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      鍍金屬薄膜和敏感膜長周期光纖光柵復(fù)特征方程求解

      2020-05-14 07:52:38亢利軍李東紅鄧傳魯魏加尚
      電子元器件與信息技術(shù) 2020年2期
      關(guān)鍵詞:金屬膜貝塞爾特征方程

      亢利軍,李東紅,鄧傳魯,魏加尚

      (1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任烏蘭察布電業(yè)局,內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000;2.蘇州德睿電力科技有限公司,江蘇 蘇州 215600)

      0 引言

      長周期光纖光柵(LPFG)自問世來,便引起科技工作者極大興趣,因其卓越性能,在傳感及通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年,通過在LPFG上鍍敏感薄膜或復(fù)折射率薄膜,以此優(yōu)化提高LPFG的傳輸特性,成為熱點(diǎn)研究方向之一。

      復(fù)折射率薄膜可分為兩類:弱吸收薄膜和金屬膜,目前,鍍這兩種薄膜的LPFG都得到了一定的研究。徐艷平和Ignacio Del Villar[1-2]研究了鍍?nèi)跷毡∧さ鸟詈咸攸c(diǎn)和透射特性,為這種LPFG的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論支持。早期,很多研究聚焦通過LPFG的金屬鍍層的溫度及應(yīng)變調(diào)節(jié)效應(yīng),促使寫諧,通過振波長漂移,但沒有給出深入的理論分析;通過金屬鍍層LPFG復(fù)特征方程的求解,可探知其諧振波長的漂移特性,為此應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ);更進(jìn)一步地理論研究了金屬鍍層LPFG傳感器的耦合特性及透射特性,進(jìn)一步推動了此種金屬鍍層LPFG傳感器的實(shí)用化[3-4]。

      本文建立了具有鍍金屬膜和敏感膜兩種膜類LPFG的復(fù)特征方程,并且針對求解復(fù)特征方程復(fù)根所處現(xiàn)的問題,對鍍金屬膜及敏感膜的五層結(jié)構(gòu)LPFG復(fù)特征方程進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,經(jīng)驗(yàn)證所求得的復(fù)根較好復(fù)合復(fù)特征方程函數(shù)值的變化規(guī)律。

      1 復(fù)特征方程的建立

      鍍有金屬膜及敏感膜五層結(jié)構(gòu)的LPFG結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,其中,芯層折射率為n1=1.4681,半徑為r1=4.15μm;包層折射率為n2=1.4628,半徑為r2=62.5μm;金屬膜折射率N3,半徑為r3=r2+h1;敏感膜折射率為n4=1.57,半徑為r4=r3+200μm;空氣環(huán)境折射率為n5=1.0。

      根據(jù)平面光波導(dǎo)的相關(guān)理論可知,帶有金屬鍍層的平面光波導(dǎo)與一般介質(zhì)涂層的光波導(dǎo)其特征方程的形式結(jié)構(gòu)是相同的[5-6]?;诖藱C(jī)理,嚴(yán)格建立其包層模復(fù)特征方程并解得復(fù)根,這對建立五層結(jié)構(gòu)LPFG

      復(fù)特征方程提供了理論借鑒。其復(fù)特征方程可以寫成式(1)~(4)的形式。

      J代表第一類貝塞爾函數(shù),Y代表第二類貝塞爾函數(shù),K代表第二類變態(tài)貝塞耳函數(shù),dj,dy,dk分別為上述三類貝塞爾函數(shù)的求導(dǎo)。

      2 復(fù)特征方程求解

      復(fù)特征方程的求解方法為,首先,求解零級解時(shí),忽略ε3的虛部,直接求得實(shí)根neff;然后,考慮ε3的虛部的影響,設(shè)復(fù)數(shù)根neff=neff,r+ineff,i,通過改變兩個參量(neff,r,neff,i),可使復(fù)特征方程的實(shí)部和虛部都為零。為便于求解,令f(neff,r,neff,i)=0,引入:

      在1550nm附近,一些典型金屬如金、銅、鋁、鎳等其折射率虛部相對較大,運(yùn)算中會產(chǎn)生Inf(無限大)和溢出問題。

      2.1 Inf問題的處理方法

      當(dāng)貝塞爾函數(shù)的復(fù)宗量較大時(shí),必須對貝塞爾函數(shù)進(jìn)行改寫,第一類及第二類貝塞爾函數(shù)的近似表達(dá)式可寫為:

      以求解金屬鍍層五層結(jié)構(gòu)LPFG的模式HE12為例,圖2給出了y(neff,r,neff,i)=0 復(fù)根附近的分布情況,計(jì)算所采用的光纖參數(shù)為N3=0.559+i*9.81,計(jì)算得到HE12的復(fù)根實(shí)部為為1.462565855223,虛部為4.5048347×10-6,忽略N3的虛部求解得到零級解為1.462567423373,和復(fù)根實(shí)部比較得知兩者差別很小。

      2.2 溢出問題的解決方法

      對于鍍鋁膜和鎳膜的光纖光柵,貝塞爾函數(shù)值將出現(xiàn)溢出問題,原因在于,金屬的復(fù)折射率的實(shí)部和虛部數(shù)值較大,貝塞爾函數(shù)復(fù)宗量虛部較大,貝塞爾函數(shù)本身或者計(jì)算當(dāng)中由于函數(shù)值非常大,計(jì)算機(jī)無法識別,從而產(chǎn)生溢出問題[7-8]。由此,復(fù)特征方程可以改寫如下:

      其中,A是根據(jù)數(shù)值大小所確定的一個共同因子。式中每一項(xiàng)的貝塞爾函數(shù)都除以共同因子,即滿足縮放的要求。

      圖3給出了鍍鋁膜五層結(jié)構(gòu)LPFG模式HE13的y(neff,r,neff,i), 在 復(fù) 平 面 上 第 五 包 層 模 式 HE13復(fù)根附近的函數(shù)值圖形,計(jì)算采用的光纖參數(shù)為計(jì)算得到HE13的復(fù)根為(nel=1.462278831016-i*1.0993666×10-5),經(jīng)計(jì)算忽略N3的虛部求出的零級解為1.462271473229,兩者復(fù)合較好。

      3 結(jié)論

      本文提出鍍金屬膜和敏感膜兩種膜類五層結(jié)構(gòu)的LPFG的理論模型,建立了此種LPFG復(fù)特征方程。針對求解鍍金屬薄膜LPFG的復(fù)根會產(chǎn)生Inf問題或溢出問題,分別對貝塞爾函數(shù)進(jìn)行改寫和縮放,并求得復(fù)根,為求解此類鍍金屬膜的復(fù)特征方程奠定了理論基礎(chǔ)。

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