基于H 型结构光纤SPR 的折射率传感研究

陈致远， 董兴法， 刘志伟

（苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009）

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）技术是光纤传感领域的新兴技术。它的原理是将金属薄膜镀在纤芯表面，当入射光接入光纤时在金属-纤芯表面处激发表面等离子体波[1]。 SPR 技术因其灵敏度高、响应时间短以及检测实时等优点在医学诊断、环境监测和生物化学研究中有广泛应用[2]。

基于SPR 技术的传感光纤设计成为了当前的研究热点。2011 年，Xia Li 等人[3]首次在理论上提出了一种双通道SPR 传感器用于测量硅油的折射率变化，该传感器的灵敏度较传统（非SPR）偏振光纤传感器提高了约40 倍。2012 年，蒋奇等人[4]设计制作了基于倾斜光纤光栅的SPR 浓度传感器，通过实验证明了镀金后的倾斜光栅折射率传感灵敏度较未镀金时有显著提高。 2018 年，Jing J Y 等人[5]设计了碳纳米管沉积金薄膜光子晶体光纤SPR 传感器，在提高灵敏度的同时有着极其优异的生物相容性，对牛血清白蛋白的测量有很好的效果。 2019 年，Kamkar A 等人[6]提出了H 型SPR 传感器并研究了不同金属镀膜后的传感效果，在波长为320～620 nm 时镀银H 型SPR 传感器最高灵敏度为2.17×104nm·RIU-1。这种H 型SPR 传感器展示了其优越的传感性能，但仍存在一些问题。首先，制作比较困难，直接在纤芯外镀金属后再敷上包层，需要特殊的工艺；其次，H 型SPR 传感器破坏了光纤本身的物理结构，过大的分析层和空气孔使光纤易折易断，不适应现实传感时的复杂环境。

基于原有的H 型SPR 传感器，改进设计了一种结构简单、制造方便、 抗弯抗折以及能够适应复杂情况的高灵敏度新型H 型SPR 传感器。 该传感器使用金属有机框架（Metal organic Framework，MOFs）结构增大分析层与溶液的接触面积，减小空气孔的体积以提高光纤传感器的机械强度。

1 理论分析及结构设计

设计的新型H 型SPR 传感器截面如图1 所示， 首先使用传统的纤芯-包层结构，这样可以通过成熟的制棒拉丝工艺[7]制作。 其次，在上下分别打孔，采用电介质-金属-电介质（Dielectric-Metal-Dielectric，DMD）结构[8]制作SPR 传感区域，这种结构可以通过改变金属层和电解质层的厚度获得更高、更窄、强度相近的等离子体峰，使光纤传感器在更广的波长区域工作，有利于提高传感器的灵敏度。 截面中纤芯半径为4 μm，包层半径为40 μm。

图1 新型H 型SPR 传感器截面图

该结构中背景材料为二氧化硅，其折射率可以用色散方程求解

这里n（λ）为不同波长下二氧化硅的有效折射率，色散方程系数为：B1=0.696 166 3，B2=0.407 942 6，B3=0.897 479 4，C1=4.68×10-3μm2，C2=1.35×10-2μm2，C3=97.92 μm2。 在波长为1.525 μm～1.564 μm 时，二氧化硅的有效折射率为1.442 6～1.443 6。 在DMD 结构中，金属层的介电常数ε 可以通过Drude-Lorentz 模型近似表示

其中，Pin是光源输入的光功率，Pout是透过光纤的光功率。 不同光纤对同种液体折射率变化的敏感程度不同，所以灵敏度Sλ是评价光纤传感效果优劣的重要指标。 其计算方法如下

其中，△λpeak为波长峰值的变化量，△na为被测溶液折射率的变化量，Sλ单位为nm·RIU-1。 通过该式计算不同光纤传感器在溶液折射率变化时的灵敏度。

2 数值模拟及结果分析

文中采用基于有限元方法的COMSOL 5.6 软件进行仿真， 通过在电磁波和频域两个方面计算极化解得所有结果。绘制完光纤几何特性后，在光纤最外层设置散射边界条件，避免边界不必要的散射。为了得到更精确的仿真结果、提高收敛性和减小误差，使用用户自定义的网格，光纤芯层的最大尺寸为λ/5 （λ 为工作波长），介质层的最大尺寸为dd/8（dd为电介质层厚度），金属层的最大尺寸为dm/10（dm为金属层厚度）。 采用宽度为0.3 μm，最大网格尺寸为λ/5 的笛卡尔完美匹配层。这样的配置为传感器的仿真结果精度提供了保障。

2.1 模式分析

首先从麦克斯韦方程入手，通过电磁分离、时空分离、纵横分离之后得到光纤的本征值方程。 然后将新型H 型SPR 传感器的边界条件代入方程，使用COMSOL 进行基于有限元方法的模式分析。 对于子午光线而言，光纤传播不会激发SPR，其模式为基模，如图2 所示。 在一定的入射角度下，光动量[10]与表面等离子体波匹配就会发生共振，反射光强度降低，这个角度称为共振角，这种模式称为表面等离子体极化（SPPs，Surface Plasmon Polaritons）模式。当入射光角度过大，不满足全反射条件时，就会在纤芯-包层处产生折射，光线泄露到包层称为泄露模。 在SPR 传感时三种模式均存在，但只有基模和SPPs 模式对传感有意义。

图2 新型H 型SPR 传感器的基模

不同材料制作的金属层由于折射率不同会产生不同的模式。 文中就对金、银、铝、钛四种金属进行仿真，结果如图3 所示。在入射光为1.525 μm～1.565 μm 时，4 种金属基模差别不大。因为钛的折射率比较大，入射光大部分泄露到包层，不能在金属层形成稳定的SPPs 模式。剩下的3 种金属中，铝的SPPs 模式结构最清晰，激发效果最好，文中将使用铝作为金属层，制作新型H 型SPR 传感器。

图3 金、银、铝、钛的基模和SPPs 模式

2.2 透射功率谱分析

根据透射功率表达式，可以绘制出不同波长下两种光纤传感器的透射功率谱。 图4 所示的是空气中的透射功率谱，可以看出新型H 型SPR 传感器的初始波峰较为靠前。 图5 所示的是加入0.33 g·mL-1氯化钠溶液（n=1.37）时的透射功率谱，可以看出新型H 型SPR 传感器的截止波峰较为靠后。 SPR 传感的依据是不同折射率的待测物体引起波峰的红移，通过测量波峰位置变化间接测量溶液折射率变化。 两种SPR 传感都能满足折射率传感要求，但新型H 型SPR 传感器有更广的波峰变化范围。

图4 当分析物为空气（n=1）时的透射功率谱

图5 当分析物为0.33 g·mL-1 的氯化钠溶液（n=1.37）时的透射功率谱

对特定折射率的氯化钠溶液进行仿真，分析两种传感器透射功率特性。 图6 为原H 型SPR 传感器的透射功率谱，随着折射率增长，波峰红移现象存在，但在n=1.35 和n=1.36 两个折射率情况下，波峰比较接近，有混叠的可能。 图7 处显示的是新型H 型SPR 传感器的透射功率谱，随着折射率增长，新型H 型SPR 传感器的波峰红移现象非常明显。 由于波峰分布较广，一种折射率的波峰与其他折射率的波峰间隔较远，不易产生混叠，提高了传感精度。

3 实验测试

根据图6、图7 中两种光纤的透射功率变化，可以计算出在折射率为1.33～1.37 时，原H 型SPR 传感器平均灵敏度为350 nm·RIU-1， 新型H 型SPR 传感器平均灵敏度为525 nm·RIU-1。 在仿真模型中新型H 型SPR 传感器灵敏度提升了175 nm·RIU-1，接下来通过实验测试两种光纤的灵敏度。

图6 折射率为1.33～1.37 时原H 型SPR 传感器透射功率谱

图7 折射率为1.33～1.37 时新型H 型SPR 传感器透射功率谱

搭建光纤折射率测试平台如图8 所示，通过单模光纤连接整套系统。 使用的光源为飞秒光纤激光器[11]，工作波长是（1 550±30） nm。 光纤放置在使用惰性材料制成的溶液腔内。 利用光谱分析仪中记录折射率变化时透射功率谱的变化，将数据传输到电脑端处理。 具体实验步骤：首先，准备5 份100 mL 的蒸馏水和100 g纯净的氯化钠粉末。通过阿贝折射率仪，分别配制折射率为1.33、1.34、1.35、1.36 和1.37 的氯化钠溶液备用。将其中一份氯化钠溶液放入溶液腔中，使被测光纤与溶液充分接触，打开光源和光谱分析仪，得到该折射率下的透射功率谱，保存在电脑端。 然后关闭光源和光谱分析仪，取下溶液腔，将其中的溶液倒出，并用蒸馏水洗净，这样为一次完整的折射率实验。重复10 次后，得到各个折射率下两种光纤传感器的透射功率谱，将n=1.33 处的波峰位置记为初始位置，整理数据得到溶液折射率与波长峰值漂移量线性拟合曲线，如图9 所示。

图8 光纤折射率测试平台

在图9 中，波长峰值漂移量与溶液折射率变化量的比值就是光纤传感的灵敏度。 对实验结果进行处理，可以得到在折射率为1.34～1.35 处，新型H 型SPR 传感器灵敏度提高了86 nm·RIU-1；在折射率为1.36～1.37处，新型H 型SPR 传感器灵敏度提高了376 nm·RIU-1；在折射率为1.33～1.37 的变化中，平均灵敏度提高了168 nm·RIU-1。 实验证明了新型H 型SPR 传感器在溶液折射率为1.33～1.37 的范围内提高了传感的灵敏度，满足了对溶液折射率微小变化测量的要求。

图9 溶液折射率-波长峰值漂移量线性拟合曲线

4 结语

基于MOFs 结构对原H 型SPR 传感器进行改良，设计了新型H 型光纤SPR 传感器。 通过不同金属的模式分析，发现金属层为铝时SPPs 极化效果最好。 通过透射功率谱分析，新型H 型SPR 传感器具有波峰变化范围广、传感精度高等优点。在灵敏度方面，通过实验测量，在溶液折射率为1.33～1.37 范围内，新型H 型SPR传感器平均灵敏度较原H 型SPR 传感器提高了168 nm·RIU-1。该文探索了光纤结构和镀膜金属种类对SPR传感的影响，为进一步优化溶液折射率传感器灵敏度和稳定性提供了一种新思路。