CN104165840B - 基于单‑多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单‑多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，至少包括：单模光纤；多模光纤，其端面制备有无标记光学传感结构；以及单‑多模光纤模场匹配耦合器，连接于所述单模光纤及多模光纤之间，实现所述单模光纤及多模光纤的模场匹配耦合。本专利发明了基于单‑多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，它具有比单模光纤或多模光纤端面的无标记光学传感器更高的灵敏度，同时具有单模光纤导波系统的结构简单、灵活方便、稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器领域，特别是涉及一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器。
背景技术
将生物光学传感与光纤导波结合可以使传感系统中的光学通路由光纤实现，减小系统的复杂性和体积，提高系统的可靠性与便携性。因此，近年来人们开始研究制备于光纤端面（垂直于光纤方向的平面）的无标记生物光学传感元件，这包括基于表面等离激元共振的贵金属纳米结构、基于光子晶体共振的介质纳米结构、基于波导耦合的结构等等。
在已有的关于光纤端面无标记光学传感结构的报道中，既有基于单模光纤的，也有基于多模光纤的。前者可以方便地与单模光纤导波系统结合，提高系统的可靠性与稳定性，但是加工难度大。同时，由于单模光纤的导波模式具有较大的发散角，导致了传感器灵敏度的降低。这是因为光纤端面的无标记光学传感结构的光学特性通常对入射角非常敏感。例如，周期性贵金属纳米结构是一类典型的无标记光学传感结构，其通过表面等离激元共振波长的移动来检测溶液折射率的变化，而此共振波长同时也随入射光的角度变化。因此单模光纤的大发散角就造成了不同的共振波长被激发，其综合表现就是展宽的反射共振谱和减小的反射共振谷的深度，造成传感灵敏度的下降。
而多模光纤的芯径大于单模光纤，从而其基模发散角也更小。因此当多模光纤端面的无标记光学传感结构只被多模光纤的基模激发时，反射谱宽和谱深会比单模光纤有明显改善。但是，完全基于多模光纤的光学系统，很难保证在基模工作，其对光学校准、光纤弯曲都非常敏感从而灵敏度下降。
为此我们注意到，单模光纤与多模光纤基模的模场匹配耦合已经可以通过不同的方法实现。一种方法是：先将单模光纤与多模光纤的端面熔接，之后利用氢氧焰加热熔接点，并将光纤向两端拉伸，造成中间加热段变细。Y.Jung等人在“Adiabatically taperedsplice for selective excitation of the fundamental mode in a multimode fiber（Optics Letters34，2369-2371，2009）”论文中报道了这样的单-多模光纤模场匹配耦合，它使单模光纤中的基模通过中间拉锥的部分逐渐高效率耦合到多模光纤的基模而不激发其他模式。
本专利发明了一种用单模光纤传导光波（从而整个光学传感系统具有单模光纤导波系统的结构简单、灵活方便、稳定性好等优点），通过单模光纤与多模光纤基模的模场匹配耦合来高效率激发多模光纤的基模，而无标记光学传感结构在多模光纤的端面这样一个高灵敏度的传感器结构。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，用于解决现有技术中的单模光纤端面无标记光学传感器的反射谱的共振谷宽、浅从而传感灵敏度低的问题，以及多模光纤端面无标记光学传感器光学校准复杂、稳定性差等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，至少包括：
单模光纤；
多模光纤，其端面制备有无标记光学传感结构；
单-多模光纤模场匹配耦合器，连接于所述单模光纤及多模光纤之间，实现所述单模光纤及多模光纤的模场匹配耦合。
作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述无标记光学传感结构为具有二维周期性网格状纳米线槽的贵金属薄膜。
作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述二维周期性网格状纳米线槽的在两个垂直方向的周期相等且为200～2000nm，纳米线槽的线宽为10～200nm。
作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述贵金属薄膜为Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。
作为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的一种优选方案，所述贵金属薄膜的厚度为10～100nm。
如上所述，本发明提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，至少包括：单模光纤；多模光纤，其端面制备有无标记光学传感结构；以及单-多模光纤模场匹配耦合器，连接于所述单模光纤及多模光纤之间，实现所述单模光纤及多模光纤的模场匹配耦合。本专利发明了基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，它具有比单模光纤或多模光纤端面的无标记光学传感器更高的灵敏度，同时具有单模光纤导波系统的结构简单、灵活方便、稳定性好等优点。
附图说明
图1显示为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的结构示意图。
图2显示为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器中的无标记光学传感器结构示意图。
图3显示为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器一种测试系的结构统示意图。
图4显示为本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的反射谱与单模光纤端面无标记光学传感器的反射谱的对比曲线图。
元件标号说明
10 单模光纤
20 多模光纤
201 无标记光学传感结构
30 单-多模光纤模场匹配耦合器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图2所示，本实施例提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，至少包括：
单模光纤10；
多模光纤20，其端面制备有无标记光学传感结构201；
单-多模光纤模场匹配耦合器30，连接于所述单模光纤10及多模光纤20之间，实现所述单模光纤10及多模光纤20的模场匹配耦合。
作为示例，所述无标记光学传感结构201具体为一种基于表面等离激元共振原理的无标记生物光学传感元件。如图2所示，所述无标记光学传感结构201为具有二维周期性网格状纳米线槽的贵金属薄膜。当然，在其它的实施例中，所述无标记光学传感结构201可以为具有一维或二维周期性光栅结构的贵金属或介质薄膜、二维周期性多孔结构的贵金属薄膜等，且并不限于此处所列举的几种结构。
作为示例，所述二维周期性网格状纳米线槽的在两个垂直方向的周期相等且为200～2000nm，纳米线槽的线宽为10～200nm。当然，在实际应用中纳米线槽的周期可以根据所需要的光波长而更改。
作为示例，所述贵金属薄膜为Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜，且并不限于此处所列举的几种。
作为示例，所述贵金属薄膜的厚度为10～100nm。
作为示例，所述无标记光学传感结构201的制作方法为，先采用电子束蒸发的方法于所述多模光纤20的端面上沉积一层金薄膜，然后采用聚焦离子束刻蚀方法于所述金薄膜上刻出二维周期性网格状的纳米线槽结构。
如图3～图4所示，在完成如上传感器件结构后，本实施例进行了反射谱测试。测试采用150W溴钨灯作为光源，并通过一个50×显微物镜将光耦合入单模光纤之中。通过一个2×2的光纤耦合器来连接所述单模光纤、本发明的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器、以及光谱仪，如图3所示。此2×2的光纤耦合器有两个输入端和两个输出端，光从任一个输入端进入后，以50%的功率从两个输出端分别输出；反过来也一样，即光从任一个输出端（反向）进入后，以50%的功率从两个输入端分别输出。耦合器的输入1连接光源一侧的单模光纤，输入2连接光谱仪，输出1与基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器相连，输出2空置。如此，从光源耦合入单模光纤的光经由耦合器的输入1-输出1到达基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，而传感器的反射光经由耦合器的输出1-输入2到达光谱仪。我们分别测试了将传感器浸入水中时的反射光谱，并将之除以光纤端面为25nm厚连续金薄膜时的反射谱，得到如图4所示的归一化反射光谱。图4同时给出了端面制作有相同的二维周期性金薄膜纳米线槽无标记光学传感器的单模光纤的反射谱测量结果。可以看到单模光纤端面无标记光学传感器的反射谷半高宽为85nm，而基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器的反射谷半高宽为40nm，是前者的一半不到，而且反射谷明显更深。
综上所述，本发明提供一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，至少包括：单模光纤；多模光纤，其端面制备有无标记光学传感结构；以及单-多模光纤模场匹配耦合器，连接于所述单模光纤及多模光纤之间，实现所述单模光纤及多模光纤的模场匹配耦合。本专利发明了基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，它具有比单模光纤或多模光纤端面的无标记光学传感器更高的灵敏度，同时具有单模光纤导波系统的结构简单、灵活方便、稳定性好等优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，其特征在于，至少包括：
单模光纤；
多模光纤，其端面制备有无标记光学传感结构；
单-多模光纤模场匹配耦合器，连接于所述单模光纤及多模光纤之间，实现所述单模光纤及多模光纤的模场匹配耦合，其中，所述单-多模光纤模场匹配耦合器使单模光纤中的基模通过中间拉锥的部分逐渐高效率耦合到多模光纤的基模而不激发其他模式。
2.根据权利要求1所述的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，其特征在于：所述无标记光学传感结构为具有二维周期性网格状纳米线槽的贵金属薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，其特征在于：所述二维周期性网格状纳米线槽的在两个垂直方向的周期相等且为200～2000nm，纳米线槽的线宽为10～200nm。
4.根据权利要求2所述的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，其特征在于：所述贵金属薄膜为Au薄膜、Ag薄膜或Al薄膜。
5.根据权利要求2所述的基于单-多模光纤耦合的光纤端面无标记光学传感器，其特征在于：所述贵金属薄膜的厚度为10～100nm。
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