基于表面等离子体共振技术的光子晶体光纤传感器研究

马韬 漆琦 乌日娜

沈阳理工大学/理学院 辽宁 沈阳 110159

引言

光子晶体（Photonic Crystal）是由S.John和E.Yablonovitch在1987年分别独立提出的[1-2]，是一种由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。1996年，T. A. Birks、J. C. Knight等人将光子晶体与光纤结合制作出第一根光子晶体光纤[3]，推动了光纤通信、传感等领域的进步，又因其结构多样、可根据需要进行不同结构的创新等诸多优点，近年来获得了科研人员的青睐。不仅如此，研究人员发现表面等离子体共振效应对周围环境的变化十分敏感，故将其与光子晶体光纤结合制作出表面等离子体共振光纤传感器，其具有灵敏度高、响应时间段、抗电磁干扰能力强等优点[4]。

2015年，J. N. Dash、R. Jha在D型光子晶体光纤的上表面涂敷了一层银-石墨烯的复合结构，结果表明，其振幅灵敏度为216 RIU-1，实现了低损耗等优良特性[5]。2016年，施伟华等人在光子晶体光纤中选择性填充热敏材料，研究发现，当将热敏材料填充到内层空气孔时，传感器的灵敏度最高，为选择性填充PCF的研究提供了可能[6]。2019年，Md. Asaduzzaman Jabin等人提出了一种用于检测人体血液的D型PCF-SPR传感器，该传感器的双通道分别用于检测人体血液中血红蛋白和硫代硫醇的含量，为了避免双通道检测过程中彼此的干扰，在两个通道中间设计了一个圆形空气孔，取得了良好的检测效果[7]。2022年，熊明强等人提出了一种表面镀银的双侧抛光子晶体光纤表面等离子体共振（SPR-PCF）传感器，实现了0-120℃范围温度的传感[8]。

本文设计并研究一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器，在光子晶体光纤包层外表面沉积石墨烯-银薄膜，利用有限元数值仿真对这种传感器的光学性质和传感性能进行详细研究。

1 器件结构与传感机理

基于圆形晶格的光子晶体光纤表面等离子体共振传感器如图1所示。最外层绿色部分为待测分析物。为了能够模拟电磁波在自由空间内的传播情况，使用了完美匹配层（Perfectly Matched Layer，PML）边界条件。包层由两层空气孔组成，内外层均采用六边形结构，外层空气孔的直径为d1，内层上下两空气孔的直径为d2，左右两层空气孔的直径为d3。内外层空气孔距离为Λ，银纳米膜厚度为t1，石墨烯纳米膜厚度为t2。

图1 PCF-SPR传感器结构图

该传感器以石英材料为基底。为了防止银表面氧化[9]，光纤包层的外壁沉积石墨烯-银纳米薄膜。基底材料石英的波长与折射率之间的关系可以由Sellmeier方程来描述。

在PCF-SPR传感器的外涂层为石墨烯-银的复合纳米薄膜，银的介电常数可由Drude-Lorentz模型给出。

石墨烯的折射率随波长的变化由Wang, F.等[10]给出。

设置完美匹配层（Perfect Matching Layer，PML）和散射边界条件。其中，完美匹配层用来模拟自由空间吸收散射的多余光波，散射边界条件用来吸收法向方向的散射光波。当待测介质折射率na=1.38，空气孔直径d1=1.8µm，d2=1.5µm，d3=0.6µm，内外层空气孔距离Λ=3µm，银纳米膜厚度t1=15nm，石墨烯纳米膜厚度t2=15nm时，有效折射率和会功率损耗随波长变化的曲线，如图2所示。

图2 PCF-SPR传感器各模式有效折射率、功率损耗变化曲线

图2 中左右两坐标轴分别为有效折射率实部和传感器损耗，黑色实线表示纤芯基模能量损耗与工作波长之间的关系，绿色和红色线分别代表纤芯基模、表面等离子体模的有效折射率实部与工作波长之间的关系，分别用nCBM和nSPM来表示。由图2可知，当入射光波长小于1.04µm时，nCBM＜nSPM，无法满足相位匹配条件，光波导被很好地限制在纤芯基模和表面等离子体模通道中，各通道互不干扰；当入射光波长等于1.04µm时，nCBM=nSPM，符合相位匹配条件，引发共振现象，损耗谱中出现一明显损耗峰；随着入射波长的增加，相位匹配减弱，纤芯能量损耗减小，光波导又被很好地限制在各通道中，共振现象消失，出现nCBM＞nSPM的现象。

2 传感器性能分析及结构优化

选取银纳米膜厚度t1分别为11nm、13nm、15nm。模拟发现，随着银纳米膜厚度的增加，引发纤芯基模与表面等离子体模共振现象时，共振波长向长波长方向移动。当待测介质折射率na=1.37时，随着银纳米膜厚度t1的增加，传输损耗呈现出先增大后减小的趋势，表明较厚的银纳米膜会抑制PCF-SPR传感器的传感性能。当银膜厚度t1固定在某一数值时，随着待测介质的折射率增加，其损耗峰值随之增加，且共振波长向长波长方向移动。由于损耗峰值越高，表明纤芯基模与表面等离子体模之间的耦合程度越强。因此，该PCF-SPR传感器的银纳米膜厚度选定为13nm，即t1=13nm。

空气孔的直径影响着纤芯基模与表面等离子体膜的耦合程度。在优化过程中，分别对内外层空气孔直径进行分析。固定银纳米膜厚度t1=13nm，石墨烯纳米膜厚度t2=15nm，分别对d1在1.5~1.8µm，d2在1.2~1.5µm，d3在1.1~1.3µm（步长为0.1µm）的情况下，纤芯基模的损耗谱线进行模拟计算。

可以发现，随着d1、d3的逐渐增大，纤芯基模的损耗逐渐增大；而随着d2逐渐增大时，纤芯基模的损耗呈现出先增大后减小的现象。这是因为随着内层空气孔直径的增大，降低了纤芯基模的光场面积，当内层空气孔增加的一定程度后，在其他结构参数的共同作用下，纤芯基模和表面等离子体模的耦合程度降低，导致纤芯基模的损耗降低。因此，内外层空气孔直径选定为d1=1.5µm，d2=1.4µm，d3=1.3µm。

至此，确定了本文PCF-SPR传感器的最佳结构参数：银纳米膜厚度t1=13nm，石墨烯纳米膜厚度t2=15nm，外层空气孔直径d1=1.5µm，内层空气孔直径d2=1.4µm、d3=1.3µm。为了分析该结构参数下PCF-SPR传感器的传感性能，我们模拟计算不同待测介质折射率下纤芯基模的损耗谱线（折射率变化范围为1.37-1.38），如图3所示。

图3 优化后纤芯基模的损耗谱线

传感器的灵敏度和分辨率为分析传感器性能的重要指标。通过计算可以得到，该PCF-SPR传感器的最高灵敏度可达到40000nm/RIU，分辨率可达到4.17×10-5RIU。

为了获得共振峰波长与待测介质折射率之间的线性关系，利用Origin对数据进行线性拟合。通过计算可以看出，共振波长与折射率的关系为：拟合曲线R2=0.95117，表明该拟合曲线对结果具有较好的预测性，体现了良好的线性关系，为通过共振波长位置确定待测介质折射率提供了依据。

3 结论

本文设计了一种PCF-SPR传感器，可用于待测介质的折射率检测。利用COMSOL Multiphysics对该传感器进行模拟，并通过改变结构参数对传感器性能进行优化。研究表明，该传感器石墨烯纳米膜厚度t1=15nm，银纳米膜厚度t2=13nm，外层空气孔直径d1=1.5µm，内层上下空气孔直径d2=1.4µm，左右空气孔直径d3=1.3µm，可以实现折射率在1.37-1.38范围内的检测，最高灵敏度可达40000nm/RIU，分辨率可达4.17×10-5RIU，拟合曲线R2=0.95117，具有较好的预测性。该传感器利用外层镀膜的方式，制作过程简单，方便操作，在化学检测等领域具有极大的应用前景。