保偏微納光纖倏逝場傳感器?

李杰 李蒙蒙 孫立朋 范鵬程 冉洋 金龍 關柏鷗

(暨南大學光子技術研究院,廣東省光纖傳感與通信技術重點實驗室,廣州 510632)

1 引 言

微納光纖是尺寸為微米或納米量級光纖的統稱,不同于傳統光纖,微納光纖擁有很高的倏逝場效應,可與外界直接形成強相互作用[1?3].此外微納光纖還具有良好的導光性、可彎曲特性、特殊色散效應以及高非線性等一系列優點,引起了研究者的興趣,至今已開發出包括微環/螺旋微納光纖諧振腔[4?6]、布拉格[7]或長周期[8,9]微納光纖光柵、干涉儀[10,11]和耦合器等[12]各種微型的光子器件,在高靈敏度生化傳感[4?12]、熒光探測[13]、原子俘獲與引導[14]、高非線性[15]以及激光發射[16,17]等領域表現出非常重要的應用價值.

保偏微納光纖是一種特殊的微納光纖,是在傳統保偏光纖和微納光纖的研究基礎上發展出來的,不同于以往的傳統保偏光纖[18,19]和光子晶體光纖[20,21],具有獨特的雙折射(色散)效應和大倏逝場效應等,它的出現為新型光纖器件的研發和傳感器的應用提供了新的方法和實現手段.例如,利用保偏微納光纖在不同偏振態的倏逝場效應和它們對周圍介質折射率的不同響應,可制成高靈敏度的倏逝場傳感器[22,23],在生化傳感和醫藥研發等領域發揮重要作用.

近年來,研究者們在保偏微納光纖及倏逝場傳感器方面做出了許多研究成果,本文圍繞該種傳感器的研究現狀和發展趨勢,分別介紹了保偏微納光纖器件的結構類型、制作方法和模式雙折射等,闡述了其倏逝場傳感器的構造特征和實現原理等,并探討了其在折射率、濕度、磁場和特異性DNA分子探測等方面的應用.

2 保偏微納光纖的結構類型、制備方法與模式雙折射等特征

圖1(a)—(d)所示為幾種典型的保偏微納光纖的結構.圖1(a)是將傳統熊貓保偏光纖通過熔融拉錐的方法制作的保偏微納光纖[24?26],熔融拉錐法是制作微納光纖的常用方法,即采用氫氧焰、激光或電弧放電等加熱方式將光纖加熱至熔融狀態同時將其拉伸,通過控制加熱溫度和拉伸速度等參數可獲得所需要的光纖形狀和尺寸.實驗證明[24],保偏光纖在熔融拉錐過程中光纖內結構形狀和內應力產生的快慢軸方向基本保持不變,若當光纖尺寸拉細至1μm時,其兩個主軸方向的偏振光發生串擾的消光比可達16 dB,其傳輸損耗僅為0.2 dB,該方法可進一步推廣到其他類型的內應力偏振光纖.圖1(b)是包層為矩形的光纖經熔融拉錐方法制成的橫截面呈二維對稱結構的保偏微納光纖[22].如圖所示,光纖初始的矩形邊長分別為113μm和70μm,纖芯為圓形且尺寸為6μm,通過優化熔融拉錐的工藝參數,可使光纖的橫截面形狀基本不變,隨著光纖尺寸的變細,傳導模式由最初在纖芯中傳輸逐漸過渡到在包層中傳輸,并產生了較強的雙折射效應.實驗中,將光纖長邊的尺寸拉細至a～3μm,利用拉細的保偏微納光纖制作Sagnac環偏振干涉儀,干涉消光比可達20 dB[22].在另外一個實驗中,Jung等[27]通過將熔融拉錐扁平型的光纖至約1μm附近,在波長為1550 nm處獲得的雙折射大小為5.3×10?3.

如圖1(c)所示為利用氫氟酸化學腐蝕的辦法制作保偏微納光纖的例子.氫氟酸溶液能夠和石英光纖材料發生化學反應,生成易溶于水的物質,從而可有效降低光纖的尺寸.在圖1(c)中,光纖被放置于氫氟酸液滴中,液滴容積約為100μL,通過改變光纖與氫氟酸液滴的接觸狀態,利用液體的表面張力,形成對光纖的不對稱腐蝕,最終得到橫截面為“水滴”形的微納光纖[28].實驗過程中通過調節光纖的浸泡深度和氫氟酸溶液的濃度來控制光纖的橫截面形狀,而光纖錐區長度的控制通過改變液滴的尺寸等來實現.如圖所示,采用該方法制備的尺寸為2μm的“水滴”形微納光纖,其雙折射大小可為0.017,而傳輸損耗低于0.7 dB[28].

圖1(d)為橢圓形保偏微納光纖,采用CO2脈沖激光掃描加工的方式,將標準單模光纖加工成橫截面為橢圓形結構,再經熔融拉錐的方式獲得微納尺寸的光纖結構,通過控制加工工藝條件可優化微納光纖橫截面橢圓形狀和尺寸等.實驗結果顯示,當橢圓微納光纖的長軸尺寸為3.09μm和橢圓度為2.27時,獲得的雙折射達0.021[23].這種方法需要預先對標準光纖進行預加工并與熔融拉錐相結合,具有很強的結構設計靈活性,無需選取特殊結構的光纖,因此也具有更大的適用性.除了CO2激光加工,Xuan等[29]提出將單模光纖用飛秒激光“切削”的方式,去除包層對稱的兩邊,經熔融拉錐獲得橫截面為類橢圓形的保偏微納光纖,測得的雙折射達到10?2量級;Beltrán-Mejía等[30]通過將單模光纖側邊拋磨等方式,獲得一種D型保偏微納光纖.

此外,Kou等[31]和Zhang等[32,33]還分別提出通過構建溝槽光纖和低折射率橢圓芯的微納光纖,利用光場在光纖低折射率區的增強或削弱獲得高雙折射效應,然而由于制作條件的局限,目前此類器件仍僅處于理論研究的階段.

圖1 (a)熊貓型保偏微納光纖[24];(b)矩形微納光纖[22];(c)“水滴”形微納光纖[28];(d)橢圓形微納光纖Fig.1.(a)Panda-polarization maintaining optical micro fiber[24];(b)rectangular micro fiber[22];(c)dropletshape micro fiber[28];(d)elliptical micro fiber.

分析表明,大多數保偏微納光纖是通過改變光纖截面結構來產生較高的模式雙折射效應,而相較于傳統保偏光纖,微納光纖具有較大的雙折射效應及特殊色散特性.以橢圓微納光纖為例,當微納光纖隨著尺寸減小時,其傳輸光場逐漸從纖

芯擴散到包層,類似于一般微納光纖,當光纖尺寸滿足一定的緩變條件時,光從纖芯模式逐漸耦合到微納光纖的基模,耦合效率幾乎可達到100%[1?3].此時,原有的光纖包層構成了新的“纖芯”,而外界空氣則構成了新的“包層”,“纖芯”與“包層”折射率差高達0.45,微納光纖由于結構非對稱性造成的雙折射效應得到大幅提高.保偏微納光纖的模式雙折射B和群雙折射G分別表示為

圖2 理論計算的橢圓形微納光纖 (a)雙折射B和(b)群雙折射G分別與光纖尺寸a及橫截面橢圓度e的變化關系,內插圖為基模的模場分布圖Fig.2.(a)Birefringence B and(b)group birefringence G as functions of fiber size a at different ellipticities e for elliptical micro fibers in air.Inset is the field pro file of the fundamental mode.

3 保偏微納光纖倏逝場傳感器類型、原理及應用

3.1 超高靈敏度的偏振干涉型倏逝場傳感器[22,23]

如果將保偏微納光纖直接熔接到由3 dB光纖耦合器和其他單模光纖構成的光纖Sagnac環形鏡中,即構成偏振干涉的倏逝場傳感器.如圖3(a)所示,我們報道了采用矩形微納光纖構成的該類傳感器[22],寬帶光源出射的光經耦合器進入Sagnac環中,偏振控制器起到調節偏振態的作用,經偏振控制器后光的快慢軸發生轉換,當兩個不同偏振方向的光在耦合器處重新交匯后,形成偏振相位差,通過輸出端的光譜分析儀(OSA)測得干涉光譜.與之類似的結構是采用將兩個起偏器和保偏微納光纖熔接構成的偏振干涉結構,但傳輸損耗較大.圖3(b)為Sagnac環偏振干涉儀產生的透射光譜,通過調節偏振控制器可使干涉儀消光比達20 dB以上,干涉條紋的間距由保偏微納光纖的雙折射大小和干涉長度等共同決定.經比較發現,若將保偏微納光纖由空氣中移至水中,干涉條紋間距將會變大,在1450 nm附近的損耗主要是由水的吸收引起的[22].

圖3 (a)基于矩形微納光纖的偏振干涉型傳感器示意圖;(b)矩形微納光纖分別在空氣中和水中的干涉光譜圖;(c)理論計算所得的折射率靈敏度隨微納光纖尺寸a的變化關系,波長為1550 nm,其中圓點為實驗測得的結果[22]Fig.3.(a)Schematic of the refractive index sensor based on our rectangular micro fiber;(b)typical transmission spectra for the micro fiber placed in air and aqueous liquid,respectively;(c)modeled sensitivity as a function of the fiber size a at 1550 nm.The measured point for our experiment is marked[22].

在上述偏振干涉中,干涉條紋的相位差表達式為

其中,L為光的干涉長度,光譜透過率為T=sin2(Φ/2).需要說明的是,由于光纖錐形過渡區的雙折射較小,相位差主要由微納尺度的光纖所提供.此時,當外界折射率發生改變時,基于不同偏振方向的倏逝場效應,模式有效折射率發生不同程度的變化,從而改變了雙折射的大小并進而使干涉光譜發生漂移.將方程(2)進行數學上的微分,并假定相位差Φ保持不變,即可得到靈敏度公式:

其中,n為外界折射率.由(3)式可知,保偏微納光纖傳感器的折射率靈敏度主要由工作波長λ、外界折射率誘導的雙折射變化?B/?n和群雙折射G共同決定.在(3)式中,一般情況下,雙折射大小隨外界折射率的升高而降低,即?B/?n＜0,因此折射率靈敏度S的符號由群雙折射G決定,當G＞0時,S為正數,光譜隨折射率增大而紅移,反之S為負數,光譜藍移.研究表明,群雙折射主要與微納光纖的形狀與尺寸(如圖2所示)以及光波長等密切相關,通過調節保偏微納光纖的結構參數,可實現對傳感器靈敏度的優化.特別地,當G→0時,其折射率靈敏度將得到極大提升.

在實驗中,采用矩形微納光纖的尺寸為3.29μm,長寬比為1.50,測得的折射率靈敏度高達18987 nm/RIU(RIU:單位折射率大小)[22].圖3(c)記錄了在波長為1550 nm和折射率為1.33附近時,折射率靈敏度與光纖尺寸的對應關系,折射率最大值出現于a～2.24μm,實驗與理論結果相一致[22].

進一步,我們實驗室通過CO2激光加工與熔融拉錐相結合的方法制作了橢圓形保偏微納光纖,大大克服了光纖結構的局限,提高了光纖設計的自由度和靈活性,從而從改善光纖結構方面實現了對傳感器的優化[23].如圖4(a)所示為我們實驗室所測得的橢圓光纖度隨CO2激光出射功率的變化關系,采用的二氧化碳激光器型號為SYNRAD 48-5,輸出功率最大為50 W,激光掃描速度為300 mm/s,重復頻率為5 kHz.由圖可知,隨激光功率改變,光纖橢圓度實現了從1.0至2.5的連續調節.我們隨后利用橢圓形微納光纖制作了Sagnac環偏振干涉型倏逝場傳感器,并測量了透射光譜隨外界折射率的變化關系,如圖4(b)和圖4(c)所示,實驗選用的光纖參數分別為:Micro fiber A:a=4.49μm,e=2.27,L=8 mm;Micro fiber B:a=3.84μm,e=2.5,L=9.4 mm.分析測試結果可知,通過優化保偏微納光纖的橫截面橢圓度和尺寸等參數,可使其傳感器靈敏度性能得到極大提升,實驗獲得的靈敏度接近2.0×105nm/RIU,為目前所測得的最大值[23].另外,還通過調節光纖參數,觀察到了光譜隨折射率增大而發生藍移的情況,實驗與理論結果相一致,發生藍移光譜的靈敏度達?91244 nm/RIU[23].另外,Jin等[34]利用飛秒激光“切削”和熔融拉錐結合的方式制作的保偏微納光纖,構成Sagnac環偏振干涉型傳感器,測得的靈敏度約為20788 nm/RIU,結構設計具有較大的靈活性.

圖4 (a)光纖橢圓度隨CO2激光加工功率的變化關系;(b)兩種不同橢圓微納光纖傳感器的透射光譜隨外界折射率的變化關系[23]Fig.4.(a)Ellipticity of the fiber as a function of the CO2-laser power;(b)interferometric wavelengths as functions of external refractive index for micro fibers A and B,respectively[23].

3.2 靈敏度增強的保偏微納光纖倏逝場傳感器[35]

為了產生較高的傳感器靈敏度,往往需要使用具有較小尺寸的光纖,然而太小的光纖尺寸又容易造成較大的損耗,且由于光纖易斷,給操作帶來了諸多不便,為此,我們提出通過在干涉臂中插入一段保偏光纖作為參考光纖,以實現對傳感器的增敏[35].

在實驗中,如圖5所示,我們在保偏微納光纖傳感器的基礎上插入了一段領結型保偏光纖,而傳感信號的采集仍由保偏微納光纖完成,其中偏振控制器PC1用來調節干涉條紋可見度,偏振控制器PC2用來調節兩根保偏光纖快慢軸的相對角度,使其“平行”或“垂直”,它和領結保偏光纖一起起到調節靈敏度的作用.假設B′和L′分別為傳統保偏光纖的雙折射大小和光纖長度,產生干涉光譜的相位差則為Φ=(2π/λ)(BL±B′L′),其中,“+”和“?”分別對應兩根保偏光纖的快慢軸相互平行或垂直的情況.通過對上式進行微分且假定相位差Φ保持不變,可獲得折射率靈敏度的表達式為[35]

其中,G′表示參考保偏光纖的群雙折射.由(4)式可知,通過選取微納光纖和參考光纖的相對群雙折射大小,或通過調節兩條保偏光纖的相對長度大小,可使G±G′(L′/L)趨近于零,從而使感測靈敏度S大幅增強.在實驗中,我們通過調節領結型光纖的長度和快慢軸旋轉角度,使保偏微納光纖傳感器靈敏度在原來的基礎上提高了五倍,達到34772 nm/RIU[35].

圖5 靈敏度增強的保偏微納光纖倏逝場傳感器Fig.5. Sensitivity-enhanced refractive index sensor utilizing polarization-maintaining micro fiber.The conventional bow-tie fiber is used as a reference.

3.3 基于自耦合的保偏微納光纖Sagnac環傳感器[36]

保偏微納光纖同時擁有大雙折射特性和良好的機械可彎曲性能,特別適用于制作微小型光子器件,如圖6(a)所示,我們利用保偏微納光纖構成了高度集成的Sagnac環偏振干涉儀型傳感器.我們選用尺寸僅為幾個微米的矩形微納光纖,通過扭轉的方式使其自相纏繞形成耦合區,光模式通過近場相互作用發生耦合,而未纏繞部分則構成了微納光纖環.當入射光進入光纖環之后,不同偏振態的光在環內傳輸時累積足夠的相位差,再次經過耦合區發生光纖之間和偏振態之間的相互耦合,從而在輸出端可測得偏振干涉光譜.通過改變扭轉角度可以調節光纖耦合區的長度,如圖6(a)中的內插圖為實際制作的干涉儀實物圖,圖6(b)為實驗測得的干涉光譜隨著扭轉角度的變化關系圖,通過調整扭轉角度可使干涉光譜的消光比達20 dB以上[36].

我們測量了該傳感器的折射率靈敏度特性,將制作的保偏微納光纖Sagnac環置于待測溶液中,選取的微納光纖尺寸為3.65μm,光纖環直徑為4.3 mm,測得干涉光譜隨溶液折射率的變化迅速發生漂移,在折射率為1.355至1.3586范圍內,測得的靈敏度為24373 nm/RIU[36].同時,溫度靈敏度僅約為5 pm/°C,這是由于微納光纖尺寸較小,不同偏振態模場的主要集中分布于光纖的石英材料區,具有較低的溫度響應[36].該器件具有較高的集成度,即采用自耦合的微納光纖取代了傳統光纖3 dB耦合器及偏振控制器等,大幅縮減了結構的尺寸,適用于制作生化傳感器和可調諧濾波器等微型光器件.

圖6 (a)基于自耦合的保偏微納光纖Sagnac環干涉型傳感器的示意圖和實物照片;(b)干涉光譜隨光纖扭轉角度的變化關系[36]Fig.6. (a)Schematic of the miniature highlybirefringent micro fiber loop interferometer-based sensor.The cross-sectional fiber view and the photograph of a fabricated structure are also provided as insets;(b)transmission spectra in respect of the turn angle[36].

3.4 基于保偏微納光纖布拉格光柵的溫度不敏感折射率傳感器[37]

溫度是常見的環境參量,在實際應用中,當外界折射率或其他生物化學量等發生變化時常常伴隨著溫度的改變,因此傳感器對溫度的響應可能使其對其他參量的測量結果造成串擾,我們提出了利用保偏微納光纖的不同偏振光對外界的不同響應特性來消除串擾的方法.如圖7所示,我們采用波長為193 nm的ArF準分子激光器作為刻寫光源,將紫外刻寫法和相位模版法相結合,成功地在矩形微納光纖上寫入了布拉格光柵[37].圖中列舉了幾個不同光纖尺寸的布拉格反射譜,光柵周期約為536.91 nm,其中不同的反射峰,分別對應矩形微納光纖的不同偏振態,反射峰的間距與雙折射大小有關.如圖所示,當矩形微納光纖尺寸為4.8,4.1和3.5μm時,產生的反射峰間距分別為1.84,2.58和4.38 nm,這是因為隨著光纖尺寸的減小,光纖雙折射增大的結果.

我們隨后檢測了矩形微納光纖光柵在水溶液中的折射率響應特性,發現隨著折射率增大,兩個偏振態對應的光譜均發生紅移,但其反射峰間距逐漸變小,選用的微納光纖尺寸為4.8μm,可測得在折射率為1.36附近,光纖快慢軸對應的波長靈敏度分別為45.1 nm/RIU和39.5 nm/RIU,反射峰間距變化的靈敏度則為?5.6 nm/RIU;同時,當溫度改變時,兩個偏振態對應光譜的響應度基本相同,均約為12.01 pm/°C,這是由于不同偏振態的模場均主要分布于微納光纖石英材料區,分布特性大體相同.因此，通過檢測反射峰間距的變化,溫度變化引起的串擾得到了抑制[37].

圖7 幾種不同矩形微納光纖尺寸對應的布拉格光柵反射光譜[37]Fig.7.Re flection spectra of the mFBGs in rectangular micro fibers with different fiber sizes[37].

3.5 保偏微納光纖濕度傳感器[38]

相對濕度檢測在環境監測、化學工程、食品安全以及半導體工業等領域都有著重要意義.傳統的光纖濕度傳感器往往受到自身條件局限,需要修飾化學功能膜以提高其傳感靈敏度,而基于保偏微納光纖的傳感器則不受限于這一點,即不需要進行器件表面修飾仍可獲得較高的濕度靈敏度,因而也具有較高的響應速度.我們實驗室利用橢圓微納光纖偏振干涉儀構成了濕度傳感器[38],濕度的改變伴隨了光纖材料與水分子作用的過程,我們在30%RH到90%RH濕度變化范圍內,測得的相對濕度靈敏度可達201.25 pm/%RH;并通過在光纖環中級聯熊貓保偏光纖的辦法實現了器件的增敏,使濕度感測敏感性可進一步提高至422.2 pm/%RH.實驗測得傳感器響應速度優于60 ms,優于以往報道的結果[38].

3.6 保偏微納光纖磁場傳感器[39]

光纖磁場傳感器在科研、生產和生活當中有著廣泛的應用前景,可被用于探測磁場變化或傳遞與磁場有關的其他信息,由于光纖器件具有體積小、傳輸距離遠和復用性好等優點,將光纖與磁液相結合是構成磁場傳感器的有效手段之一.其中磁液是一種新型的納米功能材料,主要由四氧化三鐵納米顆粒和溶劑等構成,當外界磁場發生變化時,納米顆粒可能發生團簇等形態變化,從而引起溶液折射率發生相關改變,通過檢測這種改變可實現對外界磁場的測量.結合保偏微納光纖倏逝場傳感器的特點,我們將矩形保偏微納光纖與磁液通過玻璃毛細管進行封裝,封裝后的示意圖如圖8所示,我們隨后將經封裝的裝置插入到Sagnac環偏振干涉儀中進行磁場測量.采用的微納光纖尺寸為10.5μm,長度約為2.1 mm,實驗測得當磁場強度從0到85 Oe變化時,干涉光譜隨磁場變化的靈敏度約為?98 pm/Oe;當磁場強度繼續增大到一定程度時,磁液將逐漸趨于飽和,磁場感測靈敏度下降[39].

圖8 將微納光纖和磁液用毛細玻璃管進行密封的示意圖Fig.8.Con figuration of a micro fiber and magnetic fluid packaged inside a capillary tube to prepare the fabrication of magnetic field sensors.

3.7 保偏微納光纖DNA傳感器

光纖倏逝場傳感器可被用于提取生命體中重要的物質組成信息,在疾病診斷、藥物研發和健康監控等許多領域有著重要意義.在這一領域中,可通過在光纖結構上構造具有特異性識別功能的受體,當受體與液體中特異性物質如免疫性抗體或抗原等結合,引起結構表面的折射率改變,從而實現實時快速檢測,具有良好的適用性.在實驗中,我們采用多聚賴氨酸(poly-L-lysine)對橢圓保偏微納光纖進行功能化修飾,然后在其表面鏈接探針分子,從而實現對目標DNA分子的特異性檢測[40].當待測單鏈DNA分子濃度發生變化時,基于橢圓微納光纖的偏振干涉光譜發生漂移,通過檢測光譜漂移量可推知DNA分子濃度的變化值.實驗發現在DNA分子濃度為100 pM到1μM之間時,干涉光譜隨濃度改變呈現良好的線性關系,測得的檢測極限為75 pM;我們同時對非檢測目標的其他兩種單鏈DNA分子進行了對比實驗,結果顯示,該傳感器對其他分子的響應只有待測分子響應度的6.2%和6%,說明該傳感器表現出了良好的分子檢測特異性.

圖9 基于保偏微納光纖DNA傳感器的工作原理圖Fig.9.Schematic for label-free DNA quanti fication with polarization-interferometric micro fiber sensors.

此外,保偏微納光纖還被用來制作了可調諧梳狀濾波器[34]、搖擺濾波器[41]和偏振轉換器[42]等其他光學器件.通過對比發現,相較于其他類型的傳感器,例如基于等離子體共振[43]或回音壁模式[44]等的傳感器,保偏微納光纖傳感器具有結構設計相對簡單、傳感靈敏度高且制作成本低等優點.由于傳感器的性能一般由光纖的橫截面結構所決定的,通過結構優化可實現對器件性能的提升,該傳感器具有較高的可靠性和穩定性.在實際應用中,可采用光纖封裝技術進一步提高其實用性,以滿足不同場合的應用需求.隨著科研的發展,微納光纖傳感技術將會越來越成熟,相信會有更多的器件被開發出來,而保偏微納光纖也將發揮越來越重要的作用.

4 結 論

近年來,研究者在保偏微納光纖傳感器方面做了大量的研究工作,本文從分析保偏微納光纖傳感器的研究現狀和發展趨勢出發,回顧了保偏微納光纖的結構類型、制備方法和模式雙折射等特點.闡述了幾種不同保偏微納光纖倏逝場傳感器的構成類型和實現方法,深入探究了包括高折射率靈敏度等產生的內在機理,且討論了該類傳感器在折射率、濕度、磁場和特異性DNA分子探測等方面的應用,其研究結果對保偏微納光纖及其傳感器的發展具有重要意義.

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