基于SPR效应的温度与磁场复合型光子晶体光纤传感器

□钟土基

一、引言

温度和磁场是科学研究和工程应用中经常要测量的物理量，其测量方法已相对比较成熟，对应的传感器也广泛应用于探测、监测和控制等多个领域。光纤传感器由于其独特的优势，包括高灵敏度、高稳定性以及高集成度等优点得到了广泛应用[1～3]。然而，在不少领域需要对这两个物理量进行同时测量。目前对于这两个物理量测量的传感器，无论是原理还是结构都有较大的差别。光纤温度传感器的发展相对成熟，而光纤磁场传感器主要利用光纤光栅的法拉第效应来测量磁场强度[4]，后来改进的方法有基于法布里-珀罗干涉[5]或者马赫-曾德尔干涉[6]等。然而，这些方式易受外界环境和光源波动的干扰，并且如果在同一个系统中嵌入两个传感器，又将降低系统的集成度和灵活性。因此，发展一种复合型的温度与磁场光纤传感器是目前光电传感领域的热门方向之一。在众多的光纤传感器中，基于光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)结构的传感器因其体积小、灵敏度高、结构灵活、能适应恶劣的工作环境以及可实现远距离信号传输等优点，受到了国内外研究人员的密切关注[7～8]。另外，表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)的吸收光谱与周围电介质的折射率密切相关，即可以通过检测共振峰的位置来感知周围环境属性的改变，因此SPR效应被广泛应用于传感领域[9]。而将PCF结构和SPR效应相结合，则可使传感器具有可调谐范围宽、灵敏度高、温度稳定性好等一系列的优点。

本文提出了一种基于SPR效应和缺陷耦合的PCF温度—磁场复合型传感器。在满足一定的耦合条件时，传输信号能量可在两种模式之间发生转移，而利用缺陷结构可进一步增加其动态范围。在垂直方向和水平方向分别设置两个通道，并在通道中填充磁流体，同时在其他的空气孔内壁镀金属薄膜。当特定波长的光波在光纤中传输时会引起SPR效应和缺陷模耦合，使SPR共振峰漂移，而漂移的程度与磁流体的等效折射率有关。数值模拟结果表明，在一定的动态测量范围内，共振峰的偏移量与折射率保持较好的线性关系，通过分析损耗峰的漂移与温度和磁场的函数关系，可实现对两者的同时测量。

二、传感器结构与基本理论

基于缺陷耦合的PCF传感器横截面结构如图1所示。模型为5层空气孔结构，其中最内层空气孔直径d1=1.62um，其他层空气孔直径d2=1.3um，空气孔距为Λ=2.5um。在第四层上分别设置了两组缺陷孔，其中上下两个缺陷孔(垂直方向)直径d3=0.6um，左右两个缺陷孔(水平方向)直径d4=0.65um，四个缺陷孔中填充折射率为1.3418的磁流体。第二层空气孔中的两小孔为能量调节孔，其直径为d5=0.5um。光纤的基底材料为石英玻璃，其折射率遵循塞缪尔方程。

图1 基于光子晶体光纤结构的传感器剖面图

光波在PCF中传播遵循麦克斯韦方程，并由此推导出亥姆霍兹方程：

(1)

(2)

(3)

式中λ为光在真空中的波长，Im(neff)为有效折射率的虚部。

当T=20℃，H=0mT时，纤芯模及缺陷模的有效折射率随波长变化的关系曲线如图2所示。在1400nm～1600nm波段范围内，纤芯分别与垂直方向缺陷孔、水平方向缺陷孔在特定波长处发生耦合。在耦合波长处，纤芯模与缺陷模的有效折射率实部相等，此时，纤芯模的有效折射率虚部最大。

图2 纤芯模及缺陷模的有效折射率随波长变化的关系曲线

由公式(4)可计算得纤芯模的传输损耗曲线，如图3所示。由图可得两损耗峰分别出现在1433.5nm、1549nm处。

(4)

图3 纤芯模传输损耗曲线

三、结果与分析

利用全矢量有限元法对缺陷耦合的光子晶体光纤传感器进行数值模拟，在完美匹配层的边界条件下，分别研究了纤芯传输模式中表面等离子体共振峰的漂移量与温度和磁场的关系。

(一)温度特性。缺陷孔中填充磁流体的折射率—温度系数为-8.02e-5/℃。当H=0mT，温度T从0℃变化到80℃时，光纤的基模传输损耗随波长变化的关系曲线如图4(a)所示，相应的耦合波长漂移情况如图4(b)所示。其中左峰为纤芯模与垂直方向缺陷模的耦合，右峰为纤芯模与水平方向缺陷模的耦合。由图4(b)可算出，在0℃～80℃的温度范围内，左峰的温度灵敏度为0.534nm/℃，右峰的温度灵敏度为0.578nm/℃。

(a) (b)图4(a)纤芯模传输损耗曲线，(b)耦合波长漂移

(二)磁场特性。缺陷孔中填充磁流体的折射率—磁场系数为3.4187e-4/mT。当T=20℃，H从0mT变化到60mT时，光纤的基模传输损耗随波长变化的关系曲线如图5所示。其中，图5(a)为纤芯模与垂直方向缺陷模的耦合，图5(b)为纤芯模与水平方向缺陷模的耦合。

(a) (b)图5 纤芯模传输损耗曲线：(a)左峰，(b)右峰

耦合波长漂移情况如图6所示，从图中拟合可得，在0mT～60mT的磁场范围内，左峰的磁场灵敏度为-2.143nm/mT，右峰的磁场灵敏度为-2.32nm/mT，并在一定范围内保持很好的线性度。

图6 耦合波长漂移

四、结语

设计了一种高灵敏度的基于SPR效应的PCF结构温度、磁场复合型传感器，并利用全矢量有限元法对温度和磁场的传感特性进行计算与分析。当空气孔检测通道中填充了磁流体后，可作为耦合通道并通过测量共振损耗峰的偏移量来确定被测物理量的变化。数值模拟结果表明，本设计中的5层空气孔结构可实现较高的测量灵敏度，并具有较高的测量稳定性。本文的理论研究结果可对实际的PCF传感器的制作进行指导。