基于Otto结构的光纤SPR微位移传感器

王雁茹，赵春柳，康 娟

（中国计量学院 光电子技术研究所，杭州310018）

基于Otto结构的光纤SPR微位移传感器

王雁茹，赵春柳，康 娟

（中国计量学院 光电子技术研究所，杭州310018）

提出一种基于Otto结构的高灵敏度光纤表面等离子体共振（SPR）微位移传感器。通过有限元分析软件COMSOL Multi physi csU LTIPH Y SICS对该传感器的传感特性进行了理论数值研究，分析了表面等离子体共振波长与位移变化的关系。

表面等离子体共振（SPR）；光纤；微位移传感器；灵敏度

0 引言

近年来，微位移传感器广泛应用于微电子、精密测量、生物工程和扫描显微镜等领域[1]。最初的位移传感器是基于高级集成电路和现代仿真分析方法[2]实现的，为达到最佳精度，文献[3]提出了压电陶瓷转换器与电容相结合的位移传感器，但这些传感器结构较复杂，工作环境十分有限。随着光纤技术的发展，基于光纤的微位移传感器因其灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强和结构紧凑等特点被广泛研究[4～8]，不过，这些传感器表现出的精度大都在微米范围内甚至更小，不适用于纳米位移或精确的测量。基于表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）的光纤传感器是一种通过激发SPR效应获得物质信息的新型传感器，在生命科学、医疗检测和环境监测等众多领域都具有广泛应用[9～11]，一些基于光子晶体光纤、侧面抛磨光纤、锥形光纤的表面等离子体共振传感器[12～14]用于折射率测量时，其灵敏度高达106nm/RIU，比普通基于光纤的折射率传感器要高出许多。考虑到基于SPR的传感器具有超高灵敏度的特点，为解决纳米位移的精确测量问题，本文提出一种基于Otto结构[15]的SPR微位移传感器。

图1 基于Otto结构的光纤SPR微位移传感器结构

1 传感器结构和传感原理

基于Otto结构的表面SPR微位移传感器结构如图1所示。传感头由单模光纤的等离子端面、空气间隙和侧边刨磨光纤组成，单模光纤的等离子端面是在单模光纤的端面镀一层金膜形成，侧面抛磨光纤是利用抛磨技术将光纤的部分包层去掉。图1中，dcl表示侧面抛磨光纤的剩余包层厚度，dair表示空气间隙的宽度，也就是传感器的位移，dm和dco分别表示金膜的厚度和单模光纤纤芯的厚度。当光从外界进入侧面抛磨光纤时，由于包层厚度减少，部分纤芯模会以倏逝波的形式耦合到空气间隙中传播，传播到单模光纤的金属端面时会激发金属膜表面的等离子体波。当入射光波矢沿Z轴的分量与表面等离子体波波矢相同时，二者将在空气间隙与金膜界面处发生能量耦合，部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，从而导致反射光能量急速减少，在反射谱上得到共振吸收峰。由于在镀金属薄膜表面引起的SPR效应极易受周围环境的影响，因此，改变空气间隙的厚度，共振峰的位置会发生变化。我们可通过检测共振峰位置的变化，实现空气间隙（位移）的监测。

2 传感器传感特性的理论研究和结果分析

本文采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对传感器的传感特性进行理论数值研究。在模拟仿真中，单模光纤端面镀的金膜厚度为45nm，空气间隙的宽度为5nm，剩余包层的厚度为100nm。研究表明，在激发波长为704nm时，单模光纤端面金膜与空气间隙的界面处发生SPR共振效应，在金膜表面的电场能量有局部加强的现象。

本文设计的微位移传感器的结构可看作是由侧边刨磨去除包层的光纤的纤芯层、包层、空气间隙层和金膜层构成的多层波导结构。侧边刨磨光纤剩余包层的厚度将影响传感器的性能，如果侧边刨磨光纤剩余包层的厚度太厚，会使基模耦合成的倏逝波能量降低。我们将剩余包层厚度 dcl分别设置为 100nm、150nm和200nm，金膜的厚度为45nm，空气间隙的宽度为5nm，得到的SPR光谱图如图2所示。随着剩余包层厚度的增加，SPR共振波长向短波方向漂移，且SPR波长的曲线变得越来越宽。因此，本文认为剩余包层的厚度为100nm时最佳。

图2 SPR光谱与侧边刨磨光纤包层厚度的关系图

单模光纤端面金膜的厚度也是影响该传感器传感性能的一个重要参数。如果金属膜的厚度太薄，由于金属自身的散射损耗，表面等离子体波将很快被衰减损耗掉，很难激发SPR效应；如果金属膜的厚度太大，由于金属的强吸收作用，使得表面等离子体波很快被吸收，不能有效产生SPR谐振效应。我们将单模光纤端面镀的金膜厚度dm分别设置为40nm、45nm、50nm、55nm和60nm，侧面抛磨光纤的剩余包层厚度为设置为100nm，空气间隙的宽度设置为5nm，得到SPR光谱随单模光纤端面金膜厚度变化的变化图，具体如图3所示。随着金膜厚度的增加，SPR谐振波长向长波漂移，SPR光谱变得越来越宽，SPR谐振波长的谐振峰峰谷变得越来越浅。这种现象表明，当金膜的厚度超过60nm时，由于金属的强吸收作用，基于该结构的传感器将很难激发产生SPR效应。

图3 SPR光谱与金膜厚度的关系图

根据测试结果，本文选取以下结构参数制作基于SPR效应的微位移传感器传感头：单模光纤端面的金膜厚度为45nm，侧面抛磨光纤的剩余包层厚度为100nm，光纤纤芯和包层折射率的分别设置为1.46和1.45。我们将空气间隙宽度的改变作为位移的变化，运用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对该传感器进行数值模拟，位移变化为0.5～10nm，变化的步长为0.5nm，得到位移为1nm、3nm、5nm、7nm、8nm、9nm和10nm时SPR光谱的变化图如图4所示。随着位移增加，SPR光谱向短波漂移，SPR光谱的峰谷变得越来越宽且越来越浅，说明在金膜表面的倏逝场能量越来越弱。当位移在10nm时，SPR光谱曲线的峰谷变得非常浅且宽。这表明当位移超过10nm时，基于该结构的微位移传感器传感头的SPR效应将很难被激发。

图4 SPR光谱随空气间隙(位移)变化的变化图

本文利用Matlab 2013Rb对位移和对应的SPR谐振波长进行了线性拟合和分析，两者之间的关系图如图5所示。当位移变化为0.5～10nm，步长间隔为0.5nm时，SPR谐振波长变化为884.62～585.88nm，SPR谐振波长漂移了298.74nm，表明基于该结构的纳米位移传感器的平均灵敏度为31.45nm/nm。同时，我们利用软件对SPR谐振波长和空气间隙宽度进行函数拟合，发现随着空气间隙变化，SPR谐振波长呈正弦曲线变化。当位移区间为0.5～10nm时，曲线的表达式为：

图5 SPR谐振波长与空气间隙宽度(位移)之间的拟合关系图

3 结束语

本文提出了一种基于Otto结构的SPR微位移传感器，把Otto结构转化到单模光纤上激发SPR效应。传感头由单模光纤的等离子端面、空气间隙和侧边刨磨光纤组成，通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics对传感器的传感特性进行了数值理论研究，研究结果表明，本文设计的微位移传感头可以有效激发SPR效应，在空气间隙为0.5～10nm范围内，SPR共振波长随空气间隙的增大逐渐向短波方向漂移，灵敏度高达31.45nm/nm。

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Fiber SPR micro-displacement sensor based on Otto structure

WANG Yan-ru,ZHAO Chun-liu,KANG Juan
(Institute of Optoelectronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

The paper proposes a highly sensitive fiber SPR micro-displacement sensor based on Otto structure. It simulates the sensing properties of sensor numerically by the finite element method(FEM)analysis software COMSOL Multiphysics,and analyzes the relationship of the surface plasmon resonance wavelength with the displacement change.

surface plasmon resonance(SPR),optical fiber,micro-displacement sensor,sensitivity

TP212

A

1002-5561（2016）04-0030-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.010

2015-12-16。

国家自然科学基金（批准号：Nos.61505194）资助；浙江省国际科技合作专项项目（2013C24018）资助。

王雁茹（1991-），女，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感。