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光器件的设计中,以光波导的完备正交基为基础的模式展开方法得到了广泛应用。完备正交基由有限的的离散导模和无限的连续辐射模构成,而辐射模的连续谱带来了复杂积分问题。泄漏模式的提出规避了这个问题,但是同时也带来了自身的归一化难题。随着数值计算方法的蓬勃发展,以等效闭波导为基础,以准导模和准泄漏模式为正交基的复模展开方法为处理辐射模式带来了便利,其准确性和有效性在实际应用中得到了充分的验证。但是,源自闭波导模型的准泄漏模究竟能在何种程度上表征辐射模式,一直困扰着众多研究者,同时也是笼罩在复模展开方法的应用方面的一团疑云。在本论文中,我们从研究辐射模式的特性入手,利用辐射模功率谱特性将一组辐射模式映射为复平面上的复模,并与等效闭波导中的准泄漏模式进行对比,从而揭示辐射模和准泄漏模式的等价关系;在此基础上,借助泄漏模式能量线性衰减特性,研究对单个泄漏模式激励条件,探索基于泄漏模式的传感器设计方案。为了改进传感器设计,利用复模展开方法对W波导的模式特性进行研究,并探讨其传感潜力。主要工作包括:1、从无限包层的两层结构模型出发,详细分析了傍轴传输的辐射模式的物理特性,并将辐射模式映射为复平面上的复模。通过对比复模与等效闭波导中的准泄漏模式,得到了辐射模式和准泄漏模式之间的等价关系。2、理论上研究了在光纤中激励单漏模的物理机制,并提出了一种新型的传输结构。在研究这种传输结构的物理特性的基础上,提出了基于功率检测的液面高度传感器方案:当选择HE16模式为激励系数时,传感范围在3cm左右,同时可以保证传感灵敏度可以达到-23.3dB/cm;当选择HE19模式激励时,传感范围约为0.8cm,传感灵敏度可以达到-57.78dB/cm。进一步探讨了此传感器方案在高折射率传感上的潜力,当采用10mm长泄漏光纤和HE13模式激励时,能够达到120dB/RIU的灵敏度。这种传感结构采用基于功率的探测方式,能够满足实时监测的要求。3、研究了复模展开方法在处理截止波长条件下波导传输特性的准确性问题。在截止区附近,解模器对模型参数特别敏感,影响到W光纤中复模求解的准确性,所以最后借助复耦合模分析实验中截止区出现的损耗峰。另外,在远离截止波长处,我们提出利用单模-W光纤-单模结构中模式间相互干涉形成损耗峰进行传感,在环境折射率在1.31-1.38范围内变化时,损耗几乎线性变化。由此提出了灵敏度高达200dB/RIU的折射率传感器。