CN110108645B - 一种可测量多通道分析物的c型光子晶体平面阵列 - Google Patents

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Abstract

一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，属于微型光电子器件设计技术领域。本发明借助结构的高双折射特性和光子晶体阵列的填充性能来实现高质量的光学传感响应。完全区别于完整的阵列模式输出，其两个主要的基态模式下的偏振态信号被证明具有独立且敏感的特性输出。大尺寸的内层传感通道孔来实现分析物的多相填充，根据优化后的分析计算结论，其光学SPR输出光谱将产生5个特征输出峰值各自对应不同的传感通道。每个特征值有较大的检测区间，较小的传输损耗和极高的输出灵敏度：13091nm/RIU～45322nm/RIU。该结构可被视为一个多通道的微型组分分析实验室，在多分析物或多参数同时检测领域具有极大应用潜力。

Description

一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列
技术领域
本发明涉及一种能同时测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列设计，主要面向于实用领域下的多种微量液体或固体分析物的定量检测，为医学测量，高危环境资源勘测，化工生产等领域服务。属于微型光电子器件设计技术领域。
背景技术
当前的传感器检测领域的发展趋势更注重于小型化和微型化，如何在一个更狭小的空间中去实现更多数据信息的采集一直是一个重要的研究主题。因此，以光纤结构作为载体的传感器件由于其微型化优势和信号的特殊性已经成为传感器发展的前沿领域。在深海探测、油井运输、化工生产、医疗研究等领域都迫切地需要光纤传感技术的研究支持。
单模光纤(SMF)，多模光纤(MMF)，空心腔体(HCF)，光纤光栅(FBG)等结构最早被应用在光纤传感领域中。在此基础上，进一步加工和组合的级联结构衍变出了多种检测原理和敏感机制。虽然这些传统的光纤传感结构具有广泛的研究基础，其导光机理是简单且成熟的，但是当面对于不同特性的传感参数时，这些特性也限制了它们在设计上的灵活性。在光纤的径向方向上，一般的拉锥，腐蚀等方式会大大减弱结构的机械强度，或者过多的熔接点会带来更大的传输损耗。而一些分立式的设计更是破坏了整个机构的集成度。所以目前的研究迫切需求一个集成度较高的光纤微结构来同时检测多种靶参数。甚至在一些更加苛刻的场合中需要实现多个信号的共存，所以这对新型的结构设计提出了更高的要求。
为了实现上述目标，光子晶体光纤(PCF)或微结构光纤的研究已经成为当前热点(文献1:Zhang Y N,Zhao Y,Zhou T,et al.Applications and developments of on-chipbiochemical sensors based on optofluidic photonic crystal cavities[J].Lab ona Chip,2017:10.1039.C7LC00641A.)。这类结构依赖于光纤端面上的灵活设计，所以本质上不需要在径向上做多余的加工，这保证了它很高的一体化程度和稳定性(文献2:An G,LiS,Yan X,et al.High-birefringence photonic crystal fiber polarization filterbased on surface plasmon resonance.[J].Appl Opt,2016,55(6):1262-1266.)。近年来关于光子晶体阵列的研究有很大的进展，但是相关分析并未没完全利用PCF灵活的填充性能和特殊导光机制来实现多参数或多通道的测量目的(文献3:Famei W,Chao L,Zhijie S,et al.A Highly Sensitive SPR Sensors Based on Two Parallel PCFs for LowRefractive Index Detection[J].IEEE Photonics Journal,2018,10(4):1-10.)。
当前，表面等离子体技术(SPR)是一种高灵敏度的传感路线，它已经被证实可以感受多种生物或化学参量并取得了良好的检测效果(文献4:2018:Wu J,Li S,Dou C,et al.Ahigh extinction and wide bandwidth polarization filter based on surfaceplasmon resonance[J].Optical and Quantum Electronics,2018,50(1):16.)。由于它的敏感环节中需要传感区和被测介质表面直接接触，所以非常适合与带孔或缺陷的光纤结构结合。相关研究已经证明了这一技术与光子晶体阵列结合的优异性(文献5:Liu C,Wang F,Lv J,et al.A highly temperature-sensitive photonic crystal fiber based onsurface plasmon resonance[J].Optics Communications,2016,359:378-382.)。但是目前的设计思路还远不能满足在大孔的光子晶体阵列中实现多通道参数检测的要求。
发明内容
本发明的目的在于设计一种可测量多通道分析物的C型光子晶体光纤阵列。提出了一种引入大型缺陷后的平面波导阵列结构。利用高灵敏度的表面等子体共振(SPR)技术建立了光学波导传输模型。结合优化的结构设计和性能分析，最后确定了C型平面波导阵列的设计参数。该结构可实现在内层通道和缺陷处的多路分析物的特征波长输出，即为多参数的同时检测提供了技术基础。
本发明的技术方案：
为了达到上述目的，本发明设计了一种能测量多通道分析物的C型光子晶体光纤结构。提出了一种以光纤表面SPR效应作为敏感源的传感思路。在原本完整的光纤平面中了引入楔形缺陷来带入光学双折射效应，建立了一个基于该平面波导结构的SPR传感理论模型。最后通过一系列的参数设计与数据对比，完善了C型光子晶体阵列设计。通过标定计算和多相填充的结果证明其具有多通道同时检测多相参数的能力。
一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，所述C型光子晶体平面阵列中，光纤截面上开设楔形缺陷4，作为一号通道孔5，楔形缺陷4的圆心角为θ＝60°，使得光纤截面呈圆心角为300°的扇形，扇形的中心区域为实心；中心区域外围均匀设置四个内层主传感通道孔3，内层主传感通道孔3直径尺寸一致，依次为二号通道孔6、三号通道孔7、四号通道孔8、五号通道孔9；内层主传感通道孔3的外周均匀设置外层空气孔2，外层空气孔2按规则等间距六边形排列，外层空气孔2的直径尺寸、间距均一致；外层空气孔2以外为外包层部分1，外包层部分1为实心部分；所述的内层主传感通道孔3、外层空气孔2与楔形缺陷4的表面镀有金属层10。
所述C型光子晶体平面阵列可以使用圆对称的光子晶体微结构光纤进行缺陷加工制得；也可使用非对称的预制棒堆积技术，一次性拉制成型而制得。除去特殊排列的空气孔外，其余实心部分均有石英成分，其光学有效折射率为n＝1.45。
所述光纤截面的半径为R＝62.5μm，这适合与同尺寸的传输光纤熔接并形成光学检测系统。缺陷区域的开口角度会影响传输性能和机械稳定性，合适的开口角度θ＝60°。考虑到多通道流体的检测需求，整体长度应大于3cm以保证稳定的传感性能。
所述外层空气孔2(如图1)的气孔直径Dy＝1.5μm，气孔间距L0＝8μm，其作用是利用光子带隙作用将光能量限制在内层传感区内并保证长距离传输的效率。最内层所设计的尺寸较大的排列孔是探头结构的主要传感通道。该通道孔的直径会显著影响检测灵敏度等性能，合适的数值Dn＝4～8μm。而通道孔距离结构中心点的间距会改变纤芯处的光场能量分布和最终传输能量大小。经过前期的理论计算和图2中的标示，内层通道孔所处位置有一个合适的区间：Lx＝2～4μm，Ly＝6～10μm。此时该结构有利于在传感区域内产生较高性能的光学双折射效应，为后续SPR传感信号的产生提供一个良好的基础。
所述的多传感通道是指在最内层大气孔和靠近纤芯处的缺陷所联合形成的传感区间。本方案中设计在气孔和缺陷表面镀制金属层以激发光学SPR效应，即当被测流体或填充物质充满传感通道时，透射或反射光谱中将出现清晰且易提取的特征峰值。可使用离子溅射技术和化学沉积法来实现均匀镀制，该膜的敏感波段400nm～1000nm。为了配合这种非对称的微结构设计，各个传感区表面的金属层膜厚度有一个合适的区间：d0＝20nm～50nm。当被分析物进入其中一个或多个传感通道时，结构将输出一个或多个特征值以跟踪它们的实时变化。不同通道的输出结果可以相互矫正分析，极大提高检测的效率并提高检测精度。
所述的多分析物检测是结构可同时对不同通道中不同分析物同时响应并输出结果的能力。如图3中描述的为内结构中的主要传感通道。当多种被测分析物有稳定且不同的有效折射率变化区间时，光学SPR特征峰将得到有效的区分。同时它们的实时变化将不会与其它特征值发生混叠，即满足了多分析物同时测量的基本需求。根据前期的理论计算和结构设计，本设计规定了每个传感通道中分析物的折射率的适当区间。当满足通道⑤：n1＝1.33～1.34；通道⑥：n2＝1.40～1.42；通道⑦：n3＝1.35～1.37；通道⑧：n4＝1.38～1.40；通道⑨：n5＝1.43～1.44时，输出光谱将产生对应于每个检测通道的独立的特征峰值且有较高的灵敏度输出。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)本发明中，设计的C型微结构光纤晶体光纤是一个内部的集成结构，可以直接与输入或输出的引导光纤对接。在其面向与微流体或填充物质的实时检测时，相比于传统电学类的检测探头会有更大的适应范围和更快的响应机制，这有利于传感器件的小型化和微型化。
2)本发明中，使用光纤等离子体共振效应(SPR)为基本的检测原理，配合内层的主传感通道孔中可激发高质量的SPR特征信号。该原理有极高的检测灵敏度来提升响应性能。同时SPR原理有较宽的响应区间，其特征峰有较高的品质因数，可方便后续的提取计算和解调。
3)本发明中，独创性地设计了一种C型光子晶体阵列，在圆对称的光子晶体阵列中引入缺陷，并在内层设计了尺寸更大的传感通道孔，是该结构在保持长距离传输性能的同时产生了高质量的光学双折射特性。这样的传感特性配合各自独立的流体通道可以实现被分析物的多通道同时检测，大大提高了测量效率和精准度。
4)本发明中，巧妙地设计了不同主传感通道中的分析物的折射率范围。该设计在SPR传感波段内合理地分配了各个传感通道的波动区间，避免了在实际测量时产生特征信号发生混叠的情况。该条件下多种不同特性分析物可同时进入传感结构并产生可识别且独立的特征峰信号，证明本设计具有同时响应多通道和多分析物质的能力。
附图说明
图1为C型光子晶体阵列的截面设计图；
图2为纤芯区域的主传感通道孔的设计示意图；
图3为光子晶体阵列在两相填充下的SPR传输光谱特性图，其中各项填充的下标表示进入各传感通道内分析物的有效折射率，其产生两个特征峰值；
图4为光子晶体阵列在三相填充下的SPR传输光谱特性图，其产生三个特征峰值；
图5为光子晶体阵列在多相填充下的SPR传输光谱特性图，产生有对应的多个特征峰值。
图中：1外包层部分；2外层空气孔；3内层主传感通道孔；4楔形缺陷；5一号传感通道；6二号通道孔；7三号通道孔；8四号通道孔；9五号通道孔；10金属层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和相应的优势进行更加清晰地表述。现将结合结构设计思路并参照附图，对本发明的原理、具体结构参数以及特征特性作进一步的详细说明。
本工作中设计了一种可用于多通道分析物的光子晶体平面阵列结构。可是实现在一段集成的微光纤结构中实现多通道的同时测量和输出。为了满足这一需求，设计时使用光子晶体光纤作为基础的导光结构，依靠光子带隙原理使其具备稳定的传光特性。在此基础上，引入一个直达纤芯的大型缺陷，外层气孔排列的规律性被破坏，该非对称结构排布即可称为C型光纤晶体光纤阵列如图1所示。
图2放大了纤芯区域的传感部分设计，缺陷区域和内层的大型气孔是主要的传感通道，它可以直接感受外界物质(气相，液相或固相)的变化外层的气孔整列和包层区域也是必不可少的，它们对导光机制起了支撑作用。考虑到微孔结构的填充潜力以及它稳定的温度和力学特性。它是一种可灵活设计单点结构。飞秒激光微加工技术将帮助实现缺陷的高精度加工，或者可使用非对称堆积的光纤拉制技术来实现。这保证了在微米级数上传感器的稳定性和一致性。同时，在主缺陷和大型通道孔表面的金属膜(Au)可以使用化学沉积等成熟技术实现。为了验证其传感性能，需要建立C型光子晶体光纤阵列的导光机制，由于基础结构的不对称性引入了导光方向的双折射效应，原本简并在纤芯中的基态模式被破坏。选择其中能量最高的：X和Y的偏振态(以主缺陷中心线为基准)。他们从基态中分裂，最终表现在输出的叠加。
在光纤表面的SPR激励模型需要重新定义，在光纤等圆对称结构中，只有TM模式能在适当的条件下被激发。SPR的激励的状态随着波长的增大。两个偏振态在不同的波长处达到最大激发，在导光平面上的光学特性数值的计算中也解释了这一点。这证明了该结构有产生双折射信号的能力在SPR效应的激励下。利用有限元分析软件(COMSOL)计算在该结构下SPR双折射效应特性。其中相互垂直的偏振态X,Y的损失强度与对应的波长关系有：
αloss(dB/m)＝4π/λ·Im[neff] (1)
式中，λ为光波长；Im[neff]为在该模式下对应的有效折射率虚部。
C型光子晶体导光结构被证明是优秀的双折射源，尤其是在SPR效应的激励下。实际设计中，气孔阵列平面上的参数设计极大地影响了模式的激发形态和后续输出。内层的大尺寸通道孔的位置和大小均可以有效地改变纤芯处的光场分布和最终传输性能。如果内通道孔的直径与外层相同时，则优势无法被突出。此时基模的占比是不令人满意的。当孔径变大后，其在主纤芯范围的约束能力变强，同时抑制了其它高阶模式的激发。根据初步的分析结果，Dn值还会极大地改变双折射效应的激发强度对比。由于Dn间接影响了SPR的激发入射角度，所以两个特征信号的半高波宽(FWHM)也受到了影响。SPR原理虽然有明显的吸收峰，但是它的带宽较大。
中心点与内层通道孔圆心间距：Ly；中心点距离缺陷墙壁的距离Lx。这两参数主要表征结构在机械构造上的非对称性。通过调制他们的大小，波峰的位置和强度可以被自由地控制，这是不同程度的双折射效应激发所导致的。不同的膜厚(d0)不仅略微改变了共振波长的位置，同时还影响了传输带宽。综合前期理论计算的结论分析，需要得到一个优化的C型阵列参数来得到一个清晰的且有高质量传输性能的SPR光谱。
图3设计了一种两相的填充方式(n1＝1.333,n2＝n3＝n4＝n5＝1.417)。主缺陷处被填充了一种分析物，它对应在640nm处产生较深的损失峰。在内层通道孔中被填充了另一种折射率的分析物，它对应在760nm产生另一个损失峰。
图4给出一种三相填充的示例：(n1＝1.333,n2＝1.415,n3＝n4＝1.39,n5＝1.415)。传输光谱产生了三个清晰且分离的损失峰。这是一种新的激励叠加在了模式分裂的基础上。根据SPR传感的机制，不同的折射率介质会在不同的波长处激发共振效应。所以λ1和λ3作为Y偏振的主敏感区共同输出了两个特征峰。同时λ2仍然保持一个独立的输出峰。该结果说明内通道孔的填充实现了多个特征峰的关。
图5给出了多组分情况下(n1＝1.334,n2＝1.415,n3＝1.38,n4＝1.35,n5＝1.44)，理想的传输光谱输出了多个特征峰值。在原有的模式分裂基础上，标定的峰值与分析物有非常明显的对应关系：λ1,λ3和λ4在Y偏振下输出三个特征峰；λ2和λ5在x偏振下输出两个特征峰值。由于这些输出特征受到阵列一些设计参数的影响，故本方案将综合考虑其各类传感表现给出优化实施例。
实施例一(优选实施例)：
通过前期的计算优化指导，设计C型光子晶体阵列的重要参数：
内层大通道孔直径：Dn＝6μm；
内层大通道孔所处位置：Lx＝3μm；Ly＝8μm；
传感区表面Au膜厚度：d0＝30nm；
将设定参数导入计算模型进行分析。使用优化过后的分析物填充实例导入计算模型，得到SPR透射特征光谱。可以看到各个主要传感通道均有各自对应的清晰的特征峰值：(λ1＝576nm,λ2＝761nm,λ3＝633nm,λ4＝709nm,λ5＝823nm)。这是一个实现极为理想的实现多组分检测的窗口。
为客观评价输出光谱的响应性能，利用已建立的数据模型来对各个通道内的分析物进行标定实验以验证其特征峰值位移的特性。通过总结大量的数据结果，各个特征峰的输出特性均保持非常良好的线性关系。同时模型还计算了各个通道在折射率变化时的波形半高宽和每个波峰的平均损耗如表1所示。
表1 C型光子晶体阵列的SPR输出特性参数表
Figure BDA0002061307370000061
实际的测量要求更高的响应灵敏度以得到更高的检测精度。需要得到更窄的半高波宽和较低的传输损耗来保证信号传输的稳定性和特征值提取的精度问题。综合模型所取得的结果，本方案在该参数设计下将得到极为优秀的检测性能和潜力。
实施例二：
通过前期的计算优化指导，设计C型光子晶体阵列的重要参数：
内层大通道孔直径：Dn＝6μm；
内层大通道孔所处位置：Lx＝3μm；Ly＝8μm；
传感区表面Au膜厚度：d0＝50nm；
将设定参数导入计算模型进行分析。使用优化过后的分析物填充实例导入计算模型，得到SPR透射特征光谱。特征峰值的对比度较浅，各个主要传感通道均有对应的清晰的特征峰：(λ1＝525nm,λ2＝753nm,λ3＝645nm,λ4＝718nm,λ5＝854nm)。这是一个较为理想的实现多组分检测的窗口。
为客观评价输出光谱的响应性能，利用已建立的数据模型来对各个通道内的分析物进行标定实验以验证其特征峰值位移的特性。通过总结大量的数据结果，各个特征峰的输出特性均保持较为良好的线性关系。同时模型还计算了各个通道在折射率变化时的波形半高宽和每个波峰的平均损耗如表2所示。
表2 C型光子晶体阵列的SPR输出特性参数表
Figure BDA0002061307370000071
实际的测量要求更高的响应灵敏度以得到更高的检测精度。需要得到更窄的半高波宽和较低的传输损耗来保证信号传输的稳定性和特征值提取的精度问题。综合模型所取得的结果，本方案在该参数设计下将得到良好的检测性能和潜力。
实施例三：
通过前期的计算优化指导，设计C型光子晶体阵列的重要参数：
内层大通道孔直径：Dn＝4μm；
内层大通道孔所处位置：Lx＝3μm；Ly＝8μm；
传感区表面Au膜厚度：d0＝30nm；
将设定参数导入计算模型进行分析。使用优化过后的分析物填充实例导入计算模型，得到SPR透射特征光谱。各特征峰有一定发生混叠的危险，各个主要传感通道及各自对应的特征峰值：(λ1＝592nm,λ2＝734nm,λ3＝623nm,λ4＝715nm,λ5＝812nm)。这是一个较为理想的实现多组分检测的窗口。
为客观评价输出光谱的响应性能，利用已建立的数据模型来对各个通道内的分析物进行标定实验以验证其特征峰值位移的特性。通过总结大量的数据结果，各个特征峰的输出特性均保持良好的线性关系。同时模型还计算了各个通道在折射率变化时的波形半高宽和每个波峰的平均损耗如表3所示。
表3 C型光子晶体阵列的SPR输出特性参数表
Figure BDA0002061307370000081
实际的测量要求更高的响应灵敏度以得到更高的检测精度。需要得到更窄的半高波宽和较低的传输损耗来保证信号传输的稳定性和特征值提取的精度问题。综合模型所取得的结果，本方案在该参数设计下将得到良好的检测性能和潜力。
实施例四：
通过前期的计算优化指导，设计C型光子晶体阵列的重要参数：
内层大通道孔直径：Dn＝6μm；
内层大通道孔所处位置：Lx＝4μm；Ly＝6μm；
传感区表面Au膜厚度：d0＝30nm；
将设定参数导入计算模型进行分析。使用优化过后的分析物填充实例导入计算模型，得到SPR透射特征光谱。结构产生的双折射效应有减弱的趋势，各个主要传感通道均有各自对应的特征峰值：(λ1＝607nm,λ2＝705nm,λ3＝652nm,λ4＝685nm,λ5＝734nm)。各个特征峰之间压缩的较为紧密，这是一个较好的实现多组分检测的窗口。
为客观评价输出光谱的响应性能，利用已建立的数据模型来对各个通道内的分析物进行标定实验以验证其特征峰值位移的特性。通过总结大量的数据结果，各个特征峰的输出特性均保持一定的线性关系。同时模型还计算了各个通道在折射率变化时的波形半高宽和每个波峰的平均损耗如表4所示。
表4 C型光子晶体阵列的SPR输出特性参数表
Figure BDA0002061307370000091
实际的测量要求更高的响应灵敏度以得到更高的检测精度。需要得到更窄的半高波宽和较低的传输损耗来保证信号传输的稳定性和特征值提取的精度问题。综合模型所取得的结果，本方案在该参数设计下将得到良好的检测性能和潜力。

Claims (10)

1.一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述C型光子晶体平面阵列中，光纤截面上开设楔形缺陷(4)，作为一号通道孔(5)，楔形缺陷(4)的圆心角为θ＝60°，使得光纤截面呈圆心角为300°的扇形，扇形的中心区域为实心；中心区域外围均匀设置四个内层主传感通道孔(3)，内层主传感通道孔(3)直径尺寸一致，依次为二号通道孔(6)、三号通道孔(7)、四号通道孔(8)、五号通道孔(9)；内层主传感通道孔(3)的外周均匀设置外层空气孔(2)，外层空气孔(2)按规则等间距六边形排列，外层空气孔(2)的直径尺寸、间距均一致；外层空气孔(2)以外为外包层部分(1)，外包层部分(1)为实心部分；所述的内层主传感通道孔(3)、外层空气孔(2)与楔形缺陷(4)的表面镀有金属层(10)。
2.根据权利要求1所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述内层主传感通道孔(3)的直径Dn＝4～8μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述中心区域的横向宽度为2Lx，纵向长度为2Ly，其中，Lx＝2～4μm，Ly＝6～10μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述C型光子晶体平面阵列的基体材质为石英；光学有效折射率为n＝1.45；所述光纤截面的半径为R＝62.5μm；所述外层空气孔(2)的气孔直径Dy＝1.5μm，气孔之间的间距L0＝8μm。
5.根据权利要求3所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述C型光子晶体平面阵列的基体材质为石英；光学有效折射率为n＝1.45；所述光纤截面的半径为R＝62.5μm；所述外层空气孔(2)的气孔直径Dy＝1.5μm，气孔之间的间距L0＝8μm。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述金属层(10)的厚度为d0＝20nm～50nm。
7.根据权利要求3所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述金属层(10)的厚度为d0＝20nm～50nm。
8.根据权利要求4所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述金属层(10)的厚度为d0＝20nm～50nm。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述一号通道孔(5)、二号通道孔(6)、三号通道孔(7)、四号通道孔(8)、五号通道孔(9)中分析物的折射率要求依次为：n1＝1.33～1.34；n2＝1.40～1.42；n3＝1.35～1.37；n4＝1.38～1.40；n5＝1.43～1.44。
10.根据权利要求6所述的一种可测量多通道分析物的C型光子晶体平面阵列，其特征在于，所述一号通道孔(5)、二号通道孔(6)、三号通道孔(7)、四号通道孔(8)、五号通道孔(9)中分析物的折射率要求依次为：n1＝1.33～1.34；n2＝1.40～1.42；n3＝1.35～1.37；n4＝1.38～1.40；n5＝1.43～1.44。
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