一种开放性悬芯光纤SPR传感器结构设计与性能优化

刘星麟， 全　磊， 刘晋荣， 安永泉， 张　晶， 王冠军,4

(1. 中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051； 2. 河南机电职业学院 电气工程学院， 河南 郑州 451191；3. 北京航空航天大学 电子与信息工程学院， 北京 100083； 4. 海南大学 信息科学技术学院， 海南 海口 570228)

0　引　言

传统的封闭式微结构光纤流体传感器必须先从光纤一端填充被测的气体或液体， 然后再进行进行传感. 填充时间非常缓慢[1-2]， 即使可以在光纤端面上施加压力来改进填充时间[3]， 仍然无法满足实时流体传感需求.

为了实现实时流体传感， 近年来研究人员提出了多种部分纤芯裸露的开放式悬芯光纤传感器结构[4-11]. 其共同特点是在传统光子晶体光纤结构上利用开槽等手段， 实现了模场能量与外界待测物质的实时直接接触， 达到快速传感目的， 同时由于破坏部分带隙结构， 也可有效增强气体或液体与光纤光场的作用强度. 通过合理设计光纤几何参数， 该倏逝波与待测物质的作用效果甚至优于传统的光子晶体光纤结构. 这可望为未来气体、 液体和生物医学等领域中高精度实时传感器设计提供一种新的方法. 同时， 根据金属或纳米金属结构的表面等离激元共振(SPR)效应， SPR传感器能够对传感器表面环境介质组成的微小变化做出灵敏的响应. 而全内反射传输光的纤芯区域也可以进行高灵敏度SPR传感的载体. 自Jorgenson[12]等人提出了基于光纤的SPR传感装置之后， 光纤表面等离子体传感器在生化检测领域的文献报道逐年增多[13-18].

为了同时兼顾实时流体传感与高灵敏度检测需求， 本文结合开放式悬芯光纤与表面等离激元共振技术， 设计了一种新颖的光纤表面等离子体共振传感器. 其特点是悬芯光纤中的一个大气孔对外开放， 在此气孔内侧沿着纤芯轴向设置大小、 间距相同的金圆柱. 金圆柱的存在可以激发SPR效应， 并通过选择合适的间距可以加强SPR效应， 使传感器灵敏度提高.

1　传感器结构设计

图 1 是设计的基于三孔悬芯光纤的表面等离子体共振传感器结构横截面图. 其中的悬芯光纤有三个大气孔. 其中一个大气孔呈开放式设计， 是待测液体的通道， 开放式气孔内附着沿纤芯轴向的大小相同， 间距相同的纳米级金圆柱. 金圆柱直径为d， 金圆柱之间的间距为dgap， 折射率用nd表示. 附着有金圆柱的大气孔中装有被测液体， 其余两个大气孔内填充空气. 在用商用软件COMSOL进行建模时， 首先选取纤芯的曲率r=4 μm， 悬臂厚度c=1 μm. 悬芯材料为二氧化硅， 其在不同波长条件下的折射率nc可由式(1)中的Sellmeier方程求得

(1)

式中：Bj和ωj都与材料特性有关， 对于熔石英来说，B1=0.696 166 3，B2=0.107 942 6，B3=0.897 479 4；ωj=2c/j， 而ω1=0.068 404 3 m，ω2=0.116 241 4 m，ω3=9.896 161 m. 金圆柱折射率nd参数源自文献[19]. 图 1(b) 是仿真计算区域的有限元网格设置. 为了节省计算时间， 本文利用结构的对称性截取了光纤的一半作为计算区域， 包层外缘的边界条件设置为散射边界条件， 内部不同材料之间的切向电场分量设置为连续，y轴处的对称面设置为完美磁导体.

图 1　所提出的传感器结构与建模方法Fig.1　The proposed sensor structure and modeling method

2　理论分析方法

在本文所提出的开放式悬芯光纤传感器中， 光纤模式传播常数可以表示为

β=neffk0,

（2)

式中：neff是模式的有效折射率. 光纤传感器中沿z轴正向传播的模式的功率损耗可以表示为

P=P0e-αz,

（3)

式中：P0是平面z=0处的功率. 模式的衰减常数α和模式有效折射率的虚部成正比

α=2k0Im(neff).

（4)

所以， 可以用衰减系数α来定量评估高斯导模的传输损耗.

此外， SPR传感器的灵敏度S可表示为

(5)

式中： Δn表示被测液体折射率值从na=a处发生变化的偏移值； Δα表示液体折射率变化时对于波长处传输损耗的变化值；αa表示被测液体折射率na=a时光纤的传输损耗谱.

3　仿真结果及分析

在上述理论基础上， 本文利用有限元软件COMSOL对上述结构的模式与灵敏度特性进行了分析. 图 2 是模式的空间场分布特性(此时设计金圆柱直径d=45 nm， 传输波长λ=530 nm). 损耗波峰模式很接近于高斯型. 从图 2 中也可以看出， 金圆柱区域有强烈的能量分布， 形成了共振效应.

图 2　基模的模场分布Fig.2　The mode field distribution of the fundamental mode

进一步分析图 2 中场增强部分能量分布与传输波长关系， 结果如图 3 所示. 可知， 金圆柱直径d=45 nm时的谐振峰波长为560 nm. 因此， 比较λ=535 nm,λ=650 nm及无金属结构时的基模场增强效果， 可以看到， 在金圆柱存在区域， 模式的场幅度在纤芯和被测流体这两种材料中存在局部的衰减， 这正是等离子谐振效应特性的表现. 而无金圆柱结构时， 模式的场幅度是随着远离纤芯而递减. 同时由于金圆柱的存在， 场幅度在金圆柱和被测流体界面也会产生强烈的场增强的效果， 这也是金圆柱上下界面表面等离激元强烈耦合的作用. 在谐振波长λ=560 nm处， 场增强的效果最显著， 当远离谐振波长时， 场增强的效果将减弱. 这是由于在非谐振波长处， 如 535 nm和650 nm， 模式的大部分能量被限制在纤芯之内， 而在谐振波长λ=560 nm处， 传导的模式激发金圆柱形成强烈的SPR效应， 等离子体的能量比非谐振波长处更深入到被测流体中. 所以选择合适的工作波长， 可以最大程度地实现场增强和灵敏度增强目的.

图 3　基模的场增强部分特性分析Fig.3　Analysis of the characteristics of the field enhancement spart of the fundamental mode

图 4 分析了金圆柱直径d增大情况下， 模式损耗α随波长λ变化而变化的曲线. 可知， 随着金圆柱直径的增大， 等离子谐振峰波长向长波长处偏移， 同时谐振峰处的损耗值也逐渐增大. 金圆柱直径d=35 nm时的谐振峰波长为530 nm，d=40nm时的谐振峰波长为544 nm，d从35 nm变化到40 nm， 谐振峰波长向长波长处偏移了14 nm. 所以， 通过调节金圆柱的直径大小， 可以调整等离子体传感器谐振的振幅和传感器的损耗特性.

图 4　金圆柱直径改变时的传输损耗谱Fig.4　Transmission loss spectrum when the diameter of the gold cylinder changes

图 5 分析了改变金圆柱间距dgap时的传感器传输光谱变化特性特性. 从0.5 nm变化到15 nm逐渐增大金圆柱之间的距离， 谐振峰逐渐向长波长处偏移， 同时谐振峰波长处的传输损耗也逐渐增加， 传输光谱的半高带宽变宽.

图 5　金圆柱之间间隔变化时的传输损耗谱Fig.5　Transmission loss spectrum when the interval between gold cylinders changes

图 6 分析了传感器基模随着待测液体折射率变化时的传输损耗光谱特性.

图 6　被测液体折射率na改变时的传输损耗谱Fig.6　Transmission loss spectrum when the refractive index na of the measured liquid changes

可以看出， 随着被测液体的折射率na从 1.333 变化到1.36， 所提出的光纤传感器的等离子体谐振峰向长波长处偏移. 例如被测液体折射率na=1.333时的谐振峰波长为530 nm，na=1.34 时的谐振峰波长为534 nm.na值从1.333增至1.34， 谐振波产向长波方向移动4 nm. 这是因为随着被测液体折射率的增大， 纤芯和包层折射率的差值减小， 从而导致基模的有效折射率减小， 因此谐振峰值向长波长处漂移. 同时随着被测液体的折射率na从 1.333 变化到1.36， 谐振峰波长处的最高模式损耗也相应增大， 光纤接收端功率谱的半高带宽变宽.

通过上述分析， 可以看出金圆柱直径d=35 nm， 间隔gap=0.5 nm情况下灵敏度特性比较高. 在此基础上， 计算了被测液体折射率na=1.333, 1.345, 1.35情况下的传感器的灵敏度特性(见图 7). 可以看出， 当被测液体的折射率比较大时， 传感器灵敏度比较高； 反之， 灵敏度较低. 这和实际应用中的光纤SPR检测系统探测的结果一致. 在液体折射率na=1.333时， 假设接收端能探测到传输功率1%的变化量， 那么被测液体折射率检测灵敏度可以达到2.5×10-4量级.

图 7　不同液体折射率的传感器灵敏度Fig.7　Sensor sensitivity of different liquid refractive index

4　结　语

本文主要分析了开放式悬芯光纤SPR传感器中， 金圆柱的直径、 金圆柱之间的间隔以及被测流体折射率的变化对开放式悬芯光纤的导模模式传输损耗谱的影响. 分析结果表明， 可以通过调整金圆柱的直径和金圆柱之间的间隔， 或选择合适的工作波长， 来调整SPR效应传输光谱的特性， 提高对被测液体的探测精度和灵敏度. 传感器参数经优化设计后， 其SPR传感灵敏度可以高达2.5×10-4nm/RIU.