摘 要

多模-单模-多模光纤（MSM）是一种组合的光纤结构，被广泛的应用于光纤传感器中。这种结构的光纤传感器制作简单，然而其传输效率仍有待提高，这在一定程度上造成了检测的困难。本文旨在分析多模-单模-多模光纤结构中的光场分布特性，为改善MSM性能提供理论基础。

本文首先通过模式理论分析推导出多模-单模-多模光纤结构中的光场分布公式，然后借助matlab建立数学模型，利用matlab的绘图功能将光场分布直观的展现出来，最后通过分析光场的分布图形，得出光场分布的特性和影响因素。

结果表明，光纤结构中的光场分布主要集中在纤芯区域，但随着归一化频率取值的不同，光场的分布也会产生变化。当归一化频率越大，纤芯的光场集中度越高；归一化频率越低，集中度则会降低。而且光纤结构中每个线偏振模式都对应着一个归一化截止频率，当归一化频率大于截止频率时，该模式才会存在。

本文特色在于：在仿真中用到的所有参数都是利用matlab数值法进行求解，大大提高了计算的速度和精确度。

关键字：光纤传感器；多模-单模-多模光纤结构；光场

Abstract

The multimode-single-mode-multimode fiber structure is widely used in optical fiber sensor as a special optical fiber structure. The optical fiber sensor based which is not hard to produce has made best use of this optical fiber structure, but it has low transmission efficiency which results in difficulties in detecting. So this paper is aimed at analyzing the distribution of the light field in MSM fiber structure and providing theoretical help for the improvement of the capability.

The paper shows theoretical formula of the distribution of light field in MSM fiber structure firstly. Then build a model and picture the distribution of the light field directly with matlab. Finally the feature and influence factor are found by analyzing the figures of the light field.

The results shows that the distribution of light field in MSM is mainly concentrated in core. And this distribution will change with different values of the normalized frequency. The bigger the value of normalized frequency is, the higher the concentration of light field in core will be, and the concentration will decrease with smaller normalized frequency. What is more, every Linear polarized mode of the optical fiber has a normalized cut-off frequency, only the normalized frequency is larger than the normalized cut-off frequency will the Linear polarized mode exist.

The feature of this paper is: all the relevant parameters used in the simulation are solved with numerical method by matlab which greatly enhances the accuracy of calculation. And the conclusion will be of highly authenticity and be more convincing.

Key words：optical fiber sensor; multimode-single-mode-multimode fiber structure; light field

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 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

第二章 理论基础 3

2.1 多模-单模-多模光纤结构组成及作用原理 3

2.2 多模-单模-多模光纤结构中光场的理论分析 4

2.2.1 光纤传输的基本方程 4

2.2.2 单模光纤中的光场分布 10

2.2.3 多模光纤中的光场分布 11

2.2.4 光纤中的光强分布 11

2.2.5 光纤中的光功率分布 12

2.3 本章小结 12

第三章 光场的仿真分析 13

3.1 多模-单模-多模光纤结构中的光场仿真和分析 13

3.1.1 模的截止频率 13

3.1.2 单模光纤中的光场分布 15

3.1.3 多模光纤中的光场分布 19

3.2 本章小结 23

第四章 总结 24

参考文献 25

附 录 26

致 谢 34

第一章 绪论

1.1 目的及意义

为了实现光纤的多功能化，单一结构的光纤往往难以满足需求，所以不得不对光纤的结构进行改进。多模-单模-多模结构的光纤便是一种改进方式，多模-单模-多模光纤结构是在两段多模光纤中插入一小段单模光纤的特殊的光纤结构，由于这种结构能够利用泄露到单模光纤包层中的光场激发产生倏逝场，因此主要被用于光纤传感器中作为敏感单元。这种结构避免了传统的光纤传感器中的去除包层的操作，降低了制作难度，从而提高了制作的成功率，大大提高了传感的灵敏度。

但是在实际应用中传感器的传输效率并不够高，在一定程度上造成了检测方面的难度，故而需要研究多模-单模-多模光纤结构中的光场特性，并对多模-单模-多模光纤结构中的光场理论进行建模和仿真分析，在一定程度上改善多模-单模-多模光纤作为传感器敏感单元的功能，增强传感器的灵敏度和稳定性。

1.2 背景及现状

在现代信息领域中，人们对信息量的需求越来越大，对传输速率和准确率的要求也越来越高，传统的传输媒介愈显不足。1966年，美籍华人高锟和George A. Hockham发表论文提出了光纤在通信领域中的应用的设想，打开了光纤的通信市场。其高保真度、性能可靠以及抗干扰能力强等优点逐渐引起研究者的兴趣，继而光纤的应用领域被广泛扩展。其中，光纤在传感器领域中大放异彩，在环境保护、医疗卫生^[1]等方面运用甚广，并且前景广阔。

光纤传感器大都是以多模光纤的模间干涉效应为理论基础的。起初多模光纤主要用于通信方面作为信息传输媒介，然而由于光纤中的多模传输特性，再加上多模光纤对外界环境因素的干扰较为敏感，因而在信息传输过程中往往只能用于短距离通信，但是在传感领域其模间特性能被很好的用于对外界因素的感应，因而将光纤与传感器两者进行了很好的连接。二十世纪七十年代，光纤传感器兴起于军事与工业。随后，随着技术的成熟，光纤传感技术的结构及运用领域拓宽。二十世纪八十年代末，光纤倏逝场传感器的理论基础被提出，并依此研制了光纤倏逝场传感器^[2]。随后，为了满足探测不同物质的需求，衍生出各种结构的光纤倏逝场传感器，如柱形、锥形、D型、U型、单模-多模-单模结构以及微纳结构等^[3-7]。