基于H 型結構光纖SPR 的折射率傳感研究

陳致遠， 董興法， 劉志偉

（蘇州科技大學 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州 215009）

表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）技術是光纖傳感領域的新興技術。它的原理是將金屬薄膜鍍在纖芯表面，當入射光接入光纖時在金屬-纖芯表面處激發表面等離子體波[1]。 SPR 技術因其靈敏度高、響應時間短以及檢測實時等優點在醫學診斷、環境監測和生物化學研究中有廣泛應用[2]。

基于SPR 技術的傳感光纖設計成為了當前的研究熱點。2011 年，Xia Li 等人[3]首次在理論上提出了一種雙通道SPR 傳感器用于測量硅油的折射率變化，該傳感器的靈敏度較傳統（非SPR）偏振光纖傳感器提高了約40 倍。2012 年，蔣奇等人[4]設計制作了基于傾斜光纖光柵的SPR 濃度傳感器，通過實驗證明了鍍金后的傾斜光柵折射率傳感靈敏度較未鍍金時有顯著提高。 2018 年，Jing J Y 等人[5]設計了碳納米管沉積金薄膜光子晶體光纖SPR 傳感器，在提高靈敏度的同時有著極其優異的生物相容性，對牛血清白蛋白的測量有很好的效果。 2019 年，Kamkar A 等人[6]提出了H 型SPR 傳感器并研究了不同金屬鍍膜后的傳感效果，在波長為320～620 nm 時鍍銀H 型SPR 傳感器最高靈敏度為2.17×104nm·RIU-1。這種H 型SPR 傳感器展示了其優越的傳感性能，但仍存在一些問題。首先，制作比較困難，直接在纖芯外鍍金屬后再敷上包層，需要特殊的工藝；其次，H 型SPR 傳感器破壞了光纖本身的物理結構，過大的分析層和空氣孔使光纖易折易斷，不適應現實傳感時的復雜環境。

基于原有的H 型SPR 傳感器，改進設計了一種結構簡單、制造方便、 抗彎抗折以及能夠適應復雜情況的高靈敏度新型H 型SPR 傳感器。 該傳感器使用金屬有機框架（Metal organic Framework，MOFs）結構增大分析層與溶液的接觸面積，減小空氣孔的體積以提高光纖傳感器的機械強度。

1 理論分析及結構設計

設計的新型H 型SPR 傳感器截面如圖1 所示， 首先使用傳統的纖芯-包層結構，這樣可以通過成熟的制棒拉絲工藝[7]制作。 其次，在上下分別打孔，采用電介質-金屬-電介質（Dielectric-Metal-Dielectric，DMD）結構[8]制作SPR 傳感區域，這種結構可以通過改變金屬層和電解質層的厚度獲得更高、更窄、強度相近的等離子體峰，使光纖傳感器在更廣的波長區域工作，有利于提高傳感器的靈敏度。 截面中纖芯半徑為4 μm，包層半徑為40 μm。

圖1 新型H 型SPR 傳感器截面圖

該結構中背景材料為二氧化硅，其折射率可以用色散方程求解

這里n（λ）為不同波長下二氧化硅的有效折射率，色散方程系數為：B1=0.696 166 3，B2=0.407 942 6，B3=0.897 479 4，C1=4.68×10-3μm2，C2=1.35×10-2μm2，C3=97.92 μm2。 在波長為1.525 μm～1.564 μm 時，二氧化硅的有效折射率為1.442 6～1.443 6。 在DMD 結構中，金屬層的介電常數ε 可以通過Drude-Lorentz 模型近似表示

其中，Pin是光源輸入的光功率，Pout是透過光纖的光功率。 不同光纖對同種液體折射率變化的敏感程度不同，所以靈敏度Sλ是評價光纖傳感效果優劣的重要指標。 其計算方法如下

其中，△λpeak為波長峰值的變化量，△na為被測溶液折射率的變化量，Sλ單位為nm·RIU-1。 通過該式計算不同光纖傳感器在溶液折射率變化時的靈敏度。

2 數值模擬及結果分析

文中采用基于有限元方法的COMSOL 5.6 軟件進行仿真， 通過在電磁波和頻域兩個方面計算極化解得所有結果。繪制完光纖幾何特性后，在光纖最外層設置散射邊界條件，避免邊界不必要的散射。為了得到更精確的仿真結果、提高收斂性和減小誤差，使用用戶自定義的網格，光纖芯層的最大尺寸為λ/5 （λ 為工作波長），介質層的最大尺寸為dd/8（dd為電介質層厚度），金屬層的最大尺寸為dm/10（dm為金屬層厚度）。 采用寬度為0.3 μm，最大網格尺寸為λ/5 的笛卡爾完美匹配層。這樣的配置為傳感器的仿真結果精度提供了保障。

2.1 模式分析

首先從麥克斯韋方程入手，通過電磁分離、時空分離、縱橫分離之后得到光纖的本征值方程。 然后將新型H 型SPR 傳感器的邊界條件代入方程，使用COMSOL 進行基于有限元方法的模式分析。 對于子午光線而言，光纖傳播不會激發SPR，其模式為基模，如圖2 所示。 在一定的入射角度下，光動量[10]與表面等離子體波匹配就會發生共振，反射光強度降低，這個角度稱為共振角，這種模式稱為表面等離子體極化（SPPs，Surface Plasmon Polaritons）模式。當入射光角度過大，不滿足全反射條件時，就會在纖芯-包層處產生折射，光線泄露到包層稱為泄露模。 在SPR 傳感時三種模式均存在，但只有基模和SPPs 模式對傳感有意義。

圖2 新型H 型SPR 傳感器的基模

不同材料制作的金屬層由于折射率不同會產生不同的模式。 文中就對金、銀、鋁、鈦四種金屬進行仿真，結果如圖3 所示。在入射光為1.525 μm～1.565 μm 時，4 種金屬基模差別不大。因為鈦的折射率比較大，入射光大部分泄露到包層，不能在金屬層形成穩定的SPPs 模式。剩下的3 種金屬中，鋁的SPPs 模式結構最清晰，激發效果最好，文中將使用鋁作為金屬層，制作新型H 型SPR 傳感器。

圖3 金、銀、鋁、鈦的基模和SPPs 模式

2.2 透射功率譜分析

根據透射功率表達式，可以繪制出不同波長下兩種光纖傳感器的透射功率譜。 圖4 所示的是空氣中的透射功率譜，可以看出新型H 型SPR 傳感器的初始波峰較為靠前。 圖5 所示的是加入0.33 g·mL-1氯化鈉溶液（n=1.37）時的透射功率譜，可以看出新型H 型SPR 傳感器的截止波峰較為靠后。 SPR 傳感的依據是不同折射率的待測物體引起波峰的紅移，通過測量波峰位置變化間接測量溶液折射率變化。 兩種SPR 傳感都能滿足折射率傳感要求，但新型H 型SPR 傳感器有更廣的波峰變化范圍。

圖4 當分析物為空氣（n=1）時的透射功率譜

圖5 當分析物為0.33 g·mL-1 的氯化鈉溶液（n=1.37）時的透射功率譜

對特定折射率的氯化鈉溶液進行仿真，分析兩種傳感器透射功率特性。 圖6 為原H 型SPR 傳感器的透射功率譜，隨著折射率增長，波峰紅移現象存在，但在n=1.35 和n=1.36 兩個折射率情況下，波峰比較接近，有混疊的可能。 圖7 處顯示的是新型H 型SPR 傳感器的透射功率譜，隨著折射率增長，新型H 型SPR 傳感器的波峰紅移現象非常明顯。 由于波峰分布較廣，一種折射率的波峰與其他折射率的波峰間隔較遠，不易產生混疊，提高了傳感精度。

3 實驗測試

根據圖6、圖7 中兩種光纖的透射功率變化，可以計算出在折射率為1.33～1.37 時，原H 型SPR 傳感器平均靈敏度為350 nm·RIU-1， 新型H 型SPR 傳感器平均靈敏度為525 nm·RIU-1。 在仿真模型中新型H 型SPR 傳感器靈敏度提升了175 nm·RIU-1，接下來通過實驗測試兩種光纖的靈敏度。

圖6 折射率為1.33～1.37 時原H 型SPR 傳感器透射功率譜

圖7 折射率為1.33～1.37 時新型H 型SPR 傳感器透射功率譜

搭建光纖折射率測試平臺如圖8 所示，通過單模光纖連接整套系統。 使用的光源為飛秒光纖激光器[11]，工作波長是（1 550±30） nm。 光纖放置在使用惰性材料制成的溶液腔內。 利用光譜分析儀中記錄折射率變化時透射功率譜的變化，將數據傳輸到電腦端處理。 具體實驗步驟：首先，準備5 份100 mL 的蒸餾水和100 g純凈的氯化鈉粉末。通過阿貝折射率儀，分別配制折射率為1.33、1.34、1.35、1.36 和1.37 的氯化鈉溶液備用。將其中一份氯化鈉溶液放入溶液腔中，使被測光纖與溶液充分接觸，打開光源和光譜分析儀，得到該折射率下的透射功率譜，保存在電腦端。 然后關閉光源和光譜分析儀，取下溶液腔，將其中的溶液倒出，并用蒸餾水洗凈，這樣為一次完整的折射率實驗。重復10 次后，得到各個折射率下兩種光纖傳感器的透射功率譜，將n=1.33 處的波峰位置記為初始位置，整理數據得到溶液折射率與波長峰值漂移量線性擬合曲線，如圖9 所示。

圖8 光纖折射率測試平臺

在圖9 中，波長峰值漂移量與溶液折射率變化量的比值就是光纖傳感的靈敏度。 對實驗結果進行處理，可以得到在折射率為1.34～1.35 處，新型H 型SPR 傳感器靈敏度提高了86 nm·RIU-1；在折射率為1.36～1.37處，新型H 型SPR 傳感器靈敏度提高了376 nm·RIU-1；在折射率為1.33～1.37 的變化中，平均靈敏度提高了168 nm·RIU-1。 實驗證明了新型H 型SPR 傳感器在溶液折射率為1.33～1.37 的范圍內提高了傳感的靈敏度，滿足了對溶液折射率微小變化測量的要求。

圖9 溶液折射率-波長峰值漂移量線性擬合曲線

4 結語

基于MOFs 結構對原H 型SPR 傳感器進行改良，設計了新型H 型光纖SPR 傳感器。 通過不同金屬的模式分析，發現金屬層為鋁時SPPs 極化效果最好。 通過透射功率譜分析，新型H 型SPR 傳感器具有波峰變化范圍廣、傳感精度高等優點。在靈敏度方面，通過實驗測量，在溶液折射率為1.33～1.37 范圍內，新型H 型SPR傳感器平均靈敏度較原H 型SPR 傳感器提高了168 nm·RIU-1。該文探索了光纖結構和鍍膜金屬種類對SPR傳感的影響，為進一步優化溶液折射率傳感器靈敏度和穩定性提供了一種新思路。