CN110907399A - 光子晶体光纤结构与折射率传感器 - Google Patents

光子晶体光纤结构与折射率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光子晶体光纤结构与折射率传感器，本发明的光子晶体光纤结构由纤芯、包层空气孔和涂覆有金属膜的空气孔及填充有折射率敏感材料的空气孔构成，并以石英材料作为结构的背景材料；光纤的横截面结构由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成，中心空气孔缺失构成芯区；金属膜为金纳米膜，并涂覆于由内向外第二层空气孔形成的正六边形的一边上中间位置的空气孔内壁处；在与涂覆有金属膜的空气孔相邻的四个空气孔中填充有所述折射率敏感材料。本发明的光子晶体光纤结构利用等离子体和光纤模式的相位匹配条件对折射率极其敏感的特点，可使应用该光纤结构的传感器具有高线性度和高稳定性，可改善SPR‑PCF折射率传感器的灵敏度及测量范围。

Description

光子晶体光纤结构与折射率传感器
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一种光子晶体光纤结构，本发明同时也涉及有应用该光子晶体光纤结构的折射率传感器。
背景技术
随着科技的不断发展，基于表面等离子效应的光子晶体光纤已逐渐应用于光学传感探测领域，正成为一个新的研究热点。光纤传感器件以其抗电磁干扰、高灵敏度、易于级联复用等优势而可在医学制药、生物化工等领域的质量与安全监测工作中得到广泛的应用。
光子晶体光纤波导特性的控制及其结构的灵活性使得各种光子晶体光纤(PCF)及等离子体器件和结构具有很大的应用潜力。由于等离子体和光纤模式的相位匹配条件对折射率极其敏感，具有高线性度和高稳定性，因而它吸引了许多研究人员进行用于折射率传感器的SPR-PCF(表面等离子体共振光子晶体光纤)设计方面的探索。
对于表面等离子体共振光子晶体光纤，当纤芯模式和金属缺陷模式(即金属表面等离子体模式)之间发生相位匹配时可发生SPR(表面等离子体共振)，并且在该波长处会激发显著的损耗峰值。目前的PCF结构主要是填充金属线或涂层金属薄膜，以利用它们激发SPR，并且在实际应用中，研究人员发现银金属通常会带来更好的传感性能，但由于其化学稳定性差，通常在实际研发中人们会选择更稳定的金属金作为SPR材料。
经过多年的研究和开发，基于SPR-PCF的折射率传感器实现了从低灵敏度到高灵敏度的优化，以及从单功能到多功能，从复杂的结构和脆弱的不稳定性到紧凑的结构和便携的进化。辛辰等人提出了一种D型PCF折射率传感器，其SPR效应通过在开环通道上涂覆金膜来激发，可实现1.20-1.29的低折射率液体检测，平均灵敏度为11055nm/RIU，它使其在低折射率测量中具有很强的竞争力。吴铁生等人提出了一种新的D型SPR-PCF传感器，用于在PCF的抛光表面上沉积金膜和分析物，其在折射率为1.36时，最大光谱灵敏度可为21700nm/RIU，但其测量范围很小。
已有报道中的研究工作反映了SPR-PCF折射率传感器的许多突出优点，但它们同时也有着灵敏度差、测量范围小等缺点，从而限制了SPR-PCF折射率传感器的发展。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种光子晶体光纤结构，以可改善SPR-PCF折射率传感器灵敏度差、测量范围小的不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种光子晶体光纤结构，由纤芯、包层空气孔和涂覆有金属膜的空气孔及填充有折射率敏感材料的空气孔构成，并以石英材料作为结构的背景材料；光纤的横截面结构由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成，中心空气孔缺失构成所述纤芯所在的芯区；所述金属膜为金纳米膜，并涂覆于由内向外第二层空气孔形成的正六边形的一边上中间位置的空气孔内壁处；在与涂覆有金属膜的空气孔相邻的四个空气孔中填充有所述折射率敏感材料。
进一步的，正六边形排布的空气孔嵌套布置有三层，且晶格常数为2μm。
进一步的，最内层的空气孔形成的正六边形的每一边上有两个空气孔，第二层的空气孔形成的正六边形的每一边上有三个空气孔，最外层的空气孔形成的正六边形的每一边上有四个空气孔。
进一步的，涂覆有金属膜的空气孔的直径为0.35μm，其它各空气孔的直径为0.3μm。
进一步的，相邻空气孔的中心距为0.8μm。
进一步的，所述金属膜的厚度为20nm。
进一步的，所述金属膜通过化学气相沉积或银镜反应形成于相应空气孔的内壁处。
进一步的，所述折射率敏感材料为液晶或者乙醇中的一种。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明的光子晶体光纤结构可用于SPR-PCF折射率传感器，且本发明的光子晶体光纤结构利用其结构设计，可通过控制光子晶体光纤的波导特性和其结构的灵活性，以及通过在光子晶体光纤的空气孔中涂覆纳米级金膜而实现表面等离子效应，从而利用等离子体和光纤模式的相位匹配条件对折射率极其敏感的特点，可使应用该光纤结构的传感器具有高线性度和高稳定性，由此可很好的提升SPR-PCF折射率传感器的灵敏度及增加其测量范围。
本发明的另一目的在于提出一种折射率传感器，所述折射率传感器中应用有如上所述的光子晶体光纤结构。
进一步的，所述折射率传感器包括有如上所述的光子晶体光纤结构，以及光源、光纤光谱仪和耦合器。
本发明的折射率传感器通过应用上述的光子晶体光纤结构，可在1.350-1.460nm的宽量程折射率范围内实现0.9979和1931.03nm/RIU的高线性灵敏度，且具有极高的损耗，从而可实现宽量程折射率范围且高灵敏度的折射率测量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的光子晶体光纤结构的截面示意图；
图2为本发明实施例的折射率传感器中损耗峰值和有效折射率的变化关系示意图；
图3为本发明实施例的折射率传感器中光纤基模模场分布图；
图4、图5、图6、图7是本发明实施例的折射率传感器中不同折射率下基模损耗峰值与工作波长之间的关系示意图；
图8为本发明实施例的折射率传感器通过线性拟合后的分析物折射率和共振峰波长的关系示意图；
附图标记说明：
1-芯区，2-第一空气孔，3-第二空气孔，4-第三空气孔，5-金属膜，6-折射率敏感材料。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例首先涉及一种光子晶体光纤结构，整体设计上，如图1中所示，该光子晶体光纤结构由纤芯、包层空气孔和涂覆有金属膜5的空气孔及填充有折射率敏感材料6的空气孔构成，并以石英材料作为结构的背景材料。
其中，光纤的横截面结构由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成，中心空气孔缺失构成所述纤芯所在的芯区1，金属膜5具体为金纳米膜，并涂覆于由内向外第二层空气孔形成的正六边形的一边上中间位置的空气孔内壁处。此外，在与涂覆有金属膜的空气孔相邻的多个空气孔中填充有上述折射率敏感材料6。
本实施例具体来说，填充有折射率敏感材料6的空气孔数量为四个，且一般其分别分布在与涂覆金属膜5的空气孔位于同一层上，以及相较于涂覆金属膜5的空气孔位于靠外那一层上。而在光纤横截面结构上，正六边形排布的空气孔为嵌套布置有三层，且其晶格常数为2μm，此时作为一种优选的实施形式，仍参见图1所示的，最内层的空气孔形成的正六边形的每一边上为有两个空气孔，第二层的空气孔形成的正六边形的每一边上为有三个空气孔，而最外层的空气孔形成的正六边形的每一边上则有四个空气孔。
为便于对各空气孔进行描述，本实施例中将涂覆有金属膜的空气孔称为第二空气孔3，将填充有折射率敏感材料6的空气孔称为第三空气孔4，而其它的各空气孔则称之为第一空气孔2。各第一空气孔2构成了光线截面结构中的包层空气孔。
本实施例中作为该光纤截面结构的一种示例性形式，其中，内壁涂覆金属膜5的第二空气孔3的直径可为0.35μm，而包含各第一空气孔2与各第三空气孔4的其它各空气孔的直径则可为0.3μm。另外，还需指出的是，相邻空气孔之间的中心距r可为0.8μm，且进一步的涂覆于第二空气孔3内壁上的金属膜5的厚度可为20nm。
本实施例中，采用金纳米膜的上述金属膜5在形成时，可选择通过化学气相沉积或银镜反应形成于第二空气孔3的内壁处，以此可将孔内壁上的金属膜6合成为纳米级光滑金涂层。而填充于第三空气孔4中的折射率敏感材料则例如可采用液晶或乙醇。
本实施例的光子晶体光纤，其结构中的空气孔可以灵活的排布，可通过灵活的变换光纤结构实现光子晶体光纤特性的控制。而且在该光纤结构中，涂覆的金纳米膜作为产生表面等离子体共振的材料，金属表面上有大量自由移动的电子，这些电子具有固有的振动频率，当光纤基模的光子频率与自由电子的震荡频率相互匹配时，金属粒子将吸收光子的大部分能量，导致入射光强度大大衰减，由此产生表面等离子体共振现象，且此时可以获得损耗峰值所对应的波长。
与此同时，本实施例采用单个空气孔涂覆金属膜6形成金属通道的设计，也可有效地消除相邻通道之间的干扰，而能够改善光纤应用时的折射率测试范围。
本实施还涉及应用有如上光子晶体光纤结构的折射率传感器。该折射率传感器通过应用前述的光子晶体光纤结构，可实现基于纤芯模式和金属缺陷模式相位匹配的光子晶体基宽量程折射率传感器的设计。
本实施例的折射率传感器，其结构构成可参见现有基于光纤结构的折射率传感检测结构，且此时作为一种示例性结构，一般的所述的折射率传感器除了如上所述的光子晶体光纤结构，还包括有光源、光纤光谱仪以及耦合器。其中，耦合器用于实现光源、光纤光谱仪和光子晶体光纤结构之间的连接，光源用于输出工作光线，光纤光谱仪进行检测信号的处理以获得检测结果，对于光源、光纤光谱仪与耦合器的具体结构仍参见结构便可，在此不再赘述，而该折射率传感器也即是通过分析光子晶体光纤的损耗光谱来获得分析物、也即被检测流体的折射率。
下面将以应用有如上参数制备的光子晶体光纤的折射率传感器，来对本实施例的光子晶体光纤的优异性能进行说明，并且在光子晶体光纤制备中，折射率敏感材料具体为采用乙醇。
如图2所示，其为研究了损耗峰值和有效折射率的变化，由图2可以看出，在纤心模式与金属缺陷模式共振耦合时产生了损耗峰值，并且折射率曲线显示出显著的反向跳跃。
此外，通过分析金属缺陷模式和基模之间的纤芯模式，以确定光纤的耦合特性，其具体如图3所示，图3(a)-图3(l)显示了12种光纤基模的模场分布，此12种分别为1000nm、1100nm、1200nm、1240nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm、1700nm、1800nm、1900nm、2000nm处的光纤基模。其中相位的变化会导致电场分布发生变化，可以观察到当纤芯模式和金属缺陷模式之间满足相位匹配时，纤芯模式将与金属缺陷模式共振耦合，导致纤芯模场的大量能量传递以形成谐振耦合模式。
在图3(a)-图3(l)中，图3(d)为对应于损耗峰值，由于共振损失峰值对流体分析物的折射率具有高灵敏度，而随着分析物折射率的增加，损耗峰值会呈现规则的红移。因此，便可利用PCF的波导特性，以通过分析PCF损耗光谱来获得分析物的折射率，并据此进行折射率传感器的设计。
图4显示了SPR-PCF传感器在1.35至1.39的分析物折射率的基模损耗峰值与工作波长之间的关系。通过图4可以发现共振波长与分析物的折射率之间存在良好的线性关系。随着分析物折射率增加，共振波长会有规律地红移，使分析物折射率从1.39增加到1.42，其基模的损耗峰值与工作波长之间的关系如图5所示。此时，可以看出损耗峰值逐渐向长波长方向移动，同时亦可观察到在分析物折射率增加过程中损耗逐渐增加。而如图6所示的，上述现象在分析物折射率在1.42-1.46区间范围时也同样会发生。
将以上分析物折射率在1.35-1.46时基模的损耗峰值与工作波长之间的关系做出整合，整合后如图7所示，而通过线性拟合共振波长和分析物折射率，如图8所示的，传感器具有y＝1931.03x-1364.44，且线性拟合R2＝0.9979，同时，经统计传感器在1.35至1.46的宽测试范围内的平均灵敏度为1931.03nm/RIU。通过以上，可以确定本实施例的PCF在很宽的测量范围内对分析物有着良好的传感性能，并且亦能够发现PCF具有非常大的极限损耗值。
本实施例的光子晶体光纤结构应用于折射率传感器，可在1.350-1.460nm的宽量程折射率范围内实现0.9979和1931.03nm/RIU的高线性灵敏度，且有着极高的损耗，能够实现宽量程折射率范围且高灵敏度的折射率测量，而可获得很好的应用效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光子晶体光纤结构，其特征在于：由纤芯、包层空气孔和涂覆有金属膜的空气孔及填充有折射率敏感材料的空气孔构成，并以石英材料作为结构的背景材料；光纤的横截面结构由空气孔的正六边形阵列晶格分布形成，中心空气孔缺失构成所述纤芯所在的芯区；所述金属膜为金纳米膜，并涂覆于由内向外第二层空气孔形成的正六边形的一边上中间位置的空气孔内壁处；在与涂覆有金属膜的空气孔相邻的四个空气孔中填充有所述折射率敏感材料。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤结构，其特征在于：正六边形排布的空气孔嵌套布置有三层，且晶格常数为2μm。
3.根据权利要求2所述的光子晶体光纤结构，其特征在于：最内层的空气孔形成的正六边形的每一边上有两个空气孔，第二层的空气孔形成的正六边形的每一边上有三个空气孔，最外层的空气孔形成的正六边形的每一边上有四个空气孔。
4.根据权利要求2所述的光子晶体光纤结构，其特征在于：涂覆有金属膜的空气孔的直径为0.35μm，其它各空气孔的直径为0.3μm。
5.根据权利要求4所述的光子晶体光纤结构，其特征在于：相邻空气孔的中心距为0.8μm。
6.根据权利要求4所述的光子晶体光纤结构，其特征在于：所述金属膜的厚度为20nm。
7.根据权利要求1所述的光子晶体光纤结构，其特征在于：所述金属膜通过化学气相沉积或银镜反应形成于相应空气孔的内壁处。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光子晶体光纤结构，其特征在于：所述折射率敏感材料为液晶或乙醇中的一种。
9.一种折射率传感器，其特征在于：所述折射率传感器中应用有如权利要求1至8中任一项所述的光子晶体光纤结构。
10.根据权利要求9所述的折射率传感器，其特征在于：所述折射率传感器包括有如权利要求1至8中任一项所述的光子晶体光纤结构，以及光源、光纤光谱仪和耦合器。
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