CN115950829A - 光纤端面传感器及其设计方法和制造方法、光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光纤端面传感器及其设计方法、制造方法、一种光纤传感系统，光纤端面传感器包括：介质层和金属层，介质层为圆台结构，介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，底部和光纤端面直接接触，顶部金属层覆盖介质层的顶部，侧壁金属层围绕介质层的侧壁，侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。本申请实施例提供了一种三维圆台结构的光纤端面传感器，圆台结构的介质层直接与光纤端面出射光耦合，并对从介质圆台出射至侧面金属层的光进行波矢调控，具有结构紧凑、传感区域小、空间分辨率高和灵敏度高的优势，圆台结构无需采用超高精度加工技术制备，降低了制造难度和工艺成本，实现制造易于加工且高灵敏度光纤端面传感器的需求。

Description

光纤端面传感器及其设计方法和制造方法、光纤传感系统

技术领域

本发明涉及传感领域，特别涉及一种光纤端面传感器及其设计方法和制造方法以及一种光纤传感系统。

背景技术

随着社会相关领域的技术发展，传感器领域也得到了极大的发展，尤其是光纤传感器。当前光纤传感器包括表面等离激元光纤传感器，表面等离激元光纤传感器具有表面等离激元对折射率极敏感及光纤器件小型化的特点，能实现高灵敏度、无标记、实时、远程的检测，可实现各种生物传感应用。

在实际应用中，表面等离激元光纤传感器可以利用光纤侧壁实现传感或探测，也可以利用光纤端面实现传感或者探测。相比与侧壁传感器，端面传感器具有机械强度高、不易损坏、可实现“蘸入-读取”式检测的优势。但是表面等离激元激发对激发光入射角度要求十分严格，而光纤端面出射光角度调节难度大，限制了光纤端面传感器的发展。

目前光纤端面传感器的实现方案主要有两类：一类将光纤端面加工成斜面调节入射角度，但该方案激发效率低且传感器尺寸较大。另一类将特定设计的纳米结构集成到光纤端面，利用纳米结构的衍射等实现波矢匹配，如等离激元晶体腔和超表面等，然而该方案需要纳米量级精度的加工技术，这些加工设备往往与小直径、大纵横比的光纤兼容性不好。

因此，现在亟需一种光纤端面传感器。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种光纤端面传感器及其设计方法和制造方法、一种光纤传感系统，能够提供易于加工且高灵敏度光纤端面传感器。

本申请实施例提供了一种光纤端面传感器，所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；

所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁，所述侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。

可选地，所述介质层的结构参数包括圆台长度，利用波导模式的面内分量和表面等离激元进行波矢匹配激发所述传输表面等离激元，所述传输表面等离激元随着所述圆台长度和所述顶部半径变化。

可选地，所述底部半径为光纤的模场直径的1/2。

可选地，所述金属层的材料为金、银和铜中的至少一种，所述介质层的材料为光刻胶和光纤纤芯相同的材料。

本申请实施例提供了一种光纤端面传感器的设计方法，所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁；

所述方法包括：

求解圆柱波导模式的本征值方程，计算得到光纤端面传感器WG模式的传播常数，所述传播常数被所述顶部半径影响；

根据圆台结构中波矢量分解，得到所述WG模式的平面内波矢，所述平面内波矢被所述传播常数和所述圆台长度影响；

通过波矢匹配实现所述WG模式和传输表面等离激元的耦合，确定所述光纤端面传感器的结构参数，所述结构参数包括所述顶部半径和所述圆台长度。

可选地，所述方法还包括：

利用仿真软件对所述结构参数进行参数优化。

本申请实施例提供了一种光纤端面传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

在光纤端面形成圆台结构的介质层，所述介质层包括顶部和底部，所述顶部半径小于所述底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

形成金属层，所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁，所述侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。

可选地，所述在光纤端面形成圆台结构的介质层包括：

利用三维打印工艺或湿法腐蚀工艺在光纤端面形成圆台结构的介质层。

可选地，所述形成金属层包括：

利用蒸镀工艺或磁控溅射工艺形成金属层。

本申请实施例提供了一种光纤传感系统，其特征在于，所述系统包括光源、至少一个光纤端面传感器、至少一个光纤和探测器，所述光纤和所述光纤端面传感器一一对应；

所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁；

所述光纤端面传感器的一端连接所述光纤，所述光纤端面传感器的另一端连接待测样品；

所述光源和所述光纤连接，用于利用光纤向所述光纤端面传感器传输入射光；

所述探测器和所述光纤连接，用于接收所述光纤端面传感器通过所述光纤传输的携带所述待测样品信号的反射光。

可选地，所述探测器为强度探测器或者光谱仪。

可选地，当所述光纤端面传感器为多个，所述系统包括分束器；

所述分束器用于将多个所述光纤端面传感器的反射光分为每个所述光纤端面传感器对应的子反射光。

本申请实施例提供了一种光纤端面传感器，光纤端面传感器包括：介质层和金属层，介质层为圆台结构，介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，底部和光纤端面直接接触，金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，顶部金属层覆盖介质层的顶部，侧壁金属层围绕介质层的侧壁，侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。也就是说，本申请实施例提供了一种三维圆台结构的光纤端面传感器，圆台结构的介质层直接与光纤端面出射光耦合，并对从介质圆台出射至侧面金属层的光进行波矢调控，被调控后的光满足表面等离激元波矢匹配条件，实现侧壁金属层上表面等离激元激发，具有结构紧凑、传感区域小、空间分辨率高和灵敏度高的优势，相较于在光纤端面上设置纳米结构，圆台结构无需采用超高精度加工技术制备，大大降低了制造难度和工艺成本，实现制造易于加工且高灵敏度光纤端面传感器的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种光纤端面传感器的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的另一种光纤端面传感器的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种光纤端面传感器的设计方法的流程示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种传播常数随波长变化的示意图；

图5示出了本申请实施例提供的另一种传播常数随波长变化的示意图；

图6示出了本申请实施例提供的一种传播常数和SPR随波长变化的示意图；

图7示出了本申请实施例提供的一种SPR和共振波长随顶部半径变化的示意图；

图8(a)示出了本申请实施例提供的一种共振波长随圆台角度变化的示意图；

图8(b)示出了本申请实施例提供的另一种共振波长随圆台角度变化的示意图；

图9(a)示出了本申请实施例提供的一种反射光谱随待测样品折射率变化的示意图；

图9(b)示出了本申请实施例提供的一种光纤端面传感器在共振波长处的电场分布的示意图；

图10示出了本申请实施例提供的一种光纤端面传感器的制造方法的流程示意图；

图11示出了本申请实施例提供的一种光纤传感系统的结构示意图；

图12示出了本申请实施例提供的另两种光纤传感系统的结构示意图；

图13示出了本申请实施例提供的光纤端面传感器共振波长随待测样品折射率变化的实验结果及仿真结果示意图；

图14示出了本申请实施例提供的光纤端面传感器反射光强随待测样品折射率变化的实验结果示意图；

图15示出了本申请实施例提供的又一种光纤传感系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

随着社会相关领域的技术发展，传感器领域也得到了极大的发展，尤其是光纤传感器。当前光纤传感器包括表面等离激元光纤传感器，表面等离激元光纤传感器具有表面等离激元对折射率极敏感及光纤器件尺寸小的特点，能实现高灵敏度、无标记、实时、远程的检测，可实现各种生物传感应用。

在实际应用中，表面等离激元光纤传感器可以利用光纤侧壁实现传感或探测，也可以利用光纤端面实现传感或者探测。利用光纤侧壁实现传感或探测的表面等离激元光纤传感器主要利用光纤侧壁作为传感区域来获得强光-物质相互作用，它们具有较高的灵敏度，但其机械强度低、传感区域尺寸大，极大地限制了其应用场景。

除了光纤侧壁，也可以以光纤端面构建传感区域。相比与侧壁传感器,端面传感器具有机械强度高、不易损坏、光纤能实现照明及信号光传导，可实现“蘸入-读取”式检测的优势。目前，主要通过在光纤端面修饰金属纳米颗粒来激发局域表面等离激元共振(localized surface plasmon resonance，LSPR)来实现表面等离激元光纤端面传感器。LSPR对入射光波矢要求不严格，光纤LSPR传感器相对容易实现。然而由于LSPR具有较高的辐射损耗，光纤LSPR传感器灵敏度和品质因数较低。

与之比较，传输表面等离激元(surface plasmon resonance，SPR)是一种自由电子在金属-介质界面传播的集体振荡，具有低的辐射损耗，能实现性能更好的传感。然而SPR激发需要照明光满足严格的波矢匹配条件，但是针对光纤端面传感器，存在光纤端面出射光角度调节难度大，限制了光纤端面SPR传感器的发展。目前光纤端面SPR传感器的实现方案主要有两类：一类将光纤端面加工成斜面调节入射角度，但该方案激发效率低且传感器尺寸较大。另一类将特定设计的纳米结构集成到光纤端面，利用纳米结构的衍射等实现波矢匹配，如等离激元晶体腔和超表面等，然而该方案需要纳米量级精度的加工技术，这些加工设备往往与小直径、大纵横比的光纤兼容性不好。进一步的，这两类传感器主要采用多模光纤，纤芯尺寸在百微米量级，相应的有效传感区域尺寸也百微米量级甚至更大，所测量结果对应百微米量级尺寸内的综合效应，无法满足很多小尺寸样品或需要高空间分辨率的检测需求，如稀有生物样品检测、单细胞水平的细胞检测、以及微环境检测等。

也就是说，光纤端面SPR传感器可以提供低辐射损耗、小型化及实时的无标记传感检测。然而对光纤端面出射光进行调控实现波矢匹配激发SPR较困难。同时，尖端集成纳米结构的光纤尖端SPR传感器需要适应小直径、大纵横比光纤的精密制造技术，而对于无需精密制造技术的光纤斜面SPR传感器，激发效率低，降低信号强度。同时，现有光纤端面传感器主要采用芯径尺寸在百微米量级的多模光纤，对应的有效传感区域也在百微米量级甚至更大，无法满足很多小尺寸样品或需要高空间分辨率的检测需求。

因此，现在亟需一种光纤端面传感器，尤其是有效传感区域小的光纤端面传感器。

基于此，本申请实施例提供了一种光纤端面传感器，光纤端面传感器包括：介质层和金属层，介质层为圆台结构，介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，底部和光纤端面直接接触，金属层包括侧壁金属层和顶部金属层，侧壁金属层围绕介质层的侧壁，侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元，顶部金属层覆盖介质层的顶部，顶部金属层用于反射信号光。也就是说，本申请实施例提供了一种三维圆台结构的光纤端面传感器，圆台结构的介质层直接与光纤端面出射光耦合并对从介质圆台出射至侧面金属层的光进行波矢调控，被调控后的光满足表面等离激元波矢匹配条件，实现侧壁金属层上表面等离激元激发。由于波矢匹配条件与传感器所处环境折射率相关，实现折射率传感。利用圆台结构介质层进行波矢调控，具有结构紧凑、传感区域小、空间分辨率高和灵敏度高的优势，相较于在光纤端面上设置纳米结构，圆台结构无需采用超高精度加工技术制备，大大降低了制造难度和工艺成本，实现制造易于加工且高灵敏度光纤端面传感器的需求。

为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种光纤端面传感器的结构示意图。

本实施例提供的光纤端面传感器100包括：介质层110和金属层120。

在本申请的实施例中，介质层110为圆台结构，介质层110包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，底部和光纤端面直接接触，金属层120至少覆盖圆台结构的顶部和圆台结构的侧壁，具体的，金属层120包括顶部金属层和侧壁金属层，顶部金属层覆盖介质层110的顶部，侧壁金属层围绕介质层110的侧壁，其中，侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元，顶部金属层用于反射信号光。

在金属层120厚度均一时，金属层120围绕圆台结构的介质层110，金属层120和介质层110也共同构成一个圆台结构，根据慢变波导理论，该圆台结构的光纤端面传感器100可以看作由一系列外有无限厚金属膜的介质圆柱体组成，其半径R逐渐减小。圆台结构的顶部金属层，能够获得反射光，通过反射光波长/光强信号，得到待测样品相关信息以实现传感。

在实际应用中，照明光从光纤端面出射耦合至圆台结构中进行传输，其传输波矢受圆台结构调控，光纤端面传感器100，将圆台结构集成在光纤端面而成。

具体的，金属层120的材料可以为金，银和铜中的至少一种。介质层110的材料可以为光刻胶、各种掺杂的二氧化硅以及和光纤纤芯相同的材料。

在本申请的实施例中，光纤端面传感器100与光纤纤芯对齐，参考图2所示。光纤可选单芯光纤或者多芯光纤，单芯光纤形成单探头传感器，参考图2(a)所示，多芯光纤可以看作单芯光纤密排而成的传感器阵列，每个纤芯所对应的圆台结构相同，参考图2(b)所示。

在本申请的实施例中，光纤端面传感器100包括以下传感器结构参数：顶部半径R_top、底部半径R_bot、圆台角度α、圆台长度L和金属膜厚度d，其中，底部半径R_bot为光纤的模场直径MFD的1/2，参考图2(a)所示，这样设计底部半径R_bot可以提高光纤与光纤端面传感器100的耦合效率。

在之前提出的光纤等离激元传感器方案中，多采用多模光纤，此时纤芯尺寸在几十微米至几百微米量级，有效传感区域等于或者大于纤芯尺寸，远大于入射光波长(入射光波长为百纳米量级)，可采用几何光学进行分析。在本申请的实施例中，目标为构造有效区域尺寸在十微米量级的光纤传感器，有效区域变化与入射波长同量级，几何光学不再有效。本申请实施例采用电磁波理论进行相应设计分析，并相应提出一套新的理论及仿真分析方法，具体的，提出利用波导模式的面内分量和表面等离激元进行波矢匹配激发传输表面等离激元，以实现光纤端面传感器100的探测或者传感，其中，传输表面等离激元随着圆台长度L和顶部半径R_top变化。

基于以上实施例提供的一种光纤端面传感器，本申请实施例还提供了一种光纤端面传感器的设计方法，下面结合附图来详细说明其工作原理。

参见图3，该图为本申请实施例提供的一种光纤端面传感器的设计方法的流程示意图。

本实施例提供的光纤端面传感器为上述实施例中提供的光纤端面传感器。本实施例提供的光纤端面传感器的设计方法包括以下步骤：

S301，求解圆柱波导模式的本征值方程，计算得到光纤端面传感器WG模式的传播常数。

在本申请的实施例中，可以根据光纤波动理论，求解圆柱波导模式的本征值方程，计算传播常数β_WG。

考虑到基模(HE11模)为光纤中的主要传输模式，在分析中只考虑圆台中的HE11波导，其传播常数为β_WG。根据波动理论，HE11模的本征值方程满足：

其中，R为介质圆柱的半径，包括从底部半径到顶部半径一系列值，Jn(x)为贝塞尔函数，Kn(x)为修正的汉克尔函数，

(β_WG为传播常数，λ为光波长)，ε₁和ε₂分别为圆台结构中介质和金属的介电常数。由式(1)可知，当圆台组成材料确定后，传播常数β_WG与半径R、光波长λ有关。通过求解本征方程得到圆台内波导(WG)模式的传播常数β_WG。

S302，根据圆台结构中波矢量分解，得到WG模式的平面内波矢。

在申请的实施例中，可以根据圆台中波矢量分解，得到圆台结构WG模的平面内波矢

当WG模式在圆台结构中向前传播时，WG模式的传播方向与介质层/金属层界面之间的夹角导致了平面波矢量的调节，参考图4所示。根据圆台中波矢的矢量分解，可将电介质/金属界面中WG模的平面内波矢

表示为：

其中α为圆台的半顶角，可表示为α＝(R_bot-R_top)/L，

是WG模的横波矢量，n_d是介质的折射率，k₀是该波长对应真空中的波矢。由公式(2)可知

主要受传播常数β_WG和圆台角α的影响，而β_WG＝f(R,λ)。S303，通过波矢匹配实现WG模式和传输表面等离激元的耦合，确定光纤端面传感器的结构参数。

在本申请的实施例中，可以通过波矢匹配实现圆台内波导(WG)模式和SPR的耦合，确定光纤端面传感器的结构参数，具体分析圆台结构参数选取规则。

当k₀R＞＞1时，SPR的传播常数β_SPP近似等于金属/电介质无穷界面处的传播常数，可表示为：

其中，n_m和n_s分别为金属和待测样品的折射率。

当WG模的面内波矢

等于SPR的传播常数β_SPP时，WG模式与SPR发生耦合，即：

通过求解式(1)、(2)、(3)、(4)，可以得到满足波矢匹配条件下合适的圆台结构的结构参数，例如顶部半径和圆台长度。

在本申请的实施例中，还可以使用仿真软件进行结构参数优化和模型验证。

考虑到灵敏度、检测极限、半高全宽(FWHM)等传感性能，纤芯直径不同的光纤、圆台结构所采用介质材料不同，所采用金属材料不同，其最优圆台结构参数不同，需根据光纤纤芯尺寸选择合适的结构参数，设计对应的圆台结构。可基于麦克斯韦方程组，采用时域有限差分法，对圆台进行二维近似实现仿真。

作为一种示例，下面以HI780光纤为例(其芯径和MFD分别为4.2μm和5μm)，根据上面步骤进行分析，设计以IPL780光刻胶和金分别作为圆台结构的介质层和金属层。详细设计如下：

(a)根据光纤波动理论，求解本征值方程，计算传播常数：

求解式(1)，得到不同半径R下的传播常数β_WG，图4描述了传播常数随半径及波长的变化，图4中用真空中的波矢k₀进行了归一化可以得到：β_WG/k₀随着波长的增大而减小，随着半径R的增大而增大。特别地，当R<1μm时，衰减速率显著加快，此时不再是严格的HE WG模式。因此为简化分析模型，选取半径R不小于1μm的结构进行下一步的分析。

(b)根据圆台中波矢量分解，得到圆台结构WG模的平面内波矢：

初步设定圆台长度，即圆台长度L＝10μm，求解式(1)、(2)，得到不同R下归一化的平面内波矢

随波长的变化，参考图5所示。

(c)通过波矢匹配实现圆台内波导(WG)模式和SPR的耦合，分析圆台结构参数选取规则：

考虑圆台结构的介质层及金属层的材料分别为IPL780光刻胶和金，并考虑不同的环境折射率n_s，求解式(1)、式(2)和式(3)，得到

及β_SPP/k₀随波长变化，参考图6所示，两者均随着波长的增加而减小，其中，β_SPP/k₀的减小速度快于

同时，在一定半径内(R为2.5μm～1μm)，β_SPP/k₀与

将在特定波长区域相交，此区域(λ_range)即为满足波矢匹配条件能激发SPR的区域，其中心波长近似为SPR的共振波长。随着折射率的增大，共振波长发生红移，因此可以作为波长敏感的折射率传感器。

基于以上SPR激发机制，分析结构参数对传感性能的影响。固定光纤，圆台结构底部半径R_bot等于光纤模场半径，此时圆台结构的角度及顶部半径均将影响入射波矢，在分析中仅变化一个结构参数，并进行影响分析。首先，保持圆台角度不变，分析R_top对共振波长的影响，该影响主要由波导限制作用对传播常数β_WG的影响产生。参考图7所示，在待测样品折射率一定(n_s＝1.333)的情况下,R_top增大，共振波长红移，对应检测灵敏度增加，同时相交波长区域变窄，对应共振谱半高全宽减小。因此，可以增大R_top来优化传感参数，但大的R_top也意味三维圆台高度减小，SPR激发区域减少、激发效率降低以及信号强度减弱。因此，R_top的选取应兼顾信号强度和检测性能。

接下来，固定圆台结构顶部半径R_top，分析圆台角度α变化的影响。此时传播常数β_WG不变，α变化将引起WG模的面内波矢量

的改变。图8(a)提取了不同圆台角度时β_SPP/k₀及

的相交区域(阴影部分)，并考虑了两种环境折射率的情况(ns＝1.362和1.333)。如以上所阐述的，确定α，阴影部分中心波长对应该结构SPR激发波长，阴影部分波长范围与共振谱半高全宽成正比。可以得到，α减小，共振谱半高全宽减小，由折射率变化引起的Δλ减小到一定程度后趋于恒定。由于，器件灵敏度正比于不同折射率SPR激发波长差，检测极限(LOD)正比于共振谱半高全宽，其中，LOD表示能检测到的最小量，该参数越小越好。因此，增大α可以优化灵敏度，但同时也将增大LOD。因此，α的选取应兼顾灵敏度和LOD。

(d)使用仿真软件进行结构参数优化和模型验证

使用Lumerical FDTD solutions软件进行模型仿真，并根据上述选取规则进行结构参数的初步设定，再进一步进行结构参数优化，最后进行模型验证。首先固定圆台角度α，分析反射光谱随R_top的变化，选取合适的R_top，其中，R_top不能过小，否则LOD和灵敏度较差。接下来，在选取的R_top的基础上，分析反射光谱随长度α的变化，获得合适的α值，其中，α选取需考虑灵敏度和反射光谱半高全宽(FWHM)。

在综合考虑传感器的灵敏度(S＝Δλ/Δn)、检测极限(LOD)、最大值全宽度(FWHM)和小型化程度的情况下，对于用HI780光纤制备的传感器，采用金膜厚度d＝50nm,2R_bot＝5μm的圆台，其最佳结构参数为α＝11.3°,R_top＝0.5μm，此时L＝10μm。该圆台结构在样品折射率1.333和1.362之间灵敏度为1142nm/RIU，反射谱半高全宽为85nm。若只对某一传感性能有要求，则可以根据需求选择不同的结构参数。例如若仅考虑高灵敏度和小型化程度，结构参数可选α＝14.0°，R_top＝0.5μm，此时L＝8μm，该圆台结构在样品折射率1.333和1.362之间灵敏度为1591nm/RIU，反射谱半高全宽为104nm。若仅考虑半高全宽(FWHM)，对灵敏度无较高要求，结构参数可选α＝7.6°，R_top＝0.5μm，此时L＝15μm，该圆台结构在样品折射率1.333和1.362之间灵敏度为1037nm/RIU，反射谱半高全宽为64nm。

基于以上结构参数，圆台归一化反射光谱如图9(a)所示，反射光谱中有明显的SPR共振，且共振波长随折射率增大而红移。共振波长处的电场分布|E|如图9(b)所示，在金膜表面有明显的电磁场增强，存在SPR效应。不同环境折射率下理论分析与仿真获得的共振波长具有较好一致性。综上，证明结构参数选取符合理论预期。同时，相同波长下，反射光谱强度随折射率变化而变化，因此该传感器还可以作为对光强敏感的折射率传感器。

由此可见，本申请实施例提供的光纤端面传感器的设计方法，利用包括金属层的介质圆台结构，在光纤端面上集成该圆台结构，可利用极紧凑结构对光纤的出射光进行波矢调控，利用波导模式的面内分量和表面等离激元进行波矢匹配高效激发SPR，避免了SPR向传感区域外传播带来的近场能量损耗，能进行单/阵列传感，进行小型化、阵列化、高灵敏度、可重复、实时且无标记的高性能检测，具有各种复杂应用场景的检测能力，能够实现微米尺寸量级的小型光纤端面传感器，可用于单芯及多芯光纤上，实现单传感器及传感器阵列，有效探测区域三维方向尺寸最大在10微米量级，是一种尺寸小的高空间分辨率传感器。

基于以上实施例提供的一种光纤端面传感器，本申请实施例还提供了一种光纤端面传感器的制造方法，下面结合附图来详细说明其工作原理。

参见图10，该图为本申请实施例提供的一种光纤端面传感器的制造方法的流程示意图。

本实施例提供的光纤端面传感器的制造方法包括以下步骤：

S101，在光纤端面形成圆台结构的介质层。

在本申请的实施例中，可以在光纤端面形成圆台结构的介质层，圆台结构的介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，底部和光纤端面直接接触。

在实际应用中，可以直接在光纤端面形成圆台结构的介质层，也可以形成圆台结构的介质层之后，将介质层集成至光纤端面。

具体的，可以利用三维打印工艺或湿法腐蚀工艺形成圆台结构的介质层。

作为一种可能的实现方式，可以切割和清洗光纤，以制备平坦的光纤端面，而后利用三维打印工艺在光纤端面制造圆台结构的介质层。介质层的材料可以是光刻胶，三维打印工艺可以分为双光子加工过程和显影过程。其中，三维打印工艺可采用德国Nanoscribe公司的飞秒激光三维打印系统，光刻胶可选Nanoscribe公司的IPL780，显影液可选择异丙醇、乙醇或丙二醇单甲基醚醋酸酯等有机溶剂。

作为另一种可能的实现方式，可以切割和清洗光纤，以制备平坦的光纤端面，而后利用湿法腐蚀工艺在光纤端面制造圆台结构的介质层，而后利用去离子水清洗光纤，去除残留的湿法腐蚀溶液。介质层的材料与纤芯材料相同。具体的，可以利用氢氟酸(HF)腐蚀光纤制造圆台结构的介质层。由于光纤纤芯和包层掺杂不同，腐蚀速度不同，可以通过配置HF缓冲液，使包层腐蚀速度大于纤芯腐蚀速度，获得圆台结构。对于HI780光纤，腐蚀用的HF缓冲液由质量比为49％的氢氟酸、质量比为40％的氟化铵(NH₄F)和水(H₂O)以10:1:1的体积比组成，在HF缓冲液中腐蚀8～9小时以在光纤端面制备出圆台结构。

S102，形成金属层。

在本申请的实施例中，可以在圆台结构的介质层上形成金属层，金属层至少覆盖圆台结构的顶端和圆台结构的侧壁，具体的，金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，顶部金属层覆盖介质层的顶部，侧壁金属层围绕介质层的侧壁。

具体可以将S101制备的光纤放入夹具中固定，采用蒸镀工艺或磁控溅射工艺形成金属层。

由此可见，本申请实施例提供的光纤端面传感器的制造方法，利用三维打印或者湿法腐蚀工艺制备三维波导结构并集成至光纤端面，解决传统工艺与光纤不兼容的难题，实现可重复的制造。相较于在光纤端面设置纳米结构的方案，本申请实施例提供的微米尺寸圆台结构无需采用超高精度加工技术制备，大大降低了制造难度和工艺成本，实现制造易于加工且高灵敏度光纤端面传感器的需求。

基于以上实施例提供的一种光纤端面传感器，本申请实施例还提供了一种光纤传感系统，下面结合附图来详细说明其工作原理。

参见图11，该图为本申请实施例提供的一种光纤传感系统的结构示意图。

本实施例提供的光纤传感系统1000包括：光源1100、至少一个光纤端面传感器100、至少一个光纤1200和探测器1300。

在本申请的实施例中，光纤端面传感器采用上述实施例所述的光线端面传感器100，光纤1200和光纤端面传感器100一一对应，实现一个光纤端面传感器100利用一个光纤1200传输待测样品的反射光。

光纤端面传感器100的一端连接光纤1200，光纤端面传感器100的另一端连接待测样品。光源1100和光纤1200连接，用于利用光纤1200向光纤端面传感器100传输入射光，以便入射光照射待测样品，进行待测样品的检测。

探测器1300和光纤1200连接，用于接收光纤端面传感器100通过光纤1200传输的携带待测样品信号的反射光，以便后续对待测样品的反射光进行分析。

在实际应用中，光源1100和光纤1200之间以及探测器1300和光纤1200之间还可以设置光纤耦合器，光纤耦合器用于实现光纤1200分别和光源1100以及探测器1300之间的连接。

具体的，探测器可以为强度探测器或者光谱仪，其中光谱仪用于进行光谱检测或波长探测，强度探测器用于进行光强检测或强度探测。波长探测模式适用于单芯光纤，强度探测模式对单芯光纤与多芯光纤均适用。其中波长探测模式探测限较低，所需时间较长，系统成本较高，强度探测模式则具有系统简单、能快速探测，然而相对探测限较高。

作为一种可能的实现方式，参考图12(a)所示，对于单芯光纤光谱探测方案，光纤端面传感器的一端与光纤耦合器相连，白光光源的入射光通过光纤耦合器引入光纤端面传感器，入射光为宽谱白光(波长范围500-1000nm)，光纤端面传感器具有三维SPR圆台的另一端浸入待测样品中，由光谱仪与光纤耦合器的另一端相连采集反射光谱，通过分析反射光谱得到待测样品相关信息以实现传感。

参考图13所示，在HI780光纤上制备的光纤端面传感器的共振波长随着待测样品的折射率的变化示意图，图13中同时给出了仿真结果曲线。该光纤端面传感器参数为：金膜厚度d＝50nm，圆台下半径2R_bot＝5μm，上半径R_top＝0.5μm，长度L＝10μm，光纤传感系统与图12(a)相同，实验测得灵敏度为1439nm/RIU，且仿真结果和实验结果具有较好的一致性。

作为另一种可能的实现方式，参考图12(b)所示，对于单芯光纤光强探测方案，光纤端面传感器的一端与光纤耦合器相连，入射光通过光纤耦合器引入光纤端面传感器，入射光为窄带光(波长范围500-1000nm)，光纤端面具有三维SPR圆台的另一端浸入待测样品中，由光强探测器与光纤耦合器另一端相连得到反射光强，通过分析反射光强得到待测样品相关信息以实现传感。

参考图14所示，在HI780光纤上制备的光纤端面传感器的光强随着待测样品的折射率的变化示意图。所用光源波长为750nm，该光纤端面传感器参数为：金膜厚度d＝50nm，圆台下半径2R_bot＝5μm，上半径R_top＝0.5μm，长度L＝10μm，光纤传感系统与图12(b)相同，实验测得灵敏度为1404％/RIU。

在本申请的实施例中，当光纤端面传感器100为多个，系统包括分束器、多个透镜和偏振片，参考图15所示，分束器用于将多个光纤端面传感器100的反射光分为每个光纤端面传感器100对应的子反射光。

也就是说，对于多芯光纤光强探测方案，窄带光经过透镜1整形为平行光，再由分束器折射及透镜2会聚，聚焦入射光至光纤端面传感器的一端，光纤端面具有三维SPR圆台的另一端浸入待测样品中，待测样品的反射光由光纤端面传感器出射，依次经过透镜2、分束器和透镜3，并最终入射至面光电探测器上，其中透镜2、分束器、透镜3以及面光电探测器组成一个成像系统，对利用光纤端面探测器对待测样品成像，通过分析不同纤芯光强获得各纤芯反射率，每个纤芯对应一个独立的光纤端面传感器。

由此可见，本申请实施例提供了一种利用具有圆台结构的光纤端面传感器实现实时、无标记传感的光线传感系统。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于其他实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种光纤端面传感器，其特征在于，所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；

所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁，所述侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。

2.根据权利要求1所述的光纤端面传感器，其特征在于，所述介质层的结构参数包括圆台长度，利用波导模式的面内分量和表面等离激元进行波矢匹配激发所述传输表面等离激元，所述传输表面等离激元随着所述圆台长度和所述顶部半径变化。

3.根据权利要求1所述的光纤端面传感器，其特征在于，所述底部半径为光纤的模场直径的1/2。

4.根据权利要求1所述的光纤端面传感器，其特征在于，所述金属层的材料为金、银和铜中的至少一种，所述介质层的材料为光刻胶或和光纤纤芯相同的材料。

5.一种光纤端面传感器的设计方法，其特征在于，所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁；

所述方法包括：

求解圆柱波导模式的本征值方程，计算得到光纤端面传感器WG模式的传播常数，所述传播常数被所述顶部半径影响；

根据圆台结构中波矢量分解，得到所述WG模式的平面内波矢，所述平面内波矢被所述传播常数和所述圆台长度影响；

通过波矢匹配实现所述WG模式和传输表面等离激元的耦合，确定所述光纤端面传感器的结构参数，所述结构参数包括所述顶部半径和所述圆台长度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用仿真软件对所述结构参数进行参数优化。

7.一种光纤端面传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

在光纤端面形成圆台结构的介质层，所述介质层包括顶部和底部，所述顶部半径小于所述底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

形成金属层，所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁，所述侧壁金属层用于辅助激发传输表面等离激元。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述在光纤端面形成圆台结构的介质层包括：

利用三维打印工艺或湿法腐蚀工艺在光纤端面形成圆台结构的介质层。

9.一种光纤传感系统，其特征在于，所述系统包括光源、至少一个光纤端面传感器、至少一个光纤和探测器，所述光纤和所述光纤端面传感器一一对应；

所述光纤端面传感器包括：介质层和金属层；所述介质层为圆台结构，所述介质层包括顶部和底部，顶部半径小于底部半径，所述底部和光纤端面直接接触；

所述金属层包括顶部金属层和侧壁金属层，所述顶部金属层覆盖所述介质层的顶部，所述侧壁金属层围绕所述介质层的侧壁；

所述光纤端面传感器的一端连接所述光纤，所述光纤端面传感器的另一端连接待测样品；

所述光源和所述光纤连接，用于利用光纤向所述光纤端面传感器传输入射光；

所述探测器和所述光纤连接，用于接收所述光纤端面传感器通过所述光纤传输的携带所述待测样品信号的反射光。

10.根据权利要求9所述的光纤传感系统，其特征在于，当所述光纤端面传感器为多个，所述系统包括分束器；

所述分束器用于将多个所述光纤端面传感器的反射光分为每个所述光纤端面传感器对应的子反射光。

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