基于SPR效應的溫度與磁場復合型光子晶體光纖傳感器

□鐘土基

一、引言

溫度和磁場是科學研究和工程應用中經常要測量的物理量，其測量方法已相對比較成熟，對應的傳感器也廣泛應用于探測、監測和控制等多個領域。光纖傳感器由于其獨特的優勢，包括高靈敏度、高穩定性以及高集成度等優點得到了廣泛應用[1～3]。然而，在不少領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，無論是原理還是結構都有較大的差別。光纖溫度傳感器的發展相對成熟，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境和光源波動的干擾，并且如果在同一個系統中嵌入兩個傳感器，又將降低系統的集成度和靈活性。因此，發展一種復合型的溫度與磁場光纖傳感器是目前光電傳感領域的熱門方向之一。在眾多的光纖傳感器中，基于光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)結構的傳感器因其體積小、靈敏度高、結構靈活、能適應惡劣的工作環境以及可實現遠距離信號傳輸等優點，受到了國內外研究人員的密切關注[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的折射率密切相關，即可以通過檢測共振峰的位置來感知周圍環境屬性的改變，因此SPR效應被廣泛應用于傳感領域[9]。而將PCF結構和SPR效應相結合，則可使傳感器具有可調諧范圍寬、靈敏度高、溫度穩定性好等一系列的優點。

本文提出了一種基于SPR效應和缺陷耦合的PCF溫度—磁場復合型傳感器。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生轉移，而利用缺陷結構可進一步增加其動態范圍。在垂直方向和水平方向分別設置兩個通道，并在通道中填充磁流體，同時在其他的空氣孔內壁鍍金屬薄膜。當特定波長的光波在光纖中傳輸時會引起SPR效應和缺陷模耦合，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。數值模擬結果表明，在一定的動態測量范圍內，共振峰的偏移量與折射率保持較好的線性關系，通過分析損耗峰的漂移與溫度和磁場的函數關系，可實現對兩者的同時測量。

二、傳感器結構與基本理論

基于缺陷耦合的PCF傳感器橫截面結構如圖1所示。模型為5層空氣孔結構，其中最內層空氣孔直徑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節孔，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構的傳感器剖面圖

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系曲線如圖2所示。在1400nm～1600nm波段范圍內，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在1433.5nm、1549nm處。

(4)

圖3 纖芯模傳輸損耗曲線

三、結果與分析

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系。

(一)溫度特性。缺陷孔中填充磁流體的折射率—溫度系數為-8.02e-5/℃。當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系曲線如圖4(a)所示，相應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，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—磁場系數為3.4187e-4/mT。當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，左峰的磁場靈敏度為-2.143nm/mT，右峰的磁場靈敏度為-2.32nm/mT，并在一定范圍內保持很好的線性度。

圖6 耦合波長漂移

四、結語

設計了一種高靈敏度的基于SPR效應的PCF結構溫度、磁場復合型傳感器，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。數值模擬結果表明，本設計中的5層空氣孔結構可實現較高的測量靈敏度，并具有較高的測量穩定性。本文的理論研究結果可對實際的PCF傳感器的制作進行指導。