添加ZnO薄膜提高大弯光纤的灵敏度gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

由于传感器应用中的巨大潜力，具有高灵敏度具有高灵敏度的光纤。半导体（如ZnO）是良好的材料。用它们作为第二个包层，提供了实现下一代多国光纤的机会。COMSOL Multiphysics用于模拟具有相同曲率半径但折射率和ZnO薄膜厚度的不同值的杂交宏观光纤。通过确定光纤的损失来鉴定ZnO膜的最佳厚度。通过在渐逝场中的传输和折射率方面模拟和解释关系，建立了通过添加ZnO薄膜的宏观杂交光学元件。这些结果将提供可靠的基础，以指导在实践中的绩效。gydF4y2Ba

1.介绍gydF4y2Ba

光纤弯曲会导致输出功率损失，这意味着输出光强度小于光源强度[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]．当弯曲变得更加尖锐，更多的光漏出。弯曲可用于固有光纤传感器，它可以根据位移强度、相位或波长的调制原理进行分类[gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]．基本上，可以通过检测从光纤输出的衰减信号来识别换档强度。简单的衰减是在光纤上弯曲，仅使用机械障碍。然后可以实现光纤的灵敏度特性。杂交光纤也产生衰减。这种情况可以与渐逝理论有关，其中传播光从核心道路耦合。与通过化学过程除去纤维包层相比，杂纤维的使用是一种廉价的方法。研究人员已经研究了弯曲和杂交纤维的组合。相关研究对于科学家来说是重要的，有助于从中创建合适的申请。gydF4y2Ba

目前，半导体光纤是光纤世界的一个新兴平台，因此成为光纤的一个重要类别。随着技术的进步，纳米材料在传感器制造中发挥着重要作用。因此，研究人员研究了各种涂覆在光纤上的半导体，以提高基于电流传感器的光纤的灵敏度。例如ZnO材料。ZnO的高折射率和载流子迁移率使其成为一种极具吸引力的光电应用材料[gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]．在以往的研究中，氧化锌被用于提高灵敏度，这增加了人们对氧化锌的兴趣，特别是在光纤上涂覆氧化锌。本文模拟并设计了一种厚度小、灵敏度高的ZnO薄膜。然后，我们确定了光纤传感器弯曲与异芯效应之间的相关性。gydF4y2Ba

2.COMSOL多重物理量模拟gydF4y2Ba

利用COMSOL Multiphysics的波光模块进行边界模分析和光损耗模拟。一旦几何形状被设定，折射率就被赋予了核心和包层材料。在这个模拟中，使用1550nm波长作为光源。建议使用的光纤规格见表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba1gydF4y2Ba几何模型在飞机上吗gydF4y2BaXY.gydF4y2Ba在这个模拟中，端口1是输入端，端口2是输出端。端口2是检测透射光强度的功能。在这个模拟中，使用1550nm作为光源。区域2是消失场的大弯曲异核部分。采用映射网格元对仿真结果进行计算。这个问题的控制方程是电场的波动方程[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba］gydF4y2Ba 对于向量设置为单向的波矢量，在哪里gydF4y2BaEgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba是一个缓慢变化的场网包函数，近似波的传播阶段。将该电磁场配方插入MaxWell的等式导致信封功能的以下波动方程[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]：gydF4y2Ba

3.结果与讨论gydF4y2Ba

3．1．对折射率的影响gydF4y2Ba

光在光纤中的传播可以形成倏逝波，倏逝波也可以传输到光纤的外部。这可能是由于光纤的结构，如大弯光纤或异芯光纤。结合这一结构，可以在倏逝场中形成倏逝波的双值。不同折射率、不同芯径的石英光纤对倏逝波穿透深度和能量的影响不同。由于这种情况，它最终改变了光纤的输出强度。因此，我们可以通过分析光纤接收端口的传输强度来证明由光纤结构和折射率引起的倏逝场特性。数字gydF4y2Ba2gydF4y2Ba给出了不同折射率下大弯异芯光纤的电场分布。图中描述了光强基本上集中在核心区，但在倏逝场和弯曲效应中有损失。端口1和端口2的功率流和电场值如图所示gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．折射率被认为是对输出的影响。通过设置不同的折射率介质，然后在接收端测量输出来改变光的传输损耗。gydF4y2Ba

从这两幅图中，我们可以确定折射率介质的变化会引起能量损失的变化。当折射率介质为空气时，2号端口功率流较高(gydF4y2Ba= 1)。当光纤包层被移除时，大弯异芯光纤的功率流要比其他两种光纤高得多。实现全面的内部反射是因为gydF4y2Ba比gydF4y2BangydF4y2Ba_{核心gydF4y2Ba}光纤。斯涅尔定律gydF4y2Ba大于gydF4y2Ba光纤。基本上，随着覆层的高折射率而不是核心，光线倾向于耦合。然后，端口2处的情况的电力流量小于标准光纤的功率流。为了克服这种现象，使用了渐逝波穿透深度的一般方程[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]：gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba为入射波的长度，gydF4y2Ba光纤芯的折射率是多少gydF4y2Ba为光纤包层的折射率。数字gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示了不同折射率包层的穿透深度。随着折射率的增加，穿透深度也随之增加。gydF4y2Ba

作为光纤的基础原理，由于光纤的结构和折射率，光在光纤中以全内反射的方式传播，并延伸到包层区域。麦克斯韦方程将延伸到包层区域的波定义为驻波。如果从核心层与包层界面的法线方向测量入射角，则倏逝波将沿垂直轴传播，并呈指数衰减[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]．然而，材料的折射率会影响光的传播。当光穿过倏逝区时，它的能量就会损失掉。因此，光损耗越大，接收器感知到的能量就越小。利用输出端的光强可以分析倏逝场的特性。结果可以用光纤折射率特性与倏逝光的关系来描述。为了进一步证明这一点，本文模拟了不同厚度ZnO薄膜下的异芯大弯光学。数字gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示这种情况的结果。ZnO膜的厚度影响光的传播沿着结构光纤。随着ZnO层的增加，损失降低。该结果可以与折射率的隧道光学特性有关。它可以通过以前的研究证明[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，表明ZnO薄膜的能量随着薄膜厚度的增加而减小。能量随膜厚的增加而减少，主要是由于膜质量的提高。在高折射率的介质中发生光俘获。大折射率介质内部的光线通常很难被提取到空气中，尤其是在介质表面平行的情况下。这种现象的发生是因为某些光在没有被吸入空气的情况下经过多次全内反射。gydF4y2Ba

3．2．对ZnO薄膜厚度的影响gydF4y2Ba

电场沿大弯异核部分添加ZnO薄膜的光纤结构传播如图所示gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．为了确定最佳纤维几何形状，然后模拟传播光作为ZnO膜厚度的函数。结果如图所示gydF4y2Ba7gydF4y2Ba．5。0起的低损耗gydF4y2BaμgydF4y2Ba在ZnO薄膜的最小厚度处，损耗增加，因为倏逝波向包层区延伸。引入额外的第二包层的效果是显著的，在没有使用化学试剂蚀刻过程或昂贵的过程减少光传播损失。与石英纤维相比，氧化锌的折射率差更大，因此在降低损耗方面效果更显著。因此，一些光将沿着传输传播到周围的环境。随着ZnO厚度的增加，折射率会引起相对的隧道效应，如[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]．折射率之间的关系gydF4y2BangydF4y2Ba和能源缺口gydF4y2BaEgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba可以确定为[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

每个结构的传输输出如图所示gydF4y2Ba8gydF4y2Ba．输出结果清楚地表明，在一定的ZnO厚度下，会发生高损耗。数字gydF4y2Ba8（a）gydF4y2Ba说明了无包层光纤和ZnO包层。ZnO作为没有原始包层的第二包层如图所示gydF4y2Ba8（b）gydF4y2Ba．这些结构之间的比较表明，对于ZnO的厚度，高损耗出现在小于10 μgydF4y2BaM无腐蚀硅包层。相比之下，以ZnO为第一包层，透射输出在105之前是不稳定的gydF4y2BaμgydF4y2Bam的ZnO厚度。仿真结果表明，两种方法的有效模态指数相近，均为1.4819。gydF4y2Ba

4.结论gydF4y2Ba

我们研究了基于ZnO光纤的未来光纤设计。其光纤的结构和折射率证明了蒸发波的影响，其中损失与屈光值成正比。ZnO膜的厚度变化以优化纤维性能。当厚度小于10时，损失更大 μgydF4y2BaM为双包层光纤。这一发现为今后设计高性能大弯异芯光纤提供了理论依据。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

本研究中提出的数据可根据相应作者的要求提供。由于隐私，数据不公开。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明他们没有利益冲突。gydF4y2Ba

致谢gydF4y2Ba

作者真诚地感谢Sahbudin Shaari教授的正确指导和支持讨论。作者还感谢UKM微工程与纳米电子学研究所光子实验室提供的设施。感谢马来西亚高等教育部和沙捞越大学的财政支持。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba

1. Mohd Arif, D. D. Berhanuddin, A. A. Ehsan，“传感应用中光纤弯曲的设计参数”，gydF4y2Ba国际纳米电子学与材料杂志gydF4y2Ba，第13卷，107-112页，2020年。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
2. S. N. Hidayah, R. H. Abdul, H. Haroon, M. Z. A. Suhaila, S. H. S. M. Fadzullah，“基于大弯曲效应的单模-多模-单模光纤传感器的灵敏度提高”，gydF4y2Ba物理学杂志gydF4y2Ba，第1151卷，不。1, 2019。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba出版商的网站gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
3. G. S. Mei，M.P.Sushita和G. Hedge，“ZnO用于表面等离子体共振生物传感器的性能增强：审查”gydF4y2Ba材料研究表达gydF4y2Ba，第7卷，第2期。1, 2020。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba出版商的网站gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
4. S.Azad，R. Parvizi和E. Sadeghi，“涂有ZnO纳米棒的锥形光纤以检测水中的乙醇浓度”，“gydF4y2Ba国际光学与光子学杂志gydF4y2Ba第12卷，没有。2、2018。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba出版商的网站gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
5. N. F. Idris, M. Q. Lokman, S. W. Harun, H. R. A. Rahim, N. F. Hasbullah, N. Saidin，“生长时间对ZnO纳米棒单模硅纤维的影响”，gydF4y2Ba通信、电子与计算机工程学报gydF4y2Ba，第10卷，不。2 - 7日,2018年。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
6. N. Nithya和S. Radhakrishnan，“厚度对ZnO薄膜性能的影响”，gydF4y2BaPelagiaresearchlibrary.ComgydF4y2Ba，卷。3，不。6，pp。4041-4047,2012。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
7. L. Coelho, D. Viegas, J. L. Santos, J. M. M. De Almeida，“具有改进折射率传感特性的氧化锌涂层光纤长周期光栅的表征”，gydF4y2Ba传感器和执行器B：化学gydF4y2Ba，卷。223，pp。45-51,2016。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
8. Cosmol,gydF4y2Ba波光模块用户指南，2015 COMSOL Multiphysics v.5.2gydF4y2Ba，Comsol，斯德哥尔摩，瑞典，2015年，gydF4y2Bahttp://www.comsol.comgydF4y2Ba．gydF4y2Ba
9. N. A. A. Mohd Arif，D. D. Berhanuddin，A. A. Ehsan，“U形光纤变化参数的2D传播模拟”gydF4y2Ba国际工程与先进技术杂志(IJEAT)gydF4y2Ba，第10卷，不。2, 2249-8958, 2020。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
10. L. W.LI和X. H. Sun，“对基于COMSOL软件的锥形纤维渐逝场传感器的研究”gydF4y2Ba2012年光子学与光电子学研讨会论文集gydF4y2Ba2012年5月，中国上海。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba出版商的网站gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
11. F. Abdurrahman, N. Arsad, A. Ashrif, A. Bakar, G. K. Beng, S. Shaari，“用于室温挥发性有机化合物传感的改性多模聚合物光学纳米光纤”，gydF4y2Ba中国光电子和先进材料gydF4y2Ba， vol. 21, pp. 313-319, 2019。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
12. A. Bedia，F. Z.Bedia，M.Aillerie，N.Maloufi和B. Benyoucef，“厚度对专用于倒置有机太阳能电池的喷涂ZnO空穴阻挡层的光学性质的影响”gydF4y2Ba能源ProcediagydF4y2Ba，卷。50，pp。603-609,2014。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba
13. P. Hervé和L. K. J. Vandamme，“半导体折射率和能量间隙的一般关系”，gydF4y2Ba红外物理与技术gydF4y2Ba第35卷，没有。4, 609-615页，1994。gydF4y2Ba视图:gydF4y2Ba出版商的网站gydF4y2Ba|gydF4y2Ba谷歌学术gydF4y2Ba

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