CN111538124A - 一种集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器 - Google Patents

一种集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器 Download PDF

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CN111538124A CN202010418838.8A CN202010418838A CN111538124A CN 111538124 A CN111538124 A CN 111538124A CN 202010418838 A CN202010418838 A CN 202010418838A CN 111538124 A CN111538124 A CN 111538124A
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Abstract

一种集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，所述偏孔微结构光纤的偏孔内壁由掺锗高折射率环构成，在偏孔光纤外表面集成有一层偶氮苯薄膜，能够分别在偶氮苯薄膜和偏孔光纤掺锗高折射率环内同时获得回音壁模式。当偶氮苯薄膜内回音壁模式的品质因数比偏孔光纤掺锗高折射率环内回音壁模式品质因数低一个数量级以上，且满足相位匹配条件时将发生Fano共振现象，得到Fano共振光谱。该装置可应用于可调谐光学滤波、可调谐折射率传感、光强探测等领域。本发明具有传感灵敏度高、波长调谐范围广、折射率传感范围大、调谐手段简便易行、调谐线性度高等优点。

Description

一种集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振 滤波器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，通过对内部填充液态材料的偏孔内壁掺锗形成高折射率环并在偏孔光纤外表面集成偶氮苯材料薄膜构成一种光控可调谐Fano共振滤波器。
背景技术
Fano共振是一种由干涉效应产生的非对称谱线形状的共振散射现象。在经典光学领域，Fano共振的非对称谱线来源于两个散射振幅之间的干涉，这两个散射振幅分别来源于连续态的散射(背景散射)以及离散态的激发(共振过程)。当共振态能量处于连续态能量范围内时会发生Fano共振现象。背景散射能量通常缓慢变化，而共振散射能量则会在振幅和相位方面迅速变化，因此导致Fano共振非对称分布的形成。
近年来光学Fano谐振效应的产生及其应用引起了各类研究与应用领域的广泛关注。通过对人工电磁超材料的结构设计可以实现Fano共振现象，如2015年大连理工大学的曹暾等人提出了一种增强Fano共振和可调谐现象的多层对称超材料，并申请了相关国家发明专利(一种可以产生Fano共振增强和可调谐现象的多层对称超材料，专利号：ZL103259098.B，授权公开日：2015年7月29日)。该专利方案通过数值仿真设计了一种基于多层超材料的Fano谐振单元阵列结构，该多层超材料包含复合材料层，且谐振单元的孔径在20nm～1000nm之间，其结构加工的难度大，加工成本高。同时由于该多层对称超材料结构只能通过谐振单元周期长度的改变来实现Fano共振的调谐，造成此结构不能应用于折射率传感，且难以实现对Fano共振峰的调谐；此外，2017年国防科技大学的张检发、朱志宏、袁晓东等人提出了一种基于纳米结构的Fano共振传感器，并申请了相关国家发明专利(一种基于纳米结构Fano共振特性的传感器，专利公开号：ZL104374745.B，授权公开日：2017年7月14日)。该专利方案通过数值仿真设计了一种纳米条阵列结构的Fano共振传感器，但是其结构复杂，并且不同纳米条具有各异的几何参数，该纳米结构加工难度大、结构加工成本高、制备工艺困难；当利用该纳米结构进行传感时，传感样品需要暴露在外界环境中，因此容易受到污染，限制了其实际应用。
得益于回音壁模式微腔的高品质因数，近年来一些学者提出了基于回音壁模式微腔 Fano共振器件方案。通过两个回音壁模式微腔的直接或间接耦合，当两回音壁微腔内的品质因数相差一个数量级以上且满足相位匹配条件时，将发生回音壁模式之间的干涉并产生Fano共振现象。如文献Y.Xiao et al,“Coupling whispering-gallery-modemicrocavities with modal coupling mechanism”,IEEE Journal of QuantumElectronics,2008,44:1065-1070.设计了一种基于双回音壁微腔间接耦合的类Fano共振电磁诱导透明结构，但其集成化程度较低，而且难以实现对谐振波长的实时调谐；而文献H.Fan et al,“Tunable Fano-like resonance analysis based on a systemconsisting of a two-silica-microdisk coupled Mach–Zehnder interferometer andgraphene”,Journal ofthe Optical Society ofAmerica B,2017, 34:2429-2435.则提出了一种双回音壁模式微腔分别和马赫-曾德尔干涉仪两臂耦合的结构，以产生Fano共振现象，理论仿真结果表明基于石墨烯的电光效应可以实现对Fano共振的波长的调谐。由于利用两个分立的回音壁模式微腔和马赫-曾德干涉仪，该结构的集成化程度低，工作波长调谐范围受限，调谐手段复杂，且难以应用于对生物样品的传感探测，以上问题都极大地限制了Fano共振滤波器的实际应用。
发明内容
本发明的目的为解决目前Fano共振滤波器普遍存在的加工难度大、制作成本高、集成化程度低、谐振波长调谐手段复杂、传感范围受限等问题，提供一种集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器。
本发明的技术方案
集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，所述偏孔微结构光纤的偏孔内壁由掺锗高折射率环构成，在偏孔微结构光纤外表面集成有一层偶氮苯薄膜，能够分别在偶氮苯薄膜和偏孔微结构光纤掺锗高折射率环内同时获得回音壁模式；当偶氮苯薄膜内回音壁模式的品质因数比偏孔光纤掺锗高折射率环内回音壁模式品质因数低一个数量级以上，且满足相位匹配条件：
Figure BDA0002496140250000021
k为整数，
Figure BDA0002496140250000022
和
Figure BDA0002496140250000023
分别为偶氮苯薄膜和偏孔光纤掺锗高折射率环内回音壁模式光场的相位，将产生Fano共振，得到Fano共振透射光谱。
该滤波器Fano谐振波长的样品折射率敏感范围在1.34附近，可应用于对液态生物样品的折射率传感。当偏孔内填充液态样品的折射率变化时，Fano共振峰会发生相应的漂移，据此能够实现基于样品折射率调谐的可调谐光学滤波，可应用于对样品折射率的传感。当532nm波长光照功率密度变化时，偶氮苯薄膜内回音壁模式的谐振波长发生相应漂移，进而导致折射率传感的范围的改变，而Fano共振的波长位置并不受影响，利用这一机制可实现大动态范围内的折射率传感和可调谐光学滤波。
本发明偏孔微结构光纤所使用的光纤基底材料为纯石英，在1550nm处的折射率为1.444，偏孔微结构光纤截面半径为62.5μm，光纤外壁集成有厚度为1.4μm、折射率为1.49的偶氮苯薄膜，偏孔形状为圆形，偏孔内壁由折射率为1.468的石英掺锗高折射率环构成，掺锗高折射率环的内外半径分别为30μm和32μm，偏孔中心距离偏孔微结构光纤截面中心30.5μm。
偶氮苯材料的光致异构原理：
本发明中的偏孔微结构光纤外表面集成的偶氮苯薄膜利用了偶氮苯材料的光致异构特性，其基本工作原理如下：偶氮苯分子基本结构为氮氮双键(-N＝N-)连接的苯环，存在顺式(cis)和反式(trans)两种结构的异构体，其中反式结构在通常情况下为稳定结构。在532nm波长光的照射下，氮氮双键会发生旋转，导致偶氮苯分子由反式结构转变为顺式结构，即发生所谓的光致异构化过程。当偶氮苯分子从反式结构变为顺式异构体时，伴随着偶氮苯材料折射率的降低。在通常情况下，以上两种异构体在偶氮苯材料中同时存在，而多数偶氮苯分子处于反式结构，因此宏观表现为偶氮材料折射率对532nm波长光强的敏感特性。
Figure 1
本发明中的偏孔微结构光纤外表面集成的偶氮苯薄膜为乙基橙和聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)的混合物，其中乙基橙和聚乙烯醇的质量比为2％。当利用532nm波长的光照射集成于该偏孔微结构光纤外表面的偶氮苯薄膜时，偶氮苯分子会发生反式-顺式异构化过程，偶氮苯薄膜的折射率会随之改变。
Fano共振的产生和调谐原理：
本发明提出的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器能够在偶氮苯薄膜和掺锗高折射率环内同时形成回音壁模式，其回音壁模式的径向分布为：
Figure BDA0002496140250000032
其中Jm,Nm和Hm 1分别是第m阶的贝塞尔函数，诺依曼函数和第一类的汉克尔函数，Am,Bm，Cm和Dm均为常数，k0为自由空间中的波数。
对于偶氮苯薄膜内的回音壁模式而言，R1和R2分别是偶氮苯薄膜的内外半径，n1、n2和n3分别为纯石英、偶氮苯薄膜和空气的折射率，这里n1＝1.444(1550nm波长处)， n2＝1.49(光照强度为0)，n3＝1。由(1)式可以得知，当532nm波长光照改变偶氮苯薄膜折射率时，偶氮苯薄膜内回音壁模式谐振波长将会发生相应漂移。
对于掺锗高折射率环内的回音壁模式而言，R1和R2分别是掺锗高折射率环的内外半径， n1、n2和n3分别为液态样品、掺锗石英和纯石英的折射率，n1约为1.34附近，n2＝1.468， n3＝1.444(1550nm波长处)。由(1)式可以得知，当液态样品折射率改变时，掺锗高折射率环内回音壁模式的谐振波长会发生相应漂移。
回音壁模式光场的振幅透过率为
Figure BDA0002496140250000041
其中tw和t分别是波导模式和回音壁模式的自耦合系数；κ为波导模式和回音壁模式间的耦合系数。当忽略耦合过程中的损耗时，|tw|＝|t|且|κ|2+|t|2＝1。α和
Figure BDA0002496140250000042
分别为回音壁模式循环一周的光场振幅透过率和相位，
Figure BDA0002496140250000043
其中L是回音壁模式空间圆对称分布的圆周周长，λ为真空中的光波长，neff和Reff分别为回音壁模式的有效折射率和有效半径。
当偶氮苯薄膜内回音壁模式的品质因数比掺锗高折射率环内回音壁模式的品质因数低一个数量级以上，且满足相位匹配条件
Figure BDA0002496140250000044
(
Figure BDA0002496140250000045
和
Figure BDA0002496140250000046
分别为偶氮苯薄膜内回音壁模式和掺锗高折射率环内回音壁模式的光场相位)时，偶氮苯薄膜内回音壁模式将与掺锗高折射率环内回音壁模式发生干涉，产生Fano共振，其光场振幅透过率为
Figure BDA0002496140250000047
其中tw和t分别是波导模式和偶氮苯薄膜内回音壁模式的自耦合系数，κ为波导模式和偶氮苯薄膜内回音壁模式间的耦合系数。α1和α2分别是掺锗高折射率环内的回音壁模式和偶氮苯薄膜内回音壁模式循环一周的光场振幅透过率，
Figure BDA0002496140250000048
和
Figure BDA0002496140250000049
分别是掺锗高折射率环内的回音壁模式和偶氮苯薄膜内回音壁模式循环一周的光场相位，t1为掺锗高折射率环内的回音壁模式光场振幅透过率，由(2)式可以得到。
Fano共振的光强透过率为
Tout＝|tout|2 (4)
由于偶氮苯薄膜内回音壁模式的品质因数比掺锗高折射率环内回音壁模式的品质因数低一个数量级以上，Fano共振峰的波长取决于掺锗高折射率环内回音壁模式波长，当液态样品折射率改变引起掺锗高折射率环内回音壁模式的谐振波长发生漂移时，Fano共振波长也会随之发生相应移动。而偶氮苯薄膜内的回音壁模式主要决定了Fano共振的波长范围，当532nm波长光照改变偶氮苯薄膜折射率时，偶氮苯薄膜内回音壁模式波长将会发生漂移，进而导致Fano共振的波长范围发生变化，据此能够实现多个波段范围内的 Fano共振。
本发明的优点和有益效果：
根据以上理论的优化设计结果表明当532nm波长光功率密度为0时，在1554.14nm附近可以得到Fano共振峰，当样品折射率发生变化时，Fano共振波长会发生相应漂移，因此基于波长解调可以实现对样品折射率的传感。当改变532nm波长光功率密度时，样品折射率传感的波长解调信号工作范围将发生整体漂移，据此可实现大动态范围的折射率传感。该滤波器的集成度高、调谐手段简便，折射率传感灵敏度可达38.69nm/RIU，且波长调谐线性度高，通过光控可实现多个动态范围的可调谐折射率传感，且波长调谐范围大。此外，基于532nm波长的光照功率密度调节和样品折射率调谐可实现高精度可调谐光学滤波，并且基于该器件回音壁模式谐振波长的窄线宽特性还可实现对532nm波长光功率密度的精密测量。
附图说明
图1为本发明提出的偏孔微结构光纤截面结构示意图，光纤截面半径为62.5μm，最外侧的黑色圆环为偶氮苯薄膜，其厚度为1.4μm。内侧的黑色圆环为掺锗石英高折射率环，其内外半径分别为30μm和32μm，在其内填充液态样品。
图2为在532nm波长光功率密度为0、样品折射率为1.344时的Fano共振透射光谱图。
图3为在532nm波长光功率密度为0、样品折射率分别为1.344、1.346、1.348、1.350、 1.352、1.354时的Fano共振透射光谱图。
图4为在532nm波长光功率密度为0时Fano共振峰波长随样品折射率的变化曲线。
图5为填充样品折射率为1.344的情况下，532nm波长光功率密度分别为0和5 mW/mm2时的Fano共振透射光谱图。
图6为在532nm波长光功率密度分别为0和5mW/mm2时，Fano共振波长随样品折射率的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明提供的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，通过对偏孔微结构光纤的偏孔内壁掺锗形成高折射率环并在偏孔光纤外表面集成厚度为1.4μm的偶氮苯薄膜构成双回音壁模式微腔耦合结构，在偶氮苯薄膜内和偏孔掺锗高折射率环内同时产生回音壁模式。当偶氮苯薄膜内回音壁模式品质因数比偏孔掺锗高折射率环内回音壁模式的品质因数的低一个数量级以上，且满足相位匹配条件时将产生Fano共振现象。当偏孔内液态样品折射率发生变化时，Fano共振波长会发生相应漂移，据此可以实现基于Fano共振波长解调的样品折射率的传感，并且可以通过改变在532nm波长的光功率密度，实现多个动态范围的可调谐折射率传感，该器件并具有传感灵敏度高、波长调谐范围广、折射率传感范围大、调谐手段简便易行、波长调谐线性度高的特点。
本发明所使用的光纤基底材料为纯石英，其在1550nm处的折射率为1.444，光纤截面半径为62.5μm，偏孔微结构光纤外表面集成有厚度为1.4μm、折射率为1.49的偶氮苯薄膜，偏孔形状为圆形，其内壁由折射率为1.468的石英掺锗高折射率环构成，高折射率环的内外半径分别为30μm和32μm，偏孔中心距偏孔微结构光纤截面中心30.5μm。
图1为本发明提出的偏孔微结构光纤截面结构示意图，光纤截面半径为62.5μm，最外侧的黑色圆环为偶氮苯薄膜，其厚度为1.4μm。内侧偏孔的黑色圆环为掺锗石英高折射率环，其内外半径分别为30μm和32μm，在偏孔内填充有液态样品，偏孔中心距偏孔微结构光纤截面中心30.5μm。
图2为计算得到的在532nm波长光功率密度为0、样品折射率为1.344时的Fano共振透射光谱图。可以发现由于偶氮苯薄膜和偏孔掺锗高折射率环内壁中回音壁模式间的干涉，在波长1553.91nm处出现了显著的Fano共振峰。
图3为在532nm波长光功率密度为0、样品折射率分别为1.344、1.346、1.348、1.350、 1.352、1.354时的Fano谐振透射光谱图。可以发现偏孔内填充液态样品折射率的改变引起偏孔内壁高折射率环内回音壁模式的有效折射率的逐渐增加，从而导致Fano共振峰随样品折射率的增加向长波方向移动。
图4为在532nm波长光功率密度为0时Fano共振峰波长随样品折射率的变化曲线，可以看到Fano共振波长对样品的折射率变化表现出很好的线性响应，其折射率传感灵敏度达到38.69nm/RIU，线性拟合度达到0.9995。利用回音壁模式谐振峰的窄线宽特性，还可实现高精度可调谐光学滤波。
图5为在填充样品折射率为1.344情况下，在532nm波长光功率密度为0和5mW/mm2时的Fano共振透射光谱图。可以看到随532nm波长光功率密度增大，偶氮苯材料的折射率逐渐减小，导致偶氮苯薄膜内回音壁模式谐振峰发生蓝移，因此折射率传感的Fano共振波长范围整体发生相应的蓝移，从而保证在多个动态范围内均可实现折射率传感。
图6为在532nm波长光功率密度分别为0和5mW/mm2时，Fano共振波长随样品折射率的变化曲线。可以看到，当光照功率密度为0时，单个Fano共振峰的可调谐波长范围为1553.64～1554.64nm，折射率传感灵敏度为38.69nm/RIU，线性拟合度达到0.9995，样品的折射率范围为1.336-1.362。当532nm光功率密度为5mW/mm2时，单个Fano共振峰的可调谐波长范围为1552.95～1553.95nm，折射率传感灵敏度为31.648nm/RIU，线性拟合度达到0.9987，样品的折射率传感范围为1.312-1.344。
而总体上讲，同532nm波长光功率密度为0时相比，通过将532nm波长光功率密度从0增加到5mW/mm2，单个Fano共振峰波长调谐范围可以从1553.64～1554.64nm增加到1552.95～1553.95nm，即增加了69％，而样品折射率传感范围从1.336～1.362增加到1.312～1.362，即增加了92.3％，因此本发明提出的可调谐滤波器设计能够通过光控的方式极大地拓展波长可调谐滤波和样品折射率的动态传感范围。
以上结果表明本发明提出的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器具有高折射率传感灵敏度和波长调谐线性度，通过532nm波长光控还可以实现多个动态范围内的可调谐折射率传感，拓展滤波器的波长调谐范围。此外基于对合适波长光照的功率密度和样品折射率的调节，能够实现高精度可调谐光学滤波，同时基于回音壁模式的窄线宽特性，还可实现对532nm波长光功率密度的精密测量。

Claims (7)

1.一种集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，其特征在于偏孔微结构光纤的偏孔内壁由掺锗高折射率环构成，在偏孔微结构光纤外表面集成有一层偶氮苯薄膜，能够分别在偶氮苯薄膜和偏孔微结构光纤掺锗高折射率环内同时获得回音壁模式；当偶氮苯薄膜内回音壁模式的品质因数比偏孔光纤掺锗高折射率环内回音壁模式品质因数低一个数量级以上，且满足相位匹配条件：
Figure FDA0002496140240000011
k为整数，
Figure FDA0002496140240000012
和
Figure FDA0002496140240000013
分别为偶氮苯薄膜和偏孔光纤掺锗高折射率环内回音壁模式光场的相位，将产生Fano共振，得到Fano共振透射光谱。
2.根据权利要求1所述的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，其特征在于偏孔微结构光纤所使用的光纤基底材料为纯石英，在1550nm处折射率为1.444，偏孔微结构光纤截面半径为62.5μm，光纤外表面集成有厚度为1.4μm、折射率为1.49的偶氮苯薄膜，偶氮苯材料为乙基橙(Ethyl Orange,EO)，偏孔形状为圆形，偏孔内壁由折射率为1.468的掺锗高折射率环构成，高折射率环的内径和外径分别为30μm和32μm，偏孔中心距偏孔光纤截面中心30.5μm。
3.根据权利要求1所述的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，其特征在于当偏孔内样品折射率发生改变时，Fano共振峰会发生相应漂移，据此能够实现基于样品折射率的可调谐光学滤波，同时还能够应用于对样品折射率的传感。
4.根据权利要求1所述的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，其特征在于在不同功率密度的532nm波长光照射下，能够实现多个波段范围内的Fano共振，能够应用于具有大动态波长调谐范围的可调谐折射率传感和可调谐光学滤波。
5.根据权利要求1所述的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，其特征在于所述可调谐Fano共振滤波器透射光谱中出现的Fano共振峰是偶氮苯薄膜内回音壁模式和偏孔掺杂环内回音壁模式之间干涉的结果，且对于不同样品折射率和不同532nm波长光功率密度具有多个Fano共振动态波长调谐范围，因此基于波长解调能够实现基于样品折射率和532nm波长光功率密度控制的高精度光学滤波以及对样品折射率的大动态测量范围传感。
6.根据权利要求1所述的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，其特征在于该滤波器Fano谐振波长的样品折射率敏感范围在1.34附近，可应用于对液态生物样品的折射率传感。
7.根据权利要求1所述的集成偶氮苯材料的偏孔微结构光纤光控可调谐Fano共振滤波器，其特征在于该滤波器可用于对532nm波长光功率密度的精密测量。
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