新型光纖傳感器的設計與特性分析

趙 靜

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

新型光纖傳感器的設計與特性分析

趙 靜1,2

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

結合光子晶體光纖和表面等離子共振技術，設計了一種的新型的8孔光子晶體光纖的表面等離子共振傳感結構。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，測量液態待測物，靈敏度可達到10-5。設計結構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生相位匹配問題，表現了較高的靈敏度以及穩定性。

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)技術應用到傳感領域已經有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，且能夠改變結構參數實現傳感性能改進。SPR技術與光纖低損耗技術的結合，使得這類光纖傳感器廣泛應用于生物、食品、環境、醫學等多個領域[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系進行分析；終端反射形式主要是對金屬反射前后的2次SPR的光傳輸到光纖光譜儀實現定量分析[6-8]。微納光纖是指光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF) 和一些光纖側面有微結構的光纖。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，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光子缺陷模式，達到透射尖峰目的。這樣由于尖峰中心對環境敏感導致折射率發生變化，檢測信號變化情況就能達到傳感目的[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前光纖傳感的熱點[11-15]?；诠庾泳w光纖拉制工藝的飛速發展背景，文中設計與分析了一種新型的PCF的SPR傳感器。

1 PCF結構設計與理論分析

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

圖1 SPR光纖傳感模型的結構

圖2是本文設計的新型的8孔PCF微結構，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傳感器能夠結合集成光波導和棱鏡SPR傳感器技術，如果將結構制作出陣列的多SPR光纖傳感器結構，則能實現多模式、多功能的集成化傳感器件。

圖2 8孔PCF的結構

設計的上述PCF傳感器與Kretschmann棱鏡的SPR基本類似。采用傳輸矩陣方法進行分析，設每個金屬薄膜的厚度為dk，介電常數為εk，磁導率為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，存在以下關系：

θ為入射角，這樣偏振光的反射系數可以表示為:

(3)

偏振光N層結構的反射系數為

(4)

光從PCF的SPR傳感器一端進入光纖，傳感器的另一端連接檢測系統記錄輸出信號。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。進一步分析可以得到設計傳感器的偏振光的歸一化傳輸功率為:

(5)

(6)

(7)

式中:Nref(θ)是傳感區域內入射角為θ光線在纖芯-金屬層界面總的反射次數;R為傳感器的反射系數;L和D分別是傳感區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，當R最小時對應的入射波長就是產生SPR的共振波長λSPR，共振波長隨著待測介質折射率的變化而變化。前期研究可知，待測介質折射率與共振波長的變化比值定義為光纖SPR靈敏度，這樣只要待測介質折射率不變，共振波長的變化比值越大，設計的傳感器靈敏度就會越高。

3 結果分析

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生了藍移，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紅移。綜合共振深度、半峰寬等方面的影響，研究待測介質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折射率的性能。從圖中可以看出，隨著待測介質折射率增大，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，如果是測量液態待測物，靈敏度可達到10-5。

(a) 50%

(b) 70%

綜合分析上述結果，傳感器能達到較為理想的狀態，入射角的漂移對傳感器靈敏度比較靈敏。設計的傳感器能夠實現降低纖芯模的有效折射率，達到SPR目的，同時由于解決了纖芯模和SPR模式發生相位匹配問題，表現了較高的靈敏度以及穩定性。

4 結 語

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

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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

國家自然科學基金項目(9021230021)

趙 靜(1983-)，女,內蒙古呼和浩特人，工程師，研究方向：無線電業務理論研究與應用。

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

O 212

A

1006-7167(2017)03-0063-03