CN111929763A - 一种基于表面等离子体准d型光子晶体光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体准D型光子晶体光纤传感器，属于光纤传感器领域。本发明传感器通过在纤芯两侧引入椭圆空气孔增强了双折射效应，改进了传感器的性能；使用ITO薄膜使得传感器的工作波长拓展到了近红外光波段；通过引入石墨烯层增加了传感器对生物分析的吸附能力，使得传感器在生物传感领域能够应用。本发明的传感器可探测折射率范围、灵敏度和分辨率优于现有传感器，而且由于采用了准D型结构，传感器的韧度相较于传统的D型传感器要大很多，具备商业化应用的潜力。

Description

一种基于表面等离子体准D型光子晶体光纤传感器
技术领域
本发明属于光纤传感器领域，具体涉及用于低折射率传感的表面等离子体光子晶体光纤传感器，能够对液体的分析物或者生物分子进行高精确度的传感。
背景技术
在过去十几年中，随着光子晶体光纤拉制技术的不断发展和成熟，基于光子晶体光纤的各类传感器得到了蓬勃的发展。表面等离子体光子晶体光纤传感器以其结构设计灵活多变、传感灵敏度高、尺寸紧凑、适用面广等优点成为了目前的研究热点。
随着表面等离子体光子晶体光纤传感器的不断发展，获得可检测折射率范围大、灵敏度高、分辨率高、可商品化的传感器成为了设计的目标。传统的传感器大多数都采用金或者银作为等离子体材料，但是他们的工作波长范围都在可见光区域(460nm—760nm)，这限制了它们作为一款传感器的适用范围。而且金作为一种昂贵的金属，增加了传感器的制造成本；银的化学性质极不稳定，容易和外界物质发生化学反应，这容易导致传感器的性能随着使用时间的推移而下降。2018年童凯等人提出了一款基于银-石墨烯复合薄膜的传感器(Kai Tong,Meiting Wang,Peng Dang,Yunxuan Wang,Jiaru Sun,D-Shaped photoniccrystal fiber biosensor based on silver-graphene,Optik,168(2018)467-474)，其分辨率为2×10-5RIU，灵敏度为4850nm/RIU，工作波长为560nm—640nm。但是该传感器因为选择银作为传感材料和结构设计的原因，具有工作波长只能在可见光区域、灵敏度也不高的缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提出了一种基于石墨烯和ITO(Indium tinoxide，氧化铟锡)薄膜的表面等离子体光子晶体光纤传感器。本发明传感器通过引入椭圆空气孔增强了双折射效应，改进了传感器的性能；使用ITO薄膜使得传感器的工作波长拓展到了近红外光波段；通过引入石墨烯层增加了传感器对生物分析的吸附能力，使得传感器在生物传感领域能够应用。
本发明采用的技术方案是：
一种基于表面等离子体准D型光子晶体光纤传感器，包括纤芯、包覆于纤芯外部的包层、ITO薄膜层、石墨烯层。
所述包层具有一圆弧曲面和一抛光平面，包层内沿纤芯轴向设置有若干空气孔。
所述空气孔包括两个对称设置于纤芯左右两侧的椭圆空气孔、以及呈正三角阵列排布的若干圆空气孔，其中圆空气孔包括五个大圆空气孔和若干小圆空气孔，且大圆空气孔的圆心和纤芯的圆心连线为正三角形。
所述ITO薄膜层设置于包层的抛光平面上，所述ITO薄膜层上设置有一层石墨烯层。
进一步地，所述纤芯和包层的材料为折射率n＝1.45的石英。
进一步地，所述包层圆弧曲面的半径为r0＝6.7μm。
进一步地，所述两个椭圆空气孔的圆心与纤芯的圆心位于同一直线上，两个椭圆空气孔的圆心距为3.5μm，椭圆空气孔的短轴平行于包层的抛光平面，短轴长dx＝0.6μm，长轴长dy＝1.5μm。
进一步地，所述圆空气孔之间的圆心距为晶格常数Λ＝1.75μm，大圆空气孔的半径为0.8μm，小圆空气孔的半径为0.6μm。
进一步地，所述纤芯的中心与包层的抛光平面距离为D1＝4.6μm。
进一步地，纤芯的中心与圆弧曲面的圆心距离为D2＝1.75μm。
本发明通过在纤芯两侧引入椭圆空气孔，破坏了结构的对称性，使得基模的y偏振模式(y_pol)显著大于x偏振模式(x_pol)，其双折射效应得到了极大的增强。双折射效应的增强使得y方向上的约束损耗进一步的增加，从而传感器的性能得到了进一步的加强。同时，本发明采用ITO薄膜作为传感材料，使得传感器的工作波长处在近红外区域，加强了传感器的适用性和商品化潜力。在ITO薄膜上加了一层石墨烯层，增加了传感器对于生物分子的亲附性，使得这款传感器由作为生物传感器的潜质，可用在环境监测、食品安全等领域。
本发明的传感器可探测折射率范围、灵敏度和分辨率优于现有传感器，而且由于采用了准D型结构，传感器的韧度相较于传统的D型传感器要大很多，具备商业化应用的潜力。采用ITO薄膜作为传感材料，也使得工作波长拓展到了近红外波段，进一步加强了其适用性，且ITO材料相比于其他贵金属材料要便宜很多，进一步降低了传感器的制造成本。
附图说明
图1是本发明实施例的横截面示意图。
图2是本发明实施例中的y_pol基模的模场分布图。
图3是本发明实施例中的x_pol基模的模场分布图。
图4是本发明实施例中的SPP模式的模场分布图。
图5是本发明实施例中的相位匹配点处的y_pol基模的模场分布图。
图6是本发明实施例中当分析物的折射率由1.31到1.32变化时的损耗图。
附图标号说明：1是石墨烯层；2是ITO薄膜层；3是椭圆空气孔；4是大圆空气孔；5是小圆空气孔；6是纤芯；7是包层。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
参照图1，一种基于表面等离子体准D型光子晶体光纤传感器。作为载体的光子晶体光纤的横截面包括纤芯和包层。纤芯和包层由折射率n＝1.45的石英材料构成，包层具有一圆弧曲面和一抛光平面，包层的圆弧曲面的半径为r0＝6.7μm，纤芯的中心与包层的抛光平面距离为D1＝4.6μm，纤芯的中心与圆弧曲面的圆心距离为D2＝1.75μm。包层内设置有沿着光纤轴线平行排列的空气孔；空气孔包括2个椭圆空气孔、5个大圆空气孔、以及14个小圆空气孔。如图所示：椭圆空气孔对称设置于纤芯两侧，其短轴长dx＝0.6μm，长轴长dy＝1.5μm，大圆空气孔和小圆空气孔呈正三角形阵列排布，即相邻的三个圆空气孔的圆心连线构成一个正三角形，其中圆心距的间隔是Λ—晶格常数，Λ＝1.75μm，大圆空气孔的直径为d2＝1.6μm，小圆空气孔的半径为d1＝1.2μm。所述ITO薄膜层设置于包层的抛光平面上，厚度为45nm，所述ITO薄膜层上设置有一层石墨烯层，厚度为0.34nm。
为了增强双折射效应，在纤芯的两侧引入了两个椭圆空气孔，与包层的抛光平面垂直的y方向上的双折射效应得到了增强。
本发明传感器的设计和性能的分析是基于光波导理论、等效折射率理论、Sellmeier公式和有限元法。在使用有限元法的同时，结合完美匹配层条件和散射边界条件，求解麦克斯韦矢量方程，会得到某个模式的传播常数，通过得到的传播常数，可以得到相应模式的有效折射率，从而可以计算出相应模式的约束损耗，进而通过谐振波长的漂移量来计算传感器的灵敏度和分辨率。利用Comsol Multiphysics有限元分析软件对设计的模型进行了数值计算和结构优化。
图2是利用Comsol Multiphysics有限元分析软件绘制的此实施例中y_pol基模的模场分布图。图3是x_pol基模的模场分布图。由于y方向的约束损耗远大于x方向的约束损耗，所以我们在计算中采用的是y_pol基模模场的相应数值。
图4是表面等离子体模式的模场分布图，由入射光激发等离子体材料内的电子发生集体震荡，形成电子云，其实质是电磁波。这种模式对外界物质折射率的变化极为敏感，这也是等离子体材料能够做为传感材料的理论基础。
如图5所示，当相位匹配的条件达到时，入射光的能量由基模转移到等离子体模，此时基模有效折射率的虚部值达到最大，即约束损耗达到最大，此点所对应的波长即为谐振波长。
如图6所示，当分析物折射率从1.31到1.32变化时，基模的约束损耗值的改变情况。当入射光的波长λ＝1.748μm时，约束损耗为1004dB/cm；当λ＝1.868μm时，约束损耗为672dB/cm。据此可以计算出传感器的灵敏度和分辨率等性能指标，本实施例传感器的最高灵敏度为12000nm/RIU，最大分辨率为8.33×10-6RIU。

Claims (7)

1.一种基于光子晶体光纤的表面等离子体传感器，包括纤芯、包覆于纤芯外部的包层、ITO薄膜层、石墨烯层；
所述包层具有一圆弧曲面和一抛光平面，包层内沿纤芯轴向设置有若干空气孔；
所述空气孔包括两个对称设置于纤芯左右两侧的椭圆空气孔、以及呈正三角阵列排布的若干圆空气孔，其中圆空气孔包括五个大圆空气孔和若干小圆空气孔，且大圆空气孔的圆心和纤芯的圆心连线为正三角形；
所述ITO薄膜层设置于包层的抛光平面上，所述ITO薄膜层上设置有一层石墨烯层。
2.如权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的表面等离子体传感器，其特征在于，所述两个椭圆空气孔的圆心与纤芯的圆心位于同一直线上，两个椭圆空气孔的圆心距为3.5μm，椭圆空气孔的短轴平行于包层的抛光平面，短轴长dx＝0.6μm，长轴长dy＝1.5μm。
3.如权利要求1或2所述的一种基于光子晶体光纤的表面等离子体传感器，其特征在于，所述圆空气孔之间的圆心距为晶格常数Λ＝1.75μm，大圆空气孔的半径为0.8μm，小圆空气孔的半径为0.6μm。
4.如权利要求1或2所述的一种基于光子晶体光纤的表面等离子体传感器，其特征在于，所述包层圆弧曲面的半径为r0＝6.7μm。
5.如权利要求1或2所述的一种基于光子晶体光纤的表面等离子体传感器，其特征在于，所述纤芯的中心与包层的抛光平面距离为D1＝4.6μm。
6.如权利要求1或2所述的一种基于光子晶体光纤的表面等离子体传感器，其特征在于，所述纤芯的中心与圆弧曲面的圆心距离为D2＝1.75μm。
7.如权利要求1或2所述的一种基于光子晶体光纤的表面等离子体传感器，其特征在于，所述纤芯和包层的材料为折射率n＝1.45的石英。
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