新型光纖傳感器的設(shè)計與特性分析

趙 靜

(1.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037； 2.北京郵電大學(xué),北京 100876)

新型光纖傳感器的設(shè)計與特性分析

趙 靜1,2

(1.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037； 2.北京郵電大學(xué),北京 100876)

結(jié)合光子晶體光纖和表面等離子共振技術(shù)，設(shè)計了一種的新型的8孔光子晶體光纖的表面等離子共振傳感結(jié)構(gòu)。采用傳輸矩陣法分析了傳感器的表面等離子共振傳輸特性。結(jié)果表明：隨著入射角增大，表面等離子共振波長深度下降，半峰寬變窄，入射角為85°,效果較為理想；金屬薄膜占比越大，傳感器的靈敏度會有一定的增加，測量液態(tài)待測物，靈敏度可達(dá)到10-5。設(shè)計結(jié)構(gòu)降低了纖芯模的有效折射率，解決了纖芯模和表面等離子共振模式發(fā)生相位匹配問題，表現(xiàn)了較高的靈敏度以及穩(wěn)定性。

光子晶體光纖； 表面等離子共振； 傳感器

0 引 言

表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技術(shù)應(yīng)用到傳感領(lǐng)域已經(jīng)有20多年了，早期人們利用光纖主要是用作SPR傳感的耦合原件[1-3]。SPR光纖傳感器能夠檢測折射率的變化，且能夠改變結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)傳感性能改進(jìn)。SPR技術(shù)與光纖低損耗技術(shù)的結(jié)合，使得這類光纖傳感器廣泛應(yīng)用于生物、食品、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域[4-5]。目前SPR光纖傳感器件主要有終端反射、在線傳輸2種形式。在線傳輸方式主要通過光纖出射端口檢測波長和光強之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析；終端反射形式主要是對金屬反射前后的2次SPR的光傳輸?shù)焦饫w光譜儀實現(xiàn)定量分析[6-8]。微納光纖是指光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF) 和一些光纖側(cè)面有微結(jié)構(gòu)的光纖。如果入射光波長在光子晶體光纖帶隙范圍時，此時入射光無法穿過PC域內(nèi)，即其透射的波譜具有較大的帶隙。利用改變部分纖芯周期就能實現(xiàn)光子缺陷模式，達(dá)到透射尖峰目的。這樣由于尖峰中心對環(huán)境敏感導(dǎo)致折射率發(fā)生變化，檢測信號變化情況就能達(dá)到傳感目的[9-10]。光子晶體光纖傳感器中光子帶隙局域光能量非常好，這使其研究成為了當(dāng)前光纖傳感的熱點[11-15]?；诠庾泳w光纖拉制工藝的飛速發(fā)展背景，文中設(shè)計與分析了一種新型的PCF的SPR傳感器。

1 PCF結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析

SPR光纖傳感器依據(jù)Kretschmann棱鏡的表面等離子傳播模型改進(jìn)，意在通過纖芯取代k結(jié)構(gòu)的棱鏡左右。圖1為SPR光纖傳感模型的結(jié)構(gòu)，其中光纖纖芯由金屬層對稱地覆蓋，而包層已被去掉。這樣光纖內(nèi)能夠較為容易地實現(xiàn)SPR纖芯。

圖1 SPR光纖傳感模型的結(jié)構(gòu)

圖2是本文設(shè)計的新型的8孔PCF微結(jié)構(gòu)，其8個大尺寸空氣孔包圍了實心光纖，而在空氣孔周圍都有一層金屬薄膜。本文提出的光纖SPR傳感器能夠結(jié)合集成光波導(dǎo)和棱鏡SPR傳感器技術(shù)，如果將結(jié)構(gòu)制作出陣列的多SPR光纖傳感器結(jié)構(gòu)，則能實現(xiàn)多模式、多功能的集成化傳感器件。

圖2 8孔PCF的結(jié)構(gòu)

設(shè)計的上述PCF傳感器與Kretschmann棱鏡的SPR基本類似。采用傳輸矩陣方法進(jìn)行分析，設(shè)每個金屬薄膜的厚度為dk，介電常數(shù)為εk，磁導(dǎo)率為μk，折射率為nk。切向場的第一個邊界條件Z=Z1=0，這樣存在以下關(guān)系:

(1)

式中:U1和V1表述了第1層的電場和磁場邊界的分量;UN-1和VN-1為第N-1層的分量;M是特征向量，存在以下關(guān)系：

θ為入射角，這樣偏振光的反射系數(shù)可以表示為:

(3)

偏振光N層結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)為

(4)

光從PCF的SPR傳感器一端進(jìn)入光纖，傳感器的另一端連接檢測系統(tǒng)記錄輸出信號。光源采用平行光源，顯微物鏡將光束聚集在光纖末端的軸點上。進(jìn)一步分析可以得到設(shè)計傳感器的偏振光的歸一化傳輸功率為:

(5)

(6)

(7)

式中:Nref(θ)是傳感區(qū)域內(nèi)入射角為θ光線在纖芯-金屬層界面總的反射次數(shù);R為傳感器的反射系數(shù);L和D分別是傳感區(qū)域的長度和光纖纖芯的直徑;θcr是全反射的臨界角;ncl是光纖包層的折射率。從以上分析可知，R是入射波長的函數(shù)，當(dāng)R最小時對應(yīng)的入射波長就是產(chǎn)生SPR的共振波長λSPR，共振波長隨著待測介質(zhì)折射率的變化而變化。前期研究可知，待測介質(zhì)折射率與共振波長的變化比值定義為光纖SPR靈敏度，這樣只要待測介質(zhì)折射率不變，共振波長的變化比值越大，設(shè)計的傳感器靈敏度就會越高。

3 結(jié)果分析

圖3為入射角對傳感器性能的影響。對比分析了金屬薄膜與液體體積比、不同入射角條件下傳感器的性能。從圖中可以看出，當(dāng)金屬薄膜與液體體積占比一定時，隨著入射角增大，傳感器出射光譜的2個等離子體共振均發(fā)生了藍(lán)移，共振深度下降，半峰寬變窄。而隨著占比的變大，表面等離子共振會出現(xiàn)紅移。綜合共振深度、半峰寬等方面的影響，研究待測介質(zhì)折射率和厚度對傳感特性的影響，可以將入射角確定為85°,效果更好。

(a) 50%

(b) 70%

圖4分析了不同待測介質(zhì)折射率下傳感器性能。對比分析了金屬薄膜與液體體積比不同待測介質(zhì)折射率的性能。從圖中可以看出，隨著待測介質(zhì)折射率增大，金屬薄膜占比50%時，SPR的共振波長自663 nm變化到665 nm，共振波長移動2 nm；金屬薄膜占比70%時，SPR的共振波長自895 nm變化到898 nm，共振波長移動3 nm。上述結(jié)果表明，SPR曲線的共振波長隨折射率變化不大，約3 nm，由傳感器靈敏度定義可知，金屬薄膜占比越大，傳感器的靈敏度會有一定的增加，如果是測量液態(tài)待測物，靈敏度可達(dá)到10-5。

(a) 50%

(b) 70%

綜合分析上述結(jié)果，傳感器能達(dá)到較為理想的狀態(tài)，入射角的漂移對傳感器靈敏度比較靈敏。設(shè)計的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)降低纖芯模的有效折射率，達(dá)到SPR目的，同時由于解決了纖芯模和SPR模式發(fā)生相位匹配問題，表現(xiàn)了較高的靈敏度以及穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)的SPR傳感器不能分辨出漂移是否僅有待測介質(zhì)折射率變化引起的，本文設(shè)計的新型8孔PCF的SPR傳感器，能夠目前分析出上述問題引起的效果。傳感結(jié)果表明入射角增加，傳感器的SPR的波長會發(fā)生藍(lán)移，入射角不變時，待測介質(zhì)折射率增加時，SPR波長變化較小，影響不大。設(shè)計的傳感器表現(xiàn)了較高的靈敏度以及穩(wěn)定性，為光纖傳感器的應(yīng)用提供了一種新的參考。

[1] 朱 君,趙玲玲,嚴(yán) 蕾,等.表面等離子共振技術(shù)及其生物傳感研究進(jìn)展[J].激光雜志,2015,36(4):1-5.

[2] 吳 媛,卞 龐,趙 江,等.一種消除偏振衰落的干涉型光纖傳感器[J].儀器儀表學(xué)報,2014,35(4):889-893.

[3] 孟松鶴,杜 翀,解維華,等.高溫光纖傳感器在熱結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變測試中的應(yīng)用[J].固體火箭技術(shù),2013,36(5):701-705.

[4] 馮信潔,毛培玲,陳小龍,等.側(cè)邊拋磨單模光纖表面等離子體傳感器的設(shè)計和優(yōu)化[J].光譜學(xué)與光譜分析,2015(5):1419-1423.

[5] Vinod Parmar,Randhir Bhatnagar.Analysis of gas flow dynamics in hollow core photonic crystal fibre based gas cell[J].Optik: Zeitschrift fur Licht-und Elektronenoptik. Journal for Light-and Electronoptic,2014,125(13):3204-3208.

[6] Thomas Ehrhard,Christine Tasson,Michele Pagani,etal.Probabilistic Coherence Spaces are Fully Abstract for Probabilistic PCF[J].ACM SIGPLAN Notices: A Monthly Publication of the Special Interest Group on Programming Languages,2014,49(1):309-320.

[7] Bhawana Dabas, Sinha R K.Design of highly birefringent chalcogenide glass PCF: A simplest design[J].Optics Communications: A Journal Devoted to the Rapid Publication of Short Contributions in the Field of Optics and Interaction of Light with Matter,2011,284(5):1186-1191.

[8] Choi W Y.Optimal frame aggregation level for IEEE 802.11 PCF protocol[J].AEU: Archiv fur Elektronik und Ubertragungstechnik: Electronic and Communication,2012,66(1):23-27.

[9] 葉險峰,湯偉中.CH4氣體光纖傳感器的研究[J].半導(dǎo)體光電,2000,21(3):218-220.

[10] 朱 君,秦柳麗,宋樹祥,等.SPASER技術(shù)的MIM波導(dǎo)放大器特性分析[J].紅外與激光工程,2016,45(3):0320002-1-0320002-7.DOI:10.3788/IRLA201645.0320002.

[11] 張俊欽.無線電監(jiān)測與計算機網(wǎng)絡(luò)信息安全的綜合探析[J].無線互聯(lián)科技,2015,12(3):11-12.

[12] 朱亞磊.TDOA定位系統(tǒng)的無線電監(jiān)測網(wǎng)工程應(yīng)用探討[J].電子測試,2016(11):66-67.

[13] 劉 嘉.無線電監(jiān)測車設(shè)計技術(shù)探究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2015,21(11):65-66.

[14] 李 瑞.無線電監(jiān)測多站測向定位分析[J].數(shù)字通信世界,2015,33(12):278.

[15] 曾慶瑾,覃團(tuán)發(fā).網(wǎng)格化無線電監(jiān)測的技術(shù)問題研究[J].中國無線電,2015,65(9):58-60,69.

Design of New Type of Optical Fiber Sensor and Feature Analysis

ZHAOJing1,2

(1. State Radio Monitoring Center, Beijing 100037, China; 2. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Based on photonic crystal fiber and the surface plasma resonance technology, designed a new type of 8 hole photonic crystal fiber surface plasmon resonance sensing structure. Transfer matrix method is used to analyze the surface plasma resonance transmission characteristic of the sensor, the sensing performance analysis results show that with the increase of incidence Angle, the surface plasma resonant wavelength depth, half peak width narrow, incident Angle is 85°, the effect is ideal; The proportion, the greater the metal film sensor sensitivity will increase to a certain extent, measurement of liquid, the object under test sensitivity can reach 10-5. Design structure to reduce the effective refractive index of fiber core mold, solves the fiber core mold and the surface plasma resonance pattern phase matching problem, showed a high sensitivity and stability.

photonic crystal fiber; surface plasma resonance; sensor

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金項目(9021230021)

趙 靜(1983-)，女,內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，研究方向：無線電業(yè)務(wù)理論研究與應(yīng)用。

Tel.：15810551164;E-mail：363943501@qq.com

O 212

A

1006-7167(2017)03-0063-03