CN102590148A - 一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤spr传感模型 - Google Patents

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任广军
董莉
刘蓓
吕蕾
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Abstract

一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，采用纤芯包层结构，材料为石英玻璃，纤芯中心设有纤芯空气孔，包层中设有六个呈正六边形排列的包层空气孔，其中两个位置中心对称的包层空气孔内表面镀有金膜。本发明的优点是：用该模型制成的光子晶体光纤SPR传感器可实现芯模与等离子体模在任意所需要的波长下相位匹配，同时还能保证传感器结构的简单化；在光子晶体光纤包层中装待测样品的空气孔较大，易于待测液体的流动，从而能够实现实时检测；大孔径的光子晶体光纤制作工艺相对简单且在其内孔表面镀膜比较容易。

Description

一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型
(一)技术领域
本发明涉及光纤SPR传感技术，特别是一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型。
(二)技术背景
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器能激励非常强的本地电磁振荡，因此可利用它完成高灵敏度的探测。光纤SPR传感器是将高灵敏度的表面等离子体传感技术与低能量消耗的光纤传输技术有机结合的产物。然而，采用普通光纤作为敏感元件的光纤SPR传感器存在耦合损耗大、保偏性差和存在交叉敏感等若干难以克服的缺点，并且光纤SPR传感器在芯模和等离子体模相位匹配方面存在着一定的困难，因此限制了传感器性能的进一步提高。
在1992年，Russell ST J等人提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤也称为微结构光纤或者多孔光纤，它与传统光纤相比有许多“奇异”特性，如无休止的单模传输特性、极低损耗、可控的色散、非线性特性、高双折射特性以及可进行微结构设计改造等，因此受到极大重视，并且随着光子晶体光纤拉制工艺的不断成熟，光子晶体光纤已广泛应用于光纤传感领域。采用光子晶体光纤制作的光纤SPR传感器拥有很多的优势，其中最重要的是它解决了基于传统光纤SPR传感器的芯模与等离子体模相位匹配难实现的问题。通过在纤芯中引入小气孔降低芯模的有效折射率，这样就可以在所需要的任意波长下实现芯模与等离子体模的相位匹配。
2006年，A.Hassani等利用光子晶体光纤制作光纤SPR传感器，该光纤的芯区有一个小空气孔来降低芯模的有效折射率，从而可以在任意所需要的波长下实现芯模和等离子体模的耦合。该传感器很好的解决了当前所面临的很难解决的问题-相位匹配，然而其在结构设计方面相对复杂。2011年，关春颖等人在结构设计方面有了很大的突破，利用结构比较简单的光子晶体光纤实现了SPR传感，但是该传感器必须在高频区(波长λ＜700nm)才能使芯模有效折射率降低，从而满足芯模和等离子体模的耦合，然而在高频区会限制等离子体波进入待测样品的趋肤深度，因而会降低传感器的灵敏度。
因此，构建一个易于实现芯模与等离子体模相位匹配的同时又能使传感器结构简单化的光子晶体光纤SPR传感器模型具有很重要的意义。
(三)发明内容
本发明针对上述存在的问题，提供一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，利用该模型所制成的光子晶体光纤SPR传感器可实现芯模与等离子体模在任意所需要的波长下相位匹配，同时还能保证传感器结构的简单化。
本发明的技术方案：
一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，采用纤芯包层结构，材料为石英玻璃，纤芯中心设有纤芯空气孔，包层中设有六个呈正六边形排列的包层空气孔，其中两个位置中心对称的包层空气孔内表面镀有金膜。
所述纤芯空气孔的直径为小于6μm。
所述包层空气孔直径为5.4μm，相邻包层空气孔的中心距为6μm。
所述金膜的厚度为40nm。
本发明的工作机理：
该结构光子晶体光纤在纤芯的中心位置设有小空气孔，通过改变这个小空气孔的直径，就可以调整芯模的有效折射率，因此高斯芯模的有效折射率可以设计成小于纤芯材料折射率的任意值，这样在任意需要的波长下，都可以使芯模和等离子体模发生相位匹配，从而引起表面等离子体共振。光子晶体光纤包层中的六个大空气孔的的结构设计便于待测液体的流动，从而能够实现实时检测，而且大孔径的光子晶体光纤便于制作以及在内孔表面镀膜；其中在所镀金膜的两个空气孔内装入待测样品，有四个折射率为1的大空气孔，其作用是降低包层的有效折射率，使得光子晶体光纤在纤芯中引入小空气孔后仍能利用全反射导光机制将传输光束缚在纤芯中。在本领域的仿真过程中，通常使用精确的德鲁德(Drude)-洛伦兹模型来描述所镀膜层金的介电常数，因为它更接近于金的真实特性，并且使用塞耳迈耶尔(Sellmeier)方程来描述石英玻璃的折射率，这是因为它更接近于石英玻璃的自然属性。
本发明的优点是：
1)用该模型制成的光子晶体光纤SPR传感器可实现芯模与等离子体模在任意所需要的波长下相位匹配，同时还能保证传感器结构的简单化；
2)在光子晶体光纤包层中装待测样品的空气孔较大，易于待测液体的流动，从而能够实现实时检测；
3)大孔径的光子晶体光纤制作工艺相对简单且在其内孔表面镀膜比较容易。
(四)附图说明
图1为该光子晶体光纤SPR传感模型截面结构示意图。
图中：1.包层  2.纤芯空气孔  3.包层空气孔  4.金膜
图2为纤芯空气孔不同直径d1时光纤的损耗谱。
(五)具体实施方式
以下将通过实施例详细描述本发明所提供的一种易实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型。但本领域的技术人员应该认识到，在权利要求的范围内，可以做出形式上和细节上的多种变型。因此本发明绝不仅限于以下所述的实施例。
实施例：
一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，如图1所示，采用纤芯包层结构，材料为石英玻璃，纤芯中心设有纤芯空气孔2，纤芯空气孔的直径分别取值为1.4μm、1.8μm、2.2μm，其折射率是1，包层1中设有六个呈正六边形排列的包层空气孔3，包层空气孔直径为5.4μm，相邻包层空气孔的中心距为6μm，其中两个位置中心对称的包层空气孔3内表面镀有厚度为40nm的金膜4，材料属性用介电常数指定，其表达式由德鲁德(Drude)-洛伦兹模型给出。
在镀有金膜的两个包层空气孔中装入待测样品，本实施例中待测样品为水，其折射率是1.33，另外的四个包层空气孔折射率是1。该模型选用的包层材料为石英玻璃，其折射率由塞耳迈耶尔(Sellmeier)方程给出。
采用波长调制法，波长的变化范围为0.48μm-0.9μm，利用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL Multiphysics计算软件对上述所设计的实验模型分别按照d1＝1.4μm、d1＝1.8μm、d1＝2.2μm进行数值仿真，在各向异性完美匹配层(PML)边界条件的配合下，求解模场的有效折射率，然后根据模场损耗公式计算出模场损耗，利用Origin软件绘出d1＝1.4μm、d1＝1.8μm、d1＝2.2μm时光纤的损耗谱，如图2所示，在损耗谱图上可以观察到当d1变化时对共振峰的影响。可以看出当其他参量不变时，随着纤芯空气孔2的直径d1增大，共振峰的强度增强并且共振波长向长波方向移动。在d1＝2.2μm的光子晶体光纤模型中，当达到第二个共振峰时，共振波长为730nm，突破了高频区，这就意味着在纤芯的中心位置引入一个小空气孔，可以使共振峰的位置发生改变，并且共振峰会随着d1增大而向长波方向移动。通过改变纤芯空气孔2的尺寸大小，就可以获得在任意所需要波长下的共振峰，避免了共振波长在高频区会降低传感器灵敏度的风险，因此这种设计最终有效的解决了光子晶体光纤SPR传感器芯模与等离子体模相位匹配难实现的问题。

Claims (4)

1.一种易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：采用纤芯包层结构，材料为石英玻璃，纤芯中心设有纤芯空气孔，包层中设有六个呈正六边形排列的包层空气孔，其中两个位置中心对称的包层空气孔内表面镀有金膜。
2.根据权利要求1所述易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：所述纤芯空气孔的直径为小于6μm。
3.根据权利要求1所述易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：所述包层空气孔直径为5.4μm，相邻包层空气孔的中心距为6μm。
4.根据权利要求1所述易于实现相位匹配的光子晶体光纤SPR传感模型，其特征在于：所述金膜的厚度为40nm。
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