CN113720493A - 基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法，该基于光纤端面微纳谐振结构的传感器包括光纤、第一金属层、介质层和第二金属层，所述光纤端面上依次层叠设置所述第一金属层、介质层和第二金属层，所述第一金属层具有微纳阵列结构，且所述第一金属层、介质层和第二金属层形成光学谐振腔结构。本发明通过金属‑介质‑金属的三明治结构实现了微纳集成，显著缩小了光学传感器的尺寸，同时通过所形成的谐振腔结构提高了传感灵敏度。

Description

基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法。
背景技术
目前，光纤传感器广泛应用于社会中的行业测试。光纤具有微小的端面尺寸，能够长距离传输信息的特点。功能材料和功能单元在其微纳尺度上的易于集成性，使得光纤微纳集成光器件的发展成为可能。而且光学微纳谐振结构能够使光纤端面变得敏感，拓展了光纤在传感领域的应用。
常规光纤传感器如Mach-Zehnder光纤干涉仪，Signac光纤干涉仪，它们的体积较大，结构复杂，所需光纤尺寸较长，不利于其在一些极端狭小的环境下进行传感作业，且传感灵敏度不佳。故需要提出一种新的微纳传感装置用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法，用于解决现有光学传感器尺寸大且传感灵敏度不佳的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供第一解决方案：一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器包括光纤、第一金属层、介质层和第二金属层，光纤端面上依次层叠设置第一金属层、介质层和第二金属层，第一金属层具有微纳阵列结构，且第一金属层、介质层和第二金属层形成光学谐振腔结构。
优选的，微纳阵列结构包括一维光栅、二维圆柱、二维方块等阵列结构中的任意一种。
优选的，第一金属层至少覆盖光纤端面的纤芯区域，介质层和第二金属层的面积覆盖整个微纳阵列结构。
优选的，微纳阵列结构为周期光栅结构，且微纳阵列结构的刻蚀深度等于第一金属层的厚度。
优选的，第一金属层和第二金属层为单金属、合金、半导体中任意一种导电材料。
优选的，介质层为绝缘的透明聚合物材料。
优选的，介质层为PMMA或PDMS中的任意一种。
为解决上述技术问题，本发明提供第二解决方案：一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：在光纤端面上沉积第一金属层；在第一金属层上刻蚀微纳阵列结构；在刻蚀完成后的第一金属层上依次沉积介质层和第二金属层，得到基于光纤端面微纳谐振结构。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法，通过金属-介质-金属的三明治结构实现了微纳集成，显著缩小了光学传感器的尺寸，同时通过所形成的谐振腔结构提高了传感灵敏度。
附图说明
图1是本发明中基于光纤端面微纳谐振结构的传感器实施方式的结构示意图；
图2是本发明实施例1基于光纤端面微纳谐振结构的传感器的温度传感实验结果及拟合图；
图3是本发明实施例1基于光纤端面微纳谐振结构的传感器中介质层折射率变化的理论仿真光谱图；
图4是现有单层金属光栅结构对外界折射率变化的理论仿真光谱图；
图5是本发明中基于光纤端面微纳谐振结构的传感器在不同微纳阵列结构厚度下的理论仿真光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
对于本发明所提供的第一解决方案，请参阅图1，一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器包括光纤1、第一金属层2、介质层3和第二金属层4，光纤1端面上依次层叠设置第一金属层2、介质层3和第二金属层4，第一金属层2具有微纳阵列结构21，且第一金属层2、介质层3和第二金属层4形成光学谐振腔结构，两个金属层为光学谐振腔的两面介电反射镜，介质层为光学谐振腔；其中，第一金属层至少覆盖光纤端面的纤芯区域，即第一金属层需要完整覆盖光纤的光场出射区域，介质层和第二金属层的面积覆盖整个微纳阵列结构；通过这种金属-介质-金属的三明治结构，在缩小器件尺寸的同时提高了传感灵敏度。
具体地，微纳阵列结构21包括一维光栅、二维圆柱、二维方块等阵列结构中的任意一种，在此不做限定。本实施方式中，微纳阵列结构21优选为周期光栅结构，且微纳阵列结构21的刻蚀深度等于第一金属层2的厚度。
本实施方式中，第一金属层和第二金属层为单金属、合金、半导体中任意一种导电材料；介质层为绝缘的透明聚合物材料，需要具有较好的透光率、较低杨氏模量以及较小泊松比，具体可优选为PMMA或PDMS中的任意一种。
对于本发明提供第二解决方案，提供了一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器的制备方法，具体步骤包括：
(1)在光纤端面上沉积第一金属层，可采用磁控溅射等镀膜工艺进行沉积。
(2)在第一金属层上刻蚀微纳阵列结构；
(3)在刻蚀完成后的第一金属层上依次沉积介质层和第二金属层，可采用磁控溅射或旋涂等工艺进行沉积，得到基于光纤端面微纳谐振结构。
当然，也可以单独在其他衬底上依次沉积第二金属层和介质层之后，再同刻蚀完成后的第一金属层进行结合；或者在其他衬底上制备好第一金属层、介质层和第二金属层后，再一同转移至光纤端面；具体的制备方法可根据实际工艺需求，进行适应性调整或优化，在此不做限定。
实施例1
本实施例中制备基于光纤端面微纳谐振结构的传感器的步骤具体为：
(1)采用陶瓷插芯装配裸光纤制作光纤跳线，用353ND胶水固定；裸光纤选用普通单模光纤，并对其进行90°切割，再将组装好的光纤跳线端面研磨到平整光滑无瑕疵，得到光洁的光纤端面。
(2)采用磁控溅射法在光洁的光纤端面上沉积第一金属层，并在中心区域刻蚀出周期光栅结构；其中，第一金属层为单层金膜，金膜厚度为150nm，光栅周期为900nm，刻蚀宽度为100nm；
(3)在硅片上利用磁控溅射的方式依次镀氧化锌膜层和金膜层，此处的金膜层作为第二金属层，再旋涂聚合物PMMA作为介质层，然后利用稀硝酸将氧化锌腐蚀使得金膜层和聚合物PMMA层从硅基底脱离；其中，聚合物PMMA的厚度为170nm，第二金属层的厚度为100nm。
(4)将脱离后的第二金属层和介质层转移到刻蚀完成后的第一金属层上粘合，得到基于光纤端面微纳谐振结构的传感器。
下面对实施例1中基于光纤端面微纳谐振结构的传感器进行温度传感测试，如图2所示，图2是是本发明实施例1基于光纤端面微纳谐振结构的传感器的温度传感实验结构及拟合图。由图2易知，上述传感器的结构对20℃～100℃的传感范围，传感结果线性良好，重复性良好，温度灵敏度为-144.8pm/℃。上述金属-介质-金属的三明治结构能够具有较好的温度敏感度，其原因在于，当用于温度传感时，温度增加，基于热膨胀效应，中部的介质层厚度增加，进而导致该结构中激发的表面等离子体共振中的TM0共振峰蓝移；同时，温度增加，基于热光效应，中部的介质层的折射率降低，也导致结构中激发的表面等离子体共振中的TM0共振峰蓝移；两者相互作用的趋势一致，促进TM0共振峰的变化，从而实现更灵敏的温度传感效果。
进一步地，将实施例1的传感器与现有单层金属光栅结构的传感器进行折射率灵敏度对比，两者折射率选取保持一致，其结果如图3和图4所示，其中图3是本发明实施例1基于光纤端面微纳谐振结构的传感器中介质层折射率变化的理论仿真光谱图，图4是现有单层金属光栅结构对外界折射率变化的理论仿真光谱图。对比图像并计算折射率灵敏度易知，实施例1的传感器结构其折射率灵敏度可高达700nm/RIU，与单层金属光栅结构的折射率灵敏度相比，具有更好的线性度，且线性范围更大，从而证明本申请中金属-介质-金属的三明治结构相比于现有单层金属光栅结构能够具有更好的传感灵敏度。
此外，图5是本发明中基于光纤端面微纳谐振结构的传感器在不同微纳阵列结构厚度下的理论仿真光谱图；该实验是基于实施例1的制备工艺，具体介质层厚度170nm，第二金属层100nm，仅改变第一金属层的厚度，即改变微纳阵列结构的厚度。由图5可以看出，第一金属层的厚度为250nm以及20nm时，谐振峰的谐振深度均开始减小，即说明微纳阵列结构的厚度过大或过小均会对谐振峰产生较大影响，进而影响传感器的性能；则需要将微纳阵列结构的厚度限定在适宜的范围内，从而才能使上述传感器具有较好的性能效果。本实施方式中，通过控制第一金属层的厚度在20～250nm时，可实现传感器工作波长在近红外波段的调节。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器及其制备方法，通过金属-介质-金属的三明治结构实现了微纳集成，显著缩小了光学传感器的尺寸，同时通过所形成的谐振腔结构提高了传感灵敏度。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于光纤端面微纳谐振结构的传感器，其特征在于，包括光纤、第一金属层、介质层和第二金属层，所述光纤端面上依次层叠设置所述第一金属层、介质层和第二金属层，所述第一金属层具有微纳阵列结构，且所述第一金属层、介质层和第二金属层形成光学谐振腔结构。
2.根据权利要求1中所述的基于光纤端面微纳谐振结构的传感器，其特征在于，所述微纳阵列结构包括一维光栅、二维圆柱、二维方块阵列结构中的任意一种。
3.根据权利要求2中所述的基于光纤端面微纳谐振结构的传感器，其特征在于，所述第一金属层至少覆盖所述光纤端面的纤芯区域，所述介质层和第二金属层的面积覆盖整个所述微纳阵列结构。
4.根据权利要求2中所述的基于光纤端面微纳谐振结构的传感器，其特征在于，所述微纳阵列结构为周期光栅结构，且所述微纳阵列结构的刻蚀深度等于所述第一金属层的厚度。
5.根据权利要求1中所述的基于光纤端面微纳谐振结构的传感器，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层为单金属、合金、半导体中任意一种导电材料。
6.根据权利要求1中所述的基于光纤端面微纳谐振结构的传感器，其特征在于，所述介质层为绝缘的透明聚合物材料。
7.根据权利要求6中所述的基于光纤端面微纳谐振结构的传感器，其特征在于，所述介质层为PMMA或PDMS中的任意一种。
8.一种如权利要求1～7中任一所述基于光纤端面微纳谐振结构的传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
在光纤端面上沉积第一金属层；
在所述第一金属层上刻蚀微纳阵列结构；
在刻蚀完成后的所述第一金属层上依次沉积介质层和第二金属层，得到所述基于光纤端面微纳谐振结构。
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