摘 要

D型光纤是一种侧面漏出包层的特殊光纤，其倏逝场直接暴露出来，因此D型光纤对周围介质折射率的变化非常敏感，被广泛地应用于光纤传感器中。然而在实验过程中其理论和实验结果吻合得并不是很好，为了提高传感器的灵敏度必须对D型光纤的光场分布进行研究。

本论文主要运用波动光学理论对D型光纤的光场分布以及倏逝场进行理论研究，然后运用Matlab编程，给出正确的仿真结果。

研究结果表明：D型光纤纤芯中为振荡场，即导波模的场，为正弦或余弦函数形式；包层中为衰减场，即倏逝波场，为指数函数形式。在包层切面上还保留有一定的倏逝场，这个倏逝场强与剩余包层厚度有关，而另一侧完整的包层中倏逝场则渐渐衰减为零。

本文特色在于独特、创新，是在普通光纤的理论基础上计算D型光纤这种特殊结构光纤的光场分布，并用Matlab模拟出光场分布图。

关键词：光纤传感器；D型光纤；光场分布；倏逝场

Abstract

D-type optical fiber is a kind of special fiber whose side leaks out of cladding and the evanescent field directly exposes. So the D-type optical fiber is very sensitive to the change of the refractive index of medium around and is widely used in optical fiber sensor. However, the theoretical and experimental results didn’t reach a very good agreement in the experimental process. It is necessary to study the light field distribution of D-type optical fiber in order to improve the sensitivity of the sensor.

This paper is mainly using the theory of wave optics for study of D-type optical fiber’s light field distribution, then uses the Matlab programming and gives the correct simulation results.

The results show that in the D-type optical fiber core is oscillating field, namely the guided wave mode field, as the sine or cosine function form and in the cladding is attenuation field，namely the evanescent wave field, for the exponential function form. In the cladding surface section there is still certain evanescent field,which is relative to the rest of the cladding thickness.

This paper’s feature consists in uniqueness and innovativeness,The light field distribution of D-type fiber with special structure is to be calculated on the basis of fiber theory and is to be simulated using Matlab.

Key words: Optical fiber sensor; D-type optical fiber; light field distribution; evanescent field

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 背景及现状 1

1.3 主要内容及章节安排 2

第2章 理论基础 4

2.1倏逝波的产生 4

2.1.1 平面电磁波的传播 4

2.1.2 倏逝波 7

2.2 光在一般波导中的传播 10

2.3理想平板介质光波导中的光传播特性 13

2.3.1 平板介质光波导一般概念 13

2.3.2 平板光波导中的导波模 14

第3章 理论建模与Matlab仿真 21

3.1 光纤中的光传播特性 21

3.1.1 光纤的参数定义 21

3.3.2 光纤波导的电磁理论求解 23

3.2 D型光纤光场分布的Matlab仿真 30

第4章 总结与展望 38

参考文献 39

附 录 41

致 谢 49

第1章 绪论

D型光纤是一种侧面漏出包层的特殊光纤，其倏逝场直接暴露出来，利用其倏逝场与环境介质相互作用，制成了一系列光纤传感器。其传感原理是：裸露的倏逝场与待测介质相互作用，引起光学参数的显著变化，通过检测这些变化量就可以达到检测待测介质的目的。

1.1 目的及意义

D型光纤是利用光学微加工技术将包层全部或部分抛磨掉所制成,形成的包层切面为平面，因形状似“D”而命名。一般将抛磨的光纤的包层保留一定的厚度，这样可以确保光场在纤芯中传输时，在保留的包层处产生的倏逝波场不会被泄露到外界^[1]。

我们知道光在光纤中是以全反射的方式进行传输的，当光在纤芯—包层界面发生全反射时并没有完全被反射回纤芯，还有一部分光将穿透界面渗入包层中，此波沿着光纤的轴向方向传播，同时在与界面垂直的方向以指数衰减，因此只能穿透波长量级的深度，只存在于界面附近一薄层内，称为倏逝波^[2]。

当用抛磨的方法使光纤剩余包层的厚度减小到倏逝波场存在的区域，这个区域距离纤芯只有几个微米，在这样的条件下，就在纤芯与包层之间形成了一个传输光的倏逝场的“泄漏窗口”，在这个“窗口”中可以进行一系列工作，如：激发和检测，激发表面等离子体波，检测光波在光纤纤芯中传输时，是否产生损耗或者泄露^[1]。

若将D型光纤置于某种特定的环境介质中，倏逝场与环境介质相互作用，将会改变入射光波的光学参数如相位、光功率等，通过一定的技术手段检测出这些参数的变化，就可以达到检测环境介质的目的。由此制成了一系列的传感器，例如基于D型光纤的SPR传感器可以实现对物理量、化学量等实时在线、快速准确的测量^[3]。然而在实验过程中理论与实验结果并不能很好地吻合，制成的传感器性能和灵敏度仍有待提高。于是有了本次设计的工作，本论文旨在通过对D型光纤光场分布以及倏逝场的计算分析和Matlab仿真，为更好地改善传感器的性能提供理论基础。

1.2 背景及现状