单模光纤渐逝波传输分析.pdf

光电子·激光
第14卷第2期2003年2月JournalofOptoelectronics·LaserVol.14No.2Feb.2003

单模光纤渐逝波传输分析X

王廷云,陈振宜,沈育青
(上海大学光纤研究所,上海201800)

摘要:基于光波导理论,分析了单模光纤的渐逝波传输特性,在光纤包层介质具有吸收特性的情况下,导
出了渐逝波传输的透入深度公式,得出了单模光纤在轴向上的功率传输情况;讨论了在不同的折射率或
消光系数下,渐逝波的透入深度和功率损耗变化特性。研究结果可用来实现高精度、高灵敏度的单模渐
逝波传感器,并应用于医学诊断、环境检测、生物和化学分析等方面。
关键词:渐逝波;传感器;透入深度;单模光纤
中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:100520086(2003)0220136204

AnalysisofEvanescentWaveTransmissiononSingle-modeOpticalFibers

WANGTing2yun,CHENZhen2yi,SHENYu2qing
(InstituteofFiberOptics,ShanghaiUniversity,Shanghai201800,China)

Abstract:Ageneralanalysisforevanescentwavetransmissionusingasingle2modeopticalfiberwas
presentedonthebasisofopticalwaveguidetheory.Foranabsorbingmediumsurroundingtheoptical
fibercore,anevanescentwavepenetrationdepthwasformulated.Theevanescentwavepowertrans2
missionpropertieswerealsoderivedfromsingle2modeopticalfiber.Theeffectsoftherefractiveindices
andextinctioncoefficientsfordiversemeasuredmaterialsonpenetrationdepthandpowertransmission
wereinvestigated.Theresultscanbeusedtoimplementasingle2modefiberopticevanescentwave
sensingofhighlysensitiveandaccuratemeasurementinareassuchasmedicaldiagnostics,environmen2
talmonitoring,biologicalandchemicalanalyses,etc.
Keywords:evanescentwave;sensor;penetrationdepth;single2modeopticalfiber

纤比多模光纤在光纤表面上有更高的平均电场,即产
1引言
生了更高的传感效率;从多参数测量的复用结构角度
近年来,光纤传感器在生物、环境、化学和材料等考虑,单模光纤也更易于实现、更经济。因此,本文对
领域的应用得到了人们的热切关注[1,2]。渐逝波光纤单模光纤的渐逝波传输特性进行了分析。研究结果可
传感器与传统的传感器相比,具有远距离传感、分布为单模光纤渐逝波传感器的设计打下基础;由此建立
传感、在线测量、设计简单、体积小和成本低等特的单模光纤渐逝波传感器可应用于水质量分析、海水
点[3],因此是研究和应用的热点[4]。光纤渐逝波传感检测、生物免疫分析、癌症和爱滋病的抗体分析、病毒
器是基于衰减全反射(ATR)光谱实现的。纤芯内的分析等要求灵敏度高、精度高的场合。
传输光束渗透到纤芯的包层介质中而形成渐逝波[5]。
2渐逝波原理
纤芯的不同介质会产生不同特性的渐逝波,因此可以

通过渐逝波检测介质的折射率、化学浓度和pH有两种介质,其折射率分别为n1、n2,且n1>n2。
值等。当一束光从介质1入射到两介质分界平面时,一般会
许多作者[3～6]采用多模光纤作为渐逝波传感器在介质1中存在反射光束;在介质2中会存在折射光

的传感元件。在给定相同的耦合功率情况下,单模光束。当入射角大于临界角Hc(sinHc=n2ön1)时,就出现

X收稿日期:2002209231

3基金项目:上海市高校科学基金重点资助项目(02AZ88)
第2期王廷云等:单模光纤渐逝波传输分析·137·

了全反射(TR)现象。如果介质2是具有衰减的介质,由斯涅耳定律n2sinHt=n1sinHi、全反射条件Hi≥

那么可称其为ATR。在这种情况下,会有一部分光渗Hc