新型光纤传感器的设计与特性分析

赵 静

(1.国家无线电监测中心，北京 100037； 2.北京邮电大学,北京 100876)

新型光纤传感器的设计与特性分析

赵 静1,2

(1.国家无线电监测中心，北京 100037； 2.北京邮电大学,北京 100876)

结合光子晶体光纤和表面等离子共振技术，设计了一种的新型的8孔光子晶体光纤的表面等离子共振传感结构。采用传输矩阵法分析了传感器的表面等离子共振传输特性。结果表明：随着入射角增大，表面等离子共振波长深度下降，半峰宽变窄，入射角为85°,效果较为理想；金属薄膜占比越大，传感器的灵敏度会有一定的增加，测量液态待测物，灵敏度可达到10-5。设计结构降低了纤芯模的有效折射率，解决了纤芯模和表面等离子共振模式发生相位匹配问题，表现了较高的灵敏度以及稳定性。

光子晶体光纤； 表面等离子共振； 传感器

0 引 言

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术应用到传感领域已经有20多年了，早期人们利用光纤主要是用作SPR传感的耦合原件[1-3]。SPR光纤传感器能够检测折射率的变化，且能够改变结构参数实现传感性能改进。SPR技术与光纤低损耗技术的结合，使得这类光纤传感器广泛应用于生物、食品、环境、医学等多个领域[4-5]。目前SPR光纤传感器件主要有终端反射、在线传输2种形式。在线传输方式主要通过光纤出射端口检测波长和光强之间的相互关系进行分析；终端反射形式主要是对金属反射前后的2次SPR的光传输到光纤光谱仪实现定量分析[6-8]。微纳光纤是指光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF) 和一些光纤侧面有微结构的光纤。如果入射光波长在光子晶体光纤带隙范围时，此时入射光无法穿过PC域内，即其透射的波谱具有较大的带隙。利用改变部分纤芯周期就能实现光子缺陷模式，达到透射尖峰目的。这样由于尖峰中心对环境敏感导致折射率发生变化，检测信号变化情况就能达到传感目的[9-10]。光子晶体光纤传感器中光子带隙局域光能量非常好，这使其研究成为了当前光纤传感的热点[11-15]。基于光子晶体光纤拉制工艺的飞速发展背景，文中设计与分析了一种新型的PCF的SPR传感器。

1 PCF结构设计与理论分析

SPR光纤传感器依据Kretschmann棱镜的表面等离子传播模型改进，意在通过纤芯取代k结构的棱镜左右。图1为SPR光纤传感模型的结构，其中光纤纤芯由金属层对称地覆盖，而包层已被去掉。这样光纤内能够较为容易地实现SPR纤芯。

图1 SPR光纤传感模型的结构

图2是本文设计的新型的8孔PCF微结构，其8个大尺寸空气孔包围了实心光纤，而在空气孔周围都有一层金属薄膜。本文提出的光纤SPR传感器能够结合集成光波导和棱镜SPR传感器技术，如果将结构制作出阵列的多SPR光纤传感器结构，则能实现多模式、多功能的集成化传感器件。

图2 8孔PCF的结构

设计的上述PCF传感器与Kretschmann棱镜的SPR基本类似。采用传输矩阵方法进行分析，设每个金属薄膜的厚度为dk，介电常数为εk，磁导率为μk，折射率为nk。切向场的第一个边界条件Z=Z1=0，这样存在以下关系:

(1)

式中:U1和V1表述了第1层的电场和磁场边界的分量;UN-1和VN-1为第N-1层的分量;M是特征向量，存在以下关系：

θ为入射角，这样偏振光的反射系数可以表示为:

(3)

偏振光N层结构的反射系数为

(4)

光从PCF的SPR传感器一端进入光纤，传感器的另一端连接检测系统记录输出信号。光源采用平行光源，显微物镜将光束聚集在光纤末端的轴点上。进一步分析可以得到设计传感器的偏振光的归一化传输功率为:

(5)

(6)

(7)

式中:Nref(θ)是传感区域内入射角为θ光线在纤芯-金属层界面总的反射次数;R为传感器的反射系数;L和D分别是传感区域的长度和光纤纤芯的直径;θcr是全反射的临界角;ncl是光纤包层的折射率。从以上分析可知，R是入射波长的函数，当R最小时对应的入射波长就是产生SPR的共振波长λSPR，共振波长随着待测介质折射率的变化而变化。前期研究可知，待测介质折射率与共振波长的变化比值定义为光纤SPR灵敏度，这样只要待测介质折射率不变，共振波长的变化比值越大，设计的传感器灵敏度就会越高。

3 结果分析

图3为入射角对传感器性能的影响。对比分析了金属薄膜与液体体积比、不同入射角条件下传感器的性能。从图中可以看出，当金属薄膜与液体体积占比一定时，随着入射角增大，传感器出射光谱的2个等离子体共振均发生了蓝移，共振深度下降，半峰宽变窄。而随着占比的变大，表面等离子共振会出现红移。综合共振深度、半峰宽等方面的影响，研究待测介质折射率和厚度对传感特性的影响，可以将入射角确定为85°,效果更好。

(a) 50%

(b) 70%

图4分析了不同待测介质折射率下传感器性能。对比分析了金属薄膜与液体体积比不同待测介质折射率的性能。从图中可以看出，随着待测介质折射率增大，金属薄膜占比50%时，SPR的共振波长自663 nm变化到665 nm，共振波长移动2 nm；金属薄膜占比70%时，SPR的共振波长自895 nm变化到898 nm，共振波长移动3 nm。上述结果表明，SPR曲线的共振波长随折射率变化不大，约3 nm，由传感器灵敏度定义可知，金属薄膜占比越大，传感器的灵敏度会有一定的增加，如果是测量液态待测物，灵敏度可达到10-5。

(a) 50%

(b) 70%

综合分析上述结果，传感器能达到较为理想的状态，入射角的漂移对传感器灵敏度比较灵敏。设计的传感器能够实现降低纤芯模的有效折射率，达到SPR目的，同时由于解决了纤芯模和SPR模式发生相位匹配问题，表现了较高的灵敏度以及稳定性。

4 结 语

传统的SPR传感器不能分辨出漂移是否仅有待测介质折射率变化引起的，本文设计的新型8孔PCF的SPR传感器，能够目前分析出上述问题引起的效果。传感结果表明入射角增加，传感器的SPR的波长会发生蓝移，入射角不变时，待测介质折射率增加时，SPR波长变化较小，影响不大。设计的传感器表现了较高的灵敏度以及稳定性，为光纤传感器的应用提供了一种新的参考。

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Design of New Type of Optical Fiber Sensor and Feature Analysis

ZHAOJing1,2

(1. State Radio Monitoring Center, Beijing 100037, China; 2. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Based on photonic crystal fiber and the surface plasma resonance technology, designed a new type of 8 hole photonic crystal fiber surface plasmon resonance sensing structure. Transfer matrix method is used to analyze the surface plasma resonance transmission characteristic of the sensor, the sensing performance analysis results show that with the increase of incidence Angle, the surface plasma resonant wavelength depth, half peak width narrow, incident Angle is 85°, the effect is ideal; The proportion, the greater the metal film sensor sensitivity will increase to a certain extent, measurement of liquid, the object under test sensitivity can reach 10-5. Design structure to reduce the effective refractive index of fiber core mold, solves the fiber core mold and the surface plasma resonance pattern phase matching problem, showed a high sensitivity and stability.

photonic crystal fiber; surface plasma resonance; sensor

2016-10-10

国家自然科学基金项目(9021230021)

赵 静(1983-)，女,内蒙古呼和浩特人，工程师，研究方向：无线电业务理论研究与应用。

Tel.：15810551164;E-mail：363943501@qq.com

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A

1006-7167(2017)03-0063-03