基于SPR效應(yīng)的溫度與磁場復(fù)合型光子晶體光纖傳感器

□鐘土基

一、引言

溫度和磁場是科學(xué)研究和工程應(yīng)用中經(jīng)常要測量的物理量，其測量方法已相對比較成熟，對應(yīng)的傳感器也廣泛應(yīng)用于探測、監(jiān)測和控制等多個領(lǐng)域。光纖傳感器由于其獨特的優(yōu)勢，包括高靈敏度、高穩(wěn)定性以及高集成度等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。然而，在不少領(lǐng)域需要對這兩個物理量進行同時測量。目前對于這兩個物理量測量的傳感器，無論是原理還是結(jié)構(gòu)都有較大的差別。光纖溫度傳感器的發(fā)展相對成熟，而光纖磁場傳感器主要利用光纖光柵的法拉第效應(yīng)來測量磁場強度[4]，后來改進的方法有基于法布里-珀羅干涉[5]或者馬赫-曾德爾干涉[6]等。然而，這些方式易受外界環(huán)境和光源波動的干擾，并且如果在同一個系統(tǒng)中嵌入兩個傳感器，又將降低系統(tǒng)的集成度和靈活性。因此，發(fā)展一種復(fù)合型的溫度與磁場光纖傳感器是目前光電傳感領(lǐng)域的熱門方向之一。在眾多的光纖傳感器中，基于光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)結(jié)構(gòu)的傳感器因其體積小、靈敏度高、結(jié)構(gòu)靈活、能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境以及可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)葍?yōu)點，受到了國內(nèi)外研究人員的密切關(guān)注[7～8]。另外，表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)的吸收光譜與周圍電介質(zhì)的折射率密切相關(guān)，即可以通過檢測共振峰的位置來感知周圍環(huán)境屬性的改變，因此SPR效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域[9]。而將PCF結(jié)構(gòu)和SPR效應(yīng)相結(jié)合，則可使傳感器具有可調(diào)諧范圍寬、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好等一系列的優(yōu)點。

本文提出了一種基于SPR效應(yīng)和缺陷耦合的PCF溫度—磁場復(fù)合型傳感器。在滿足一定的耦合條件時，傳輸信號能量可在兩種模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，而利用缺陷結(jié)構(gòu)可進一步增加其動態(tài)范圍。在垂直方向和水平方向分別設(shè)置兩個通道，并在通道中填充磁流體，同時在其他的空氣孔內(nèi)壁鍍金屬薄膜。當(dāng)特定波長的光波在光纖中傳輸時會引起SPR效應(yīng)和缺陷模耦合，使SPR共振峰漂移，而漂移的程度與磁流體的等效折射率有關(guān)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在一定的動態(tài)測量范圍內(nèi)，共振峰的偏移量與折射率保持較好的線性關(guān)系，通過分析損耗峰的漂移與溫度和磁場的函數(shù)關(guān)系，可實現(xiàn)對兩者的同時測量。

二、傳感器結(jié)構(gòu)與基本理論

基于缺陷耦合的PCF傳感器橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型為5層空氣孔結(jié)構(gòu)，其中最內(nèi)層空氣孔直徑d1=1.62um，其他層空氣孔直徑d2=1.3um，空氣孔距為Λ=2.5um。在第四層上分別設(shè)置了兩組缺陷孔，其中上下兩個缺陷孔(垂直方向)直徑d3=0.6um，左右兩個缺陷孔(水平方向)直徑d4=0.65um，四個缺陷孔中填充折射率為1.3418的磁流體。第二層空氣孔中的兩小孔為能量調(diào)節(jié)孔，其直徑為d5=0.5um。光纖的基底材料為石英玻璃，其折射率遵循塞繆爾方程。

圖1 基于光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的傳感器剖面圖

光波在PCF中傳播遵循麥克斯韋方程，并由此推導(dǎo)出亥姆霍茲方程：

(1)

(2)

(3)

式中λ為光在真空中的波長，Im(neff)為有效折射率的虛部。

當(dāng)T=20℃，H=0mT時，纖芯模及缺陷模的有效折射率隨波長變化的關(guān)系曲線如圖2所示。在1400nm～1600nm波段范圍內(nèi)，纖芯分別與垂直方向缺陷孔、水平方向缺陷孔在特定波長處發(fā)生耦合。在耦合波長處，纖芯模與缺陷模的有效折射率實部相等，此時，纖芯模的有效折射率虛部最大。

圖2 纖芯模及缺陷模的有效折射率隨波長變化的關(guān)系曲線

由公式(4)可計算得纖芯模的傳輸損耗曲線，如圖3所示。由圖可得兩損耗峰分別出現(xiàn)在1433.5nm、1549nm處。

(4)

圖3 纖芯模傳輸損耗曲線

三、結(jié)果與分析

利用全矢量有限元法對缺陷耦合的光子晶體光纖傳感器進行數(shù)值模擬，在完美匹配層的邊界條件下，分別研究了纖芯傳輸模式中表面等離子體共振峰的漂移量與溫度和磁場的關(guān)系。

(一)溫度特性。缺陷孔中填充磁流體的折射率—溫度系數(shù)為-8.02e-5/℃。當(dāng)H=0mT，溫度T從0℃變化到80℃時，光纖的基模傳輸損耗隨波長變化的關(guān)系曲線如圖4(a)所示，相應(yīng)的耦合波長漂移情況如圖4(b)所示。其中左峰為纖芯模與垂直方向缺陷模的耦合，右峰為纖芯模與水平方向缺陷模的耦合。由圖4(b)可算出，在0℃～80℃的溫度范圍內(nèi)，左峰的溫度靈敏度為0.534nm/℃，右峰的溫度靈敏度為0.578nm/℃。

(a) (b)圖4(a)纖芯模傳輸損耗曲線，(b)耦合波長漂移

(二)磁場特性。缺陷孔中填充磁流體的折射率—磁場系數(shù)為3.4187e-4/mT。當(dāng)T=20℃，H從0mT變化到60mT時，光纖的基模傳輸損耗隨波長變化的關(guān)系曲線如圖5所示。其中，圖5(a)為纖芯模與垂直方向缺陷模的耦合，圖5(b)為纖芯模與水平方向缺陷模的耦合。

(a) (b)圖5 纖芯模傳輸損耗曲線：(a)左峰，(b)右峰

耦合波長漂移情況如圖6所示，從圖中擬合可得，在0mT～60mT的磁場范圍內(nèi)，左峰的磁場靈敏度為-2.143nm/mT，右峰的磁場靈敏度為-2.32nm/mT，并在一定范圍內(nèi)保持很好的線性度。

圖6 耦合波長漂移

四、結(jié)語

設(shè)計了一種高靈敏度的基于SPR效應(yīng)的PCF結(jié)構(gòu)溫度、磁場復(fù)合型傳感器，并利用全矢量有限元法對溫度和磁場的傳感特性進行計算與分析。當(dāng)空氣孔檢測通道中填充了磁流體后，可作為耦合通道并通過測量共振損耗峰的偏移量來確定被測物理量的變化。數(shù)值模擬結(jié)果表明，本設(shè)計中的5層空氣孔結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)較高的測量靈敏度，并具有較高的測量穩(wěn)定性。本文的理論研究結(jié)果可對實際的PCF傳感器的制作進行指導(dǎo)。