CN102607609B - 一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件 - Google Patents
一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件 Download PDFInfo
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Abstract
一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件，为纤芯包层结构，包括纤芯和包层，其采用高密度聚乙烯材料作基底，纤芯由掺杂芯和掺杂芯四周均布的六个小空气孔构成，在纤芯六个小空气孔四周均布沿轴向呈正三角形周期性排列的大空气孔，大空气孔与其四周的基底构成包层。本发明的优点是：该倏逝波传感器件在实心光子晶体光纤的纤芯设有掺杂芯并在其四周增加了六个小空气孔，使光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器的灵敏度明显提高；采用折射率较低的掺杂芯有助于降低基模有效折射率并且减小纤芯和包层的有效折射率差，也可提高传感器的灵敏度，该倏逝波传感器件在瓦斯气体、有毒生化制剂、食品安全、空气污染等检测方面具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及实心塑料光子晶体光纤，特别是一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THZ到10THZ之间、波长在0.03mm到3mm范围内的电磁波，在电磁波谱中占有特殊位置，其长波段与毫米波交叉，短波段与红外线有重叠，是电子学技术与光子学技术、微观与宏观的过渡区域。由于其具有量子能量低、信噪比高、频率极宽、时间空间相干性好等优点，近年来引起科学家的密切关注。太赫兹波广泛用于数据传输、材料处理、分层成像技术、传感波导器件等领域。
光子晶体光纤又称多孔光纤或微结构光纤，包层由沿轴向周期性排布在基质中的空气孔组成，而纤芯由一个破坏了包层周期性结构的缺陷构成，根据缺陷的不同可以把光子晶体光纤分为空心光子晶体光纤和实心光子晶体光纤两种，其导光原理不同。光子晶体光纤有很多传统光纤无法比拟的优点：如无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性等。以上结构使其具有灵活的设计自由度(空气孔的半径、孔间距、纤芯半径等)，通过改变这些参数可以灵活的改变光子晶体光纤的传输特性。
普通的光子晶体光纤材料为石英用于太赫兹波传输损耗很大，所以塑料光子晶体光纤如聚四氟乙烯，高浓度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯等材料代替石英相继出现。尤其聚乙烯损耗小、相对色散低、用于制造光子晶体光纤的结构参数在毫米量级，有利于待测物填充，不失成为传感器件的最佳选择。
以往的传统光纤倏逝波传感器用待测物作为包层易腐蚀纤芯且对探头制作要求很高，空心光子晶体光纤倏逝波传感器虽灵敏度高，但对探测波长范围有限制只允许波长在带隙范围内的光通过，且对包层空气孔周期性要求极高增加制作难度，实心光子晶体光纤倏逝波传感器一般灵敏度很低不易实时快速以及对低浓度微量物检测，有必要研究提高实心光子晶体光纤倏逝波传感器的灵敏度方法。
发明内容
本发明目的是解决以往的实芯光子晶体光纤倏逝波传感器灵敏度低、对微小物不易探测等缺点，提供一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件，该传感器件可有效地提高了倏逝波传感器的灵敏度，实现对低浓度及微小物性质的检测。
本发明的技术方案：
一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件，为纤芯包层结构，包括纤芯和包层，其采用高密度聚乙烯材料作基底，纤芯由掺杂芯和掺杂芯四周均布的六个小空气孔构成，在纤芯六个小空气孔四周均布沿轴向呈正三角形周期性排列的大空气孔，大空气孔与其四周的基底构成包层。
所述聚乙烯材料的密度为0.940g/CC，折射率为1.5。
所述掺杂芯的材料为掺杂二氧化锗的二氧化硅，其折射率为1.48，掺杂芯直径为0.24mm。
所述小空气孔的直径为0.1mm，小空气孔与掺杂芯的中心距为0.21mm。
所述大空气孔的直径为0.48mm，大空气孔的中心距为0.6mm，最内层大空气孔与掺杂芯的中心距为0.6mm。
本发明的优点和积极效果：
该倏逝波传感器件在实心光子晶体光纤的纤芯设有掺杂芯并在其四周增加了六个小空气孔，使光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器的灵敏度明显提高；采用折射率较低的掺杂芯有助于降低基模有效折射率并且减小纤芯和包层的有效折射率差，从而进一步提高传感器的灵敏度；所用太赫兹波导材料聚乙烯易获得，其结构参数在毫米量级易于待测物快速填充，该倏逝波传感器件在瓦斯气体、有毒生化制剂、食品安全、空气污染等检测方面具有很大的应用价值。
附图说明
图1是该倏逝波传感器件截面结构示意图。
图中：1.基底 2.大空气孔 3.掺杂芯 4.小空气孔
图2是该倏逝波传感器件的模场分布COMSOL模拟图。
图3是传统实芯、纤芯加一直径为0.16mm的小孔以及所设计的掺杂芯加纤芯六个小孔的光子晶体光纤三种不同模式有效折射率曲线对比图。
图4是图3所述三种不同模式的相对灵敏度曲线对比图。
图5是该倏逝波传感器件的有效模场面积随波长变化曲线。
具体实施方式
实施例：
一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件，如图1所示，为纤芯包层结构，包括纤芯和包层，其采用高密度聚乙烯材料作基底1，聚乙烯材料的密度为0.940g/CC，折射率为1.5，纤芯由掺杂芯3和掺杂芯四周均布的六个小空气孔4构成，掺杂芯3的材料为掺杂二氧化锗的二氧化硅，其折射率为1.48，掺杂芯直径为0.24mm，小空气孔4的直径为0.1mm，小空气孔4与掺杂芯3的中心距为0.21mm，在纤芯六个小空气孔4四周均布沿轴向呈正三角形周期性排列的大空气孔2，大空气孔的直径为0.48mm，大空气孔的中心距为0.6mm，最内层大空气孔2与掺杂芯3的中心距为0.6mm，大空气孔2与其四周的基底1构成包层。
该结构倏逝波传感器件在波长λ＝0.8mm时的模场分布COMSOL模拟图如图2所示。
用有限元软件模拟出传统全内反射、纤芯加一小孔以及所设计纤芯六个小孔加掺杂芯光子晶体光纤的三种不同模式有效折射率在0.45mm到1.4mm范围内随波长变化曲线，如图3所示，通过对比发现该新型光子晶体光纤传感器件的模式有效折射率明显降低，而相对灵敏度与模式有效折射率成反比，所以间接了相对提高灵敏度。
同时也模拟出在0.45mm到1.4mm波长范围内相对灵敏度变化曲线，如图4所示，可以看出随着波长的增加，上述三种不同模式光子晶体光纤的相对灵敏度都成增大趋势，但在整个波长范围内该新型光子晶体光纤倏逝波传感器件都明显比只加一小孔或传统全内反射的高很多，尤其在1.4mm时几乎可达40％，提高灵敏度是一个传感器实时快速检测的关键因素。
有效模场面积也是影响传感性能的关键因素，因为当有效模场面积过小时会导致较强的非线性效应，而改变增加相对灵敏度条件时会引起有效模场面积的减小，图5是该倏逝波传感器件的有效模场面积随波长变化曲线，可以看出在短波长0.45mm到1.05mm之间有效模场面积变化不大保持稳定，而在长波长1.05mm到1.4mm范围内明显增加，变化范围在0.3mm2到6.0mm2之间不会对传感器性能造成影响，所以该新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件有很大实用价值。
Claims (1)
1.一种新型高灵敏度光子晶体光纤太赫兹倏逝波传感器件，其特征在于：为纤芯包层结构，包括纤芯和包层，其采用高密度聚乙烯材料作基底，纤芯由掺杂芯和掺杂芯四周均布的六个小空气孔构成，在纤芯六个小空气孔四周均布沿轴向呈正三角形周期性排列的大空气孔，大空气孔与其四周的基底构成包层；所述聚乙烯材料的密度为0.940g/CC，折射率为1.5；所述掺杂芯的材料为掺杂二氧化锗的二氧化硅，其折射率为1.48，掺杂芯直径为0.24㎜；所述小空气孔的直径为0.1㎜，小空气孔与掺杂芯的中心距为0.21㎜；所述大空气孔的直径为0.48㎜，大空气孔的中心距为0.6㎜，最内层大空气孔与掺杂芯的中心距为0.6㎜。
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