基于金银复合膜的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

魏文系， 王增辉， 林春婷， 吴根柱

(浙江师范大学 物理与电子信息工程学院,浙江 金华 321004)

0 引 言

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是指在介质-金属界面处光与电子相互作用发生的物理光学现象，对光谱具有灵活的调控能力[1-2].由于其对周围环境折射率的微小改变响应非常灵敏，构成了不同类型传感器的基础，可以通过共振峰值的漂移来识别折射率的改变[3].因此,可以广泛地应用于物理、化学和生化传感领域[4].传统的SPR传感器往往与棱镜耦合激发SPR效应[5-7],如Kretschmann-Raether装置[8]，但存在体积大、难集成、不能用于遥感等缺点[9-10].而基于SPR效应的光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)传感器因结构紧凑、高度集成、易损性低等特点在测量折射率[11]、温度[12-13]和应变[14]等环境中表现出较好的传感性能，成为目前一个研究热点.

通过优化PCF的几何参数如气孔大小、光纤长度及晶格排列(即圆形、矩形、六角形、八角形或螺旋形)可以实现低损耗和高灵敏度传感[15].Jitendra等[2]利用银和石墨烯2种材料作为SPR的激励物质设计了D型PCF-SPR传感器用于测量分析物的折射率和生物层的厚度，灵敏度为3 700 nm/RIU(refractive index unit，RIU);Gangwar等[16]对光纤进行微加工得到侧抛结构的D型PCF-SPR传感器，用于测量折射率为1.43～1.46的分析物，最大灵敏度为7 700 nm/RIU;Huang等[17]利用氧化铟锡为镀层材料设计的D型PCF-SPR生物传感器，灵敏度最高可达到6 000 nm/RIU;2020年,Tiwari等[18]提出了空间分布双金属层型PCF-SPR生物传感器，分别在金和银2个共振峰中获得较好的灵敏度和分辨率.

当纤芯基模和表面等离子体模之间满足相位匹配条件时，即纤芯基模与表面等离子体模的有效折射率实部相等时[19-20]，在PCF中传播的光可以与特定波长的等离子体模发生耦合.通过检测透射光的光谱特性来分析外界环境折射率的变化.为了实现对液体分析物的检测，金、银、石墨烯等物质被选择性地涂覆在D型PCF的表面上.其中，金的共振峰对物质折射率的变化十分灵敏[21]，常用于SPR传感装置中，但半高宽过宽.金属银会有更尖锐的共振峰，但容易氧化[21]，影响传感器的灵敏度.

本文提出了一种基于金银复合膜的D型PCF-SPR效应的折射率传感器，在银膜的表面再涂覆上一定厚度的金膜.仿真结果表明，该结构在防止银氧化的同时，传感器的折射率灵敏度与分辨率都有较大的提高.

1 结构设计与分析

图1展示的是基于PCF-SPR效应的D型折射率传感器示意图，在PCF纤芯区域引入一个直径dc=0.20 μm的纤芯小空气孔，用以降低纤芯模式的有效折射率，以实现在较低的频段内纤芯模式与等离子体模式的相位匹配[22]和提高灵敏度.气孔间距Λ=2.00 μm，气孔的直径d1=0.75 μm，银膜的厚度m1=30 nm,金膜的厚度m2=15 nm.PCF的背景材料是由熔融的二氧化硅制备(灰色区域)，其折射率可以通过Sellmeier方程计算得到[23]

图1 D型PCF-SPR传感器示意图

n2=A+B/(1-C/λ2)+D/(1-E/λ2).

(1)

式(1)中：A，B，C，D，E为Sellmeier常数,在文献[18]中提到，涂覆层中的金(Au)与银(Ag)的折射率可以由Drude-Lorentz模型描述[24].

同时在外部区域设置完美匹配层吸收光场辐射的能量.光纤外围填充分析物的折射率(refractive index,IR)为1.31～1.36.通过试用版Comsol Multiphysics软件中的波动光学模块，采用有限元法计算传感器的电磁模态[25].

图2中，黑色与蓝色曲线表示的是y偏振基模的有效折射率实部与虚部随着波长的变化关系；红色曲线代表的是等离子体模的有效折射率实部随着波长的变化关系.曲线表明了折射率与波长之间存在强烈的依赖关系.当黑色实线与红色实线相交时(λ=580 nm)，意味着2种模态(y偏振基模态和等离子体模态)的有效折射率的实部相等，此时限制损耗曲线在相同的波长下表现出一个明显的峰值，证实了相位匹配的条件.图3为在不同波段处光纤的电场分布情况.图3(a)、图3(b)是x,y偏振基模的电场分布，能量被很好地局域在纤芯处；图3(c)、图3(d)是y偏振的等离子体模态,能量从纤芯基模向等离子体模发生强烈的转移.

图2 IR=1.33时，y偏振基模(黑色和蓝色实线)与等离子体模(红色实线)的色散关系

(a)波长λ=500 nm时，x偏振基模电场;(b)波长λ=500 nm时，y偏振基模电场;(c)波长λ=580 nm时,在共振波长处的y偏振基模电场;(d)λ=580 nm(相位匹配点)时，y偏振的等离子体模电场

2 结果与讨论

通过检测损耗谱的共振波长或强度,传感器可测量出物质折射率的变化.当待测液体的折射率发生改变时，纤芯基模与等离子体模之间的相位匹配关系也随之发生改变，从而导致共振波长发生漂移.折射率灵敏度、限制损耗、分辨率是反映传感器性能优劣的几个重要参数[26].光纤的限制损耗定义为

αloss(dB/cm)=8.686×k0×Im[neff]×104.

(2)

式(2)中：k0是真空中的波数；Im[neff]表示PCF有效折射率的虚部，其数值通过试用版Comsol Multiphysics软件计算得到[27]，根据式(2)可计算得出传感器的损耗光谱.

图4反映了随着分析物折射率的增加，损耗谱的共振峰发生红移，当分析物折射率≤1.34时，共振峰随着分析物的折射率增大而增大;在分析物折射率>1.34时，共振峰随着分析物的折射率增大而减小.

图4 取最佳参数时，IR在1.31～1.36变化的损耗谱

折射率灵敏度作为衡量传感器优劣的重要参数之一，可以通过计算得到:

(3)

式(3)中：Δλpeak表示共振波长漂移;Δna表示折射率的变化.当分析物的折射率为1.35和1.36时，波长的漂移量最大，对应的共振波峰值分别为663 nm和727 nm.通过式(3)计算可以得到，最大折射率灵敏度为6 400 nm/RIU.在文献[22]中单纯金膜的最大折射率灵敏度只有2 900 nm/RIU，波长灵敏度提升了120%.若仪器的最小波长分辨率Δλmin=0.1 nm,则对应传感器的分辨率为

(4)

代入数据可得，R=1.56×10-6RIU，与文献[22]计算出的传感器的分辨率R=3.44×10-5RIU相比，提升了95%.图5将分析物的折射率与共振波长进行二次拟合得到拟合度为99.83%.

图5 分析物折射率与共振波长的拟合关系

几何参数对传感器的性能具有显著的影响，下面探讨通过改变大空气孔的直径、纤芯小空气孔直径及气孔间距等几何参数对传感器性能的影响.经过优化参数，使得传感性能达到最佳，具体见图6.

在图6(a)中，分别取大空气孔直径为0.70,0.75,0.80 μm和分析物折射率分别为1.33,1.34时，探究大空气孔直径与分析物折射率对传感器损耗谱的影响关系，并且计算出相对应的折射率灵敏度.当大空气孔直径为0.70 μm时，对应的共振波长分别为553,608 nm，代入式(3)可计算出折射率灵敏度为4 500 nm/RIU; 当大空气孔直径为0.75 μm时，折射率灵敏度为3 700 nm/RIU;当大空气孔直径为0.80 μm时，折射率灵敏度为2 900 nm/RIU.0.70 μm时的折射率灵敏度虽然比0.75 μm时的折射率灵敏度高，但是损耗峰值较低，半高宽较宽.综合以上因素考虑，大空气孔直径取0.75 μm时，传感器性能最好.类似于上述分析，从图6(b)、图6(c)中损耗谱线关系分析得出：当中心空气孔的直径取值为0.20 μm，气孔间距取2.00 μm时，传感器的性能最好.

(a)大气孔直径对损耗谱的影响关系

在仿真中，笔者取金银复合膜的总厚度为45 nm,探究金膜、银膜在不同厚度下对损耗谱线的影响关系.从图7中分别取金膜的厚度为10,15,20 nm进行分析，可以得出当金膜的厚度为10 nm和20 nm时，损耗峰值较低，半高宽过宽，不利于基模与等离子体模之间的能量耦合.当金膜的厚度为15 nm时，相比之下具有较高的损耗峰值且半高宽较窄.图8探究了银膜厚度分别为25,30,35 nm时对损耗谱的影响关系.当银膜厚度为30 nm时，损耗峰值较大，半高宽窄.即金膜的最佳厚度为15 nm，银膜的最佳厚度为30 nm.

图7 金膜厚度对损耗谱的影响关系

图8 银膜厚度对损耗谱的影响关系

取最优厚度下的金膜与银膜进行折射率灵敏度分析，可以得到当分析物的折射率为1.33和1.34时，共振峰值波长分别为580，617 nm,代入式(3)可得到灵敏度为3 700 nm/RIU.

下面在相同的PCF几何参数下，探究取相同厚度的单层金膜、单层银膜及金银复合膜对传感器损耗谱的影响关系，并从此关系计算出相对应的折射率灵敏度.图9为金属材料对损耗峰的影响关系对比.

图9 金属材料对损耗峰影响关系对比

图9中，笔者分别取厚度为45 nm的单层银膜、单层金膜和金银复合膜在分析物折射率为1.33，1.34下，对比3种金属膜材料在分析物折射率变化时对损耗光谱及半高宽的影响.从图9可以看出，单层银膜具有较窄的半高宽，但是损耗峰值不高，在分析物折射率为1.33，1.34时，对应的共振波长分别为515，545 nm，共振波长变化了30 nm.由式(3)可得，折射率灵敏度为3 000 nm/RIU.取单层金膜时，可以得到金膜有着比较大的损耗峰值，但是金膜的半高宽过宽，不利于实验的检测，对应的共振波长为602，640 nm，折射率灵敏度为3 800 nm/RIU.当取金银复合膜在最佳厚度时(金膜15 nm,银膜30 nm)，共振波长分别为580，617 nm ,灵敏度为3 700 nm/RIU，显然金银复合膜能得到与单层金膜相近的折射率灵敏度，又能获得较窄的半高宽值，并且大大减少了金膜的厚度，节约了成本，相比于单层的银膜，折射率灵敏度有较大的提高.

3 结 论

本文所提出的基于PCF-SPR效应的D型折射率传感器，选取的金银复合膜能有效地激发SPR效应.经过优化参数，在最佳结构参数下，银膜表面覆盖金膜能有效地防止银的氧化.获得最大灵敏度为6 400 nm/RIU，分辨率为1.56×10-6RIU.在相同的几何结构中，相比于单层银膜，其折射率灵敏度和分辨率都获得提升；与单层金膜相比，在灵敏度相差不大的情况下，能取得较窄的半高宽值,并且能减少金膜的厚度,可进一步节约成本.因外部传感结构简单，使其制造更加灵活，复合膜为传感器的设计添加了新的自由度.该传感器在药物、生物和有机化学等折射率传感中可以得到有效应用.