侧面抛磨型双芯熊猫光纤的折射率传感特性仿真分析

田二明， 韩建宁

(中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051)

侧面抛磨型双芯熊猫光纤的折射率传感特性仿真分析

侧面抛磨型双芯熊猫光纤的折射率传感特性仿真分析

田二明， 韩建宁

(中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051)

研究了双芯熊猫光纤经侧面抛磨后的折射率传感特性， 并具体分析了抛磨、 纤芯尺寸、 纤芯、 折射率对比度对传感器特性的影响. 通过侧面抛磨方式， 可以使得熊猫光纤一侧气孔侧壁与外界待测液体接触， 这有助于加快响应速度； 同时利用Mach-Zehnder干涉检测方式可以获得较高的流体折射率检测灵敏度. 仿真表明， 经过优化的双芯熊猫光纤结构可望使系统检测液体折射率的灵敏度达到3.8×10-5RIU(Refractive Index Unit).

双芯熊猫光纤； 折射率传感特性； 传感灵敏度

双芯光纤是指一个共同的光纤中存在多个纤芯结构， 其可以在保持光纤结构稳固性的前提下通过优化结构来提高检测液体折射率的灵敏度[1-3]. 利用选择性填充气孔技术可使双芯光子带隙光纤内不同纤芯的模场能量发生耦合， 通过调整光子带隙区域可使检测折射率范围覆盖至待测流体折射率[4-8]， 由于折射率变化影响耦合系数和相位匹配条件， 使得此类传感系统兼具高灵敏度和宽探测范围优点. 另外， 双芯光子晶体光纤的纤芯模存在耦合引起的损耗峰， 峰的位置与光纤外包层的大小和外部介质的折射率有关， 因此， 可以通过测量纤芯模耦合损耗峰的位置来测量外部介质的折射率. 在双芯光子晶体光纤气孔内覆盖一层纳米厚度的生物膜层， 可以直接利用双芯之间的相干效应进行免标记、 高特异性生物传感， 而不必再采用复杂的类似如光栅结构的信号后处理方法[9-14]. 而通过对多芯光子晶体光纤气孔内镀金属膜， 则可利用产生的SPR效应进行宽检测范围、 高灵敏检测， 并可获得相对于单芯SPR光纤更窄的吸收谱特性. 另外， 在多芯光纤内恰当区域填充液晶材料， 又易实现高灵敏电压/电流检测[15-16].

但是， 上述多芯光子晶体光纤流体传感器件虽具有高灵敏、 集成的优势， 但是基本上都基于闭合气孔结构. 存在和单芯光纤流体传感器件同样的响应速度过慢的问题， 因而无法适用于对实时性要求较高的快速流体传感领域.

针对上述问题， 本文提出通过改进传统的双芯熊猫光纤来进行高灵敏度传感， 并提出采用侧面抛磨方法来提高流体经外界至光纤传感区域的填充速度， 加快系统响应特性. 同时， 干涉检测方式又保留了双芯光纤流体传感器件所固有的高灵敏特性. 此外， 通过优化光纤结构还可以进一步提高传感器件的灵敏特性.

1 光纤结构

1.1 双芯光纤组成结构

图 1 为本文提出的用于流体传感的双芯光纤结构横截面图. 其由两个圆形掺锗二氧化硅纤芯， 围绕每个纤芯的基底材料(二氧化硅)、 一个封闭式圆气孔、 一个侧面和外部相连的圆气孔和移去一部分的包层(二氧化硅)组成， 可以通过侧面抛磨方法移去部分包层， 目前这方面的技术已经比较成熟. 流体物质可以通过侧面开放区域快速填充/扩散进入开放气孔， 使结构具有较快速的响应速度. 而通过合理设计光纤结构和掺锗二氧化硅/二氧化硅折射率差， 则可使光纤保持基模传输， 并可利用不同基模之间的相干效应进行高灵敏检测. 本文涉及的传感特性分析均在光纤基模状态下进行.

图 1 本文提出的开放多芯光子晶体光纤结构横截面Fig.1 Proposed cross-section of open multi-core photonic crystal fiber structure in the paper

在分析中， 设定二氧化硅纤芯的半径为R； 开放式气孔半径为Rhole； 周期性气孔半径为Rair， 气孔间距为Λ. 通过调整上述参数可以有效改变模场在传感区域的分布和相应的灵敏度. 光纤包层外径设置为62.5 μm， 这样既可以使外包层半径为62.5 μm的标准单模光纤光束高效耦合进设计的双芯光子晶体光纤两纤芯内， 又可以在光束从两纤芯传输后采用Mach-Zehnder干涉检测结构进行高灵敏相位偏移检测. 在实际检测过程中可以通过适当调整单模光纤纤芯与此双芯光纤的具体对准位置， 使得光分布在两纤芯内的比例一致， 从而保持比较好的相干场对比度.

1.2 双芯光纤内模场分析

光纤内模场分析过程将基于商业化的有限元法软件COMSOL multiphysics3.5a. 激发光源波长设置在950～1 550 nm之间. 二氧化硅材料和掺锗二氧化硅材料的折射率设为nSiO2和nGe. 二氧化硅材料折射率参数选取参考了文献[2-3]. 填充的流体折射率范围na设置为1.333 ～1.393.

图 2 描述了1 550 nm激发光波长情况下不同纤芯的基模场分布(TE、 TM偏振方向). 计算条件为纤芯半径6 μm, 空气孔1.8 μm， 大气孔12 μm， 气孔间距8 μm， 填充折射率为1.333. 可以看出， 由于开放部分纤芯紧邻的开放气孔填充入待测折射率溶液， 所以相应的纤芯区域场分布明显受到了流体折射率的影响. 不同偏振方向的场特性有一定差异， 而封闭部分纤芯区域未受到流体的影响. 所以场分布将更多地集中在纤芯区域， 而且不同偏振方向的场分布呈现简并状态. 本文设想检测方式源于同一偏振方向上不同纤芯内基模场的干涉效， 所以， 在此对双模干涉效应的公式重新进行了推导.

根据相关理论， 单一纤芯端部输出能量可以表示为

式中：θ是不同纤芯同一偏振方向的基模模式的相位差. 表示为

θ=k·L·|nleft-nright|

式中：L是传感区域的光纤长度；λ是采用的传输波长； Δna是待测流体折射率.

根据上述公式可知， 相移和双折射相关， 也与待测折射率值相关， 因此可以根据探测的相移变化推导相应的待测折射率值.

图 2 不同纤芯的基模模场分布Fig.2 The base modes distribution of different cores

传感器耦合长度可以表示为

最后， 传感器灵敏度可以表示为

假设光纤长度3cm， 光源波长1 550nm， 此时光纤传输及耦合长度特性如图 3 所示， 可见填充不同的折射率液体将影响到光纤输出端的功率及耦合长度特性， 通过相关系统即可检测功率变化情况， 进而分析出填充液体折射率状况.

图 3 传感器的传输特性与耦合长度Fig.3 Transmission characteristics of the sensor and the coupling length

2 仿真结果及分析

下面分析变化光纤结构等参数对传感系统灵敏特性的影响， 研究结果对于展开类似的开放双芯流体传感器件实验研究具有指导意义.

首先分析气孔半径对灵敏度的影响. 图4(a)显示了变化气孔半径导致的相位变化. 可以看出， 随着流体折射率的增加， 相应的相移变化速率也会相应加快， 这将导致相应的灵敏度得到增强. 在气孔半径为0.9μm情况下， 当待测折射率值达到1.393， 相应的开放双芯光纤流体传感器件灵敏度可以达到2 567rad/RIU. 相应的探测精度可以达到3.8×10-5RIU. 而随着气孔半径的增加， 可以看出相应的相位变化速率减缓， 导致对应的灵敏度降低. 而且从图4(b)也可以看出，TE和TM偏振状态下的灵敏度相差比较微弱.

再分析液体填充气孔半径对光纤传感特性的影响， 如图 5 所示. 当待测折射率值从1.333增长至1.393时， 当液体填充气孔半径在12μm和6μm之间时， 相应的耦合长度偏移区别非常明显. 其原因是小的气孔半径可以增强光场与传感区域的重叠度(图 5)， 进而增强相应的传感灵敏特性.

图 4 传感特性与气孔关系Fig.4 Relationship between transmission characteristics and stomata

图 5 传感特性与液体填充气孔关系Fig.5 Relationship between sensing characteristics liquid filling stomata

传感灵敏特性与孔间距之间的关系， 如图 7 所示. 可以看出， 随着间距的增加， 相应的耦合长度会增加， 这与光纤的模式束缚能力有关. 在本文所选取的光纤尺寸范围内， 较大的孔间距会降低纤芯模式束缚能力， 相应增加能量在传感区域的分布和光-物作用程度和灵敏效果.

传感灵敏特性与传输波长之间的关系， 如图 7 所示. 可以看出， 随着波长的增加(或者R/λ值的减小), 相应的相位变化速度会增加， 这也将导致灵敏特性的增强， 这也与不同R/λ值情况下光纤的模式束缚能力有关. 在本文所选取的光纤尺寸范围内， 较小的R/λ值会降低纤芯模式束缚能力， 相应增加能量在传感区域的分布和光-物作用程度和灵敏效果.

图 6 传感特性与空间距关系Fig.6 Relationship between sensing characteristics and spacing distance

图 7 传感特性与传输波长关系Fig.7 Relationship between sensing characteristics and transmitting wavelength

3 结 论

本文提出了一种基于双光束干涉流体检测机理的开放双芯光子晶体光纤结构. 通过在双芯光子晶体光纤包层区域引入开放导流结构来加快响应速度， 同时利用M-Z干涉检测方式证实了该双芯光纤流体传感器件的高灵敏特性. 通过优化光纤结构， 可进一步提高传感结构的灵敏特性， 分析结果认为该光纤结构针对待测液体折射率分辨能力可达3.8×10-5RIU. 展示了此类双芯光纤器件在快速高灵敏液体检测领域的应用价值.

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Simulation Analysis of Refractive Index Sensing Characteristics of Side Polishing Double-Core Panda Fiber

TIAN Er-ming, HAN Jian-ning

(School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

It have been studied that the refractive index sensing characteristics of the double core panda fiber side polished, and analyzed the effects of polishing, core size, core and refractive index on the characteristics of the sensor detail. Through the side polishing method, the panda fiber lateral wall stomata can be connected with outside liquid, this helps to speed up the response. And we can acquire the higher detection sensitivity of the liquid refractive index. The simulation results show that the optimized structure of the double-core panda optical fiber is expected to achieve a sensitivity of 3.8×10-5RIU.

double-core panda fiber； refractive index sensing characteristics； sensing sensitivity

1673-3193(2017)04-0493-05

2016-12-28

国家自然科学基金资助项目(61671414)； 山西省青年基金资助项目(201601D202035)

田二明(1978-)， 男， 讲师， 博士， 主要人事光电信息技术方面的研究.

TH744.1

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.016