研究为U型光纤锥用于传感时提供理论基础。
基金项目
赤峰学院重点实验室建设项目(CFXYZD202007)；内蒙古自治区高压相功能材料实验室建设项目(CFXY2014)；赤峰学院2022年度教育教学研究项目(JYJXZ202203)；内蒙古高校学生创新培训计划(S202310138020, S202310138003, S202210138012, S202210138013)。
NOTES
*通讯作者。