基于金銀復(fù)合膜的光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器

魏文系， 王增輝， 林春婷， 吳根柱

(浙江師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 引 言

表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)是指在介質(zhì)-金屬界面處光與電子相互作用發(fā)生的物理光學(xué)現(xiàn)象，對光譜具有靈活的調(diào)控能力[1-2].由于其對周圍環(huán)境折射率的微小改變響應(yīng)非常靈敏，構(gòu)成了不同類型傳感器的基礎(chǔ)，可以通過共振峰值的漂移來識別折射率的改變[3].因此,可以廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)和生化傳感領(lǐng)域[4].傳統(tǒng)的SPR傳感器往往與棱鏡耦合激發(fā)SPR效應(yīng)[5-7],如Kretschmann-Raether裝置[8]，但存在體積大、難集成、不能用于遙感等缺點[9-10].而基于SPR效應(yīng)的光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)傳感器因結(jié)構(gòu)緊湊、高度集成、易損性低等特點在測量折射率[11]、溫度[12-13]和應(yīng)變[14]等環(huán)境中表現(xiàn)出較好的傳感性能，成為目前一個研究熱點.

通過優(yōu)化PCF的幾何參數(shù)如氣孔大小、光纖長度及晶格排列(即圓形、矩形、六角形、八角形或螺旋形)可以實現(xiàn)低損耗和高靈敏度傳感[15].Jitendra等[2]利用銀和石墨烯2種材料作為SPR的激勵物質(zhì)設(shè)計了D型PCF-SPR傳感器用于測量分析物的折射率和生物層的厚度，靈敏度為3 700 nm/RIU(refractive index unit，RIU);Gangwar等[16]對光纖進(jìn)行微加工得到側(cè)拋結(jié)構(gòu)的D型PCF-SPR傳感器，用于測量折射率為1.43～1.46的分析物，最大靈敏度為7 700 nm/RIU;Huang等[17]利用氧化銦錫為鍍層材料設(shè)計的D型PCF-SPR生物傳感器，靈敏度最高可達(dá)到6 000 nm/RIU;2020年,Tiwari等[18]提出了空間分布雙金屬層型PCF-SPR生物傳感器，分別在金和銀2個共振峰中獲得較好的靈敏度和分辨率.

當(dāng)纖芯基模和表面等離子體模之間滿足相位匹配條件時，即纖芯基模與表面等離子體模的有效折射率實部相等時[19-20]，在PCF中傳播的光可以與特定波長的等離子體模發(fā)生耦合.通過檢測透射光的光譜特性來分析外界環(huán)境折射率的變化.為了實現(xiàn)對液體分析物的檢測，金、銀、石墨烯等物質(zhì)被選擇性地涂覆在D型PCF的表面上.其中，金的共振峰對物質(zhì)折射率的變化十分靈敏[21]，常用于SPR傳感裝置中，但半高寬過寬.金屬銀會有更尖銳的共振峰，但容易氧化[21]，影響傳感器的靈敏度.

本文提出了一種基于金銀復(fù)合膜的D型PCF-SPR效應(yīng)的折射率傳感器，在銀膜的表面再涂覆上一定厚度的金膜.仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在防止銀氧化的同時，傳感器的折射率靈敏度與分辨率都有較大的提高.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

圖1展示的是基于PCF-SPR效應(yīng)的D型折射率傳感器示意圖，在PCF纖芯區(qū)域引入一個直徑dc=0.20 μm的纖芯小空氣孔，用以降低纖芯模式的有效折射率，以實現(xiàn)在較低的頻段內(nèi)纖芯模式與等離子體模式的相位匹配[22]和提高靈敏度.氣孔間距Λ=2.00 μm，氣孔的直徑d1=0.75 μm，銀膜的厚度m1=30 nm,金膜的厚度m2=15 nm.PCF的背景材料是由熔融的二氧化硅制備(灰色區(qū)域)，其折射率可以通過Sellmeier方程計算得到[23]

圖1 D型PCF-SPR傳感器示意圖

n2=A+B/(1-C/λ2)+D/(1-E/λ2).

(1)

式(1)中：A，B，C，D，E為Sellmeier常數(shù),在文獻(xiàn)[18]中提到，涂覆層中的金(Au)與銀(Ag)的折射率可以由Drude-Lorentz模型描述[24].

同時在外部區(qū)域設(shè)置完美匹配層吸收光場輻射的能量.光纖外圍填充分析物的折射率(refractive index,IR)為1.31～1.36.通過試用版Comsol Multiphysics軟件中的波動光學(xué)模塊，采用有限元法計算傳感器的電磁模態(tài)[25].

圖2中，黑色與藍(lán)色曲線表示的是y偏振基模的有效折射率實部與虛部隨著波長的變化關(guān)系；紅色曲線代表的是等離子體模的有效折射率實部隨著波長的變化關(guān)系.曲線表明了折射率與波長之間存在強(qiáng)烈的依賴關(guān)系.當(dāng)黑色實線與紅色實線相交時(λ=580 nm)，意味著2種模態(tài)(y偏振基模態(tài)和等離子體模態(tài))的有效折射率的實部相等，此時限制損耗曲線在相同的波長下表現(xiàn)出一個明顯的峰值，證實了相位匹配的條件.圖3為在不同波段處光纖的電場分布情況.圖3(a)、圖3(b)是x,y偏振基模的電場分布，能量被很好地局域在纖芯處；圖3(c)、圖3(d)是y偏振的等離子體模態(tài),能量從纖芯基模向等離子體模發(fā)生強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)移.

圖2 IR=1.33時，y偏振基模(黑色和藍(lán)色實線)與等離子體模(紅色實線)的色散關(guān)系

(a)波長λ=500 nm時，x偏振基模電場;(b)波長λ=500 nm時，y偏振基模電場;(c)波長λ=580 nm時,在共振波長處的y偏振基模電場;(d)λ=580 nm(相位匹配點)時，y偏振的等離子體模電場

2 結(jié)果與討論

通過檢測損耗譜的共振波長或強(qiáng)度,傳感器可測量出物質(zhì)折射率的變化.當(dāng)待測液體的折射率發(fā)生改變時，纖芯基模與等離子體模之間的相位匹配關(guān)系也隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致共振波長發(fā)生漂移.折射率靈敏度、限制損耗、分辨率是反映傳感器性能優(yōu)劣的幾個重要參數(shù)[26].光纖的限制損耗定義為

αloss(dB/cm)=8.686×k0×Im[neff]×104.

(2)

式(2)中：k0是真空中的波數(shù)；Im[neff]表示PCF有效折射率的虛部，其數(shù)值通過試用版Comsol Multiphysics軟件計算得到[27]，根據(jù)式(2)可計算得出傳感器的損耗光譜.

圖4反映了隨著分析物折射率的增加，損耗譜的共振峰發(fā)生紅移，當(dāng)分析物折射率≤1.34時，共振峰隨著分析物的折射率增大而增大;在分析物折射率>1.34時，共振峰隨著分析物的折射率增大而減小.

圖4 取最佳參數(shù)時，IR在1.31～1.36變化的損耗譜

折射率靈敏度作為衡量傳感器優(yōu)劣的重要參數(shù)之一，可以通過計算得到:

(3)

式(3)中：Δλpeak表示共振波長漂移;Δna表示折射率的變化.當(dāng)分析物的折射率為1.35和1.36時，波長的漂移量最大，對應(yīng)的共振波峰值分別為663 nm和727 nm.通過式(3)計算可以得到，最大折射率靈敏度為6 400 nm/RIU.在文獻(xiàn)[22]中單純金膜的最大折射率靈敏度只有2 900 nm/RIU，波長靈敏度提升了120%.若儀器的最小波長分辨率Δλmin=0.1 nm,則對應(yīng)傳感器的分辨率為

(4)

代入數(shù)據(jù)可得，R=1.56×10-6RIU，與文獻(xiàn)[22]計算出的傳感器的分辨率R=3.44×10-5RIU相比，提升了95%.圖5將分析物的折射率與共振波長進(jìn)行二次擬合得到擬合度為99.83%.

圖5 分析物折射率與共振波長的擬合關(guān)系

幾何參數(shù)對傳感器的性能具有顯著的影響，下面探討通過改變大空氣孔的直徑、纖芯小空氣孔直徑及氣孔間距等幾何參數(shù)對傳感器性能的影響.經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)，使得傳感性能達(dá)到最佳，具體見圖6.

在圖6(a)中，分別取大空氣孔直徑為0.70,0.75,0.80 μm和分析物折射率分別為1.33,1.34時，探究大空氣孔直徑與分析物折射率對傳感器損耗譜的影響關(guān)系，并且計算出相對應(yīng)的折射率靈敏度.當(dāng)大空氣孔直徑為0.70 μm時，對應(yīng)的共振波長分別為553,608 nm，代入式(3)可計算出折射率靈敏度為4 500 nm/RIU; 當(dāng)大空氣孔直徑為0.75 μm時，折射率靈敏度為3 700 nm/RIU;當(dāng)大空氣孔直徑為0.80 μm時，折射率靈敏度為2 900 nm/RIU.0.70 μm時的折射率靈敏度雖然比0.75 μm時的折射率靈敏度高，但是損耗峰值較低，半高寬較寬.綜合以上因素考慮，大空氣孔直徑取0.75 μm時，傳感器性能最好.類似于上述分析，從圖6(b)、圖6(c)中損耗譜線關(guān)系分析得出：當(dāng)中心空氣孔的直徑取值為0.20 μm，氣孔間距取2.00 μm時，傳感器的性能最好.

(a)大氣孔直徑對損耗譜的影響關(guān)系

在仿真中，筆者取金銀復(fù)合膜的總厚度為45 nm,探究金膜、銀膜在不同厚度下對損耗譜線的影響關(guān)系.從圖7中分別取金膜的厚度為10,15,20 nm進(jìn)行分析，可以得出當(dāng)金膜的厚度為10 nm和20 nm時，損耗峰值較低，半高寬過寬，不利于基模與等離子體模之間的能量耦合.當(dāng)金膜的厚度為15 nm時，相比之下具有較高的損耗峰值且半高寬較窄.圖8探究了銀膜厚度分別為25,30,35 nm時對損耗譜的影響關(guān)系.當(dāng)銀膜厚度為30 nm時，損耗峰值較大，半高寬窄.即金膜的最佳厚度為15 nm，銀膜的最佳厚度為30 nm.

圖7 金膜厚度對損耗譜的影響關(guān)系

圖8 銀膜厚度對損耗譜的影響關(guān)系

取最優(yōu)厚度下的金膜與銀膜進(jìn)行折射率靈敏度分析，可以得到當(dāng)分析物的折射率為1.33和1.34時，共振峰值波長分別為580，617 nm,代入式(3)可得到靈敏度為3 700 nm/RIU.

下面在相同的PCF幾何參數(shù)下，探究取相同厚度的單層金膜、單層銀膜及金銀復(fù)合膜對傳感器損耗譜的影響關(guān)系，并從此關(guān)系計算出相對應(yīng)的折射率靈敏度.圖9為金屬材料對損耗峰的影響關(guān)系對比.

圖9 金屬材料對損耗峰影響關(guān)系對比

圖9中，筆者分別取厚度為45 nm的單層銀膜、單層金膜和金銀復(fù)合膜在分析物折射率為1.33，1.34下，對比3種金屬膜材料在分析物折射率變化時對損耗光譜及半高寬的影響.從圖9可以看出，單層銀膜具有較窄的半高寬，但是損耗峰值不高，在分析物折射率為1.33，1.34時，對應(yīng)的共振波長分別為515，545 nm，共振波長變化了30 nm.由式(3)可得，折射率靈敏度為3 000 nm/RIU.取單層金膜時，可以得到金膜有著比較大的損耗峰值，但是金膜的半高寬過寬，不利于實驗的檢測，對應(yīng)的共振波長為602，640 nm，折射率靈敏度為3 800 nm/RIU.當(dāng)取金銀復(fù)合膜在最佳厚度時(金膜15 nm,銀膜30 nm)，共振波長分別為580，617 nm ,靈敏度為3 700 nm/RIU，顯然金銀復(fù)合膜能得到與單層金膜相近的折射率靈敏度，又能獲得較窄的半高寬值，并且大大減少了金膜的厚度，節(jié)約了成本，相比于單層的銀膜，折射率靈敏度有較大的提高.

3 結(jié) 論

本文所提出的基于PCF-SPR效應(yīng)的D型折射率傳感器，選取的金銀復(fù)合膜能有效地激發(fā)SPR效應(yīng).經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)，在最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)下，銀膜表面覆蓋金膜能有效地防止銀的氧化.獲得最大靈敏度為6 400 nm/RIU，分辨率為1.56×10-6RIU.在相同的幾何結(jié)構(gòu)中，相比于單層銀膜，其折射率靈敏度和分辨率都獲得提升；與單層金膜相比，在靈敏度相差不大的情況下，能取得較窄的半高寬值,并且能減少金膜的厚度,可進(jìn)一步節(jié)約成本.因外部傳感結(jié)構(gòu)簡單，使其制造更加靈活，復(fù)合膜為傳感器的設(shè)計添加了新的自由度.該傳感器在藥物、生物和有機(jī)化學(xué)等折射率傳感中可以得到有效應(yīng)用.